Лекция1Современное представление о сущности жизни ЛЕКЦИЯ 1. БИОЛОГИЯ как НАУКА о ЖИВОЙ ПРИРОДЕ. ЧЕЛОВЕК - ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ОБЪЕКТ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ и МЕДИЦИНЫ. ЖИЗНЬ и ее СВОЙСТВА. УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИЗНИ. • • ПЛАН ЛЕКЦИИ: 1. БИОЛОГИЯ как НАУКА – ПРЕДМЕТ и МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, ИДЕИ ОБЩЕГО ПОРЯДКА, МЕТОДОЛОГИЯ. БИОЛОГИЯ и МЕДИЦИНА: ТОЧКИ СОПРИКОСНОВЕНИЯ. • 2. ЖИЗНЬ как ФЕНОМЕН МАТЕРИАЛЬНОГО МИРА. ПОПЫТКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ. СВОЙСТВА ЖИЗНИ как ОСОБОГО ЯВЛЕНИЯ. • 3. ВСЕОБЩИЕ (ОБУСЛОВЛЕННЫЕ СТРУКТУРОЙ ЭВОЛЮЦИОННОГО ПРОЦЕССА) УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИЗНИ. • 4.ОСНОВНЫЕ СТРУКТУРНЫЕ КОМПАНЕНТЫ КЛЕТКИ • 5.СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИЯ КЛЕТОЧНОЙ МЕМБРАНЫ БИОЛОГИЯ (греч., bios – жизнь; logos – слово, учение) – НАУКА о ЖИЗНИ как ОСОБОМ ЯВЛЕНИИ во ВСЕХ ее ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ ПРОЯВЛЕНИЯХ. ТЕРМИН ВВЕДЕН в 1809 г. Ж.Б.ЛАМАРКОМ и Г.ТРЕВИРАНУСОМ. I. ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ: 1. ЖИЗНЬ 2. ЖИЗНЬ 3. ЖИЗНЬ как ОСОБОЕ ЗНАКОВЫХ ЕСТЕСТВ. ЯВЛЕНИЕ БИОЛОГИЧ. ГРУПП ЕДИНИЦ ОРГАНИЗ(ГЕН, КЛЕТКА, МОВ ОСОБЬ) (ПОПУЛЯЦИЯ, ВИД) • 4. ЖИЗНЬ ИСТОРИЧ. СЛОЖИВШ. СООБЩЕСТВ ОРГ-ОВ РАЗНЫХ ВИДОВ (БИОЦЕНОЗ) Биология человека 2.ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ: ЖИЗНЬ ЧЕЛОВЕКА как биологического объекта (биологические механизмы развития и жизнеобеспечения). ОСОБЕННОСТЬ жизни человека, как биологического вида – человек рождается со способностью освоить программу культурного (социального) наследования, т.е. с готовностью стать общественным, трудящимся, мыслящим существом. ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ биологии человека ЖИЗНЬ ЧЕЛОВЕКА как биологического объекта изучает комплес естественно-научных дисциплин, которые можно назвать как комплексную медицинскую дисциплину: БИОМЕДИЦИНА – неформальное соединение знаний представителей различных отраслей фундаментальной науки и медицины с целью решения конкретных задач практического здравоохранения. ОСОБЕННОСТЬ исследований – в результате получаем готовый для использования в практике здравоохранения продукт ,который появляется в научных лабораториях. СПОСОБЫ (МЕТОДЫ) ИССЛЕДОВАНИЯ В БИОЛОГИИ 1. НАБЛЮДЕНИЕ: 1а. Невооруженным глазом или с использованием оптических и иных приборов (лупа, микроскоп, электронный микроскоп, дифференциальное центрифугирование, рентгеноструктурный анализ); 1б. Визуализация живых структур и процессов (методы лучевой диагностики – рентген, УЗИ, томографии). 2. ЭКСПЕРИМЕНТ: • 2а. In Vivo – используется живое существо. Особенность – этические проблемы; • 2б. In Vitro – используются живые биологические объекты (клетки, ткани, органные структуры), выращиваемые вне организма в условиях культуры. Особенность – проблемы интерпретации; • 2в. Природные “эксперименты” – мутации (закон гомологичных рядов Н.И.Вавилова), уродства. • 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ: • 3а. