Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Биология»Содержание №13/2000

ЭКЗАМЕН

В.А. ДЕМИДОВ

Продолжение. См. No 12/2000

Возможный вариант экзаменационных вопросов по биологии (11-й класс)

Вопрос 2. Обмен веществ в клетке. Энергетический и пластический обмен. Синтез белка

Пластический обмен (анаболизм) (греч. аnabole – подъем) – совокупность биохимических реакций, в процессе которых происходит синтез сложных веществ из более простых. Необходимая для биосинтеза энергия поставляется катаболическими реакциями либо ею является энергия солнца. Наиболее важный, имеющий планетарное значение анаболизм – фотосинтез, осуществляемый организмами, имеющими светопреобразующие пигменты. У растений это хлорофилл (у фотосинтезирующих бактерий бактериохлорофилл). В процессе фотосинтеза энергия солнца преобразуется в энергию химических связей углеводов. Процесс имеет 2 фазы: световую, в которой происходит фотолиз воды и синтез АТФ за счет электрического потенциала протонов, и темновую – когда запасенная в световой фазе энергия в виде АТФ (и НАДФ) расходуется на фиксацию СО2 с образованием молекулы моносахарида:

Энергетический обмен (катаболизм – греч. кatabole – сбрасывание, разрушение) – совокупность ферментативных реакций в организме, направленных на расщепление сложных органических молекул до мономеров с целью извлечения содержащейся в них энергии. Выделяющаяся энергия запасается в форме АТФ.
Наибольшее значение в обмене веществ имеют гликолиз, брожение и клеточное дыхание.

Гликолиз – ферментативный процесс распада углеводов до молочной кислоты. (Гликолиз включает в себя 13 реакций, в результате которых выделяется около 200 кДж/моль энергии и только 40% ее запасается в виде АТФ).

При наличии кислорода пировиноградная кислота (после предварительного преобразования в ацетил-СоА) сжигается в цикле Кребса с выделением 36 АТФ (клеточное дыхание):

Таким образом, катаболизм и анаболизм тесно взаимосвязаны, составляя обмен веществ (метаболизм). Одновременное протекание этих процессов обуславливает непрерывность обмена веществ организма с окружающей средой.

Биосинтез белка происходит в несколько этапов. В конечном итоге сборка полипептидов происходит на рибосомах.

1-й этап – синтез информационной РНК (иРНК) – происходит в ядре и носит название транскрипции. Считывание информации происходит с молекулы ДНК, в которой находятся гены, определяющие структуру определенных белков. Реакции начинаются с локального расплетания спирали ДНК (ДНК-зависимой РНК-полимеразой. Этот же фермент по принципу комплементарности строит цепь иРНК, используя при этом рибонуклеотидтрифосфаты).

(2-й этап – процессинг иРНК – происходит в ядре и цитоплазме. Сначала иРНК разделяется рибонуклеазами на фрагменты, содержащие одну целевую молекулу, далее при помощи экзонуклеаз подравниваются их концы. Следующим этапом является вырезание некодирующих областей – интронов – и сшивание экзонов при помощи лигаз. Весь процесс носит название сплайсинга. Если необходимо, то 3R-концы иРНК метилируются метилазами для предохранения от действия цитоплазматических экзонуклеаз, а к 5R-концам присоединяется участок polyА.)

3-й этап – подготовительный. К молекулам транспортной РНК (с участием аминоацил-тРНК-синтаз) аминокислоты присоединяются карбоксильными группами. Для каждой аминокислоты существует одна и более тРНК (и аминоацилсинтетаз). Распознавание комплекса аминокислоты с тРНК осуществляется за счет антикодона – участка из трех нуклеотидов, расположенных на вершине тРНК, имеющей форму клеверного листа, иРНК связывается с рибосомой (с малой субъединицей рибосомы) 5R-концом.

4-й этап – собственно синтез белка. Происходит в рибосомах и включает в себя несколько этапов. (Инициация – в функциональном центре рибосомы (ФЦР) происходит реакция между двумя аминоацил-тРНК (а-тРНК), несущими аминокислоты. В ФЦР находится участок декодирования, где кодон взаимодействует с антикодоном. В случае комплементарности образующиеся водородные связи изменяют конформацию тРНК, при этом пептидилтрансферазы при участии белков EF-2 перемещают аминокислоты из А-сайта (место связывания а-тРНК) в Р-сайт (местонахождение пептидил-тРНК с растущей цепью), – это начальная стадия процесса элонгации. После перемещения а-тРНК, предыдущая отделяется и в А-сайт помещается другая а-тРНК. С помощью EF-1 пептидный фрагмент перемещается из Р-сайта в А-сайт, затем рибосома перемещается на один шаг по иРНК, и пептидил-тРНК оказывается в Р-сайте). После того как цепь синтезирована, происходит отделение иРНК от рибосомы на терминаторных кодонах – это заключительный этап трансляции – терминация.

