Рекомендации ФИПИ по самостоятельной подготовке к ЕГЭ по биологии (2023)

Текст документа

Текст извлечён из официального PDF ФИПИ автоматически: формулы, таблицы и рисунки могут отображаться неточно — сверяйтесь с документом выше.

Федеральная служба по надзору в сфере образования и науки ФГБНУ «Федеральный институт педагогических измерений»

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ обучающимся по организации самостоятельной подготовки к ЕГЭ 2023 года БИОЛОГИЯ

Москва, 2023

Автор-составитель: В.С. Рохлов, Р.А. Петросова

Методические рекомендации предназначены для обучающихся 11 классов, планирующих сдавать ЕГЭ 2023 г. по биологии. Методические рекомендации содержат советы разработчиков контрольных измерительных материалов ЕГЭ и полезную информацию для организации индивидуальной подготовки к ЕГЭ. В рекомендациях указаны темы, на освоение/повторение которых целесообразно обратить особое внимание.

Оглавление Общие рекомендации ....................................................................................................................3 Рекомендации по организации повторения содержания тематических блоков ........................ 7 Блок 1. Биология как наука. Методы научного познания .......................................................... 7 Блок 2. Клетка как биологическая система .................................................................................. 10 Блок 3. Организм как биологическая система ............................................................................. 27 Блок 4. Система и многообразие органического мира .............................................................. 49 Блок 5. Организм человека и его здоровье ................................................................................... 69 Блок 6. Эволюция живой природы ................................................................................................. 93 Блок 7. Экосистемы и присущие им закономерности ............................................................. 109 Примеры обновлённых и новых моделей заданий, включённых в КИМ в 2023 году ......... 122

Общие рекомендации Дорогие друзья! Вам предстоит сдавать единый государственный экзамен (ЕГЭ) по биологии. Основная задача – показать хорошую биологическую подготовку и получить возможность поступить в выбранный вами вуз. Подготовка будет эффективной, если она будет правильно спланирована и логически выстроена. Данные рекомендации помогут вам в этом. В экзаменационной работе ЕГЭ по биологии проверяются знания и умения, сформированные в процессе изучения следующих разделов курса биологии: «Растения», «Бактерии. Грибы. Лишайники», «Животные», «Человек и его здоровье» (базовый уровень), «Общая биология» (углублённый уровень). В экзаменационной работе преобладают задания по разделу «Общая биология», поскольку в нём интегрируются и обобщаются фактические знания, полученные вами в предыдущие годы обучения предмету. Наиболее важны знания биологических теорий, биологических законов и закономерностей, в том числе: клеточная, хромосомная, эволюционная, рефлекторная теории и теория гена; законы наследственности (Менделя, Моргана, Вавилова) и изменчивости; экологические закономерности развития биосферы (например, закономерности действия экологических факторов на организм и др.). Востребованы при выполнении заданий ЕГЭ и конкретные биологические знания о строении и функционировании отдельных клеток, растительных и животных организмов (Растения, Животные, Бактерии, Лишайники, Вирусы, Человек). Также на экзамене проверяются прикладные знания из области биотехнологии, селекции организмов, охраны природы, здорового образа жизни человека, например, оказания первой помощи и др. Что помешало многим участникам экзамена в 2022 году набрать максимальные баллы? К типичным ошибкам следует отнести: – невнимательное прочтение инструкций к заданиям и указаний к их выполнению; – неумение выделить главное в тексте задания – особенно это касается заданий второй части, включающих достаточно объёмный контекст. При решении таких заданий текст следует прочитать несколько раз и только после этого переходить к ответам на вопросы; – отсутствие умения «читать» рисунки, схемы, графики, таблицы и извлекать из них необходимую биологическую информацию; – неумение проводить анализ исходных данных, формулировать выводы, делать обобщения, пояснять свою точку зрения. К содержательным затруднениям следует отнести следующее. Таблица 1 Тематические блоки Описание затруднений участников ЕГЭ Задания блока I «Биология как наука. Наибольшие затруднения вызвали задания, провеМетоды научного познания» контро- ряющие знание методов биологических исследовалируют материал о достижениях ний (например, определить гибридологический биологии, методах исследования, ос- метод в генетике, получение эффекта гетерозиса новных уровнях организации живой в селекции, или метод кариотипирования в цитоприроды, её основных признаках логии и генетике) Задания блока II «Клетка как В первой части КИМ этого блока один рисунок биологическая система» проверяют использовался одновременно в двух линиях зазнания о строении, жизнедеятельно- даний – 5 и 6. Так, в первом задании (5) предлагасти и многообразии клеток; умения лось определить клеточную структуру, процесс или устанавливать взаимосвязь строения вещество, а во втором задании – установить 3