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ; • 3б. КОМПЬЮТЕРНОЕ (дизайн лекарств, в т.ч. на наноносителях); • 3в. БИОЛОГИЧЕСКОЕ (создание живых форм (клеток, организмов) с заданными свойствами технологии knock in, knock out и др.). III. ИДЕИ ОБЩЕГО ПОРЯДКА – • 1. ЭВОЛЮЦИОННОЕ УЧЕНИЕ (ВКЛЮЧЕННОСТЬ ЖИВЫХ ФОРМ в ПРОЦЕСС ИСТОРИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ ЗЕМЛИ); • 2. КЛЕТОЧНАЯ ТЕОРИЯ (КЛЕТКА – ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ЕДИНИЦА ЗЕМНОЙ ЖИЗНИ); • 3. ПРИНЦИП ЭКОСИСТЕМЫ (ЖИЗНЬ – ВСЕГДА СООБЩЕСТВО ОРГАНИЗМОВ РАЗНЫХ ВИДОВ); • 4. ЖИВЫЕ ФОРМЫ как САМООРГАНИЗУЮЩИЕСЯ СИСТЕМЫ (ОСОБЕННОСТИ ТЕРМОДИНАМИКИ); • 5. ТЕОРИЯ ОНТОГЕНЕЗА (РЕАЛИЗАЦИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ БИОИНФОРМАЦИИ в ФЕНОТИП в процессе онтогенеза). ОСНОВЫ СУЩЕСТВОВАНИЯ и СОСТАВЛЯЮЩИЕ СТРАТЕГИИ ЖИЗНИ как ЯВЛЕНИЯ – 1. ПРИСПОСОБЛЕНИЕ: особь, популяция, вид, экосистема, механизмы и факторы эволюции и коэволюции, приспособления и приспособленность; • 2. ПРОГРЕСС: биологический, морфофизиологический, неограниченный, биотехнологический (но, биологический регресс); • 3. СУЩЕСТВОВАНИЕ в СОСТАВЕ СООБЩЕСТВА. ИНДИВИДУАЛЬНОЕ РАЗВИТИЕ и ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ЧЕЛОВЕКА ОПРЕДЕЛЯЮТСЯ следующими СОСТАВЛЯЮЩИМИ: • 1. БИОЛОГИЧЕСКОЙ – ОБЩЕБИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ РАЗВИТИЯ и ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ • 2. СОЦИАЛЬНОЙ – ИМЕННО СОЦИАЛЬНЫЕ ФАКТОРЫ ОБЩЕСТВЕННОЕ УСТРОЙСТВО, ПРОИЗВОДСТВО, ТРУД, ИНТЕЛЛЕКТ, НАУКА ОБЕСПЕЧИВАЮТ ВЫЖИВАНИЕ и БЛАГОПОЛУЧИЕ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА, • 3. ДУХОВНОЙ – ОСОЗНАНИЕ СИСТЕМЫ ЖИЗНЕННЫХ ЦЕННОСТЕЙ, ПРИНАДЛЕЖНОСИ к ДУХОВНОЙ “НИШЕ” (ЭТНОСУ, РЕЛИГИИ, НАЦИОНАЛЬНОСТИ, НАЦИИ). • ПРИМЕЧАНИЕ: ОСОБЕННОСТЬ БИОЛОГИЧЕСКОГО в ЧЕЛОВЕКЕ – ОНО ДЕЙСТВУЕТ в УСЛОВИЯХ СОЦИАЛЬНОГО. • 1. ОСОБЕННОСТЬ БИОЛОГИЧЕСКОГО в ЧЕЛОВЕКЕ СОСТОИТ в том, что ОНО ПРОЯВЛЯЕТ СЕБЯ в УСЛОВИЯХ ДЕЙСТВИЯ СОЦИАЛЬНЫХ ЗАКОНОВ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ и ИСТОРИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ; • 2. НЕКОТОРЫЕ БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ, РАБОТАЯ в среде ЛЮДЕЙ, ПРИВОДЯТ к НЕТИПИЧНЫМ для МИРА ЖИЗНИ РЕЗУЛЬТАТАМ: среди млекопитающих ТОЛЬКО ЧЕЛОВЕК РОЖДАЕТСЯ СПОСОБНЫМ к ОСВОЕНИЮ ПРОГРАММЫ КУЛЬТУРНОГО (СОЦИАЛЬНОГО) НАСЛЕДОВАНИЯ, делающего его ОБЩЕСТВЕННЫМ, МЫСЛЯЩИМ, ТРУДЯЩИМСЯ СУЩЕСТВОМ; • 3.ЧЕЛОВЕЧЕСТВО ОТЛИЧАЕТСЯ ВЫСОКИМ УРОВНЕМ генотипической и фенотипической ИЗМЕНЧИВОСТИ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЖИЗНИ как ЯВЛЕНИЯ: 1.ПО ХАРАКТЕРНОМУ СВОЙСТВУ: - АРИСТОТЕЛЬ - питание,рост и одряхление, - Г.ТРЕВИРАНУС - единообразие процессов при различии внешних условий, - М.БИША - совокупность функций, сопротивляющихся смерти, - И.П.ПАВЛОВ - сложная химическая функция); 2. СУЩНОСТНЫЕ: -Ф.ЭНГЕЛЬС - способ существования белковых тел, А.И.ОПАРИН -особая очень сложная форма движения материи, В.И.