CAPITOLO 1. PROPRIETÀ E ORIGINE DELLA VITA

1.1. SOGGETTO, COMPITI E METODI DELLA BIOLOGIA

Biologia (greco bio - vita e logos - conoscenza, insegnamento, scienza) - la scienza degli organismi viventi. La diversità della natura vivente è così grande che la biologia moderna è un complesso di scienze (scienze biologiche) che differiscono notevolmente l'una dall'altra. Inoltre, ognuno ha il proprio oggetto di studio, metodi, scopi e obiettivi. Ad esempio, virologia - scienza dei virus, microbiologia - scienza dei microrganismi, micologia - scienza dei funghi, botanica (fitologia) - scienza delle piante, zoologia - scienza degli animali, antropologia - scienza dell'uomo, citologia - scienza delle cellule, istologia - scienza dei tessuti, anatomia - scienza della struttura interna, morfologia - scienza della struttura esterna, fisiologia - scienza dell'attività vitale dell'intero organismo e delle sue parti, genetica - scienza delle leggi dell'ereditarietà e della variabilità degli organismi e dei metodi per controllarli, l'ecologia - la scienza delle relazioni degli organismi viventi tra loro e il loro ambiente, la teoria dell'evoluzione - la scienza dello sviluppo storico della natura vivente, la paleontologia - la scienza dello sviluppo della vita nei tempi geologici passati, biochimica - la scienza delle sostanze e dei processi chimici negli organismi viventi; biofisica - scienza dei fenomeni fisici e fisico-chimici negli organismi viventi, biotecnologia - un insieme di metodi industriali che consentono l'uso di organismi viventi e delle loro singole parti per la produzione di prodotti preziosi per l'uomo (amminoacidi, proteine, vitamine, enzimi , antibiotici, ormoni, ecc.) ecc.

La biologia appartiene al complesso delle scienze naturali, cioè alle scienze sulla natura. È strettamente correlato alle scienze fondamentali (matematica, fisica, chimica), naturali (geologia, geografia, scienze del suolo), sociali (psicologia, sociologia), applicate (biotecnologia, coltivazione delle piante, conservazione della natura).

La conoscenza biologica viene utilizzata nell’industria alimentare, nella farmacologia e nell’agricoltura. La biologia è la base teorica di scienze come la medicina, la psicologia e la sociologia.

I risultati della biologia dovrebbero essere utilizzati per risolvere i problemi globali del nostro tempo: il rapporto tra società e ambiente, gestione e conservazione ambientale razionale, approvvigionamento alimentare.

Metodi di ricerca biologica:

Metodo di osservazione e descrizione (consiste nel raccogliere e descrivere fatti);
metodo comparativo (consiste nell'analizzare le somiglianze e le differenze degli oggetti studiati);
metodo storico (studia il corso di sviluppo dell'oggetto in studio);
metodo sperimentale (consente di studiare i fenomeni naturali in determinate condizioni);
metodo di modellazione (permette di descrivere fenomeni naturali complessi utilizzando modelli relativamente semplici).
1.2. PROPRIETÀ DELLA MATERIA VIVENTE

Lo scienziato domestico M.V. Wolkenstein ha proposto la seguente definizione: "I corpi viventi esistenti sulla Terra sono sistemi aperti, autoregolanti e autoriproduttivi costruiti da biopolimeri: proteine ​​e acidi nucleici".

Tuttavia, non esiste una definizione generalmente accettata del concetto di "vita", ma è possibile identificare segni (proprietà) della materia vivente che la distinguono dalla materia non vivente.

1. Una certa composizione chimica. Gli organismi viventi sono costituiti dagli stessi elementi chimici degli oggetti inanimati, ma il rapporto tra questi elementi è diverso. Gli elementi principali degli esseri viventi sono C, O, N e H.

2.Struttura cellulare. Tutti gli organismi viventi, ad eccezione dei virus, hanno una struttura cellulare.

3. Metabolismo e dipendenza energetica. Gli organismi viventi sono sistemi aperti; dipendono dalla fornitura di sostanze ed energia dall'ambiente esterno.

4.Autoregolamentazione. Gli organismi viventi hanno la capacità di mantenere la costanza della loro composizione chimica e l'intensità dei processi metabolici.

5.Irritabilità e funzioni mentali. Gli organismi viventi mostrano irritabilità, cioè la capacità di rispondere a determinate influenze esterne con reazioni specifiche.

6. Ereditarietà. Gli organismi viventi sono in grado di trasmettere caratteristiche e proprietà di generazione in generazione utilizzando portatori di informazioni: molecole di DNA e RNA.

7.Variabilità. Gli organismi viventi sono in grado di acquisire nuove caratteristiche e proprietà.

8. Autoriproduzione (riproduzione). Gli organismi viventi sono in grado di riprodursi, di riprodurre i propri simili.

9.Sviluppo individuale. L’ontogenesi è lo sviluppo di un organismo dalla nascita alla morte. Lo sviluppo è accompagnato dalla crescita.

10.Sviluppo evolutivo. La filogenesi è lo sviluppo della vita sulla Terra dalle sue origini ad oggi.

11. Ritmo. Gli organismi viventi mostrano un'attività ritmica (giornaliera, stagionale, ecc.), che è associata alle caratteristiche del loro habitat.

12.Integrità e discrezione. Da un lato tutta la materia vivente è olistica, organizzata in un certo modo e soggetta a leggi generali; d'altra parte qualsiasi sistema biologico è costituito da elementi separati, sebbene interconnessi.

13. Gerarchia. A partire dai biopolimeri (acidi nucleici, proteine) fino alla biosfera nel suo insieme, tutti gli esseri viventi si trovano in una certa subordinazione. Il funzionamento dei sistemi biologici a un livello meno complesso rende possibile l'esistenza di un livello più complesso (vedi paragrafo successivo).

1.3. LIVELLI DI VITA NATURA ORGANIZZAZIONE

La natura gerarchica dell'organizzazione della materia vivente ci consente di suddividerla condizionatamente in una serie di livelli. Il livello di organizzazione della materia vivente è il luogo funzionale di una struttura biologica di un certo grado di complessità nella gerarchia generale degli esseri viventi. Si distinguono i seguenti livelli:

1.Molecolare (genetica molecolare). A questo livello compaiono processi vitali come il metabolismo, la conversione dell'energia e il trasferimento delle informazioni ereditarie.

2.Cellulare. La cellula è l’unità strutturale e funzionale elementare degli esseri viventi.

3. Tessuto. Il tessuto è una raccolta di cellule strutturalmente simili, nonché di sostanze intercellulari ad esse associate, unite dallo svolgimento di determinate funzioni.

4.Organo. Un organo è una parte di un organismo multicellulare che svolge una o più funzioni specifiche.

5. Biologico. Un organismo è un vero portatore di vita, caratterizzato da tutti i suoi segni. Attualmente, viene spesso distinto un unico livello “ontogenetico”, che comprende i livelli di organizzazione cellulare, tissutale, organo e organismo.

6. Popolazione-specie. La popolazione è un insieme di individui della stessa specie, che formano un sistema genetico separato e abitano uno spazio con condizioni di vita relativamente omogenee. Una specie è un insieme di popolazioni i cui individui sono in grado di incrociarsi per formare una prole fertile e occupare una certa area dello spazio geografico (area).

7.Biocenotico. La biocenosi è una raccolta di organismi di diverse specie di varia complessità organizzativa che vivono in un determinato territorio. Se si prendono in considerazione anche i fattori abiotici dell'habitat, allora si parla di biogeocenosi.

8.Biosfera. La biosfera è il guscio della Terra, la cui struttura e proprietà sono, in un modo o nell'altro, determinate dalle attività presenti o passate degli organismi viventi. Va notato che il livello di organizzazione della materia vivente nella biosfera spesso non viene distinto, poiché la biosfera è un sistema bioinerte, che comprende non solo la materia vivente, ma anche la materia non vivente.

1.4. ORIGINE DELLA VITA

Non c'è consenso tra gli scienziati sulla questione dell'origine della vita, così come sulla questione dell'essenza della vita. Esistono diversi approcci per risolvere la questione dell'origine della vita, che sono strettamente intrecciati. Possono essere classificati come segue.

1.Secondo il principio che l'idea, la mente sono primarie e la materia è secondaria (ipotesi idealistiche) o la materia è primaria e l'idea, la mente sono secondarie (ipotesi materialistiche).

2.Secondo il principio che la vita è sempre esistita ed esisterà per sempre (ipotesi dello stato stazionario) oppure la vita sorge in un certo stadio dello sviluppo del mondo.

3.Secondo il principio: gli esseri viventi provengono solo da esseri viventi (ipotesi di biogenesi) oppure è possibile la generazione spontanea di esseri viventi da esseri non viventi (ipotesi di abiogenesi).

4.Secondo il principio, la vita è nata sulla Terra o è stata portata dallo spazio (ipotesi della panspermia).

Consideriamo l'ipotesi più significativa.

Creazionismo. La vita è stata creata dal Creatore. Il Creatore è Dio, l'Idea, la Mente Suprema o altri.

Ipotesi dello stato stazionario. La vita, come l'Universo stesso, è sempre esistita ed esisterà per sempre, perché ciò che non ha inizio non ha fine. Allo stesso tempo, l'esistenza dei singoli corpi e formazioni (stelle, pianeti, organismi) è limitata nel tempo: nascono, nascono e muoiono; Attualmente, questa ipotesi ha principalmente un significato storico, poiché la teoria generalmente accettata della formazione dell'Universo è la "teoria del Big Bang", secondo la quale l'Universo esiste per un tempo limitato, si è formato da un unico punto circa 15 miliardi di anni fa.

Ipotesi della panspermia. La vita è stata portata sulla Terra dallo spazio e ha messo radici qui dopo che sulla Terra si sono sviluppate condizioni favorevoli. La soluzione alla questione su come sia nata la vita nello spazio, a causa delle difficoltà oggettive nel risolverla, è stata rinviata per un periodo di tempo indefinito. Potrebbe essere stato creato dal Creatore, esistere da sempre o derivare da materia inanimata. Recentemente, tra gli scienziati sono comparsi sempre più sostenitori di questa ipotesi.

L'ipotesi dell'abiogenesi (generazione spontanea di esseri viventi da esseri non viventi e successiva evoluzione biochimica). La vita ha avuto origine sulla Terra dalla materia inanimata.

Nel 1924 A.I. Oparin ha suggerito che gli esseri viventi siano nati sulla Terra dalla materia inanimata come risultato dell'evoluzione chimica: complesse trasformazioni chimiche delle molecole. Questo evento fu favorito dalle condizioni prevalenti sulla Terra in quel momento.

Nel 1953, S. Miller ottenne una serie di sostanze organiche da composti inorganici in condizioni di laboratorio. È stata dimostrata la possibilità fondamentale di un percorso inorganico per la formazione di composti organici biogenici (ma non di organismi viventi).

A.I. Oparin credeva che le sostanze organiche potessero essere create nell'oceano primordiale da semplici composti inorganici. In seguito all'accumulo di sostanze organiche nell'oceano si è formato il cosiddetto “brodo primario”. Proteine ​​e altre molecole organiche si sono poi combinate per formare goccioline di coacervati, che sono servite da prototipo per le cellule. Le goccioline di coacervato sono state soggette alla selezione naturale e si sono evolute. I primi organismi erano eterotrofi. Quando le riserve del “brodo primario” si esaurirono, sorsero gli autotrofi.

Va notato che dal punto di vista della teoria della probabilità, la probabilità di sintetizzare biomolecole altamente complesse sotto la condizione di combinazioni casuali delle loro parti costitutive è estremamente bassa.

IN E. Vernadsky sull'origine e l'essenza della vita e della biosfera. IN E. Vernadsky ha delineato le sue opinioni sull'origine della vita nelle seguenti tesi:

1. Non c'è stato alcun inizio della vita nel cosmo che osserviamo, poiché non c'è stato alcun inizio di questo cosmo. La vita è eterna, poiché eterno è il cosmo, ed è sempre stata trasmessa attraverso la biogenesi.

2. La vita, eternamente insita nell'Universo, è apparsa nuova sulla Terra, i suoi embrioni sono stati costantemente portati dall'esterno, ma hanno preso piede sulla Terra solo quando le opportunità erano favorevoli per questo.

3. C'è sempre stata vita sulla Terra. La vita di un pianeta è solo la vita della vita su di esso. La vita è geologicamente (planetariamente) eterna. L’età del pianeta è indeterminabile.