и функций органоидов клетки, распознавать и сравнивать клетки разных организмов, процессы, протекающие в них

Задания блока III «Организм как биологическая система» контролируют усвоение знаний о закономерностях наследственности и изменчивости, об онтогенезе и воспроизведении организмов, о селекции организмов и биотехнологии, а также овладение умениями применять биологические знания при решении задач по генетике

Задания блока IV «Система и многообразие органического мира» проверяют знания о многообразии, строении, жизнедеятельности и размножении организмов различных царств живой природы и вирусах; умения сравнивать организмы, характеризовать и определять их принадлежность к определённому систематическому таксону В заданиях блока V «Человек и его здоровье» проверялись знания о строении и функционировании организма человека, нейрогуморальной регуляции физиологических процессов, санитарно-гигиенических нормах и правилах здорового образа жизни

соответствие между указанными на рисунке структурами или процессами и их характеристиками. Сложными оказались, например, следующие задания: – по изображению тилакоида определить этапы фотосинтеза и вещества, которые образуются на этих этапах; – по изображению митохондрии установить соответствие между её структурами и их характеристиками; – по изображениям определить процессы обмена веществ и превращения энергии на клеточном и организменном уровне Наибольшие затруднения вызвали задачи базового уровня сложности с кратким ответом на анализ родословных. В темах «Воспроизведение организмов. Способы размножения», «Онтогенез и присущие ему закономерности» наибольшие затруднения вызвали задания с рисунками. Участники экзамена не смогли определить по рисунку структуры, а потом подобрать к ним соответствующие характеристики. Серьёзные затруднения выявлены при выполнении заданий, проверяющих знание циклов развития споровых и семенных растений, гаметофита и спорофита В заданиях этого блока возникли затруднения при установлении соответствия видоизменений вегетативных органов растений и их характеристик, строения и характеристик клеток гидры

Наибольшие затруднения вызвали задания по следующим темам: «Нервная и эндокринная системы. Нейрогуморальная регуляция процессов жизнедеятельности организма», «Анализаторы, строение и функции, роль в организме. Высшая нервная деятельность». Так, в первой части затруднения вызвало задание, в котором требовалось установить соответствие между признаками и заболеваниями: сахарным диабетом и микседемой – и их влиянием на другие процессы в организме. Во второй части самым трудным оказалось задание, в котором требовалось оценить влияние щитовидной железы, мышц, промежуточного мозга на изменение концентрации глюкозы в крови. 4

Блок VI «Эволюция живой природы» содержал задания, которые контролировали знания о движущих силах, направлениях и результатах эволюции органического мира; умения объяснять основные эволюционные процессы, взаимосвязь движущих сил и результатов эволюции Блок VII «Экосистемы и присущие им закономерности» был направлен на проверку знаний об экологических закономерностях, о круговороте веществ в биосфере; умений устанавливать взаимосвязи организмов в экосистемах, выявлять причины устойчивости, саморазвития и смены экосистем

При выполнении этих заданий у участников ЕГЭ возникли проблемы при объяснении механизмов микроэволюции (видообразования) на конкретных примерах, представленных в заданиях

Типичных затруднений при выполнении заданий участниками ЕГЭ прошлых лет не выявлено