ВЕРНАДСКИЙ и ряд др. исследователей - способ стабилизации планетарных геохимических круговоротов). • 3. ОПИСАТЕЛЬНОЕ определение: ЖИЗНЬ - открытая, гомеостазированная, высокоорганизованная иерархическая система с нарастающей во времени сложностью форм. Представлена дискретными самоорганизующимися единицами разного уровня, способными к согласованным изменениям, которые управляются естественным отбором на основе матричного синтеза с информационным шумом углеродсодержащих биополимеров. Земная жизнь – неотъемлемая и наиболее активная составляющая планетарных вещественноэнергетических циклов, ядро упорядоченности в менее ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЖИЗНИ • 1. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ (анаболизм, ассимиляция и катаболизм, диссимиляция); • 2. Универсальное для всей сферы жизни промежуточное ЗВЕНО (ИНТЕРМЕДИАТ) между КАТАБОЛИЗМОМ и АНАБОЛИЗМОМ – АТФ; • 3. ОТКРЫТОСТЬ живых систем в ВЕЩЕСТВЕННОЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ ПЛАНЕ; • 4. УПОРЯДОЧЕННОСТЬ процессов во ВРЕМЕНИ и в ПРОСТРАНСТВЕ. СВОЙСТВА ЖИЗНИ – • 5. НАЛИЧИЕ ГЕНОТИПА и ФЕНОТИПА; • 6. НАЛИЧИЕ ОНТОГЕНЕЗА (процесса индивидуального развития); • 7. живые формы - саморегулирующиеся (КИБЕРНЕТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА); • 8. СПОСОБНОСТЬ протоплазмы ВЫПОЛНЯТЬ РАБОТУ (механическую, химическую, осмотическую, регуляторную); • 9. существование в виде СООБЩЕСТВ; • 10. включенность в процесс ЭВОЛЮЦИИ. УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИЗНИ Уровень Структура 1. МОЛЕКУЛЯРНОГЕНЕТИЧЕСКИЙ; ГЕН 2. КЛЕТОЧНЫЙ КЛЕТКА; 3. ОРГАНИЗМЕННЫЙ (ОНТОГЕНЕТИЧЕСКИЙ) ОСОБЬ 4. ПОПУЛЯЦИОННОПОПУЛЯЦИЯ 5. БИОГЕОЦЕНОТИЧЕСКИЙ БИОГЕОЦЕНОЗ 6.БИОСФЕРНЫЙ БИОСФЕРА БИО-СОЦИАЛЬНЫЕ и НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ ЗДОРОВЬЯ МЕДИЦИНСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ возможности диагностики, коррекции, сохранения и приращения здоровья САНОЛОГИЯ – здоровье здоровых, его охрана, укрепление, умножение, воспроизводство. ПАТОЛОГИЯ – сущность болезненных процессов, закономерности их возникновения, содержание, динамика. 1. ЕВА и АДАМ - индивидуальность (особь, личность) и неразделимость (популяция, семья, социум), 2. РАЙ - окружающая среда и условия жизни, 3. ДЕРЕВО ПОЗНАНИЯ, ЗМЕЙ – рекомендуемый и принимаемый образ жизни, 4. ПЛАНЕТА и ЛЮДИ НЕ ДОЛЖНЫ БЫТЬ “НАГИМИ” – здравоохранение, государство, общественные институты. ОСНОВНЫМИ СТРУКТУРНЫМИ ЕДЕНИЦАМИ ЛЮБОЙ ЭУККРИОТЧЕСКОЙ КЛЕТКИ ЯВЛЯЮТСЯ: • • • Мембрана Ядро Цитоплазма МЕМБРАНА, строение и основные функции Строение мембран МЕМБРАНА Рассмотрим сначала, что есть общего у всех без исключения клеток: это внешняя клеточная мембрана, или плазмалемма, которая отграничивает клетку от внешней среды, часто наряду с клеточной стенкой. Однако клеточная стенка есть только у прокариот, растений и грибов, тогда как у животных ее нет. А мембрана присутствует всегда. Толщина клеточной мембраны – 5–7 нм. (микрометр – это одна тысячная миллиметра, а нанометр – одна тысячная микрометра). • Мембрана – это оболочка с весьма примечательными свойствами. Она не имеет постоянной формы, а ограничиваемое ею пространство – постоянного объема, и, вообще-то говоря, она жидкая, хотя и вязкая. Она ограничивает внутренний объем клетки силами поверхностного натяжения, которые существуют благодаря тому, что «жидкость» мембраны образована другой фазой – гидрофобной, не смешивающейся с водными растворами. • . Ее основу составляют уже знакомые нам фосфолипиды – вещества с длинным двойным неполярным и, следовательно, гидрофобным хвостом и полярной головкой Химический состав мембраны • Фосфолипиды выстраиваются в два слоя – хвостами внутрь, головами наружу. Это называется липидный бислой. Их хвосты образуют ту самую несмешивающуюся с водой фазу – гидрофобную пленку, а головы ориентированы к водной среде снаружи и внутри клетки. • В водной среде фосфолипиды всегда располагаются в виде бислоя и образуют пузырьки. Это свойство обеспечивает замкнутость клеточной мембраны: если ее целостность нарушить, то она тут же восстанавливается. БЕЛКИ • Белки, локализованные на мембране, заякориваются в гидрофобном слое фосфолипидных хвостов, а их гидрофильные как правило, реакционноспособные части торчат внутрь и наружу клетки. При этом белок, погруженный в мембрану, за счет гидрофобного взаимодействия с фосфолипидами имеет совсем другую конформацию, чем тот же белок в водной среде. Участки некоторых белков пронизывают мембрану насквозь. Это так называемые трансмембранные белки • Иногда белки в виде белковых комплексов образуют – поры. • Вода и растворенные в ней простые вещества могут проникать через мембрану сквозь систему гидрофильных белков и пор – путем диффузии. Направление диффузии таково, что вещества идут из области с большей их концентрацией в область с меньшей. Это движение происходит – по градиенту концентрации, или по химическому градиенту. • Если вещества заряжены, то имеет значение и электрическое поле. Разные стороны клеточной мембраны могут иметь разный заряд, и это влияет на диффузию заряженных веществ – они идут по электрохимическому градиенту. В живой клетке обязательно присутствует определенное избыточное давление- это осмотическое давление. Природа его такова: во внутриклеточной среде в растворе находится довольно много гидрофильных веществ – полярных органических веществ (например, сахара) и ионов (органические кислоты, аминокислоты и соли). Вода имеет сродство к ним за счет своего дипольного момента и водородных связей. По этой причине каждая такая молекула гидратируется, окаймляется максимально большим количеством рыхло связанных с ней молекул воды. Как следствие вода притягивается к гидрофильным молекулам в клетке, накапливается внутри нее и создает там избыточное давление. • В клетке поддерживается такая концентрация гидрофильных веществ, чтобы некоторое осмотическое давление имело место быть , но не такое сильное, чтобы оно могло разорвать клетку. СРЕДЫ и реакция клетки в них: Гипотоничный раствор • Если клетки поместить в среду, где концентрация гидрофильных веществ вне клетки будет существенно меньше, чем внутри (такая среда называется гипотоничной), то клетка в такой среде начнет разбухать, пока не лопнет, вследствие того что фосфолипидов мембраны не хватит на всю ее поверхность. Гипертоничная среда • Если же концентрация гидрофильных веществ во внешней среде будет выше, чем в клетке, т. е. среда будет гипертоничной, то клетка в этой среде начнет терять воду