Введение в биологию Учебное пособие


НазваниеВведение в биологию Учебное пособие
страница1/14
Дата публикации18.03.2013
Размер2.06 Mb.
ТипУчебное пособие
userdocs.ru > Биология > Учебное пособие
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   14
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНСТИТУТ ЦИТОЛОГИИ И ГЕНЕТИКИ СО РАН

Высший коледж информатики НГУ

Н.А.Попова

Введение в биологию

Учебное пособие

Новосибирск 2002

ВВЕДЕНИЕ
Стремительное развитие биологической науки в 20 веке ознаменовано разработкой принципиально новых методов исследования, направленных на изучение геномов. К ним относятся, прежде всего, технология рекомбинантных ДНК, включающая методы рестрикции ДНК на фрагменты, клонирование генов и клонирование кДНК, создание зондов для гибридизации, полимеразную цепную реакцию, секвенирование ДНК. Прогресс связан с автоматизацией многих методов исследования, созданием робототехники, компьютерных программ и соответствующего математического аппарата.

Созданы мощнейшие международные банки данных о последовательности нуклеотидов в ДНК разных организмов и о последовательности аминокислот в белках. Любой специалист может воспользоваться этой информацией. Эти достижения во многом обусловлены выполнением Международной программы “Геном человека”.

Прочитана ДНК десятка видов вирусов, бактерий, грибов, а также ряда многоклеточных организмов – арабидопсиса, нематоды, дрозофилы, полным ходом идет секвенирование ДНК риса, кукурузы, пшеницы. В начале 21 века торжественно было возвещено о расшифровке генома человека.

Появление технологии клонирования гена и переноса его в любой другой организм в составе реплицирующегося вектора позволило создавать организмы, которых на Земле не существовало. Эти методы обеспечили возможность манипулировать генами, хромосомами и геномами. На наших глазах современная биология превращается в науку, которая дала начало новым технологиям, преобразующим производство. В результате были созданы трансгенные микроорганизмы, растения и животные. Эти биотехнологические достижения можно сравнить с выходом человека в космос и с высадкой на Луну.

Биотехнология поистине стала производительной силой. Основную долю продуктов, созданных на основе генетической инженерии, составляют биопрепараты, получение которых другими путями затруднено и дорого. Так получены инсулин, интерферон, эритропоэтин, факторы роста и другие, необходимые для лечения людей лекарственные препараты.

Развитие биотехнологии растений привело к конструированию растений с новыми полезными признаками – устойчивые к инсектицидам и гербицидам, растения, производящие белки животного происхождения. В качестве пищевых вакцин используются растения, производящие бактериальные или вирусные антигены.

В связи с развитием методов молекулярной биологии возникли новые направления в области медицины – генная диагностика и генная терапия. Стало возможным с высокой точностью диагностировать наследственные и ненаследственные заболевания, определять звенья развития патологии на уровне генов. Появилось и совершенно новое направление медицины, тесно связанное с молекулярной биологией – генная терапия.

С развитием генных биотехнологий возникают морально-этические аспекты их применения, а также проблема биологической безопасности, которые беспокоят не только ученых, но и всю мировую общественность.
^ Глава 1. КЛАССИФИКАЦИИ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ
Нас окружает огромный мир живых существ – растений, грибов, животных и микроорганизмов. Все они – результат органической эволюции, создавшей удивительное биоразнообразие, включающее тысячи видов, разнообразие внутри каждого вида и разнообразие биоценозов. Таким образом, на любом уровне биологической организации – от генов до биоценозов наблюдается колоссальное биоразнообразие. Биоразнообразие эволюционирует - исчезают какие-то виды, ученые открывают новые. Поэтому построение естественной системы органического мира является непрерывным процессом. Исследования в этой области постоянно углубляются и усложняются.