Опираясь на результаты экзамена, советуем тщательно прорабатывать содержание, которое традиционно вызывает затруднения у многих выпускников. Для самостоятельной подготовки следует использовать учебники 6–11 классов, допущенные к использованию Министерством просвещения Российской Федерации. Особое внимание следует обратить на раздел «Общая биология» (10–11 класс). Рекомендуем пользоваться учебником углублённого уровня. Советуем вам составить собственную «дорожную карту» подготовки к экзамену. Для входной диагностики уровня вашей подготовки прорешайте демонстрационный или любой тренировочный вариант КИМ ЕГЭ по биологии 2023 г. и проверьте ответы. Маркируйте задания и темы, которые вызвали затруднения. Самоподготовка будет эффективнее, если вы составите таблицу, фрагмент которой продемонстрирован ниже (таблица 2)1. Изучите её структуру и продолжите заполнение. Фиксация сроков и планирование прохождения поможет вести учёт изученного и грамотно распределять время на прохождение всего курса биологии. Таблица 2

Проверяемые элементы содержания

Пройдено/ изучено

Необходимо изучить/повторить (сроки) Блок 1. Биология как наука. Методы научного познания (Биология как комплекс наук о живой природе) 1.1. Биология как наука, её достижения, методы познания живой природы. Роль биологии в формировании современной естественнонаучной картины мира 1.2 и т.д. Блок 2. Клетка как биологическая система (Структурные и функциональные основы жизни) 2.1. Современная клеточная теория, её основные поло- . жения, роль в формировании современной естественнонаучной картины мира. Развитие знаний о клетке. Фрагмент таблицы составлен на основании раздела 2 «Перечень элементов содержания, проверяемых на едином государственном экзамене по биологии» кодификатора (https://fipi.ru/ege/demoversii-specifikaciikodifikatory#!/tab/151883967-6). 1

Клеточное строение организмов – основа единства органического мира, доказательство родства живой природы 2.2 и т.д. Блок 3. Организм как биологическая система (Организм) 3.1. Разнообразие организмов. Размножение организмов 3.2 и т.д. Блок 4. Система и многообразие органического мира (Теория эволюции) 4.1. Многообразие организмов. Значение работ К. Линнея и Ж-Б. Ламарка. Основные систематические (таксономические) категории. Царство бактерий. Царство грибов. Лишайники 4.2 и т.д. Блок 5. Организм человека и его здоровье 5.1. Ткани. Органы и системы органов. Эндокринная система 5.2 и т.д. Блок 6. Эволюция живой природы (Теория эволюции. Развитие жизни на Земле) 6.1. Эволюционная теория Ч. Дарвина. Синтетическая теория эволюции 6.2 и т.д. Блок 7. Экосистемы и присущие им закономерности (Организмы и окружающая среда) 7.1. Среды обитания организмов. Экологические факторы: абиотические, биотические. Антропогенный фактор. Их значение 7.2 и т.д.

Рекомендации по организации повторения содержания тематических блоков Блок 1. Биология как наука. Методы научного познания (Биология как комплекс наук о живой природе) Содержание данного блока проверяется в следующих линиях заданий КИМ ЕГЭ 2023 г. 1, 2, 22, 23 (встречается обязательно); 26, 27 (возможно). 1.1. Биология как наука, её достижения, методы познания живой природы. Роль биологии в формировании современной естественнонаучной картины мира Краткое содержание теоретического материала Биология – наука, изучающая свойства живых систем. Ботаника изучает жизнь растений, их строение, жизнедеятельность, условия обитания, происхождение и эволюционное развитие. Зоология изучает строение, развитие, образ жизни животных, их видовой состав, распространение, происхождение, значение в природе и жизни человека. Анатомия – наука, изучающая строение тела организмов и их частей на уровне выше клеточного. Физиология – наука, изучающая жизнедеятельность здорового организма и его частей – систем, органов, тканей, клеток. Гигиена – наука, изучающая влияние факторов внешней среды на организм человека в целях оптимизации благоприятного и профилактики неблагоприятного воздействия. Цитология – наука о клетке, строении и функциях её органоидов. Генетика – наука, изучающая закономерности наследственности и изменчивости организмов. Эмбриология – наука о формировании и развитии зародышей. Селекция – наука о создании новых и улучшении существующих пород животных, сортов растений, штаммов микроорганизмов. Систематика – наука, задачей которой является описание и обозначение всех существующих и вымерших видов организмов, а также их распределение по различным группам. Палеонтология – наука об ископаемых останках растений и животных, реконструирующая по найденным останкам их внешний вид, биологические особенности, а также восстанавливающая на основе этих сведений ход биологической эволюции. Экология – наука, изучающая взаимодействие организмов между собой и с окружающей средой, закономерности развития экосистем, взаимоотношения организмов в них, эволюцию сообществ и биосферы Метод – путь исследования, который проходит учёный, решая конкретную научную проблему. Методы познания живой природы: измерение, наблюдение, эксперимент, микроскопирование, моделирование и др. Практические задания Для систематизации материала и его усвоения вам предлагается следующее. Заполнить таблицу. Название метода Сходство Различие Наблюдение Эксперимент