и сдуется(сморщивается). Изотоничный раствор • Может быть, вам знакомо такое понятие – физраствор. Это раствор поваренной соли, изотоничный внутренней среде организма, т. е. крови. В нем содержится ровно столько соли, чтобы живые клетки не набухали и не сдувались, а их внутреннее осмотическое давление всегда слегка превосходило осмотическое давление раствора. • ОДНОЙ ИЗ ВАЖНЫХ ФУНКЦИЙ МЕМБРАН ЯВЛЯЕТСЯ ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ В КЛЕТКУ И ИЗ НЕЁ. Эта функция осуществляется разными путями: • ПАССИВНЫЙ ТРАНСПОРТ(простая и облегченная диффузия) • АКТИВНЫЙ ТРАНСПОРТ Это движение происходит через специальные Белки котранспортеры,которые позволяют дрг гой молекуле, обычно органической, двигаться против градиента концентрации внутрь клетки. Обратное движение этих ионов осуществляется с помощью зависимых АТФаз, которые работают против электрохимического градиента с использованием энергии расщепления АТФ. Пути поступления веществ Пассивный транспорт(диффузия) • липиды могут проникать в клетку путем диффузии непосредственно сквозь фосфолипидный слой. Облегченный транспорт(облегченная диффузия) Большая часть сложных веществ, включая, между прочим, и жирные кислоты с углеводородными цепочками свыше 10 атомов углерода, обмениваются через клеточную мембрану посредством специальных транспортных белков. Часть таких переносов проходит самопроизвольно и называется облегченным транспортом через мембрану, Активный транспорт • Перенос, который требует затраты энергии, за счёт гидролиза молекулы АТФ – это– активный транспорт. • Если скорость диффузии зависит только от разности концентрации самого вещества, • то скорость облегченного и активного транспорта – также зависит и от концентрации транспортного белка в мембране, (белков пермиаз) • а скорость активного транспорта – еще и от концентрации АТФ. Активный транспорт • Каков механизм поступления достаточно простых молекул, ионов калия и натрия за счет диффузии,т.е. по градиенту своей концентрации наружу и внутрь соответственно.Причем ионы калия делают это в десятки раз быстрее чем натрия: атом калия больше по диаметру и за счет этого его ион меньше притягивает воду, поэтому он менее гидратирован, т. е. окружен меньшим количеством прилипших к нему молекул воды) и как следствие, эффективный диаметр иона калия в воде меньше, чем иона натрия. • Активным транспортом переносятся не только «тяжелые грузы» – крупные и сложные органические молекулы. НО до 30 % всей энергии клеткой затрачивается на поддержание разности концентраций внутри и снаружи неорганических ионов. Наиболее известный случай – это так называемый натрий-калиевый насос,т.е. сопряженный перенос ионов К и Na • Концентрация калия в наших клетках составляет около 100–150 ммоль, а в крови и плазме – в 30 раз меньше, всего около 5 ммоль. • Концентрация натрия, наоборот, составляет 10–20 ммоль внутри и в 15 раз больше – около 145 мм – вовне. • Натрий-калиевый насос необходим для того, чтобы выкачивать эти ионы обратно, против градиента концентрации, тем самым поддерживая это далекое от равновесия со средой состояние клетки. • НО перенос этих ионов не