4. La vita non è mai stata qualcosa di casuale, rannicchiato in oasi separate. Era distribuito ovunque e la materia vivente è sempre esistita sotto forma di biosfera.

5. Le forme di vita più antiche - le pietre frantumate - sono in grado di svolgere tutte le funzioni nella biosfera. Ciò significa che è possibile una biosfera composta solo da procarioti. È probabile che in passato fosse così.

6. La materia vivente non potrebbe provenire da materia inerte. Non ci sono passaggi intermedi tra questi due stati della materia. Al contrario, come risultato dell'influenza della vita, si è verificata l'evoluzione della crosta terrestre.

Pertanto, è necessario riconoscere il fatto che fino ad oggi nessuna delle ipotesi esistenti sull'origine della vita ha prove dirette e la scienza moderna non ha una risposta chiara a questa domanda.

CAPITOLO 2. COMPOSIZIONE CHIMICA DEGLI ORGANISMI VIVENTI

2.1. COMPOSIZIONE ELEMENTARE

La composizione chimica degli organismi viventi può essere espressa in due forme: atomica e molecolare. La composizione atomica (elementare) caratterizza il rapporto tra gli atomi degli elementi inclusi negli organismi viventi. La composizione molecolare (materiale) riflette il rapporto tra le molecole delle sostanze.

In base al loro contenuto relativo, gli elementi che compongono gli organismi viventi sono solitamente divisi in tre gruppi:

1. Macroelementi - H, O, C, N (in totale circa il 98%, sono anche chiamati basici), Ca, Cl, K, S, P, Mg, Na, Fe (in totale circa il 2%). I macroelementi costituiscono la maggior parte della composizione percentuale degli organismi viventi.

2. Microelementi: Mn, Co, Zn, Cu, B, I, ecc. Il loro contenuto totale nella cellula è di circa lo 0,1%.

3. Ultramicroelementi: Au, Hg, Se, ecc. Il loro contenuto nella cellula è molto piccolo e il ruolo fisiologico per la maggior parte di essi non è stato rivelato.

Gli elementi chimici che fanno parte degli organismi viventi e allo stesso tempo svolgono funzioni biologiche sono chiamati biogenici. Anche quelli contenuti nelle cellule in quantità trascurabili non possono essere sostituiti da nulla e sono assolutamente necessari per la vita.

2.2. COMPOSIZIONE MOLECOLARE

Gli elementi chimici fanno parte delle cellule sotto forma di ioni e molecole di sostanze inorganiche e organiche. Le sostanze inorganiche più importanti nella cellula sono l'acqua e i sali minerali, le sostanze organiche più importanti sono i carboidrati, i lipidi, le proteine ​​e gli acidi nucleici.

2.2.1. Sostanze inorganiche

2.2.1.1. Acqua

L’acqua è la componente predominante di tutti gli organismi viventi. Ha proprietà uniche grazie alle sue caratteristiche strutturali: le molecole d'acqua hanno la forma di un dipolo e tra di loro si formano legami idrogeno. Il contenuto medio di acqua nelle cellule della maggior parte degli organismi viventi è di circa il 70%. L'acqua nella cellula è presente in due forme: libera (95% di tutta l'acqua cellulare) e legata (4-5% legata alle proteine).

Funzioni dell'acqua:

1.Acqua come solvente. Molte reazioni chimiche nella cellula sono ioniche e quindi si verificano solo in un ambiente acquoso. Le sostanze che si dissolvono in acqua sono dette idrofile (alcoli, zuccheri, aldeidi, amminoacidi), quelle che non si dissolvono sono dette idrofobe (acidi grassi, cellulosa).

2.Acqua come reagente. L'acqua è coinvolta in molte reazioni chimiche: reazioni di polimerizzazione, idrolisi e nel processo di fotosintesi.

3.Funzione di trasporto. Movimento in tutto il corpo insieme all'acqua delle sostanze disciolte in esso nelle sue varie parti e rimozione dei prodotti non necessari dal corpo.

4.L'acqua come termostabilizzatore e termostato. Questa funzione è dovuta a proprietà dell'acqua come l'elevata capacità termica: attenua l'effetto sul corpo di cambiamenti significativi di temperatura nell'ambiente; elevata conduttività termica - consente al corpo di mantenere la stessa temperatura in tutto il suo volume; elevato calore di evaporazione - utilizzato per raffreddare il corpo durante la sudorazione nei mammiferi e la traspirazione nelle piante.

5.Funzione strutturale. Il citoplasma delle cellule contiene dal 60 al 95% di acqua, ed è proprio questa che conferisce alle cellule la loro forma normale. Nelle piante l'acqua mantiene il turgore (l'elasticità della membrana endoplasmatica); in alcuni animali funge da scheletro idrostatico (meduse).

2.2.1.2. Sali minerali

I sali minerali in una soluzione cellulare acquosa si dissociano in cationi e anioni. I cationi più importanti sono K+, Ca2+, Mg2+, Na+, NH4+, gli anioni sono Cl-, SO42-, HPO42-, H2PO4-, HCO3-, NO3-. Non è importante solo la concentrazione, ma anche il rapporto dei singoli ioni nella cellula.

Funzioni dei minerali:

1. Mantenimento dell'equilibrio acido-base. I sistemi tampone più importanti nei mammiferi sono il fosfato e il bicarbonato. Il sistema tampone fosfato (HPO42-, H2PO4-) mantiene il pH del fluido intracellulare nell'intervallo 6,9-7,4. Il sistema bicarbonato (HCO3-, H2CO3) mantiene il pH dell'ambiente extracellulare (plasma sanguigno) a 7,4.

2.Partecipazione alla creazione dei potenziali della membrana cellulare. All'interno della cellula predominano gli ioni K+ e i grandi ioni organici, mentre nei fluidi pericellulari sono presenti più ioni Na+ e Cl-. Di conseguenza, si forma una differenza di cariche (potenziali) tra le superfici esterna ed interna della membrana cellulare. La differenza di potenziale consente di trasmettere l'eccitazione lungo un nervo o un muscolo.

3. Attivazione degli enzimi. Gli ioni Ca2+, Mg2+, ecc. sono attivatori e componenti di molti enzimi, ormoni e vitamine.

4.Creazione di pressione osmotica nella cellula. Una maggiore concentrazione di ioni salini all'interno della cellula garantisce il flusso d'acqua al suo interno e la creazione di una pressione di turgore.

5.Costruzione (strutturale). I composti di azoto, fosforo, calcio e altre sostanze inorganiche servono come fonte di materiale da costruzione per la sintesi di molecole organiche (amminoacidi, proteine, acidi nucleici, ecc.) e fanno parte di una serie di strutture di supporto della cellula e dell'organismo . I sali di calcio e fosforo fanno parte del tessuto osseo animale.

2.2.2. Materia organica

Concetto di biopolimeri. Un polimero è una catena multi-link in cui il collegamento è una sostanza relativamente semplice: un monomero. I polimeri biologici sono polimeri che fanno parte delle cellule degli organismi viventi e dei loro prodotti metabolici. I biopolimeri sono proteine, acidi nucleici e polisaccaridi.

2.2.2.1. Carboidrati

I carboidrati sono composti organici costituiti da una o più molecole di zuccheri semplici. Il contenuto di carboidrati nelle cellule animali è dell'1-5% e in alcune cellule vegetali raggiunge il 70%. Esistono tre gruppi di carboidrati: monosaccaridi (o zuccheri semplici), oligosaccaridi (costituiti da 2-10 molecole di zuccheri semplici), polisaccaridi (costituiti da più di 10 molecole di zuccheri).

I monosaccaridi sono derivati ​​chetonici o aldeidici degli alcoli polivalenti. A seconda del numero di atomi di carbonio si distinguono triosi, tetrosi, pentosi (ribosio, desossiribosio), esosi (glucosio, fruttosio) ed eptosi. A seconda del gruppo funzionale, gli zuccheri si dividono in: aldosi, che contengono un gruppo aldeidico (glucosio, ribosio, desossiribosio), e chetosi, che contengono un gruppo chetone (fruttosio).

Gli oligosaccaridi in natura sono per lo più rappresentati da disaccaridi, costituiti da due monosaccaridi legati tra loro tramite un legame glicosidico. Il più comune è il maltosio, o zucchero di malto, costituito da due molecole di glucosio; lattosio, che fa parte del latte ed è costituito da galattosio e glucosio; saccarosio o zucchero di barbabietola, compresi glucosio e fruttosio.

Polisaccaridi. Nei polisaccaridi gli zuccheri semplici (glucosio, mannosio, galattosio, ecc.) sono collegati tra loro tramite legami glicosidici. Se sono presenti solo 1-4 legami glicosidici, si forma un polimero lineare e non ramificato (cellulosa); se sono presenti sia 1-4 che 1-6 legami, il polimero sarà ramificato (glicogeno);

La cellulosa è un polisaccaride lineare costituito da molecole di glucosio. La cellulosa è il componente principale della parete cellulare delle piante. L'amido e il glicogeno sono polimeri ramificati di residui di β-glucosio e sono le principali forme di stoccaggio del glucosio rispettivamente nelle piante e negli animali. La chitina forma l'esoscheletro (guscio) di crostacei e insetti e conferisce forza alla parete cellulare dei funghi.

Funzioni dei carboidrati:

1.Energia. Ossidando gli zuccheri semplici (principalmente il glucosio), il corpo riceve la maggior parte dell'energia di cui ha bisogno. Quando 1 g di glucosio viene completamente scomposto, vengono rilasciati 17,6 kJ di energia.

2.Conservare. L'amido e il glicogeno agiscono come fonte di glucosio, rilasciandolo secondo necessità.

3. Costruzione (strutturale). La cellulosa e la chitina forniscono forza alle pareti cellulari rispettivamente delle piante e dei funghi. Ribosio e desossiribosio fanno parte degli acidi nucleici.

4.Rettore. La funzione delle cellule di riconoscersi reciprocamente è fornita dalle glicoproteine ​​che fanno parte delle membrane cellulari. La perdita della capacità di riconoscersi a vicenda è caratteristica delle cellule tumorali maligne.

2.2.2.2. Lipidi

I lipidi sono grassi e composti organici simili ai grassi praticamente insolubili in acqua. Il loro contenuto nelle diverse cellule varia notevolmente: dal 2-3 al 50-90% nelle cellule dei semi delle piante e nel tessuto adiposo degli animali. Chimicamente, i lipidi sono solitamente esteri di acidi grassi e numerosi alcoli. Si dividono in diverse classi: grassi neutri, cere, fosfolipidi, steroidi, ecc.

Funzioni dei lipidi:

1. Costruzione (strutturale). I fosfolipidi, insieme alle proteine, sono la base delle membrane biologiche. Il colesterolo è un componente importante delle membrane cellulari negli animali.

2. Ormonale (regolamentare). Molti ormoni sono chimicamente steroidi (testosterone, progesterone, cortisone).

3.Energia. Quando 1 g di acidi grassi viene ossidato, vengono rilasciati 38 kJ di energia e viene sintetizzato il doppio di ATP rispetto a quando viene scomposta la stessa quantità di glucosio.

4.Conservare. Una parte significativa delle riserve energetiche del corpo è immagazzinata sotto forma di grassi. Inoltre, i grassi fungono da fonte d'acqua (quando viene bruciato 1 g di grasso, si formano 1,1 g di acqua). Ciò è particolarmente utile per gli animali del deserto e dell’Artico che soffrono di carenza di acqua libera.

5.Protettivo. Nei mammiferi, il grasso sottocutaneo funge da isolante termico. La cera copre l'epidermide di piante, piume, lana e peli di animali, proteggendola dalla bagnatura.

6. Partecipazione al metabolismo. La vitamina D svolge un ruolo chiave nel metabolismo del calcio e del fosforo.

2.2.2.3. Scoiattoli

Le proteine ​​sono eteropolimeri biologici i cui monomeri sono amminoacidi.

Secondo la composizione chimica, gli amminoacidi sono composti contenenti un gruppo carbossilico (-COOH) e un gruppo amminico (-NH2), collegati a un atomo di carbonio, a cui è attaccata una catena laterale - una sorta di radicale R (è questo che conferisce all'amminoacido le sue proprietà uniche).