Классификация современного органического мира представляет собой отдельный раздел биологии, в задачи которого входит упорядоченное иерархическое расположение категорий организмов. Этот раздел биологии называется таксономией (от греческого taxis – закон, строй, расположение). Благодаря классификации, разнообразие мира предстает не как хаотическое нагромождение организмов, а как определенным образом упорядоченная система, изменяющаяся от простого к сложному. Систему органического мира изображают в двух основных вариантах : в виде родословного древа, ветви которого связаны родственными отношениями и соответствуют различным таксонам, или как перечень таксонов в иерархической последовательности. В настоящее время принята следующая классификация организмов по сложности строения (Рис. 1). Существует классификация организмов по тому, что они используют в качестве источника углерода для построения своих структур и откуда берут энергию для всех процессов жизнедеятельности. Организмы, которые используют СО2 как единственный источник углерода, называются автотрофами. Автотрофы - это все зеленые растения, водоросли и ряд бактерий. Они являются первичными продуцентами органического вещества в биосфере и образуют первый трофический уровень в сообществах организмов. От них зависит существование всех других организмов на Земле и протекание биогеохимических циклов в круговороте веществ в природе. В противоположность этим организмам, гетеротрофные организмы используют в качестве источника углерода экзогенные органические вещества, из них же они черпают и энергию. К этой группе организмов относятся животные, грибы, бесхлорофильные наземные растения и водоросли и большинство бактерий. Гетеротрофы разлагают вещества, синтезированные автотрофами, вместе с которыми образуют единую биологическую систему, связанную трофическими отношениями.
Две империи
Доклеточные Клеточные
Два надцарства
Прокариоты Эукариоты




Пять царств

Бактерии Археи Растения Грибы Животные
Рис. 1. Классификация организмов по сложности строения
Главным источником энергии для живущих на Земле является энергия Солнца. Ее используют организмы, способные к фотосинтезу и называемые фототрофными. Фотосинтез – единственный процесс в биосфере, ведущий к увеличению свободной энергии биосферы за счет внешнего источника – Солнца и обеспечивающий существование всех живых существ на Земле. Ежегодно в результате фотосинтеза образуется 150 млрд. тонн органического вещества и выделяется 200 млрд. тонн свободного кислорода. Кругооборот кислорода, углерода, азота и других элементов, вовлекаемых в фотосинтез, создал и поддерживает атмосферу, необходимую для жизни на Земле. К фототрофным организмам относятся все зеленые растения и водоросли, и некоторые бактерии: цианобактерии, зеленые, пурпурные бактерии, галофилы.

К классификации, которая наиболее полно объединяет все организмы, относится также деление их на аэробные и анаэробные. Аэробные организмы осуществляют все метаболические процессы при непременном участии кислорода и не могут существовать без него, для анаэробных - кислород не только не нужен, но, более того, вреден.
^ Глава 2. ВИРУСЫ – НЕКЛЕТОЧНЫЕ ФОРМЫ ЖИЗНИ
Существует шутливое, но весьма удачное определение вирусов – это плохие новости в упаковке из белка. Формулировка вполне подходящая, так как пораженные вирусом клетки гибнут или развиваются в искаженном режиме. Именно, благодаря патологическим
Рис. 2. ^ Схематическое изображение вирусов.

а- вирус оспы, б - вирус простого герпеса, в – вирус гепатита В, г – аденовирус человека, д – вирус гриппа, е – вирус гепатита А, ж – бактериофаг лямда, з – нитевидный фаг М13, и – фаг MS2

проявлениям их жизнедеятельности и были открыты вирусы. Вирус в переводе с латыни означает яд. Классическое определение вируса – это внеклеточная форма жизни, обладающая собственным геномом и способная к воспроизведению в клетках. Вирусы, поражающие бактерии называются бактериофагами.

Вирусы впервые открыты нашим соотечественником профессором Д. И. Ивановским. Он открыл вирус табачной мозаики. Мир вирусов чрезвычайно разнообразен. Они поражают бактерий, растения и животных. Мы не можем быть уверены, что открыты все вирусы, скорее наоборот. Чаще всего их открывают как возбудителей болезней, а в этом отношении подавляющее большинство организмов не исследовано.

Формы вирусов разнообразны – среди них есть шаровидные, спиралевидные, палочковидные, похожие на сперматозоиды, и другие (рис.2).

Размеры вирусов колеблются от 10 нм до 2 мкм. Морфологические особенности вирусов зависят от структуры клеток, которые они поражают. Так, бактериофаги имеют приспособление для протыкания стенки бактерии, похожее на шприц.

У вирусов разнообразны способы хранения генетической информации и ее реализации. Для этого они используют оба вида нуклеиновых кислот – ДНК и РНК во всех формах – односпиральных, двуспиральных, линейных и кольцевых. По этому признаку вирусы делят на ДНК-содержащие и РНК-содержащие. Наследственное вещество вируса упаковано в белковой оболочке – капсиде. У некоторых вирусов имеется в дополнение к этому еще и липидная мембрана с интегрированными в нее белками.