является самоцелью – разница в концентрациях этих ионов используется в самых различных процессах: например в организации транспорта глюкозы в клетку. Имеется белок – насос, который перекачивает глюкозу. Это некий трансмембранный белок, имеющий центр, связывающий молекулу глюкозы. Этот белок имеет два состояния: «пинг» – когда он открыт внутрь клетки, и «понг» – когда он открыт наружу. Причем белок переключается между этими состояниями случайным образом и безо всякой затраты энергии. • Однако центр связывания устроен таким образом, что сила связывания молекулы глюкозы напрямую зависит от присутствия ионов натрия в среде. Соответственно молекула глюкозы прочно связывается с белком при большой концентрации ионов натрия, и непрочно – при маленькой. В состоянии «понг» белок открыт наружу клетки, где концентрация натрия гораздо выше, чем внутри. Поэтому в этом состоянии он преимущественно связывается с глюкозой. Если после этого он перейдет в состоянии «пинг» и откроется внутрь клетки, где натрия мало, молекула глюкозы тут же отсоединится от него. Котранспорт • Кроме того, бывают случаи так называемого котранспорта – когда транспорт одного вещества через мембрану непременно связан с транспортом другого вещества, в том же самом или в противоположном направлении, т.е. транспортный белок фактически обменивает одно вещество на другое по разные стороны мембраны. СХЕМА КОТРАНСПОРТА Некоторые белки функционируют как котранспортные системы, в которых перенос одного растворенного вещества зависит от одновременного или последовательного переноса другого вещества либо в том же направлении либо в противоположном. ВИДЫ КОТРАНСПОРТА: Унипорт (Uniport) — транспорт в градиентном(одном) напра влении одного вещества . Симпорт (Symport) транспорт в градиентном направлени не скольких веществ. Антипорт (Antiport) — транспорт в нескольких направлениях н ескольких веществ. • Унипорт (Uniport) один из типов активного транспорта, происходящего в живом организме, при котором ион или молекула вещества перемещается в одном направлении в зависимости от градиента концентрации. При этом виде активного транспорта переносчик функционирует только по отношению к молекулам или ионам одного вида . Симпорт —(Symport) парный транспорт двух различных органических молекул или ионов через мембрану клетки благодаря активному транспорту, осуществляемому специфичными белками котранспортерами. расположенными внутри мембраны Хорошо изученный пример симпорта котранспорт глюкозы и ионов натрия в клетки кишечного эпителия из просвета кишечника. Белокпереносчик, осуществляющий симпорт глюкозы и натрия, локализован наапикальной поверхности энтероцитов. Некоторые белки функционируют как котранспортные системы, в которых перенос одного растворенного вещества зависит от одновременного или Последовательного переноса другого вещества либо в том же направлении либо в противоположном. • Антипорт (Uniport) перенос другого вещес тва в противоположном направлении. Например, натрий-калиевый насос в эукариотических плазматических мембранах работает по принципу антипорта, качая ионы натрия изклетки, а ионы калия — внутрь клетки.