Биология: теория

Простыми словами

Большие молекулы клетки собраны как бусы из одинаковых бусин. Бусина — мономер, нитка бус — полимер. Белок — бусы из аминокислот, крахмал — из глюкозы, ДНК — из нуклеотидов.

Неорганические вещества

Вода — 70–80 % массы клетки. Универсальный растворитель, обеспечивает транспорт веществ, участвует в реакциях гидролиза, благодаря высокой теплоёмкости поддерживает терморегуляцию.

Минеральные соли (ионы ${\mathrm{K}}^{+}$, $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$, $\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}$, $\mathrm{M}{\mathrm{g}}^{2+}$, $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$, фосфаты) поддерживают осмотическое давление и постоянство pH (буферность). Ионы $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$/${\mathrm{K}}^{+}$ обеспечивают нервный импульс, $\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}$ и фосфаты входят в костную ткань, $\mathrm{M}{\mathrm{g}}^{2+}$ — в хлорофилл, $\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}$ — в гемоглобин.

Органические вещества

Структуры белка

Денатурация — разрушение структуры белка (нагрев, кислоты); первичная структура при этом сохраняется.

Нуклеотид и комплементарность

Нуклеотид ДНК: азотистое основание (A, T, G, C) + дезоксирибоза + остаток фосфорной кислоты. В РНК — рибоза и урацил U вместо тимина.

Функции веществ коротко: глюкоза — основной и быстрый источник энергии; целлюлоза — клеточная стенка растений; белки-ферменты ускоряют биохимические реакции (каталитическая функция); ионы $\mathrm{C}{\mathrm{a}}^{2+}$ и фосфаты — костная ткань и свёртывание крови. Минеральные соли жизненно необходимы. Липиды плохо растворяются в воде и хорошо — в органических растворителях.

Простыми словами

Клетка устроена как город: в «мэрии» (ядре) хранятся документы — ДНК, «электростанции» (митохондрии) дают энергию, «заводы» (рибосомы) собирают белки, «почта» (комплекс Гольджи) упаковывает и рассылает, «очистные сооружения» (лизосомы) перерабатывают отходы.

Органоиды — постоянные структуры клетки со своими функциями. Удобнее всего запоминать их по числу мембран.

Органоиды по числу мембран

Не органоиды, но важные части клетки: цитоплазматическая (плазматическая) мембрана — избирательный транспорт веществ и защита клетки; цитоскелет (микротрубочки и микрофиламенты) — поддерживает форму клетки и обеспечивает движение органоидов внутри неё; клеточная стенка растений — придаёт клетке прочность и постоянную форму. Хлоропласты образуют органические вещества из неорганических на свету.

Схема клетки

Как отвечать на вопросы

Простыми словами

Клетка бактерии — это комната-студия: всё в одном помещении, ДНК лежит прямо «на полу». Клетка эукариот — квартира с комнатами: ДНК заперта в отдельном «кабинете» — ядре, и много других комнат-органоидов. А вирус — вообще не квартира, а флешка с программой: сам ничего не делает, пока его не вставят в чужой компьютер — клетку.

Прокариоты

Прокариоты (бактерии, археи) — организмы, клетки которых не имеют оформленного ядра. Кольцевая ДНК лежит в цитоплазме в области, называемой нуклеоид. Нет мембранных органоидов (митохондрий, ЭПС, комплекса Гольджи); клеточная стенка обычно из пептидогликана (муреина); рибосомы мелкие (70S).

Кроме основной кольцевой «хромосомы», у многих бактерий есть плазмиды — небольшие кольцевые молекулы ДНК, которые реплицируются отдельно от основной хромосомы (в них часто записана, например, устойчивость к антибиотикам).

Прокариоты и эукариоты: сравнение

Эукариоты (животные, растения, грибы, простейшие) — организмы, клетки которых имеют оформленное ядро, окружённое ядерной оболочкой, и набор мембранных органоидов.

Вирусы — неклеточная форма жизни

Вирусы не имеют клеточного строения. Состоят из нуклеиновой кислоты (только ДНК или только РНК, никогда обеих сразу) и белковой оболочки — капсида.

У вирусов нет собственного обмена веществ: вне клетки-хозяина они ведут себя как неживые частицы. Размножаться (копировать нуклеиновую кислоту и синтезировать белки) могут только внутри заражённой клетки, используя её ресурсы и её рибосомы.

Простыми словами

Глюкоза — как бревно, а АТФ — как мелкие монетки энергии, которыми клетка «расплачивается» за работу. Энергетический обмен — это постепенная «распилка» бревна: сначала крупные куски, потом мельче, и на каждом шаге клетка собирает монетки АТФ.

Три этапа

Брожение

При недостатке кислорода некоторые клетки используют брожение — расщепление глюкозы без кислорода. Оно даёт лишь 2 АТФ (столько же, сколько один гликолиз).

Задачи на подсчёт АТФ

Простыми словами

Энергетический обмен «ломает» вещества и получает энергию. Пластический — наоборот, «строит»: из простых веществ собирает сложные и тратит на это энергию АТФ. Как стройка: кирпичи + работа = дом.

Фотосинтез

Здесь $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ — углекислый газ, ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ — вода, ${\mathrm{C}}_6{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_6$ — глюкоза, ${\mathrm{O}}_2$ — кислород. На 1 молекулу глюкозы расходуется 6 молекул $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ и выделяется 6 молекул ${\mathrm{O}}_2$.

Хлорофилл — зелёный пигмент хлоропластов, поглощающий световую энергию для фотосинтеза.