Особенность генетических процессов и конкретные способы выражения генетической информации вирусов будет описана в главе 5, посвященной основным генетическим процессам вообще. Если Вы заглянете туда – убедитесь, насколько разнообразны механизмы хранения и реализации генетической информации вирусов.
2.1.Типы взаимодействия вируса с клеткой
1. Продуктивный тип (вирусы гриппа, полиомиелита, аденовирусы, вызывающие острые респираторные заболевания и др.). Несмотря на то, что жизнедеятельность вирусов полностью зависит от энергетики, белоксинтезирующего аппарата и других систем клетки, многие вирусы ведут себя довольно самостоятельно. Репликация их генома происходит вне зависимости от репликации ДНК клетки и, хотя они и используют для синтеза своих белков оборудование клетки, но по собственному расписанию. В результате образуется много вирусных частиц, которые разрывают клетку.

^ 2. Латентный тип. Вирусы ведут себя расчетливо, не губя клетку, которая их содержит, а относительно мирно с ней уживаются. В результате развивается хронический воспалительный процесс, при котором “и волки сыты, и овцы целы”, правда, не вполне здоровы.

3. Вирогения. Это такой тип взаимодействия вируса с клеткой, при котором геном вируса интегрируется в состав клеточной хромосомы. Вирусные гены как бы превращаются в клеточные. Вирус долго может не проявлять себя – он реплицируется вместе с ДНК клетки, но его гены не транскрибируются. При определенных обстоятельствах его гены начинают экспрессироваться, образуются вирусные частицы. Покидая клетку, они отпочковываются от ее мембраны, не убивая клетку. Однако, свойства клетки могут при этом драматически меняться. Она может превратиться в злокачественную. Именно так ведут себя онкогенные вирусы.
^ 2.2. Почему вирусы вызывают заболевания?
Вирусы вызывают заболевания, но это не является необходимым условием их существования, скорее – это побочный эффект. Сначала вирус прикрепляется к рецептору на поверхности клетки-мишени и внедряется в нее. Наличием или отсутствием таких рецепторов объясняется видовая и тканевая специфичность вирусов. При продуктивном типе взаимодействия клетки гибнут, развивается воспаление. Это характерно для острых вирусных инфекций – клещевой энцефалит, полиомиелит, грипп, корь, оспа, гепатит и др. Однако, вирусу “невыгодно” убивать свою жертву  удобнее получить возможность размножаться в ней постоянно. И действительно, некоторые вирусы живут в клетке до самой ее смерти, а иногда даже делают ее бессмертной (опухолевой). Такое сосуществование вируса с клеткой может принимать разные формы. Одна из них  латентное состояние вируса. Геном человека и животных напичкан латентными вирусами, которые могут пробудиться под воздействием факторов окружающей среды. Многие знакомы с таким типом взаимодействия вируса и хозяина на примере вируса герпеса, вызывающего “лихорадку” (так ее называют в быту) на губах. В латентной стадии вирус находится в клетках ганглия тройничного нерва. Его размножение подавлено. Однако различные внешние воздействия – охлаждение, перегревание, стресс приводят к транскрипции вирусной ДНК и образованию новых вирусных частиц. В результате поражаются нервные клетки и слизистая губ, в которую вирус попадает по нервному отростку. Это пример того, что латентная стадия вирусной инфекции очень чувствительна к внешним воздействиям.

Вирус может привести клетку к гибели, сам того не желая. Это за него делает иммунная система, а именно ее особые клетки – Т-киллеры. Они распознают зараженную вирусом клетку и несмотря на то, что вирус не очень опасен, убивают ее. Последнее может оказаться роковым для организма. В таких случаях для лечения заболевания приходится подавлять функцию иммунной системы. Зараженные вирусами клетки могут пожертвовать собой, ради спасения целого организма, включив программу апоптоза - запрограммированной клеточной смерти. Это тоже может отразиться на состоянии здоровья организма. Некоторые вирусы предпринимают активные действия, чтобы оставить в живых клетки, в которых они существуют. Так, онкогенные вирусы вызывают злокачественную трансформацию клеток. Зараженные клетки усиленно пролиферируют и образуют опухоль. При этом вирусы активно подавляют апопотоз клеток.