Синтезированный полипептид тут же поступает в эндоплазматическую сеть, откуда после преобразования в аппарате Гольджи доставляется в необходимое место.

Билет 4

Вопрос 1. Деление клетки. Митоз. Формы размножения организмов

Деление клеток лежит в основе развития, роста организмов, их размножения, а также обеспечивает самообновление тканей и восстановление их целостности после повреждения на протяжении жизни организма. В многоклеточном организме клетки специализированы и в соответствии со специализацией обладают разной продолжительностью жизни. Некоторые клетки настолько специализированы, что не могут делиться, поэтому в таких тканях необходимо наличие постоянно размножающихся клеток.

Жизненный цикл клетки – промежуток времени от момента возникновения клетки в результате деления до ее гибели, или до последнего деления. Он включает в себя функционально активную деятельность и период деления. Наиболее широко распространена непрямая форма деления – митоз.

Фазы митоза

1. Интерфаза

a) G1 – увеличение количества цитоплазмы, органелл, синтез структурных и функциональных белков. (Синтез веществ, ответственных за продолжение или ингибирование цикла).
б) S – репликация ДНК. (Синтез гистонов). Превращение хромосом в две хроматидные структуры.
в) G2 – интенсивный биосинтез. Деление органелл, увеличение запасов энергии, деление центриолей.

2. Профаза – спирализация хромосом, начало сборки веретена деления, центриоли расходятся к противоположным полюсам клетки, уменьшение размера ядрышек. В конце – распад ядерной оболочки и формирование веретена деления.

3. Метафаза – хромосомы выталкиваются микротрубочками к экватору клетки, формирование метафазной пластинки.

4. Анафаза – хроматиды при помощи нити (прикрепляются к кинетохорам) растаскиваются к полюсам клетки.

5. Телофаза – деспирализация однохроматидных хромосом, формирование ядрышка; из мембранных пузырьков формируется ядерная оболочка. По экватору клетки локализуются микротрубочки вместе с пузырьками Гольджи – образование перегородки; растворение микротрубочек. Образование дочерних клеток.

Биологическое значение митоза: равное распределение генетического материала, точная передача наследственной информации; рост, обновление частей организма.

Мейоз – способ деления клеток, в результате которого происходит уменьшение в два раза числа хромосом (редукционное деление). Мейоз включает два быстро следующих одно за другим деления.

  • Профаза I – после спирализации гомологичные хромосомы объединяются в пары – биваленты. Одновременно гомологичные хромосомы конъюгируют и в местах соединения хромосомы обмениваются участками – кроссинговер.

  • Метафаза I – завершается формирование веретена деления, биваленты выстраиваются в экваториальной плоскости. (К центромерам хромосом присоединяется только по одной нити веретена деления).

  • Анафаза I – гомологичные хромосомы разделяются и расходятся к полюсам. Набор хромосом двух будущих дочерних клеток будет гаплоидным, но каждая хромосома состоит из двух хроматид (1n2c).

  • Телофаза I – за короткое время образуются две дочерние гаплоидные клетки.

  • Профаза II – короткая, удвоения генетического материала не происходит.

  • Метафаза II, анафаза II, телофаза II – такие же, как и при митозе; дочерние клетки получают по одной хроматиде, сохраняя гаплоидный набор хромосом (1n1с).

Биологическое значение мейоза: 1) редукция числа хромосом, для последующего восстановления диплоидности при оплодотворении; 2) обеспечение разнообразия генетического состава гамет.

Формы размножения организмов

Размножение – воспроизведение себе подобных. Существует две формы размножения: бесполое и половое. Для осуществления полового размножения необходимо наличие двух особей: мужской и женской, дающих разносортные половые клетки – сперматозоиды и яйцеклетки. Половые клетки несут гаплоидный набор хромосом и способны к слиянию с образованием зиготы. Образующиеся из оплодотворенных яйцеклеток особи сочетают в себe признаки обоих родителей.
При бесполом размножении дочерние особи образуются путем митоза из одной или нескольких исходных клеток и поэтому обладают наследственной информацией, морфологическими, анатомическими и физиологическими особенностями, идентичными с материнской особью.