Ответить на вопросы. Знание каких естественных наук используют современные биологи? 7

2. 3. 4. 5. 6. 7.

Какие методы применяются к биологической науке? В чём особенности теоретических методов биологических исследований? Какие методы исследования нужно использовать для определения роли воды в жизни растений? Предложите методы, с помощью которых можно изучить процесс фотосинтеза у растений. Какими методами можно изучить поведение аквариумных рыб? Какими методами можно исследовать клеточное строение кожицы чешуи лука?

Выполнить задание. Проанализируйте таблицу «Энергозатраты на выращивание сельскохозяйственных культур и давление этого производства на экосистему в одной из провинций Китая». Культуры

Энергия, Дж Давление на экосистему, усл. ед.

Зерновые

3,02×1015

Масличные

3,25×1014

Овощные

2,19×1014

Фрукты

4,79×1013

Выберите утверждения, которые можно сформулировать на основании анализа полученных результатов. Запишите в ответе цифры, под которыми указаны выбранные утверждения. 1) Производство масличных культур требует меньше площадей, чем производство зерновых. 2) Суммарное давление на экосистему сельскохозяйственного производства данной провинции слишком велико. 3) При производстве овощей давление на экосистему наименьшее. 4) Активное использование сельскохозяйственных угодий может привести к эрозии почвы. 5) Наибольшее количество энергии требуется для производства зерновых. Ответ: ___________________________. 1.2. Биологические системы. Уровневая организация живой природы. Общие признаки биологических систем Краткое содержание теоретического материала Система – это совокупность компонентов, находящихся во взаимосвязи и образующих единое целое. Биологическая система является открытой системой, существует в разных формах. Основные биологические системы: клетка, ткань, орган, организм, популяция, вид, биоценоз, биосфера. Основные уровни организации живой природы: молекулярно-генетический, клеточный, организменный, популяционно-видовой, биогеоценотический, биосферный. Молекулярно-генетический уровень: изучаются свойства и функции химических веществ в живых системах, процессы (репликация ДНК, синтез РНК). Клеточный уровень: изучаются строение и функции клеток и органоидов, процессы, протекающие на клеточном уровне (обмен веществ и деление клетки). Организменный уровень: изучаются одноклеточные или многоклеточные организмы, их строение, наследственность и изменчивость, образ жизни, поведение, размножение. Популяционно-видовой: изучаются группы особей одного вида, их основные характеристики (критерии вида), структура, состав, процессы. Популяция как единица эволюции. Биогеоценотический (экосистемный): 8