Вирусы могут нарушать специализированные функции клетки, не нарушая жизненно важных. Так, вирус лимфоцитарного хориоменингита мышей (ЛХМ) поражает клетки передней доли гипофиза. Оказалось, что вирус снижает транскрипцию гена гормона роста, не нарушая транскрипцию других генов. В результате у животных образуется на 50% меньше гормона роста.Вот удивительно! Возможно, что и другие гормональные нарушения являются результатом персистентной вирусной инфекции и такой коварный тип стратегии выживания вируса лежит в основе многих заболеваний.

Для медицинской генетики очень важны аспекты инсерционного мутагенеза, связанные с действием ретровирусов. Они размножаются с помощью обратной транскрипции. Их ДНК-копии встраиваются в различные участки генома, вызывая мутации. При своих перемещениях из клетки в клетку, а также от одного организма в другой они способны включать в свой геном клеточные гены. Так, они могут горизонтальным путем передавать наследственную информацию. Встроенные в геном ретровирусные последовательности находят в геноме всех позвоночных.

Вирусы привлекают внимание исследователей не только как возбудители опасных заболеваний и как мощные мутагенные факторы. Стратегия функционирования вирусов используется генными инженерами для переноса генов в разные организмы – трансгенеза. В этих случаях они являются молекулярными векторами. В этом качестве их используют для получения трансгенных растений, животных, бактерий и для генной терапии наследственных заболеваний человека, а также для получения рекомбинантных вакцин.

Вирусы проявляют поразительную устойчивость к неблагоприятным внешним воздействиям и быстро приспосабливаются к ним. Для этого у них есть разнообразные приспособления. Главное из них то, что репликация вируса не является точной. Наблюдается запрограммированная “невнимательность” при репликации. Одна зараженная клетка продуцирует десятки тысяч вирусных частиц, среди мутантов могут оказаться более приспособленные к изменившимся условиям. Практическую важность имеет приобретаемая способность таким образом менять свою внешность – поверхностные белки, чтобы стать неуязвимыми для иммунной системы. Преуспел в этом вирус иммунодефицита человека. Это обстоятельство затрудняет вакцинацию при СПИДе, а также гриппе. Благодаря высокой мутабильности, вирусы быстро приобретают устойчивость к лекарственным препаратам. Пока лекарство поступит в аптеку, среди вирусов уже размножатся устойчивые к нему формы.
2.3 Современное состояние борьбы с вирусными инфекциями
Главным средством борьбы с вирусными заболеваниями во всем мире является метод вакцинации, включающий главные средства защиты человеческого организма – иммунитет и иммунологическую память. До сих пор не до конца выяснены интимные механизмы иммунологической памяти, а между тем их активация применяется для борьбы с инфекционными заболеваниями еще с древних времен (см. учебное пособие Н.А. Поповой “Иммунология”, часть 2).

Можно с уверенностью утверждать, что ни одно из достижений биологии и медицины не принесло человечеству столько пользы, сколько принесла вакцинация, избавив его от страшных эпидемий чумы, холеры, оспы и др. инфекционных заболеваний. С вакцинации против оспы началось зарождение иммунологии как науки, и именно в борьбе с этим заболеванием достигнуты наибольшие успехи.

Победа человечества над оспой вселяла надежду, что ни один вирус уже не может угрожать человечеству. На этом благополучном фоне внезапное возникновение СПИДа, а также геморрагических лихорадок, вызываемых вирусами Марбург и Эбола, явилось поучительным уроком и для ученых, и для врачей.