Формы бесполого размножения:

1. Деление (бактерии).
2. Спорообразование (хвощи, папоротники).
3. Почкование (гидра).
4. Вегетативное размножение (частями организма).

Формы полового размножения

1. Слияние одноклеточных организмов с последующим делением образовавшейся клетки (некоторые простейшие).
2. Слияние гамет (млекопитающие).
3. Партеногенез (тли и др.).

Вопрос 2. Гибридологический метод изучения наследственности. Моногибридное и дигибридное скрещивание. Законы Менделя

Основоположник генетики чешский ученый Грегор Мендель установил закономерности в наследовании признаков. Для изучения изменчивости и генетического материала им был разработан метод гибридологического анализа, который предусматривает:
– скрещивание особей с контрастными признаками, например, красные и белые цветки;
– анализ проявления у гибридов только исследуемых признаков, без учета других (например, изучение только окраски цветков);
– выращивание и анализ потомков каждой особи отдельно от других, для предотвращения случайного нежелательного оплодотворения;
– ведение количественного учета гибридов, различающихся по исследуемым признакам.
Символы, принятые в генетике. Р (родительская особь), х (скрещивание), F1 (особи первого поколения), F2 (второе поколение).
Проводя моногибридное скрещивание (по одному признаку) самоопыляющегося растения гороха, Мендель установил, что в первом поколении преобладают особи только с одним из альтернативных признаков. Признак, подавляющий проявление другого, Мендель назвал доминантным, а подавляемый – рецессивным. Например:
а – ген зеленой окраски семян (рецессивный)
А – ген желтой окраски семян (доминантный)

Аллели – различные модификации одного и того же гена, отвечающие за развитие одного признака.
Гомозигота – особь, производящая гаметы только одного сорта.
Гетерозиготная особь имеет аллели одного и того же гена и, соответственно, производит разносортные гаметы.

Первый закон Менделя – закон единообразия первого поколения: при скрещивании двух гомозигот, отличающихся по одному признаку, первое поколение будет иметь одинаковый фенотип, по этому признаку. При этом все гибриды могут иметь фенотип одного из родителей по этому признаку (полное доминирование) или промежуточный (неполное доминирование). Все потомки одинаковы по генотипу.
Скрещивая потомство 1-го поколения между собой, Мендель установил второй закон – закон расщепления: при скрещивании двух гетерозигот во втором поколении наблюдается расщепление по фенотипу 3:1 и генотипу 1:2:1

Генотип – совокупность взаимодействующих генов организма.

Фенотип – совокупность внешне проявляющихся признаков организма.

Дигибридное скрещивание – рассматривается наследование и производится учет по двум парам альтернативных признаков. Мендель использовал горох, отличающийся по форме семян – гладкие (В) и морщинистые (в), и по окраске семян: желтые (А) и зеленые (а).
При скрещивании дигомозигот в F1 проявились доминантные признаки.
При скрещивании дигетерозигот первого поколения в F2 получилось расщепление по фенотипу:
9 желтых гладких: 3 желтых морщинистых: 3 зеленых гладких: 1 зеленая морщинистая. Для каждой пары отношение признаков равно 3:1, что говорит о независимости наследования признаков.

Третий закон – закон независимого комбинирования: при скрещивании двух гомозиготных особей, отличающихся по двум и более парам альтернативных признаков, гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всех возможных сочетаниях.
В отличие от первого закона, который справедлив во всех случаях, кроме явлений неполного доминирования, третий закон относится только к случаям независимого наследования, когда гены расположены в разных хромосомах. Иначе сцепление генов исказит результаты опыта.
Открытие мейоза и установление того, что при этом процессе гомологичные хромосомы расходятся к различным полюсам и образуются гаплоидные клетки, позволило сформулировать закон чистоты гамет: при образовании половых клеток в каждую попадает только один ген из аллельной пары.

Билет 5 

Вопрос 1. Понятие об аллелях. Закон чистоты гамет. Гетеро- и гомозиготные организмы

Ответ на этот вопрос содержится в ответе на вопрос 2 билета 4.