экосистемы, взаимоотношения организмов в экосистемах, состоящими из различных популяций и среды обитания. Биосферный: представлен совокупностью всех биогеоценозов. Для биосферы характерен круговорот веществ, обмен и превращение энергии. Все живые организмы (биологические системы) обладают рядом общих признаков и свойств, которые делают их отличными от тел неживой природы. 1. Высокоупорядоченное строение. Живые организмы имеют определённый план строения – клеточный или неклеточный (вирусы), состоят из химических веществ – более высокого уровня организации, чем вещества неживой природы. 2. Обмен веществ и энергии. Для живых организмов характерна совокупность процессов дыхания, питания, выделения, посредством которых они получают из внешней среды необходимые вещества и энергию, преобразуют и накапливают их в организме и выделяют в окружающую среду продукты своей жизнедеятельности. 3. Раздражимость. Организмы способны специфически реагировать на изменения окружающей среды, адаптироваться и выживать в изменяющихся условиях. 4. Самовоспроизведение. Всё живое способно к самовоспроизведению, размножению. Размножение связано с передачей наследственной информации и является самым характерным признаком живого. Жизнь любого организма ограничена, но за счёт размножения живая материя «бессмертна». 5. Рост и развитие. Живые организмы растут, увеличиваются в размерах, развиваются, изменяются за счёт поступления питательных веществ. 6. Движение. Организмы способны к более или менее активному движению. Это один из ярких признаков живого. Движение происходит и внутри организма, даже на уровне клетки. 7. Саморегуляция. Одним из самых характерных свойств живого является поддержание постоянство внутренней среды организма при изменении внешних условий. Регулируется температура тела, давление, насыщенность газами, концентрация веществ и т.д. Саморегуляция происходит не только на уровне всего организма, но и на уровне клетки. Кроме того, за счёт деятельности всех живых организмов саморегуляция присуща и биосфере в целом. Саморегуляция связана с такими свойствами живого, как наследственность и изменчивость. 8. Наследственность – это способность передавать признаки и свойства организма из поколения в поколение в процессе размножения. 9. Изменчивость – это способность организма изменять свои признаки при взаимодействии со средой. В результате наследственности и изменчивости живые организмы приспосабливаются, адаптируются к внешним условиям, что позволяет им выжить и оставить потомство. 10. Эволюция. Все живое развивается от простого к сложному. В результате исторического развития возникло все многообразие живых организмов. Практические задания Для систематизации материала и его усвоения вам предлагается следующее. Ответить на вопросы. 1. Что такое биологическая система? 2. Каковы отличительные признаки биологической системы? 3. Почему биосистемы называют открытыми системами? 4. Докажите на примере любой биосистемы, что она иерархична. 5. К какому уровню организации жизни вы отнесёте белого медведя, клевер красный, еловый лес, растительную клетку, обыкновенную амёбу? Ответ аргументируйте. 6. Какие процессы происходят в биосистемах разного уровня организации? Приведите примеры. 9

Выполнить задание. Рассмотрите таблицу «Уровни организации живой природы». Запишите в ответе пропущенный термин, обозначенный в таблице вопросительным знаком. Уровни организации живой природы Примеры Организменный Проявление дальтонизма у ребёнка ? Круговорот кислорода в природе Ответ: ___________________________.