Solo 20 aminoacidi sono coinvolti nella formazione delle proteine. Si chiamano fondamentali o basici: alanina, metionina, valina, prolina, leucina, isoleucina, triptofano, fenilalanina, asparagina, glutammina, serina, glicina, tirosina, treonina, cisteina, arginina, istidina, lisina, acido aspartico e glutammico. Alcuni amminoacidi non sono sintetizzati negli animali e nell'uomo e devono essere forniti da alimenti vegetali (sono chiamati essenziali).

Gli amminoacidi, collegandosi tra loro tramite legami peptidici covalenti, formano peptidi di varia lunghezza. Un legame peptidico (ammidico) è un legame covalente formato dal gruppo carbossilico di un amminoacido e dal gruppo amminico di un altro. Le proteine ​​sono polipeptidi ad alto peso molecolare contenenti da cento a diverse migliaia di aminoacidi.

Esistono 4 livelli di organizzazione delle proteine:

La struttura primaria è la sequenza di amminoacidi in una catena polipeptidica. Si forma a causa di legami peptidici covalenti tra residui di amminoacidi. La struttura primaria è determinata dalla sequenza di nucleotidi nella sezione della molecola di DNA che codifica per una determinata proteina. La struttura primaria di qualsiasi proteina è unica e ne determina la forma, le proprietà e le funzioni.

La struttura secondaria è formata piegando le catene polipeptidiche in un'elica o struttura. È mantenuto da legami idrogeno tra gli atomi di idrogeno dei gruppi NH- e gli atomi di ossigeno dei gruppi CO-. -l'elica si forma a seguito della torsione della catena polipeptidica in un'elica con uguali distanze tra le spire. È caratteristico delle proteine ​​globulari che hanno una forma globulare sferica. -la struttura è una disposizione longitudinale di tre catene polipeptidiche. È caratteristico delle proteine ​​fibrillari che hanno una forma di fibrilla allungata. Solo le proteine ​​globulari hanno strutture terziarie e quaternarie.

La struttura terziaria si forma quando l'elica si ripiega in una palla (globulo o dominio). I domini sono formazioni simili a globuli con un nucleo idrofobico e uno strato esterno idrofilo. La struttura terziaria si forma a causa dei legami formati tra i radicali R degli amminoacidi, a causa delle interazioni ioniche, idrofobiche e di dispersione, nonché a causa della formazione di legami disolfuro (S-S) tra i radicali della cisteina.

La struttura quaternaria è caratteristica delle proteine ​​complesse costituite da due o più catene polipeptidiche non legate da legami covalenti, nonché delle proteine ​​contenenti componenti non proteici (ioni metallici, coenzimi). La struttura quaternaria è sostenuta dagli stessi legami chimici di quella terziaria.

La configurazione di una proteina dipende dalla sequenza degli aminoacidi, ma può essere influenzata anche dalle condizioni specifiche in cui si trova la proteina.

La perdita dell'organizzazione strutturale di una molecola proteica è chiamata denaturazione. La denaturazione può essere reversibile o irreversibile. Con la denaturazione reversibile, le strutture quaternarie, terziarie e secondarie vengono distrutte, ma a causa della conservazione della struttura primaria, quando ritornano le condizioni normali, è possibile la rinaturazione della proteina - ripristino della normale conformazione (nativa).

In base alla loro composizione chimica si distinguono proteine ​​semplici e complesse. Le proteine ​​semplici sono costituite solo da aminoacidi (proteine ​​fibrillari, immunoglobuline). Le proteine ​​complesse contengono una parte proteica e una parte non proteica: i gruppi prostetici. Esistono lipoproteine ​​(contengono lipidi), glicoproteine ​​(carboidrati), fosfoproteine ​​(uno o più gruppi fosfato), metalloproteine ​​(vari metalli), nucleoproteine ​​(acidi nucleici). I gruppi protesici solitamente svolgono un ruolo importante nello svolgimento della funzione biologica di una proteina.

Funzioni delle proteine:

1. Catalitico (enzimatico). Tutti gli enzimi sono proteine. Le proteine ​​enzimatiche catalizzano le reazioni chimiche nel corpo.

2. Costruzione (strutturale). È effettuato dalle proteine ​​fibrillari cheratine (unghie, capelli), collagene (tendini), elastina (legamenti).

3. Trasporti. Numerose proteine ​​sono in grado di legare e trasportare diverse sostanze (l'emoglobina trasporta l'ossigeno).

4. Ormonale (regolamentare). Molti ormoni sono sostanze proteiche (l'insulina regola il metabolismo del glucosio).

5.Protettivo. Le immunoglobuline del sangue sono anticorpi; la fibrina e la trombina sono coinvolte nella coagulazione del sangue.

6. Contrattile (motore). Actina e miosina formano microfilamenti e svolgono la contrazione muscolare, la tubulina forma microtubuli.

7. Recettore (segnale). Alcune proteine ​​incorporate nella membrana “percepiscono informazioni” dall’ambiente.

8.Energia. Quando 1 g di proteine ​​viene scomposto, vengono rilasciati 17,6 kJ di energia.

Enzimi. Le proteine ​​enzimatiche catalizzano le reazioni chimiche nel corpo. Queste reazioni, per ragioni energetiche, non si verificano affatto nel corpo o si verificano troppo lentamente.

Per la loro natura biochimica, tutti gli enzimi sono sostanze proteiche ad alto peso molecolare, solitamente di struttura quaternaria. Tutti gli enzimi contengono componenti non proteici oltre alle proteine. La parte proteica è chiamata apoenzima e la parte non proteica è chiamata cofattore (se si tratta di una sostanza inorganica semplice, ad esempio Zn2+) o coenzima (coenzima) (se si tratta di un composto organico).

La molecola dell'enzima ha un centro attivo, costituito da due sezioni: assorbimento (responsabile del legame dell'enzima con la molecola del substrato) e catalitico (responsabile del verificarsi della catalisi stessa). Durante la reazione, l'enzima si lega al substrato, modifica successivamente la sua configurazione, formando una serie di molecole intermedie che alla fine producono i prodotti della reazione.

La differenza tra enzimi e catalizzatori inorganici è la seguente:

1. Un enzima catalizza solo un tipo di reazione.

2. L'attività enzimatica è limitata a un intervallo di temperature abbastanza ristretto (solitamente 35-45 0C).

3.Gli enzimi sono attivi a determinati valori di pH (la maggior parte in un ambiente leggermente alcalino).

2.2.2.4. Acidi nucleici

Mononucleotidi. Un mononucleotide è costituito da una base azotata purina (adenina - A, guanina - G) o pirimidina (citosina - C, timina - T, uracile - U), zucchero pentoso (ribosio o desossiribosio) e 1-3 residui di acido fosforico.

Polinucleotidi. Esistono due tipi di acidi nucleici: DNA e RNA. Gli acidi nucleici sono polimeri i cui monomeri sono nucleotidi.

I nucleotidi del DNA e dell'RNA sono costituiti dai seguenti componenti:

1. Base azotata (nel DNA: adenina, guanina, citosina e timina; nell'RNA: adenina, guanina, citosina e uracile).

2. Zucchero pentoso (nel DNA - desossiribosio, nell'RNA - ribosio).

3. Residuo di acido fosforico.

Il DNA (acidi desossiribonucleici) è un polimero non ramificato a catena lunga costituito da quattro tipi di monomeri - nucleotidi A, T, G e C - legati tra loro da un legame covalente attraverso residui di acido fosforico.

La molecola del DNA è costituita da due catene attorcigliate a spirale (doppia elica). In questo caso, l'adenina forma 2 legami idrogeno con la timina e la guanina forma 3 legami con la citosina. Queste coppie di basi azotate sono chiamate complementari. In una molecola di DNA si trovano sempre uno di fronte all'altro. Le catene in una molecola di DNA sono in direzioni opposte. La struttura spaziale della molecola di DNA è stata stabilita nel 1953 da D. Watson e F. Crick.

Legandosi alle proteine, la molecola di DNA forma un cromosoma. Un cromosoma è un complesso di una molecola di DNA con proteine. Le molecole di DNA degli organismi eucariotici (funghi, piante e animali) sono lineari, aperte, collegate a proteine, formando cromosomi. Nei procarioti (batteri), il DNA è chiuso in un anello, non associato a proteine, e non forma un cromosoma lineare.

Funzione del DNA: immagazzinamento, trasmissione e riproduzione dell'informazione genetica nel corso delle generazioni. Il DNA determina quali proteine ​​devono essere sintetizzate e in quali quantità.

L'RNA (acidi ribonucleici) contiene ribosio invece di desossiribosio e uracile invece di timina. L'RNA ha tipicamente un solo filamento, che è più corto dei filamenti del DNA. L'RNA a doppio filamento si trova in alcuni virus.

Tipi di RNA:

Informazioni (matrice) RNA - mRNA (o mRNA). Ha un circuito aperto. Serve come modello per la sintesi proteica, trasferendo informazioni sulla loro struttura dalla molecola di DNA ai ribosomi nel citoplasma.

Trasferimento RNA - tRNA. Fornisce aminoacidi alla molecola proteica sintetizzata. La molecola di tRNA è composta da 70-90 nucleotidi e, grazie alle interazioni complementari intrafilamento, acquisisce una caratteristica struttura secondaria a forma di “foglia di trifoglio”.

RNA ribosomiale - rRNA. In combinazione con le proteine ​​​​ribosomali, forma ribosomi, organelli su cui avviene la sintesi proteica.

In una cellula, l’mRNA rappresenta circa il 5%, il tRNA circa il 10% e l’rRNA circa l’85% di tutto l’RNA cellulare.

Funzioni dell'RNA: partecipazione alla biosintesi delle proteine.

Autoduplicazione del DNA. Le molecole di DNA hanno un'abilità che non è inerente a nessun'altra molecola: la capacità di raddoppiarsi. Il processo di raddoppio delle molecole di DNA è chiamato replicazione. La replica si basa sul principio di complementarità: la formazione di legami idrogeno tra i nucleotidi A e T, G e C.

Questo processo viene eseguito dagli enzimi della DNA polimerasi. Sotto la loro influenza, le catene di molecole di DNA vengono separate in un piccolo segmento della molecola. Sulla catena della molecola madre si completano le catene figlie. Quindi viene svelato un nuovo segmento e il ciclo di replicazione si ripete.

Di conseguenza, si formano molecole di DNA figlie che non sono diverse l'una dall'altra o dalla molecola madre. Durante la divisione cellulare, le molecole di DNA figlie vengono distribuite tra le cellule risultanti. Ecco come le informazioni vengono trasmesse di generazione in generazione.

CAPITOLO 3. STRUTTURA CELLULARE

Principi di base della teoria cellulare:

1. La cellula è l'unità strutturale di tutti gli esseri viventi. Tutti gli organismi viventi sono costituiti da cellule (ad eccezione dei virus).

2. La cellula è l'unità funzionale di tutti gli esseri viventi. La cellula esibisce l'intero complesso delle funzioni vitali.

3. La cellula è l'unità di sviluppo di tutti gli esseri viventi. Le nuove cellule si formano solo come risultato della divisione della cellula originale (madre).

4. La cellula è l'unità genetica di tutti gli esseri viventi. I cromosomi di una cellula contengono informazioni sullo sviluppo dell'intero organismo.

5. Le cellule di tutti gli organismi sono simili per composizione chimica, struttura e funzioni.

3.1. TIPI DI ORGANIZZAZIONE CELLULARE

Tra gli organismi viventi, solo i virus non hanno una struttura cellulare. Tutti gli altri organismi sono rappresentati da forme di vita cellulare. Esistono due tipi di organizzazione cellulare: procariotica ed eucariotica. I procarioti includono batteri e piante blu-verdi, gli eucarioti includono piante, funghi e animali.

Le cellule procariotiche sono relativamente semplici. Non hanno nucleo, la zona in cui si trova il DNA nel citoplasma è chiamata nucleoide, l'unica molecola di DNA è circolare e non associata a proteine, le cellule sono più piccole di quelle eucariotiche, la parete cellulare comprende un glicopeptide - mureina, non ci sono organelli di membrana, le loro funzioni sono svolte da invaginazioni della membrana plasmatica, i ribosomi sono piccoli, non ci sono microtubuli, quindi il citoplasma è immobile e ciglia e flagelli hanno una struttura speciale.

Le cellule eucariotiche hanno un nucleo in cui si trovano i cromosomi: nel citoplasma si trovano molecole lineari di DNA associate a proteine;

Le cellule vegetali si distinguono per la presenza di una spessa parete cellulare di cellulosa, di plastidi e di un grande vacuolo centrale che sposta il nucleo verso la periferia. Il centro cellulare delle piante superiori non contiene centrioli. Il carboidrato di riserva è l'amido.