Вопрос 2. Вклад Н.И.Вавилова в развитие селекции. Неклеточные формы жизни

Селекция (от лат. selektio – отбор) – наука о создании новых и улучшении существующих пород животных, сортов растений, штаммов микроорганизмов. Под селекцией понимается также сам процесс изменения живых организмов, осуществляемый человеком для своих потребностей.
Успех селекции во многом зависит от генетического разнообразия исходной группы растений, животных или микроорганизмов, наиболее разнообразен генофонд у диких предков. С целью изучения многообразия и географической распространенности культурных растений Н.И. Вавилов организовал многочисленные экспедиции во многие страны. В результате был собран огромный материал для селекционной работы. Выделено 7 центров происхождения культурных растений: Южно-азиатский тропический, Восточно-азиатский, Юго-западно-азиатский, Средиземноморский, Абиссинский, Центрально-американский, Южно-американский.
На основе изучения наследственности Вавилов сформулировал закон гомологических рядов: виды и роды, генетически близкие между собой, характеризуются тождественными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм у других видов и родов. Например: черная окраска семян встречается у ржи, пшеницы, ячменя, кукурузы, а удлиненная форма зерна – у всех видов.
Таким образом обнаружение мутаций у одного вида дает повод для их поиска у других видов. Закон гомологических рядов широко используется в селекционной практике.

Неклеточные формы жизни – вирусы

В 1852 г. русский ботаник Д.И. Ивановский впервые получил инфекционный экстракт вирусов. В 1899 г. голландец М.Бейеринк придумал название этой группе организмов, которое происходит от латинского слова, обозначающего яд.
Вирусы – мельчайшие неклеточные организмы с размерами 15–350 нм, их можно увидеть только в электронный микроскоп. Размножаются вирусы только внутри живой клетки, а вне ее имеют форму кристалла.
Сердцевину вируса составляет фрагмент генетического материала (ДНК или РНК), который окружает белковая оболочка – капсид. Полностью сформированная инфекционная частица носит название вирион (или нуклокапсида). Иногда вирусы имеют дополнительные компоненты, образованные из оболочки клетки-хозяина.
Вирусы, поражающие бактерии – бактериофаги, имеют головку (икосаэдр), сократительный чехол, базальную пластинку, шипы отростка и длинные хвостовые нити.

Размножение вирусов. Проникнув в клетку, генетический материал вируса встраивается в ДНК хозяина. В таком состоянии он может находиться несколько поколений, реплицируясь вместе с ДНК хозяина (умеренные фаги), или процесс синтеза вирусных части происходит сразу же. (Материал вируса обладает повышенным сродством к РНК-полимеразе, что позволяет ему успешно конкурировать с промоторами оперонов хозяина). У некоторых вирусов (ВИЧ) генетический материал представлен РНК, на которой при помощи фермента ревертазы синтезируется ДНК, встраивающаяся затем в геном хозяина.
После синтеза наследственного материала вирусные частицы самопроизвольно собираются и сформировавшиеся вирионы покидают клетку.
Вирусы вызывают различные заболевания человека (корь, грипп, полиомиелит, герпес, оспа и самое опасное – СПИД).
ВИЧ (поражает Т-хелперы, что) делает невозможным протекание реакций специфического иммунитета, человек становится бессильным перед любой инфекцией.
Вирусы считают облигатными паразитами, произошедшими от каким-то образом изолированных нуклеиновых кислот. Такая нуклеиновая кислота может реплицироваться только за счет структур клетки, от которой она «бежала».

Билет 6

Вопрос 1. Критерии и структура вида. Экологическая характеристика вида. Биологический прогресс и регресс. Стабилизация. Состояние вида в природе. Охрана редких и исчезающих видов

Понятие «вид» ввел Карл Линней. По современным представлениям, вид – это совокупность особей, обладающих общими наследственно обусловленными морфологическими, физиологическими и биохимическими признаками, занимающих определенный ареал, способных скрещиваться друг с другом и дающих плодовитое потомство. Свойства вида прямо связаны с общностью происхождения всех составляющих его особей.
Особи любого вида неравномерно распределены внутри ареала. Под влиянием различных факторов, действующих неравномерно внутри ареала вида, выделяются отдельные группы особей – популяции. Популяция – совокупность особей данного вида, занимающих определенный участок внутри ареала, свободно скрещивающихся между собой и частично или полностью изолированных от других популяций. Вид существует в виде популяций, генофонд вида представлен генофондом популяции. Сходные популяции образуют подвиды (структура вида: особи – популяции – подвид – вид).