Блок 2. Клетка как биологическая система (Структурные и функциональные основы жизни) Содержание данного блока проверяется в следующих линиях заданий КИМ ЕГЭ 2023 г.: 3, 5, 6, 7, 28 (встречается обязательно); 21, 24 (возможно). 2.1. Современная клеточная теория, её основные положения, роль в формировании современной естественнонаучной картины мира. Развитие знаний о клетке. Клеточное строение организмов – основа единства органического мира, доказательство родства живой природы Краткое содержание теоретического материала Основные положения современной клеточной теории 1. Клетка является структурной и функциональной единицей живого, представляет собой элементарную живую систему. Для неё характерны все признаки и функции живого. 2. Клетки различных организмов имеют сходный химический состав и общий план строения. 3. Новая клетка возникает в результате деления исходной клетки. 4. Многоклеточные организмы развиваются из одной исходной клетки. 5. Сходство клеточного строения организмов свидетельствует о единстве их происхождения. Химический состав. В клетке встречаются около 60 химических элементов – биогенов. Их можно разделить на три группы: макроэлементы (О, С, Н, N, Р, Са), микроэлементы (S, К, Na, Cl, Mg, Fe), ультрамикроэлементы (Mn, I, Br, F, Zn, Сu, В и др.). Вода. Содержание в клетках – 60–98%. Универсальный растворитель, определяет объём и тургор клеток; среда, где протекают химические реакции, катализатор, участник реакций обмена веществ. Составляет внутреннюю среду организма, структурирует клетку, участвует в терморегуляции. Органические вещества. Липиды – сложные эфиры глицерина (или других спиртов) и высших жирных кислот. Содержание от 5 до 90%. Триглицериды (жиры и масла), фосфолипиды (содержат фосфорную кислоту), воски, стериды (холестерин, стероидные гормоны). Гидрофобные вещества с высокой энергоёмкостью. Функции в организме: энергетическая (1 г жира выделяет 38,9 кДж), строительная (фосфолипиды строят мембранные структуры клеток), защитная, терморегуляторная, гормональная (стероидные гормоны), компоненты витаминов D, Е, источник воды в клетке, запасное питательное вещество. Углеводы – сахароподобные вещества с общей формулой Cn(H2O)m. Содержание в клетках животных 1–3%, в клетках растений до 90%. Углеводы делятся на моносахариды, дисахариды, полисахариды. Моносахариды (глюкоза, фруктоза, рибоза, дезоксирибоза) и дисахариды (сахароза, лактоза) – бесцветные кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде, имеют сладкий вкус. Полисахариды (крахмал, гликоген, целлюлоза) в воде растворимы плохо или нерастворимы. Моносахариды (глюкоза) являются 10

мономерами. Функции углеводов: строительная (целлюлоза, хитин), энергетическая (1 г углеводов образует 17,6 кДж), запасное питательное вещество (крахмал, гликоген). Рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислом и АТФ. Белки – полимеры, мономеры – 20 различных аминокислот. Аминокислоты соединены друг с другом пептидной связью (СО-NН). Белки имеют сложное строение и несколько уровней организации. Первичная структура – последовательность аминокислот в полипептидной цепи, связанных пептидной связью. Эта последовательность определяется наследственной программой каждой клетки и организма. Вторичная структура – спирально закрученная полипептидная цепь (α-спираль) или слоистая (β-структура) цепь, образованная за счёт водородных связей. Третичная структура – определённая пространственная конфигурация молекулы. Она поддерживается связями: ковалентными (S-S), ионными (_-NH3+, СОО–), водородными, гидрофобными взаимодействиями. Четвертичная структура – это суперструктура, объединение нескольких полипептидных цепей (субъединиц) в единую молекулу. Характерна не для всех белков. Свойства белков: денатурация белка (свёртывание) – потеря белком природной структуры. Денатурация обратимая и необратимая. Функции: ферментативная (биокатализаторы), строительная (мембранные структуры клеток), энергетическая (1 г белка образует 17,6 кДж), двигательная (сократительные белки мышечных волокон, микротрубочек), транспортная (переносят вещества – гемоглобин), защитная (образуют антитела и антигены), регуляторная (гормоны – инсулин). Нуклеиновые кислоты – биополимеры; мономерами являются нуклеотиды (остаток фосфорной кислоты, углевода, азотистое основание). ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота): Н3РО4, дезоксирибоза, азотистые основания аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т). РНК (рибонуклеиновая кислота): Н3РО4, рибоза, азотистые основания аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), урацил (У). Комплементарные азотистые основания А=Т или А=У, цитозин Ц≡Г. ДНК представляет собой двойную спираль за счёт водородных связей между комплементарными основаниями. Находится в ядре, митохондриях и хлоропластах. ДНК способна к самоудвоению – репликации. Функция – хранение и передача наследственной информации о первичной структуре белка, всех признаков организма. РНК – одна полинуклеотидная цепь, находится в ядре, цитоплазме. Виды: транспортная тРНК (транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка на рибосомы), информационная иРНК (переносит информацию о структуре белка от ДНК на рибосомы), рибосомальные рРНК (строят тело рибосомы), вирусные РНК (самые высокомолекулярные, являются генетическим аппаратом вируса). АТФ – аденозинтрифасфат, мононуклеотид, состоящий из рибозы, аденина и трёх остатков фосфорной кислоты, между которыми имеются две макроэргические (высокоэнергетические) связи. Энергия простой связи – около 10 кДж/моль, а макроэргической – 40 кДж/моль. АТФ – универсальный источник энергии в клетке. Пример задачи. В ДНК на долю нуклеотидов с аденином приходится 35%. Определите процентное содержание нуклеотидов с цитозином, входящих в состав молекулы. В ответе запишите только соответствующее число. Решение. Для решения задачи подобного типа необходимо вспомнить, что молекула ДНК состоит из двух цепей, которые удерживаются друг с другом за счёт водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями: А-Т, Г-Ц. Это означает, что количество тимина всегда равно количеству аденина, а количество цитозина равно количеству гуанана. Согласно условию количество нуклеотидов с аденином в молекуле составляет 35%, следовательно, количество нуклеотидов с тимином также составляет 35% (А = Т = 35%). В сумме количество этой комплементарной пары составляет 70%. Значит, на долю другой пары нуклеотилов – цитозина и гуанина – приходится 30% (100 – 70 = 30). 11