Le cellule fungine hanno una parete cellulare contenente chitina, un vacuolo centrale nel citoplasma e nessun plastide. Solo alcuni funghi hanno un centriolo al centro della cellula. Il principale carboidrato di riserva è il glicogeno.

Le cellule animali, di regola, hanno una parete cellulare sottile, non contengono plastidi e un vacuolo centrale è caratterizzato da un centriolo; Il carboidrato di riserva è il glicogeno.

3.2. STRUTTURA DI UNA CELLULA EUCARIOTICA

Tutte le celle sono costituite da tre parti principali:

1. La membrana cellulare delimita la cellula dall'ambiente.

2. Il citoplasma costituisce il contenuto interno della cellula.

3. Nucleo (nei procarioti - nucleoide). Contiene il materiale genetico di una cellula.

3.2.1. Membrana cellulare

La struttura della membrana cellulare. La base della membrana cellulare è la membrana plasmatica, una membrana biologica che limita il contenuto interno della cellula dall'ambiente esterno.

Tutte le membrane biologiche sono un doppio strato di lipidi, le cui estremità idrofobiche sono rivolte verso l'interno e le teste idrofile rivolte verso l'esterno. In esso sono immerse a profondità variabili le proteine, alcune delle quali penetrano completamente nella membrana. Le proteine ​​sono in grado di muoversi nel piano della membrana. Le proteine ​​di membrana svolgono varie funzioni: trasporto di varie molecole; ricevere e convertire segnali dall'ambiente; mantenimento della struttura della membrana. La proprietà più importante delle membrane è la permeabilità selettiva.

Le membrane plasmatiche delle cellule animali hanno all'esterno uno strato di glicocalice, costituito da glicoproteine ​​e glicolipidi, che svolge funzioni di segnalazione e di recettore. Svolge un ruolo importante nel combinare le cellule nei tessuti. Le membrane plasmatiche delle cellule vegetali sono ricoperte da una parete cellulare fatta di cellulosa. I pori nella parete consentono il passaggio di acqua e piccole molecole e la rigidità fornisce alla cellula supporto meccanico e protezione.

Funzioni della membrana cellulare. La membrana cellulare svolge le seguenti funzioni: determina e mantiene la forma della cellula; protegge la cellula dalle influenze meccaniche e dalla penetrazione di agenti biologici dannosi; delimita il contenuto interno della cella; regola il metabolismo tra cellula e ambiente, garantendo la costanza della composizione intracellulare; effettua il riconoscimento di molti segnali molecolari (ad esempio gli ormoni); partecipa alla formazione di contatti intercellulari e vari tipi di sporgenze specifiche del citoplasma (microvilli, ciglia, flagelli).

Meccanismi di penetrazione delle sostanze nelle cellule. C'è un costante scambio di sostanze tra la cellula e l'ambiente. Gli ioni e le piccole molecole vengono trasportati attraverso la membrana mediante trasporto passivo o attivo, le macromolecole e le particelle di grandi dimensioni mediante endo- ed esocitosi.

Il trasporto passivo è il movimento di una sostanza lungo un gradiente di concentrazione, effettuato senza dispendio energetico, per semplice diffusione, osmosi o diffusione facilitata con l'ausilio di proteine ​​trasportatrici. Il trasporto attivo - il trasferimento di una sostanza da parte di proteine ​​trasportatrici contro un gradiente di concentrazione, è associato al dispendio energetico.

L'endocitosi è l'assorbimento di sostanze circondandole con sporgenze della membrana plasmatica con formazione di vescicole circondate dalla membrana. L'esocitosi è il rilascio di sostanze dalla cellula circondandole con escrescenze della membrana plasmatica con la formazione di vescicole circondate dalla membrana. L'assorbimento e il rilascio di particelle solide e di grandi dimensioni sono chiamati rispettivamente fagocitosi e fagocitosi inversa. Le particelle liquide o disciolte sono chiamate pinocitosi e pinocitosi inversa.

3.2.2. Citoplasma

Il citoplasma è il contenuto interno della cellula ed è costituito dalla sostanza principale (ialoplasma) e dalle varie strutture intracellulari in essa contenute (inclusioni e organelli).

Lo ialoplasma (matrice) è una soluzione acquosa di sostanze inorganiche e organiche, capace di cambiare viscosità e in costante movimento.

Le strutture citoplasmatiche della cellula sono rappresentate da inclusioni e organelli. Le inclusioni sono strutture instabili del citoplasma sotto forma di granuli (amido, glicogeno, proteine) e goccioline (grassi). Gli organelli sono componenti permanenti ed essenziali della maggior parte delle cellule, hanno una struttura specifica e svolgono funzioni vitali.

Organelli cellulari monomembrana: reticolo endoplasmatico, complesso lamellare del Golgi, lisosomi.

Il reticolo endoplasmatico (rete) è un sistema di cavità, tubi e canali interconnessi, delimitati dal citoplasma da uno strato di membrana e che divide il citoplasma delle cellule in spazi isolati. Ciò è necessario per separare molte reazioni parallele. Esistono reticolo endoplasmatico ruvido (sulla sua superficie sono presenti ribosomi sui quali vengono sintetizzate le proteine) e reticolo endoplasmatico liscio (sulla sua superficie viene effettuata la sintesi di lipidi e carboidrati).

L'apparato di Golgi (complesso lamellare) è una pila di 5-20 cavità di membrana appiattite a forma di disco e microbolle allacciate da esse. La sua funzione è la trasformazione, l'accumulo, il trasporto delle sostanze che vi entrano in varie strutture intracellulari o all'esterno della cellula. Le membrane dell'apparato di Golgi sono in grado di formare lisosomi.

I lisosomi sono vescicole di membrana contenenti enzimi litici. Nei lisosomi vengono digeriti sia i prodotti che entrano nella cellula per endocitosi sia le parti costituenti della cellula o l'intera cellula (autolisi). Esistono lisosomi primari e secondari. I lisosomi primari sono microbolle staccatesi dalle cavità dell'apparato di Golgi, circondate da un'unica membrana e contenenti un insieme di enzimi. Dopo la fusione dei lisosomi primari con il substrato da digerire, si formano i lisosomi secondari (ad esempio i vacuoli digestivi dei protozoi).

I vacuoli sono sacche di membrana piene di liquido. La membrana è chiamata tonoplasto e il contenuto è chiamato linfa cellulare. La linfa cellulare può contenere nutrienti di riserva, soluzioni di pigmenti, prodotti di scarto ed enzimi idrolitici. I vacuoli sono coinvolti nella regolazione del metabolismo del sale marino, nella creazione della pressione di turgore, nell'accumulo di sostanze di riserva e nella rimozione dei composti tossici dal metabolismo.

Il reticolo endoplasmatico, il complesso del Golgi, i lisosomi e i vacuoli sono strutture a membrana singola e formano un unico sistema di membrana della cellula.

Organelli cellulari a doppia membrana: mitocondri e plastidi.

Anche le cellule eucariotiche hanno organelli isolati dal citoplasma da due membrane. Questi sono mitocondri e plastidi. Hanno una propria molecola di DNA circolare, piccoli ribosomi e sono in grado di dividersi. Ciò servì come base per l'emergere della teoria simbiotica dell'origine degli eucarioti. Secondo questa teoria, in passato mitocondri e plastidi erano procarioti indipendenti, che in seguito passarono all'endosimbiosi con altri organismi cellulari.

I mitocondri sono organelli a forma di bastoncino, ovali o rotondi. Il contenuto dei mitocondri (matrice) è limitato dal citoplasma da due membrane: una membrana esterna liscia e una interna che forma pieghe (creste). Le molecole di ATP si formano nei mitocondri.

I plastidi sono organelli circondati da un guscio costituito da due membrane con all'interno una sostanza omogenea (stroma). I plastidi sono caratteristici solo delle cellule degli organismi eucariotici fotosintetici. A seconda del loro colore si distinguono cloroplasti, cromoplasti e leucoplasti.

I cloroplasti sono plastidi verdi in cui avviene il processo di fotosintesi. La membrana esterna è liscia. Interno: forma un sistema di vescicole piatte (tilacoidi), che vengono raccolte in cataste (granas). Le membrane tilacoidi contengono pigmenti verdi, clorofille e carotenoidi. I cromoplasti sono plastidi contenenti pigmenti carotenoidi, che conferiscono loro i colori rosso, giallo e arancione. Danno colori vivaci a fiori e frutti. I leucoplasti sono plastidi non pigmentati e incolori. Contenuto nelle cellule delle parti sotterranee o incolori delle piante (radici, rizomi, tuberi). In grado di accumulare nutrienti di riserva, principalmente amido, lipidi e proteine. I leucoplasti possono trasformarsi in cloroplasti (ad esempio, quando fioriscono i tuberi di patata) e i cloroplasti possono trasformarsi in cromoplasti (ad esempio, quando i frutti maturano).

Organelli che non hanno struttura a membrana: ribosomi, microfilamenti, microtubuli, centro cellulare.

I ribosomi sono piccoli organelli, di forma globulare, costituiti da proteine ​​e rRNA. I ribosomi sono rappresentati da due subunità: grande e piccola. Possono essere liberi nel citoplasma o attaccati al reticolo endoplasmatico. La sintesi proteica avviene sui ribosomi.

Microtubuli e microfilamenti sono strutture filiformi costituite da proteine ​​contrattili e responsabili delle funzioni motorie della cellula. I microtubuli sembrano lunghi cilindri cavi, le cui pareti sono costituite da proteine: le tubuline. I microfilamenti sono strutture ancora più sottili, lunghe, simili a filamenti, composte da actina e miosina. Microtubuli e microfilamenti penetrano nell'intero citoplasma della cellula, formando il suo citoscheletro, provocando ciclosi (flusso citoplasmatico), movimenti intracellulari di organelli, formando il fuso, ecc. I microtubuli organizzati in un certo modo formano i centrioli del centro cellulare, i corpi basali, le ciglia e i flagelli.

Il centro della cellula (centrosoma) si trova solitamente vicino al nucleo ed è costituito da due centrioli posizionati perpendicolari tra loro. Ogni centriolo ha l'aspetto di un cilindro cavo, la cui parete è formata da 9 triplette di microtubuli. I centrioli svolgono un ruolo importante nella divisione cellulare formando il fuso.

Flagelli e ciglia sono organelli di movimento, che sono escrescenze peculiari del citoplasma della cellula. Lo scheletro di un flagello o di un ciglio ha la forma di un cilindro, lungo il cui perimetro si trovano 9 microtubuli accoppiati e al centro 2 singoli.

3.2.3. Nucleo

La maggior parte delle cellule ha un nucleo, ma si trovano anche cellule multinucleate (in numerosi protozoi, nei muscoli scheletrici dei vertebrati). Alcune cellule altamente specializzate perdono i loro nuclei (eritrociti nei mammiferi e cellule a tubo setaccio nelle angiosperme).

Il nucleo ha solitamente una forma sferica o ovale. Il nucleo è costituito da un involucro nucleare e da un carioplasma contenente cromatina (cromosomi) e nucleoli.

L'involucro nucleare è formato da due membrane (esterna ed interna). I fori nell'involucro nucleare sono chiamati pori nucleari. Attraverso di loro avviene lo scambio di sostanze tra il nucleo e il citoplasma.

Il carioplasma è il contenuto interno del nucleo.

La cromatina è una molecola di DNA non avvolta legata alle proteine. In questa forma, il DNA è presente nelle cellule che non si dividono. In questo caso è possibile il raddoppio (replicazione) del DNA e l'implementazione delle informazioni contenute nel DNA. Un cromosoma è una molecola di DNA a spirale associata a proteine. Il DNA viene avvolto prima della divisione cellulare per distribuire più accuratamente il materiale genetico durante la divisione. Nella fase metafase, ciascun cromosoma è costituito da due cromatidi, che sono il risultato della duplicazione del DNA. I cromatidi sono collegati tra loro nella regione della costrizione primaria, o centromero. Il centromero divide il cromosoma in due bracci. Alcuni cromosomi hanno costrizioni secondarie.

Il nucleolo è una struttura sferica la cui funzione è la sintesi dell'rRNA.

Funzioni del nucleo: 1.Immagazzinamento delle informazioni genetiche e trasferimento alle cellule figlie durante la divisione. 2. Controllo dell'attività cellulare.