Критерии вида – это признаки, по которым один вид отличается от другого. Критериев вида можно выделить много. Генетический критерий основан на особенностях структуры ДНК; биохимический – позволяет различать виды по составу и структуре определенных белков, нуклеиновых кислот и других веществ; цитологический – основан на отличиях особей на клеточном уровне; кариологический – на различиях в структуре и количестве хромосом; физиологический – на сходстве основных характеристик обмена веществ и физиологических процессов; морфологический – на различиях во внешнем и внутреннем строении особей; географический – на том, что каждый вид занимает определенную территорию, т.е. характеризуется определенным географическим ареалом; поведенческий – на различиях в поведении, в частности в ритуалах ухаживания и т.д. Ни один из критериев вида не является определяющим и абсолютным. Целостность вида и его изолированность обеспечиваются невозможностью для особей разных видов скрещиваться между собой или отсутствием у них плодовитого потомства. Невозможность межвидового скрещивания связана с различиями по одному или нескольким их видовым критериям.

Экологическая характеристика вида. В процессе эволюции у представителей каждого вида сформировались определенные приспособления к условиям обитания. В пределах своего ареала вид может существовать в определенных условиях и выполнять особую функциональную роль в определенном биоценозе, т.е. занимает свою экологическую нишу, характеристики которой отличаются от характеристик ниш, занимаемых другими видами. Экологическая характеристика вида также является одним из видовых критериев (экологический критерий).

Биологический прогресс. Биологическим прогрессом называют ситуацию, когда та или иная систематическая группа характеризуется высокой численностью входящих в нее видов, их обширными и продолжающими расширяться ареалами, значительным числом и разнообразием входящих в группу видов, родов и т.д.
Биологический прогресс является результатом приспособления в процессе эволюции. А.Н. Северцов выделял следующие главные направления эволюционного процесса.

Ароморфоз (или арогенез, от греч. airo – поднимаю) – у группы организмов развиваются принципиально новые признаки, позволяющие перейти в принципиально новую адаптивную зону. Ароморфоз характеризуется общим повышением организации, развитием приспособлений широкого назначения, расширением среды обитания. Примеры: появление теплокровности у позвоночных, крылья и связанные с ними перестройки организма у птиц.

Идиоадаптация (или аллогенез, от греч. аllos – другой) – развитие частных приспособительных признаков к определенным условиям среды обитания. Пример: расселение теплокровных животных с освоением различных сред обитания.

Общая дегенерация (или катагенез, катаморфоз) – особый путь эволюции, связанный с проникновением организмов в более простую среду обитания с резким упрощением строения и образа жизни. Пример: паразиты, обитатели пещер.

Биологический регресс – явление, противоположное биологическому прогрессу, характеризуется снижением численности особей, сужением ареала, уменьшением видового разнообразия. В конечном итоге может привести к вымиранию группы. Общая причина регресса – отставание темпов эволюции группы от скорости изменения внешней среды. В настоящее время в состоянии регресса находятся, например, хвощи и плауны.
(Стабилизация – развитие системной группы, при котором не происходит существенного изменения численности особей, площади занимаемого ареала. Осуществляется благодаря постоянству окружающей среды и действию стабилизирующего отбора).
В данный момент трансформация природных местообитаний и глобальное загрязнение окружающей среды благодаря широкомасштабной деятельности человека ставит под угрозу существование многих видов живых организмов. Решение проблемы сохранения редких и исчезающих видов идет по нескольким направлениям:
– создание охраняемых территорий (заказники, заповедники и пр.), где частично или полностью запрещена хозяйственная деятельность;
– наблюдение за состоянием редких видов, составление Красной книги;
– законодательный запрет на добычу и торговлю редкими видами животных и растений;
– ограничение хозяйственной деятельности в местах обитания редких и исчезающих видов;
– регуляция добычи промысловых животных, заготовок древесины и редких видов растений.

Вопрос 2. Практическое использование достижений цитологии и вирусологии. Профилактика заболеваний СПИДом

Благодаря изучению одноклеточных организмов произошло бурное развитие биотехнологии – получение лекарств, кормов, белковых препаратов (инсулина) и пр. Используя современные методы исследований, удалось установить причины многих заболеваний человечества. Достижения цитологии и вирусологии имеют огромное значение для развития медицины, разработки норм профилактики и гигиены.
Вылечивать вирусное заболевание СПИД пока не удается, поэтому основой для предотвращения его распространения остается широкое разъяснение путей заражения и соблюдение правил профилактики: строгий контроль над донорской кровью и ее производными; обеспечение медучреждений одноразовыми инструментами; отказ от пьянства, беспорядочных половых связей, употребления наркотиков.

Продолжение следует

 

Рейтинг@Mail.ru
Рейтинг@Mail.ru