Биосинтез белка (кратко)

Транскрипция — синтез иРНК на матрице ДНК, идёт в ядре. Трансляция — синтез белка на матрице иРНК, идёт на рибосомах в цитоплазме; аминокислоты доставляют тРНК. Подробно — в теме «Генетический код».

Простыми словами

ДНК — книга рецептов, которая не выносится из библиотеки (ядра). Клетка снимает с нужной страницы копию — иРНК (это транскрипция), несёт её на кухню — рибосому — и там по копии «готовит» белок (это трансляция).

Свойства кода

Всего кодонов $4^3=64$: 61 смысловой (кодируют 20 аминокислот) и 3 стоп-кодона.

Транскрипция

Транскрипция — синтез иРНК на матрице (транскрибируемой цепи) ДНК по принципу комплементарности; идёт в ядре. В РНК вместо тимина T — урацил U.

Трансляция

Трансляция — синтез белка на матрице иРНК на рибосоме (в цитоплазме). Каждому кодону иРНК соответствует аминокислота по таблице генетического кода. Аминокислоты подносят тРНК; у каждой тРНК есть антикодон, комплементарный кодону иРНК.

Таблица генетического кода

Кодон иРНК ищут так: первая буква — строка, вторая — столбец, третья — в ячейке (через «/» перечислены третьи буквы с одной аминокислотой). Сокращения: Фен — фенилаланин, Лей — лейцин, Сер — серин, Тир — тирозин, Цис — цистеин, Три — триптофан, Про — пролин, Гис — гистидин, Глн — глутамин, Арг — аргинин, Иле — изолейцин, Мет — метионин, Тре — треонин, Асн — аспарагин, Лиз — лизин, Вал — валин, Ала — аланин, Асп — аспарагиновая кислота, Глу — глутаминовая кислота, Гли — глицин.

Свойства кода видны по таблице: у Лей, Сер и Арг по 6 кодонов (вырожденность), но каждый кодон — одна аминокислота (однозначность). Код универсален — практически одинаков у всех организмов, от бактерий до человека.

Простыми словами

Митоз — ксерокопия: из одной клетки две точно такие же. Мейоз — «половинка с перемешиванием»: из одной клетки четыре, в каждой вдвое меньше хромосом, и все разные. Митозом мы растём, мейозом образуются половые клетки.

Обозначения: $n$ — число хромосом в одинарном (гаплоидном) наборе, $c$ — число молекул ДНК (хроматид). У человека $2n=46$, в гаметах $n=23$.

Фазы митоза

Перед делением, в интерфазе, ДНК удваивается (репликация): каждая хромосома становится из двух сестринских хроматид, $2n2c\to 2n4c$.

Мейоз

Два деления подряд без удвоения ДНК между ними. Мейоз I — редукционный: расходятся целые гомологичные хромосомы, число хромосом уменьшается вдвое. Мейоз II идёт как митоз: расходятся хроматиды.

В профазе I гомологичные хромосомы сближаются (конъюгация) и обмениваются участками — это кроссинговер. Вместе с независимым расхождением хромосом в анафазе I он обеспечивает генетическое разнообразие потомства.

Митоз и мейоз: сравнение

Простыми словами

Каждый признак задают два «голоса» — аллеля: от матери и от отца. Если один голос доминантный ($A$), он «перекрикивает» рецессивный ($a$). Рецессивный признак виден, только когда оба голоса рецессивные: $aa$.

$AA$, $aa$ — гомозиготы, $Aa$ — гетерозигота. Генотип — набор генов, фенотип — набор признаков. $P$ — родители, $F_1$, $F_2$ — первое и второе поколения.

Три закона

Моногибридное скрещивание

Дигибридное скрещивание

$AaBb$ даёт 4 типа гамет: $AB,Ab,aB,ab$. Решётка $4\times 4=16$ клеток.

Простыми словами

Загар летом пройдёт к зиме и детям не передастся — меняется только «внешность», а не «инструкция» в ДНК. Это модификация. А если в помёте серых мышей родилась белая из-за сбоя в гене, такая мышь передаст белизну потомкам — это мутация.

Два вида изменчивости

Ещё одна наследственная форма — комбинативная изменчивость: новые сочетания генов без изменения самих генов (кроссинговер, независимое расхождение хромосом в мейозе, случайная встреча гамет).

Виды мутаций

Мутагены — физические (радиация, ультрафиолет), химические (некоторые яды, консерванты, колхицин) или биологические (вирусы) факторы, вызывающие мутации.

Норма реакции

Количественные признаки (масса, рост, удой молока) обычно имеют широкую норму реакции, качественные (масть, группа крови, цвет глаз) — узкую.

Вариационный ряд — ряд вариант признака, расположенных в порядке возрастания или убывания его значения (например, длина колосьев от самых коротких к самым длинным); по нему строят вариационную кривую. Мутации бывают вредными, нейтральными и изредка полезными — большинство вредны или нейтральны.

Простыми словами

Каждый человек, кузнечик или лягушка проходит свой путь: от одной клетки до взрослого организма и до старости. Этот путь — онтогенез. Сначала организм строится «по чертежу» внутри яйца или матери, потом растёт и меняется уже снаружи.

Эмбриональный период

При дроблении число клеток (бластомеров) быстро растёт, а суммарный объём зародыша почти не меняется: клетки между делениями не растут и становятся всё мельче.

Зародышевые листки

Постэмбриональный период

Метаморфоз — глубокое превращение личинки во взрослую особь с изменением строения и образа жизни (головастик → лягушка, гусеница → куколка → бабочка).

Биогенетический закон

Пример: у зародыша человека и других млекопитающих закладываются жаберные щели и хорда — как у предков-рыб и древних хордовых.