CAPITOLO 4. METABOLISMO E CONVERSIONE ENERGETICA

4.1. TIPI DI NUTRIZIONE PER GLI ORGANISMI VIVENTI

Tutti gli organismi viventi che vivono sulla Terra sono sistemi aperti che dipendono dall'approvvigionamento di materia ed energia dall'esterno. Il processo di consumo di materia ed energia è chiamato nutrizione. Le sostanze chimiche sono necessarie per costruire il corpo, l'energia è necessaria per svolgere i processi vitali.

In base al tipo di alimentazione, gli organismi viventi si dividono in autotrofi ed eterotrofi.

Gli autotrofi sono organismi che utilizzano l'anidride carbonica come fonte di carbonio (piante e alcuni batteri). In altre parole, si tratta di organismi capaci di creare sostanze organiche da sostanze inorganiche: anidride carbonica, acqua, sali minerali.

A seconda della fonte di energia, gli autotrofi si dividono in fototrofi e chemiotrofi. I fototrofi sono organismi che utilizzano l'energia luminosa per la biosintesi (piante, cianobatteri). I chemiotrofi sono organismi che utilizzano l'energia delle reazioni chimiche di ossidazione dei composti inorganici per la biosintesi (batteri chemiotrofi: idrogeno, nitrificanti, batteri del ferro, batteri dello zolfo, ecc.).

Gli eterotrofi sono organismi che utilizzano composti organici (animali, funghi e la maggior parte dei batteri) come fonte di carbonio.

Secondo il metodo di ottenimento del cibo, gli eterotrofi sono divisi in fagotrofi (olozoi) e osmotrofi. I fagotrofi (olozoi) ingoiano pezzi solidi di cibo (animali), gli osmotrofi assorbono le sostanze organiche dalle soluzioni direttamente attraverso le pareti cellulari (funghi, la maggior parte dei batteri).

I mixotrofi sono organismi che possono sia sintetizzare sostanze organiche da sostanze inorganiche sia nutrirsi di composti organici già pronti (piante insettivore, rappresentanti della divisione delle alghe euglena, ecc.).

La tabella 1 mostra il tipo di nutrizione di grandi gruppi sistematici di organismi viventi.

Tabella 1

Tipi di nutrizione di grandi gruppi sistematici di organismi viventi

4.2. CONCETTO DI METABOLISMO

Il metabolismo è la totalità di tutte le reazioni chimiche che si verificano in un organismo vivente. L'importanza del metabolismo è creare le sostanze necessarie al corpo e fornirgli energia. Ci sono due componenti del metabolismo: catabolismo e anabolismo.

Il catabolismo (o metabolismo energetico, o dissimilazione) è un insieme di reazioni chimiche che portano alla formazione di sostanze semplici da sostanze più complesse (idrolisi dei polimeri in monomeri e scissione di questi ultimi in composti a basso peso molecolare di anidride carbonica, acqua, ammoniaca e altre sostanze). Le reazioni cataboliche di solito si verificano con il rilascio di energia.

L'anabolismo (o metabolismo plastico o assimilazione) è il concetto opposto di catabolismo: un insieme di reazioni chimiche per la sintesi di sostanze complesse da sostanze più semplici (la formazione di carboidrati da anidride carbonica e acqua durante la fotosintesi, reazioni di sintesi della matrice). Le reazioni anaboliche richiedono che si verifichi un dispendio energetico.

I processi del metabolismo plastico ed energetico sono indissolubilmente legati. Tutti i processi sintetici (anabolizzanti) richiedono energia fornita attraverso reazioni di dissimilazione. Le reazioni di degradazione stesse (catabolismo) avvengono solo con la partecipazione di enzimi sintetizzati durante il processo di assimilazione.

4.3. L'ATP E IL SUO RUOLO NEL METABOLISMO

L'energia rilasciata durante la scomposizione della materia organica non viene immediatamente utilizzata dalla cellula, ma viene immagazzinata sotto forma di composti ad alta energia, solitamente sotto forma di adenosina trifosfato (ATP).

L'ATP (acido adenosina trifosforico) è un mononucleotide costituito da adenina, ribosio e tre residui di acido fosforico interconnessi da legami ad alta energia. Questi legami immagazzinano energia, che viene rilasciata quando vengono rotti:

ATP + H2O --> ADP + H3PO4 + Q1

ADP + H2O --> AMP + H3PO4 + Q2

AMP + H2O --> adenina + ribosio + H3PO4 + Q3,

Dove l'ATP è l'acido adenosina trifosforico; ADP - acido adenosina difosforico; AMP - acido adenosina monofosforico; Q1 = Q2 = 30,6 kJ; Q3 = 13,8 kJ.

La fornitura di ATP nella cellula è limitata e viene reintegrata attraverso il processo di fosforilazione. La fosforilazione è l'aggiunta di un residuo di acido fosforico all'ADP (ADP + P ATP). L'energia accumulata nelle molecole di ATP viene utilizzata dall'organismo nelle reazioni anaboliche (reazioni di biosintesi). La molecola ATP è un immagazzinatore e trasportatore universale di energia per tutti gli esseri viventi.

4.4. SCAMBIO DI ENERGIA

L'energia necessaria alla vita è ottenuta dalla maggior parte degli organismi a seguito di processi di ossidazione delle sostanze organiche, cioè a seguito di reazioni cataboliche. Il composto più importante che funge da combustibile è il glucosio.

In relazione all'ossigeno libero, gli organismi sono divisi in tre gruppi.

Gli aerobi (aerobi obbligati) sono organismi che possono vivere solo in un ambiente ricco di ossigeno (animali, piante, alcuni batteri e funghi).

Gli anaerobi (anaerobi obbligati) sono organismi che non sono in grado di vivere in un ambiente ricco di ossigeno (alcuni batteri).

Le forme facoltative (anaerobi facoltativi) sono organismi che possono vivere sia in presenza di ossigeno che senza di esso (alcuni batteri e funghi).

Negli aerobi obbligati e negli anaerobi facoltativi, in presenza di ossigeno, il catabolismo avviene in tre fasi: preparatoria, priva di ossigeno e ossigeno. Di conseguenza, le sostanze organiche si scompongono in composti inorganici. Negli anaerobi obbligati e negli anaerobi facoltativi, quando c'è carenza di ossigeno, il catabolismo avviene nelle prime due fasi: preparatoria e priva di ossigeno. Di conseguenza si formano composti organici intermedi ancora ricchi di energia.

Fasi del catabolismo:

1. La prima fase - preparatoria - consiste nella scomposizione enzimatica dei composti organici complessi in composti più semplici. Le proteine ​​vengono scomposte in aminoacidi, i grassi in glicerolo e acidi grassi, i polisaccaridi in monosaccaridi, gli acidi nucleici in nucleotidi. Negli organismi multicellulari ciò avviene nel tratto gastrointestinale; negli organismi unicellulari, nei lisosomi sotto l'influenza di enzimi idrolitici. L'energia rilasciata in questo processo viene dissipata sotto forma di calore. I composti organici risultanti subiscono ulteriore ossidazione o vengono utilizzati dalla cellula per sintetizzare i propri composti organici.

2. Il secondo stadio - l'ossidazione incompleta (senza ossigeno) - consiste nell'ulteriore decomposizione delle sostanze organiche, effettuata nel citoplasma della cellula senza la partecipazione dell'ossigeno.

L'ossidazione incompleta e priva di ossigeno del glucosio è chiamata glicolisi. Come risultato della glicolisi di una molecola di glucosio, si formano due molecole di acido piruvico (PVA, piruvato) CH3COCOOH, ATP e acqua, nonché atomi di idrogeno, che vengono legati dalla molecola trasportatrice NAD+ e immagazzinati sotto forma di NADTH.

La formula totale della glicolisi è la seguente:

C6H12O6 + 2 H3PO4 + 2 ADP + 2 NAD+ --> 2 C3H4O3 + 2 H2O + 2 ATP + 2 NADH.

In assenza di ossigeno nell'ambiente, i prodotti della glicolisi (PVC e NADTH) vengono trasformati in alcol etilico - fermentazione alcolica (nelle cellule di lievito e vegetali con carenza di ossigeno)

CH3COCOOH --> CO2 + CH3SON

CH3SON + 2 NADH --> C2H5OH + 2 NAD+,

Oppure nell'acido lattico - fermentazione dell'acido lattico (nelle cellule animali prive di ossigeno)

CH3COCOOH + 2 NADH C3H6O3 + 2 NAD+.

In presenza di ossigeno nell'ambiente, i prodotti della glicolisi subiscono un'ulteriore decomposizione nei prodotti finali.

3. La terza fase - l'ossidazione completa (respirazione) - consiste nell'ossidazione del PVC in anidride carbonica e acqua, effettuata nei mitocondri, con la partecipazione obbligatoria di ossigeno.

Si compone di tre fasi:

A) formazione dell'acetil coenzima A;

B) ossidazione dell'acetil coenzima A nel ciclo di Krebs;

B) fosforilazione ossidativa nella catena di trasporto degli elettroni.

R. Nella prima fase, il PVC viene trasferito dal citoplasma ai mitocondri, dove interagisce con gli enzimi della matrice e forma: 1) anidride carbonica, che viene rimossa dalla cellula; 2) atomi di idrogeno, che vengono consegnati dalle molecole trasportatrici alla membrana interna del mitocondrio; 3) acetil coenzima A (acetil-CoA).

B. Nella seconda fase, l'acetil coenzima A viene ossidato nel ciclo di Krebs. Il ciclo di Krebs (ciclo dell'acido tricarbossilico, ciclo dell'acido citrico) è una catena di reazioni sequenziali durante le quali una molecola di acetil-CoA produce: 1) due molecole di anidride carbonica, 2) una molecola di ATP e 3) quattro coppie di atomi di idrogeno trasferiti alle molecole -trasportatori - NAD e FAD.

Pertanto, come risultato della glicolisi e del ciclo di Krebs, la molecola di glucosio viene scomposta in CO2 e l'energia rilasciata durante questo processo viene spesa nella sintesi di 4ATP e si accumula in 10NADTH e 4FADTH2.

B. Nella terza fase, gli atomi di idrogeno con NADTH e FADTH2 vengono ossidati dall'ossigeno molecolare O2 per formare acqua. Un NADTH è in grado di formare 3 ATP e un FADTH2 è in grado di formare 2 ATP. Pertanto, l'energia rilasciata in questo caso viene immagazzinata sotto forma di altri 34 ATP. La formazione di ATP nei mitocondri con la partecipazione di ossigeno è chiamata fosforilazione ossidativa.

Pertanto, l'equazione complessiva per la scomposizione del glucosio nel processo di respirazione cellulare ha la seguente forma:

C6H12O6 + 6 O2 + 38 H3PO4 + 38 ADP --> 6 CO2 + 44 H2O + 38 ATP.

Pertanto, durante la glicolisi, si formano 2 molecole di ATP, durante la respirazione cellulare - altre 36 ATP, in generale, con completa ossidazione del glucosio - 38 ATP.

4.5. SCAMBIO DI PLASTICA

4.5.1. Fotosintesi

La fotosintesi è la sintesi di composti organici da quelli inorganici utilizzando l'energia luminosa. L’equazione generale per la fotosintesi è:

6 CO2 + 6 H2O --> C6H12O6 + 6 O2.

La fotosintesi avviene con la partecipazione di pigmenti fotosintetici, che hanno la proprietà unica di convertire l'energia della luce solare in energia di legame chimico sotto forma di ATP. Il pigmento più importante è la clorofilla.

Il processo di fotosintesi consiste di due fasi: luce e buio.

1.La fase leggera della fotosintesi avviene solo alla luce nella membrana del grana tilacoide. Questi includono: l'assorbimento dei quanti di luce da parte della clorofilla, la fotolisi dell'acqua e la formazione di una molecola di ATP.

Sotto l'influenza di un quanto di luce (hv), la clorofilla perde elettroni, passando in uno stato eccitato:

Hv
capl --> capl* + e-.

Questi elettroni vengono trasferiti dai trasportatori sulla superficie esterna della membrana tilacoide, cioè rivolta verso la matrice, dove si accumulano.

Allo stesso tempo, all'interno dei tilacoidi avviene la fotolisi dell'acqua, cioè la sua decomposizione sotto l'influenza della luce

Hv
2 H2O --> O2 +4 H+ + 4 e-.