В 1981 г. в Центре по контролю заболеваемости в США появился отчет местных органов здравоохранения, в котором указывалось, что за последние 8 месяцев в районе Лос-Анджелеса было диагностировано 5 случаев заболеваний пневмонией, вызванной простейшими Pneumocystis carinii (пневмоцистная пневмония). Это заболевание относится к числу оппортунистических инфекций, т. е. оно развивается лишь у людей с ослабленной иммунной системой. Но данное сообщение касалось развития заболевания у молодых мужчин, у которых не было видимых причин для недостаточного функционирования иммунной системы. В отчете указывалось, что все заболевшие были гомосексуалистами. Примерно в это же время в Центре появился еще один настораживающий отчет. На этот раз сообщалось об увеличении частоты заболеваемости редким видом злокачественной опухоли – саркомой Капоши. За 30 месяцев наблюдений в Нью-Йорке и Калифорнии было отмечено 20 случаев этого рака у мужчин-гомосексуалистов. У некоторых из них также была пневмоцистная пневмония и другие оппортунистические инфекции. Вскоре после этого врачи стали обращать внимание на необъяснимую хроническую лимфаденопатию, а также случаи лимфомы. Главное, что объединяло все эти заболевания, – это тяжелое поражение иммунной системы. Поэтому новое заболевание стали называть синдромом приобретенного иммунодефицита (СПИД). Вскоре была определена категория людей с повышенным риском заболеть СПИДом. Среди них оказались мужчины-гомосексуалисты, наркоманы, применявшие наркотики в инъекциях, и больные гемофилией. На основании этого было сделано предположение, что СПИД вызывается инфекционным агентом, скорее всего вирусом, который передается через кровь или при половых контактах. В дальнейшем было выяснено, что инфекционный агент может передаваться также от матери к детям в период беременности и кормления грудью, иглами для инъекций со следами крови, и другими инструментами, используемыми в медицине. Таким образом, несмотря на существование группы повышенного риска, нет ни одной группы населения, которая была бы застрахована от опасности заражения СПИДом.

Несмотря на то, что впервые СПИД был описан в 1981 г., заболевание возникло, очевидно, в Центральной Африке в начале 50-х годов ХХ века и затем распространилось в страны Карибского региона, а оттуда в США и Европу. По приблизительным оценкам сегодня в мире 29 млн. человек заражено вирусом иммунодефицита, а 1,5 млн. уже умерло от СПИДа. Самый неблагополучный в этом отношении район – Африка, затем следуют Северная и Южная Америка. В Европе лидируют Испания, Италия, Франция и Германия. В России к 1 декабря 1997 г. официально зарегистрировано около 7000 зараженных ВИЧ.

На фоне мрачной эпидемиологической картины резким контрастом выглядит поразительно быстрое открытие этиологического фактора заболевания (рис. 3) и накопление знаний о его патогенезе. За два года, с 1982 по 1984, была выяснена картина заболевания и выделен ее возбудитель, а также разработан метод диагностики и установлена специфическая мишень вируса в организме человека. Ею оказались клетки иммунной системы – Т-хелперы и макрофаги. Поражение таких, главных в развитии иммунного ответа клеток, вызывает тяжелейший иммунодефицит, на фоне которого проявляются различные инфекционные заболевания.

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   14

Похожие:

Введение в биологию Учебное пособие iconУчебное пособие Рекомендовано Главным управлением развития общего...
К78 Введение в социологию: Учебное пособие. М.: Новая школа, 1995. 144 с. Isbn 5-7301-0101-5
Введение в биологию Учебное пособие iconЭ. Г. Скворцов введение в логику учебное пособие чебоксары
Э. Г. Скворцов. Введение в логику. / Учебное пособие. Филиал ргсу в г. Чебоксары. – Чебоксары: «ип сибгатуллин Р. Р.». 2009. – 118...
Введение в биологию Учебное пособие iconТема: Введение в биологию
Задачи биологии исходят из предмета изучения – изучение закономерностей всех проявлений жизни
Введение в биологию Учебное пособие icon-
С 302 Введение в нейропсихологию детского возраста: Учебное пособие. — М.: Генезис, 2005. — 319 с.: ил
Введение в биологию Учебное пособие iconУчебное пособие по математике Датировано: июнь 2012 Важная информация...
Это учебное пособие создано для подготовки студентов к академическому квалификационному тесту по математике. Ответы прилагаются в...
Введение в биологию Учебное пособие iconУчебное пособие. Таганрог: Изд-во трту
Данное учебное пособие является электронной версией работы
Введение в биологию Учебное пособие iconУчебное пособие для студентов специальностей «Биология»
М молекулярная генетика. Сборник заданий и тестов: Учебное пособие. Мн.: Бгу, 2003. – 87 с.: ил
Введение в биологию Учебное пособие iconУчебное пособие Ростов-на-Дону 2009 удк ббк п
Учебное пособие предназначено для студентов, преподавателей и аспирантов экономических специальностей
Введение в биологию Учебное пособие iconI : Учебное пособие/ Под ред. И. А. Жеребкиной
...
Введение в биологию Учебное пособие iconУчебное пособие
...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2020
контакты
userdocs.ru
Главная страница