Gli elettroni risultanti vengono trasferiti dai trasportatori alle molecole di clorofilla e le riducono. Le molecole di clorofilla ritornano ad uno stato stabile.

I protoni di idrogeno formati durante la fotolisi dell'acqua si accumulano all'interno del tilacoide, creando un serbatoio di H+. Di conseguenza, la superficie interna della membrana tilacoide è caricata positivamente (a causa di H+) e la superficie esterna è caricata negativamente (a causa di e-). Poiché le particelle di carica opposta si accumulano su entrambi i lati della membrana, la differenza di potenziale aumenta. Quando la differenza di potenziale raggiunge un valore critico, la forza del campo elettrico inizia a spingere i protoni attraverso il canale dell’ATP sintetasi. L'energia rilasciata in questo processo viene utilizzata per fosforilare le molecole di ADP. La formazione di ATP durante la fotosintesi sotto l'influenza dell'energia luminosa è chiamata fotofosforilazione.

Gli ioni idrogeno, una volta sulla superficie esterna della membrana tilacoide, incontrano gli elettroni lì e formano idrogeno atomico, che si lega alla molecola trasportatrice di idrogeno NADP (nicotinammide adenina dinucleotide fosfato):

2H+ + 4e- + NADP+ --> NADPH2.

Pertanto, durante la fase leggera della fotosintesi, si verificano tre processi: la formazione di ossigeno dovuta alla decomposizione dell'acqua, la sintesi di ATP e la formazione di atomi di idrogeno sotto forma di NADPH2. L'ossigeno si diffonde nell'atmosfera e l'ATP e il NADPH2 partecipano ai processi della fase oscura 2. La fase oscura della fotosintesi avviene nella matrice dei cloroplasti sia alla luce che al buio e rappresenta una serie di trasformazioni sequenziali della CO2 proveniente da. l'aria nel ciclo di Calvin. Le reazioni della fase oscura vengono eseguite utilizzando l'energia dell'ATP. Nel ciclo di Calvin la CO2 si combina con l’idrogeno del NADPH2 per formare glucosio.

Nel processo di fotosintesi, oltre ai monosaccaridi (glucosio, ecc.), Vengono sintetizzati monomeri di altri composti organici: aminoacidi, glicerolo e acidi grassi.

4.5.2. Chemiosintesi

La chemiosintesi (chemioautotrofia) è il processo di sintesi di composti organici da inorganici (CO2, ecc.) dovuto all'energia chimica dell'ossidazione di sostanze inorganiche (zolfo, idrogeno solforato, ferro, ammoniaca, nitrito, ecc.).

Solo i batteri chemiosintetici sono capaci di chemiosintesi: nitrificanti, idrogeno, batteri del ferro, batteri dello zolfo, ecc. Ossidano i composti di azoto, ferro, zolfo e altri elementi. Tutti i chemiosintetici sono aerobi obbligati, poiché utilizzano l'ossigeno atmosferico.

L'energia rilasciata durante le reazioni di ossidazione viene immagazzinata dai batteri sotto forma di molecole di ATP e viene utilizzata per la sintesi di composti organici, che procede in modo simile alle reazioni della fase oscura della fotosintesi.

4.5.3. Biosintesi delle proteine

Le informazioni genetiche in quasi tutti gli organismi sono immagazzinate sotto forma di una sequenza specifica di nucleotidi di DNA (o RNA nei virus a RNA). I procarioti e molti virus contengono informazioni genetiche sotto forma di una singola molecola di DNA. Tutte le sue sezioni codificano macromolecole. Nelle cellule eucariotiche il materiale genetico è distribuito in diverse molecole di DNA organizzate in cromosomi.

Un gene è una sezione di una molecola di DNA (meno comunemente RNA) che codifica la sintesi di una macromolecola: mRNA (polipeptide), rRNA o tRNA. La regione del cromosoma in cui è localizzato un gene è chiamata locus. L'insieme di geni del nucleo cellulare è un genotipo, l'insieme di geni dell'insieme aploide dei cromosomi è il genoma e l'insieme di geni del DNA extranucleare (mitocondri, plastidi, citoplasma) è il plasmone.

L'implementazione delle informazioni registrate nei geni attraverso la sintesi proteica è chiamata espressione genica (manifestazione). L'informazione genetica viene immagazzinata come una sequenza specifica di nucleotidi del DNA e viene implementata come una sequenza di aminoacidi in una proteina. L'RNA funge da intermediario e portatore di informazioni. Cioè, l'implementazione delle informazioni genetiche avviene come segue:

DNA --> RNA --> proteina

Questo processo si svolge in due fasi:

1) trascrizione;

2) trasmesso.

La trascrizione è la sintesi dell'RNA utilizzando il DNA come modello. Il risultato è l'mRNA. Il processo di trascrizione richiede molta energia sotto forma di ATP e viene eseguito dall'enzima RNA polimerasi.

Allo stesso tempo, non viene trascritta l'intera molecola di DNA, ma solo i suoi singoli segmenti. Tale segmento (trascrizione) inizia con un promotore - una sezione di DNA dove si attacca l'RNA polimerasi e dove inizia la trascrizione, e termina con un terminatore - una sezione di DNA contenente un segnale per terminare la trascrizione. La trascrizione è un gene dal punto di vista della biologia molecolare.

La trascrizione, come la replicazione, si basa sulla capacità delle basi azotate dei nucleotidi di legarsi in modo complementare. Durante la trascrizione, il doppio filamento del DNA viene rotto e la sintesi dell'RNA viene effettuata lungo un filamento del DNA.

Durante il processo di traduzione, la sequenza nucleotidica del DNA viene trascritta sulla molecola di mRNA sintetizzata, che funge da modello nel processo di biosintesi delle proteine.

La traduzione è la sintesi di una catena polipeptidica utilizzando l'mRNA come modello.

Tutti e tre i tipi di RNA sono coinvolti nella traduzione: l'mRNA è la matrice delle informazioni; i tRNA trasportano amminoacidi e riconoscono i codoni; L'rRNA insieme alle proteine ​​forma i ribosomi, che contengono mRNA, tRNA e proteine ​​e svolgono la sintesi della catena polipeptidica.

L'mRNA viene tradotto non da uno, ma contemporaneamente da diversi ribosomi (fino a 80). Tali gruppi di ribosomi sono chiamati polisomi. L'inclusione di un amminoacido in una catena polipeptidica richiede l'energia di 4 ATP.

Codice del DNA. Le informazioni sulla struttura delle proteine ​​sono “scritte” nel DNA sotto forma di una sequenza di nucleotidi. Durante il processo di trascrizione, viene copiato sulla molecola di mRNA sintetizzata, che funge da modello nel processo di biosintesi delle proteine. Una certa combinazione di nucleotidi del DNA e, di conseguenza, di mRNA, corrisponde a un certo amminoacido nella catena polipeptidica di una proteina. Questa corrispondenza è chiamata codice genetico. Un amminoacido è determinato da 3 nucleotidi combinati in una tripletta (codone). Poiché ci sono 4 tipi di nucleotidi, combinandone 3 in una tripletta, si ottengono 43 = 64 triplette varianti (mentre sono codificati solo 20 amminoacidi). Di questi, 3 sono “codoni di stop” che fermano la traduzione, i restanti 61 sono codificanti. Diversi aminoacidi sono codificati da un numero diverso di triplette: da 1 a 6.

Proprietà del codice genetico:

1. Il codice è tripletta. Un amminoacido è codificato da tre nucleotidi (tripletta) in una molecola di acido nucleico.

2.Il codice è universale. Tutti gli organismi viventi, dai virus agli esseri umani, utilizzano un unico codice genetico.

3. Il codice non è ambiguo (specifico). Un codone corrisponde a un singolo amminoacido.

4. Il codice è ridondante. Un amminoacido è codificato da più di una tripletta.

5.Il codice non è sovrapposto. Un nucleotide non può far parte di più codoni in una catena di acido nucleico.

Fasi della sintesi proteica:

1. La piccola subunità del ribosoma si combina con il met-tRNA iniziatore e quindi con l'mRNA, dopo di che si forma un intero ribosoma, costituito da una subunità piccola e una grande.

2. Il ribosoma si muove lungo l'mRNA, che è accompagnato da molteplici ripetizioni del ciclo di aggiunta dell'amminoacido successivo alla catena polipeptidica in crescita.

3. Il ribosoma raggiunge uno dei tre codoni di stop dell'mRNA, la catena polipeptidica viene rilasciata e separata dal ribosoma. Le sottoparticelle ribosomiali si dissociano, si separano dall'mRNA e possono prendere parte alla sintesi della successiva catena polipeptidica.

Reazioni di sintesi della matrice. Le reazioni di sintesi del modello includono: autoduplicazione del DNA, formazione di mRNA, tRNA e rRNA su una molecola di DNA, biosintesi proteica su mRNA. Ciò che tutte queste reazioni hanno in comune è che una molecola di DNA in un caso o una molecola di mRNA in un altro agisce come una matrice su cui si formano molecole identiche. Le reazioni di sintesi della matrice sono la base della capacità degli organismi viventi di riprodurre la propria specie.

http://sfedu.ru/lib1/chem/020101/m2_a_020101.htm

Opzione I

Il metodo della scienza biologica, che consiste nel raccogliere fatti scientifici e studiarli, si chiama:

A) modellistico B) descrittivo

B) storico D) sperimentale

A) Aristotele B) Teofesto

B) Ippocrate D) Galeno

La scienza che studia i modelli di ereditarietà e variabilità si chiama:

A) ecologia B) genetica

4. La proprietà degli organismi di rispondere selettivamente alle influenze esterne e interne è chiamata:

A) autoriproduzione B) metabolismo ed energia

B) apertura D) irritabilità

5. L'idea dell'evoluzione della natura vivente è stata formulata per la prima volta da:

A) B) C. Darwin

B) D) C. Linneo

6. Non si applica al livello della vita cellulare:

A) Escherichia coli B) Psilofita poleosiana

B) batteriofago D) batteri noduli

7. I processi di disgregazione proteica sotto l'influenza del succo gastrico si verificano a livello di organizzazione della vita:

A) cellulare B) molecolare

B) popolazione dell'organismo D).

8. La circolazione delle sostanze e dei flussi energetici avviene a livello di organizzazione della natura vivente:

A) ecosistema B) popolazioni-specie

B) bisferne D) molecolare

9. Il livello di vita cellulare comprende:

A) bacilli della tubercolosi B) polipeptide

10. I sistemi viventi sono considerati aperti perché:

A) sono costituiti dagli stessi elementi chimici dei sistemi non viventi

B) scambiare materia, energia e informazioni con l'ambiente esterno

B) avere la capacità di adattamento

D) capace di riprodursi

Test per una lezione generale sull'argomento "Introduzione" di 10a elementare.

Opzione II

Studi di biologia generale:

A) modelli generali di sviluppo dei sistemi viventi

B) caratteristiche generali della struttura di piante e animali

C) l'unità della natura vivente e inanimata

D) origine delle specie

2. La scienza studia i modelli di trasmissione dei caratteri ereditari:

A) embriologia B) teoria evoluzionistica

B) poleontologia D) genetica

3. Il livello di organizzazione della vita al quale si manifestano proprietà come la capacità di metabolizzare, energia e informazione -

B) organismico D) cellulare

4. Il livello più alto di organizzazione della vita è:

A) cellulare B) popolazione-specie

B) biosfera D) organismica

5. Nelle prime fasi dello sviluppo della biologia, il metodo principale di ricerca scientifica era:

A) sperimentale B) microscopia

B) storico comparato D) osservazioni e descrizioni di oggetti

6. È stato stabilito il fatto della muta stagionale negli animali:

A) sperimentalmente B) storico-comparativo

B) metodo di osservazione D) metodo di modellazione

7. Le relazioni interspecie iniziano a manifestarsi a livello di:

A) biogeocenotico B) organismico

B) popolazione-specie D) biosfera

A) Louis Pasteur B) C. Darwin

B) C. Linneo D)

9. Fondatori della teoria cellulare:

A) G. Mendel B) T. Schwann

B) D) M. Schleider

10. Scegli l'affermazione corretta:

A) solo i sistemi viventi sono costituiti da molecole complesse

B) tutti i sistemi viventi hanno un alto grado di organizzazione

C) i sistemi viventi differiscono da quelli non viventi nella composizione degli elementi chimici

D) nella natura inanimata non esiste un'elevata complessità dell'organizzazione del sistema

Opzione I:

Opzione II:

Un organismo è un sistema biologico integrale costituito da cellule, tessuti, organi e sistemi di organi interconnessi. La struttura di ciascun componente corrisponde alle funzioni che svolge. Un organismo vivente è un sistema complesso costituito da organi e tessuti interconnessi. Inoltre, un organismo vivente è un sistema aperto. I sistemi aperti sono caratterizzati dallo scambio di qualcosa con il loro ambiente esterno. Questo può essere lo scambio di materia, energia, informazioni. E gli organismi viventi scambiano tutto questo con il mondo esterno.
L'energia viene assorbita dagli organismi viventi in una forma (piante - sotto forma di radiazione solare, animali - nei legami chimici dei composti organici) e rilasciata nell'ambiente in un'altra (termica). Poiché il corpo riceve energia dall'esterno e la rilascia, è un sistema aperto.
Negli organismi eterotrofi l'energia viene assorbita insieme alle sostanze (in cui è contenuta) come risultato della nutrizione. Inoltre, nel processo del metabolismo (metabolismo all'interno del corpo), alcune sostanze vengono scomposte e altre vengono sintetizzate. Durante le reazioni chimiche, l'energia viene rilasciata (utilizzata per vari processi vitali) e l'energia viene assorbita (utilizzata per la sintesi delle sostanze organiche necessarie). Le sostanze non necessarie all'organismo e l'energia termica che ne deriva (che non può più essere utilizzata) vengono rilasciate nell'ambiente.
Gli autotrofi (principalmente le piante) assorbono i raggi luminosi in un certo intervallo come energia e assorbono acqua, anidride carbonica, vari sali minerali e ossigeno come sostanze iniziali. Utilizzando l'energia e questi minerali, le piante, a seguito del processo di fotosintesi, effettuano la sintesi primaria delle sostanze organiche. In questo caso, l'energia radiante viene immagazzinata nei legami chimici. Le piante non hanno un sistema escretore. Tuttavia rilasciano sostanze sulla loro superficie (gas), perdono foglie (vengono rimosse sostanze organiche e minerali dannose), ecc. Quindi anche le piante come organismi viventi sono sistemi aperti. Rilasciano e assorbono sostanze.
Gli organismi viventi vivono nel loro habitat caratteristico. Allo stesso tempo, per sopravvivere, devono adattarsi all’ambiente, rispondere ai suoi cambiamenti, cercare cibo ed evitare le minacce. Di conseguenza, nel processo di evoluzione, gli animali hanno sviluppato recettori speciali, organi di senso e un sistema nervoso che consentono loro di ricevere informazioni dall'ambiente esterno, elaborarle e reagire, cioè influenzare l'ambiente. Pertanto, possiamo dire che gli organismi scambiano informazioni dal loro ambiente esterno. Cioè, il corpo è un sistema informativo aperto.
Le piante reagiscono anche agli influssi ambientali (ad esempio chiudono gli stomi al sole, rivolgono le foglie verso la luce, ecc.). Nelle piante, negli animali primitivi e nei funghi, la regolazione viene effettuata solo con mezzi chimici (umorali). Gli animali con sistema nervoso hanno entrambi i metodi di autoregolazione (nervoso e con l'aiuto di ormoni).
Anche gli organismi unicellulari sono sistemi aperti. Si nutrono e secernono sostanze, reagiscono alle influenze esterne. Tuttavia, nel loro sistema corporeo, le funzioni degli organi sono essenzialmente svolte da organelli cellulari.

"Condurre una lezione aperta" - Discussione generale. Essenziale per integrare l'analisi dell'insegnante. Risposte dell'insegnante alle domande sul progetto della lezione. Analisi della lezione da parte dell'insegnante. Presentazione del progetto della lezione da parte del docente. Perché è necessario questo lavoro preparatorio? Conduzione di una lezione aperta. Il riassunto finale dell'insegnante. Risposte del docente alle domande dei presenti.

“Lezione di lettura aperta” - Già nel 1037 Yaroslav il Saggio fondò una biblioteca nell'antica Rus'. Ora - 65esimo posto. Attualmente solo il 40% dei cittadini russi di 14 anni legge opere di narrativa. Buona lettura! Fino alla metà del XX secolo il nostro Paese era il Paese più letto al mondo. Jim Corbett - I cannibali di Kumaon Ivan Efremov - Ai margini dell'Oikumene Mikhail Bulgakov - Cuore di cane Konstantin Paustovsky - Lato Meshchera.

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“Lezione aperta” - Test Organizzativo Principale Riflessivo Finale. Guarda il ritmo e il tempo della lezione. Introdurre qualcosa, iniziare qualcosa. Determinare i materiali didattici, dimostrativi, dispense e le attrezzature necessarie. Considera le attività degli studenti nelle diverse fasi della lezione.

“Lezione aperta” - Lo scopo della lezione aperta. Valutare l'efficacia di una lezione aperta. "Evidenzia" nella lezione. Lezione aperta - ... Preparazione per una lezione aperta. Criteri per valutare una lezione aperta. Buon voto Lode Sorriso dell'insegnante Gioia nel risolvere autonomamente un problema difficile. "Momento di gioia" nella lezione. Per chi?

"Lezione di lettura aperta 2a elementare" - Convalida - redige un atto (documento). Leggilo bene. Cono verde a singhiozzo Cono Il dente sta fuoriuscendo Il dente sta cadendo. Logopedista. Allegro Gentile Giusto Curioso. Controllati! Trova gli errori nelle parole. Lezione aperta sulla lettura in 2a elementare. Victor Yuzefovich Dragunsky (1913-1972). Quale figura riflette meglio lo stato d'animo della storia?

Corso “Teoria pedagogica per l’insegnante moderno”

CURRICULUM DEL CORSO

Giornale n.	Materiale didattico
	Lezione n. 1. La didattica come strumento universale per la creatività pedagogica
	Lezione n. 2. Il contenuto dell'educazione biologica nelle condizioni moderne e la sua composizione
	Lezione n. 3. Metodi di insegnamento, loro specificità. Prova n. 1(data di scadenza: 15 novembre 2004)
	Lezione n. 4. Apprendimento basato sui problemi nelle lezioni di biologia
	Lezione n. 5. Attività di progetto. Prova n.2(data di scadenza: 15 dicembre 2004)
	Lezione n. 6. Struttura e tipologie delle lezioni
	Lezione n. 7. Sviluppo intellettuale e morale nelle lezioni di biologia
	Lezione n. 8. Aspetti metodologici della scienza nelle lezioni di biologia
Il lavoro finale è lo sviluppo della lezione. Gli elaborati finali, accompagnati dai certificati dell'istituto scolastico (atti di attuazione), dovranno essere inviati all'Università Pedagogica entro e non oltre il 28 febbraio 2005.

Lezione n. 6. Struttura e tipologie delle lezioni

Struttura della lezione; tipologie e tipologie di lezioni; pianificazione delle lezioni

Questa conferenza è dedicata a ciò che, a quanto pare, ogni insegnante conosce fin dai primi giorni di iniziazione alla scienza pedagogica. E anche prima, studiando a scuola, ognuno di noi poteva valutare intuitivamente la lezione insegnata dall'insegnante: interessante - poco interessante, buono - cattivo, significativo - non significativo, emotivo - indifferente, efficace - inefficace. Tali valutazioni delle lezioni fornite dagli scolari possono infatti essere tradotte in categorie didattiche. Ogni insegnante sente intuitivamente come dovrebbe essere una buona lezione. Tuttavia, per costruire una lezione davvero valida, l’intuito non basta. Affinché un insegnante abbia successo, deve utilizzare idee teoriche moderne e tecnologie pedagogiche.

Cos'è una lezione? Darò una delle classificazioni più comuni dei tipi di lezioni.

1. Lezione sull'apprendimento di nuovo materiale.
2. Lezione sulla formazione di conoscenze, abilità e abilità.
3. Lezione sul consolidamento e lo sviluppo di conoscenze, abilità e abilità.
4. Ripassa la lezione.
5. Lezione di verifica della conoscenza.
6. Lezione sull'applicazione di conoscenze, abilità e abilità.
7. Ripetere e generalizzare la lezione.
8. Lezione combinata.

Molti insegnanti innovativi offrono le proprie classificazioni delle lezioni. Quindi, L.V. Malakhova classifica le lezioni come segue.

1. Una storia panoramica sull'intero argomento.
2. Lezione di domande degli studenti e chiarimenti aggiuntivi.
3. Lezione – lavoro pratico.
4. Una lezione generale con schede attività incentrate sull'identificazione e la padronanza degli elementi principali del materiale didattico.
5. Indagine finale sul materiale teorico.
6. Risoluzione dei problemi sull'argomento.

Il sistema sviluppato da N.P. Guzik, comprende i seguenti tipi di lezioni.

1. Lezioni sull'analisi teorica del materiale da parte dell'insegnante.
2. Lezioni sull'analisi indipendente dell'argomento da parte degli studenti (divisi in gruppi) secondo piani e algoritmi dati.
3. Lezioni-seminari.
4. Workshop.
5. Lezioni di monitoraggio e valutazione delle conoscenze.

Esistono diverse classificazioni di tipi e tipi di lezioni e ogni insegnante può dare la preferenza a uno di essi o prendere qualcosa di diverso da ciascuno. È importante solo capire per quali scopi stai conducendo un certo tipo di lezione e come organizzi l'apprendimento del materiale didattico. È anche importante correlare le caratteristiche dei contenuti che devono essere appresi in una determinata lezione con le capacità degli studenti e con i metodi e le forme di organizzazione della lezione.

Ti suggerisco di analizzare e classificare due versioni della lezione sull'argomento "Introduzione alla biologia generale" in 10a elementare utilizzando il libro di testo di D.K. Belyaeva, A.O. Ruvinsky e altri.

Opzione di lezione 1. Tipo di lezione – lezione sull'apprendimento di nuovo materiale

Piano e struttura della lezione

1. Momento organizzativo.
2. Introduzione iniziale del materiale.
3. Concentrarsi sui punti principali dell'argomento.
4. Creare motivazione per memorizzare il materiale.
5. Dimostrazione di tecniche di memorizzazione.
6. Consolidamento primario del materiale attraverso la ripetizione.

Secondo questo piano, l'insegnante definirà il concetto di “Biologia Generale”, quindi elencherà le principali proprietà della vita, spiegando gli elementi terminologici e concettuali più difficili dell'argomento, per poi passare ai livelli di organizzazione della vita e dare una panoramica breve descrizione degli stessi. In conclusione parlerà dei metodi di ricerca in biologia e della loro importanza. Nel processo di presentazione del materiale, l'insegnante mostrerà le tecniche di memorizzazione di base, attirando l'attenzione su ciò che dovrebbe essere ricordato e fornirà un lavoro di prova, ad esempio, sotto forma di compiti di prova.

Compito (opzione 1)

1. L'oggetto dello studio della biologia generale è:

a) struttura e funzioni dell'organismo;
b) fenomeni naturali;
c) modelli di sviluppo e funzionamento dei sistemi viventi;
d) struttura e funzioni delle piante e degli animali.

2. Scegli l'affermazione più corretta:

a) solo i sistemi viventi sono costituiti da molecole complesse;
b) tutti i sistemi viventi hanno un alto grado di organizzazione;
c) i sistemi viventi differiscono da quelli non viventi nella composizione degli elementi chimici;
d) nella natura inanimata non esiste un'elevata complessità dell'organizzazione del sistema.

3. Il livello più basso dei sistemi viventi che mostra la capacità di metabolizzare sostanze, energia e informazioni è:

a) biosfera;
b) molecolare;
c) organismico;
d) cellulare.

4. Il livello più alto di organizzazione della vita è:

a) biosfera;
b) biogeocenotico;
c) specifico della popolazione;
d) organismico.

5. Il principale metodo scientifico nel primo periodo dello sviluppo della biologia era:

a) sperimentale;
b) microscopia;
c) storico comparato;
d) metodo di osservazione e descrizione degli oggetti.

Compito (opzione 2)

Scegli le affermazioni corrette.

1. Tutti gli organismi viventi:

a) avere un livello di organizzazione altrettanto complesso;
b) hanno un alto livello di metabolismo;
c) reagire equamente all'ambiente;
d) avere lo stesso meccanismo per la trasmissione delle informazioni ereditarie.

2. I sistemi viventi sono considerati aperti perché:

a) formato dagli stessi elementi chimici dei sistemi non viventi;
b) scambiare materia, energia e informazioni con l'ambiente esterno;
c) avere capacità di adattamento;
d) sono in grado di riprodursi.

3. Il livello al quale le relazioni interspecie cominciano a manifestarsi è chiamato:

a) biogeocenotico;
b) specifico della popolazione;
c) organismico;
d) biosfera.

4. La caratteristica più comune di tutti i sistemi biologici:

a) complessità della struttura del sistema;
b) modelli operanti a ciascun livello di sviluppo del sistema;
c) elementi che compongono il sistema;
d) qualità che questo sistema possiede.

5. Il primo livello sopraorganismo comprende:

a) colonia di cellule;
b) biocenosi forestale;
c) popolazione di lepri;
d) gopher.

Questo modulo è abbastanza appropriato per questo tipo di lezione. Gli studenti comprenderanno parzialmente le idee generali dell'argomento, ricorderanno i termini di base, saranno in grado (anche se non tutti) di rispondere alle domande del compito, e quindi l'obiettivo prefissato - garantire l'assimilazione primaria del materiale in biologia generale - sarà ampiamente raggiunto. Tuttavia, vale la pena pensare a quanto sia efficace una lezione del genere su questo argomento. È possibile creare una composizione diversa e ottenere risultati maggiori rispetto a una comprensione parziale dell'argomento e al fissaggio di alcuni termini in memoria?

Proviamo a fare una lezione sullo stesso argomento e utilizzando lo stesso materiale, ma utilizzando una logica diversa. Il suo obiettivo principale è creare motivazione negli studenti affinché studino autonomamente nuovo materiale utilizzando gli strumenti a loro disposizione. In relazione all'obiettivo prefissato, cambiano anche il programma della lezione e la sua logica e vengono utilizzate nuove tecniche inaspettate per gli studenti.

Opzione di lezione 2. Tipo di lezione – lezione sull'apprendimento di nuovo materiale

Schema della lezione

1. Enunciazione del problema: in cosa differisce la biologia generale dalle scienze studiate prima?
2. Invita gli studenti a leggere attentamente due versioni delle attività del test.
3. Prova a formulare brevemente la risposta alla domanda: di cosa parlerà la lezione? (Questo compito non sarà completato a questo punto della lezione.)
4. Se gli studenti hanno difficoltà, spiega loro che non dovrebbero cercare le risposte corrette nel compito. Il loro obiettivo è scoprire l'argomento della discussione, cercare di identificare le idee e i problemi principali dell'argomento. Discuti i risultati della ricerca.
5. Dopo 10-15 minuti di lavoro congiunto, dai ai bambini le risposte corrette alle domande sui compiti e chiedi loro di fornire una risposta scritta (o orale) alla domanda posta in precedenza.
6. Dopo aver ascoltato diverse opzioni di risposta, presta attenzione alla sua logica. Le domande nei compiti di prova non sono strutturate secondo la logica di presentazione del materiale nel libro di testo e gli studenti costruiscono naturalmente la loro risposta elencando le risposte corrette ai compiti.
7. Chiedi di costruire una risposta secondo la logica del contenuto del materiale educativo, che viene rivelato durante la conversazione su questo compito.
8. Gli studenti correggono la risposta e poi scrivono un tema sull'argomento: "Cosa studia la biologia generale?"
9. Dopo aver completato l'attività, inizia il lavoro con il libro di testo: il testo scritto dagli studenti viene confrontato con il testo del libro di testo. Scoprendo le somiglianze tra questi testi, gli scolari sperimentano un vero stato di successo.
10. Discussione dei principali elementi di contenuto dell'argomento: il concetto di “sistema biologico”, proprietà e livelli di organizzazione della vita, metodi di ricerca.
11. Soluzione al problema della lezione: la biologia generale studia i modelli di funzionamento e sviluppo dei sistemi viventi a diversi livelli. La botanica, la zoologia, l'anatomia sono scienze più specializzate che studiano principalmente il livello organismico e in parte quello sopraorganismo.

Qual è il vantaggio di costruire una lezione in questo modo? Alla luce di quanto detto nelle lezioni precedenti, la risposta è chiara: nell’organizzazione dell’assimilazione del materiale didattico, cioè. nei metodi di insegnamento. Dopotutto, se la prima versione della lezione prevedeva solo due tipi di attività dello studente: cognitiva (cognizione primaria) e riproduttiva (esercizi), allora anche la seconda opzione attiva l'attività creativa e immediatamente, nella prima lezione del corso, e con motivazione attiva. L'analisi mirata di un testo sconosciuto, la selezione dell'apparato concettuale necessario, la combinazione di concetti e frasi selezionati in un testo coerente non richiedono la manifestazione di capacità creative? Inoltre, l’azione di apprendimento di ogni studente è accompagnata da una riflessione interna: “Ho fatto bene o male? Ciò che ho scelto ha qualcosa a che fare con la risposta alla domanda? La mia risposta coinciderà con il testo del libro di testo oppure no? Di conseguenza, questa forma di presentazione del materiale didattico crea motivazione a lavorarci.

Il risultato della lezione è il prodotto della propria ricerca: un testo scritto o parlato, materiale ben compreso e padroneggiato, la capacità acquisita di operare inizialmente con nuovi concetti.

Gli esempi forniti di lezioni su un argomento sono polari. Esistono altre opzioni per presentare il materiale e organizzare l'apprendimento. Puoi modificare il contenuto e la struttura della lezione. Puoi iniziare l'argomento rivelando il concetto di "sistema", fornire un'immagine sistemica del mondo, confrontare sistemi viventi e non viventi, ecc. Il punto non è solo e non tanto nei contenuti, anche se importanti, ma in come sono organizzate le attività del docente e degli studenti: e cosa faranno gli studenti affinché parte dei contenuti proposti diventi proprietà dei loro personalità. Inoltre, a ciascuno studente delle scuole superiori potrà essere “assegnata” la propria parte, che diventerà parte della sua formazione. D'altra parte, quasi tutti gli studenti della classe impareranno la parte invariante del contenuto e tutti gli studenti lavoreranno a tutti i livelli di assimilazione: cognitivo, riproduttivo, creativo.

Torniamo alla classificazione delle lezioni. Nel libro di A.V. Kuleva “Biologia generale. Pianificazione delle lezioni" fornisce 4 tipi di lezioni e molti dei loro tipi. Le tipologie di lezioni suggerite dall'autore sono riportate nell'elenco fornito all'inizio della lezione. Ma ha senso fornire le tipologie di lezioni, o meglio le forme di organizzazione delle attività educative, sebbene molte di esse siano incluse nello schema integrato del processo di apprendimento nella lezione n. 1. Ecco l'elenco.

1. Lezione-riflessione.
2. Lezione: "viaggio".
3. Lezione-giudizio.
4. Gioco-lezione.
5. Tavola rotonda delle lezioni.
6. Lezione integrata.
7. Lezione di discussione.
8. Lezione-conferenza.
9. Lezione-ricerca.
10. Lezione-escursione.

Quando si pianifica una particolare forma di lezione, è necessario porsi la stessa domanda: come saranno organizzate le attività degli studenti? Un esempio è una lezione di prova sotto forma di performance. Questa è una forma interessante di lezione che fa una grande impressione sui bambini. Ma se, qualche tempo dopo una lezione del genere, fai domande agli scolari sull'argomento studiato, rimarrai sorpreso nel notare che le risposte di alcuni di loro, anche dei partecipanti allo spettacolo, lasciano molto a desiderare. In questo caso, vale la pena pensare se hai fatto la cosa giusta scrivendo tu stesso la commedia e dirigendola? Forse avremmo dovuto confondere i ragazzi con questa idea? E poi, anche se per il bene della qualità del testo (anche se non del tutto necessario), sarebbe possibile ottenere diversi effetti: eccitazione, educazione creativa e non solo partecipazione esecutiva dei bambini. E il pubblico potrebbe rivelarsi non solo spettatore, ma anche designer, musicisti e allo stesso tempo studenti interessati. C'è molto spazio per vari tipi di idee e scoperte. È importante solo che la forma affascinante non danneggi la conoscenza e che dietro il design esterno non si nasconda la passività dei partecipanti al processo.

Negli ultimi anni si sono sviluppate una varietà di tecnologie didattiche (leggi, ad esempio, il libro di G.K. Selevko "Tecnologie educative moderne"). Acquisendo familiarità con i fondamenti concettuali della tecnologia e le loro caratteristiche metodologiche, l'insegnante può garantire l'assimilazione dello stesso materiale in una varietà di modi e tecniche. Ad esempio, l'argomento “Respirazione” nel corso “Uomo” può essere insegnato in modo tradizionale, spiegando e rafforzando la materia. E nel contesto della pedagogia della cooperazione, questo argomento può iniziare a essere sviluppato con la costruzione congiunta di vari modelli di respirazione, dopo aver studiato in precedenza la letteratura e discusso i possibili modelli. Utilizzando la tecnologia di V.F. Shatalov, puoi usare note di supporto, ecc. È possibile utilizzare forme di lavoro sia individuali che di gruppo, giochi di ruolo e giochi aziendali e utilizzare vari tipi di ausili visivi: tabelle, film, dimostrazioni. Tutto ciò avrà un certo effetto solo quando l’insegnante prevederà le attività degli studenti in quasi ogni momento della lezione. Pertanto, quando pianifichi una lezione, dovresti considerare i seguenti punti.

1. Qual è il significato cognitivo dell'argomento della lezione?
2. Quali tipi di attività possono essere previste e pianificate in questa lezione? Cosa farà lo studente in ogni momento della lezione?
3. Qual è il posto di questa lezione nel sistema di lezioni?
4. Come puoi aggiornare le conoscenze e le competenze esistenti degli studenti per padroneggiare questo argomento?
5. Quali ulteriori fonti di informazioni ti consente di utilizzare questo argomento della lezione e se ciò dovrebbe essere fatto durante la lezione.
6. Come verranno utilizzati i sussidi tecnici didattici? Non è necessario utilizzarli se non strettamente necessario.
7. Quali sono i tipi e i livelli di complessità dei compiti che offrirai per il consolidamento, la ricerca indipendente e il controllo (autocontrollo)?

Nei frammenti di lezione forniti in questa e in altre lezioni è possibile trovare le disposizioni discusse in questa parte della lezione. Pertanto, quando si pianifica una lezione “Attraversamento monoibrido”, è necessario comprenderne il significato teorico, indicativo e valutativo. È importante fornire un collegamento tra questa lezione e quelle precedenti (sezione “Riproduzione”) e gli argomenti successivi (“Evoluzione”, “Selezione”). È abbastanza ovvio che l'argomento di questa lezione presuppone la possibilità di organizzare l'assimilazione del materiale sia mediante il metodo riproduttivo che mediante metodi di apprendimento basato sui problemi: presentazione dei problemi, conversazione euristica. L’aggiornamento delle conoscenze esistenti può essere scritto o orale sotto forma di un sistema di domande, compiti di test e risoluzione di problemi sugli argomenti “Mitosi” e “Meiosi”. Un frammento di un film o lo stesso testo biblico possono essere utilizzati come ulteriori fonti di informazione. Questo è sufficiente per la prima lezione sull'argomento. Altri sussidi didattici in questa lezione sono modelli dinamici, tavolo, modello computerizzato. I compiti offerti agli studenti in questa lezione possono essere semplici, che richiedono la riproduzione, o piuttosto complessi. Ad esempio, puoi proporre un'attività che richiede il calcolo di varie opzioni per la possibile ereditarietà di un particolare tratto. Tutto dipende dal tipo di materiale didattico che ha l'insegnante. Naturalmente, è importante calcolare quanto tempo richiederà tale attività. Può succedere che una lezione non sia sufficiente per studiare a fondo la materia. Ciò significa che è necessario tenere due lezioni e non bisogna aver paura delle deviazioni dal curriculum. Ci sono conoscenze e abilità che richiedono più tempo per formarsi e svilupparsi rispetto a quanto previsto nel curriculum. Non c'è bisogno di averne paura, perché il tempo impiegato sarà più che ripagato in futuro.

Domande e compiti per il lavoro indipendente

1. Quali sono le principali differenze tra le lezioni presentate nella lezione sull'argomento "Introduzione alla biologia generale"?

2. Perché è importante identificare le connessioni tra questa lezione e gli argomenti precedenti e successivi?

3. Elabora diverse attività multilivello per qualsiasi argomento del corso.