Так как цитозин и гуанин комплементарны друг другу, то их количество в молекуле ДНК одинаково: по 15% каждого вида (30: 2 = 15). Практические задания Для систематизации материала и его усвоения вам предлагается следующее. Ответить на вопросы. 1. Назовите авторов первой клеточной теории. 2. Сформулируйте основные положения современной клеточной теории. 3. Каким методом была впервые открыта клетка? 4. Каким методом можно разделить и выделить органоиды клетки? 5. С чем связаны уникальные физико-химические свойства воды? Перечислите те из них, которые наиболее важны для организмов. 6. За счёт взаимодействия каких групп аминокислот происходит образование пептидных связей? 7. Какие связи стабилизируют вторичную структуру белковой молекулы? Почему вторичная структура белков достаточно прочная, хотя поддерживающие её связи значительно слабее ковалентных? 8. Что такое денатурация белка? Каковы её причины? Что такое ренатурация? 9. Как сказываются различия в строении полисахаридов на их свойствах и биологических функциях? Ответ проиллюстрируйте примерами. 10. Объясните, почему жиры плохо растворяются в воде. 11. При окислении 1 г жира выделяется 38,9 кДж, а при окислении 1 г углеводов – 17,6 кДж. Объясните, почему энергоёмкость жиров в 2 раза выше энергоёмкости углеводов. 12. Что такое нуклеотид? Из каких компонентов он состоит? Какие части нуклеотида составляют остов цепи нуклеиновых кислот? 13. Что собой представляют молекулы нуклеиновых кислот? Чем нуклеиновые кислоты как полимеры отличаются от белков? Выполнить задание. Какую долю нуклеотидов с гуанином и цитозином в сумме содержит молекула ДНК, если доля нуклеотидов с тимином составляет 14%? В ответе запишите только соответствующее число. Ответ: _______________ %. 2.2. Строение клетки. Многообразие клеток Краткое содержание теоретического материала Все клеточные организмы делятся на две группы: прокариоты (доядерные) и эукариоты (ядерные). Прокариоты – примитивные организмы, не имеющие чётко оформленного ядра. В клетках имеется кольцевая ДНК, отсутствуют органоиды, кроме рибосом. Это бактерии и цианобактерии (сине-зелёные «водоросли»). Бактериальные клетки (царство Дробянки) имеют плотную клеточную стенку, одну кольцевую молекулу ДНК (нуклеоид), рибосомы. Все остальные органоиды у них отсутствуют. Эукариоты – истинно ядерные, имеют чётко оформленное ядро и все основные органоиды. К ним относятся растения, животные, грибы. Все клетки снаружи окружены наружной клеточной мембраной. Наружная клеточная мембрана состоит из двойного слоя фосфолипидов (билипидного слоя), с мозаично вкрапленными молекулами белков. Свойства и функции: ограничивает живое содержимое клетки, обладает избирательной проницаемостью, защищает клетку, регулирует поступление веществ и обмен с внешней средой. Механизмы поступления 12

веществ в клетку: диффузия (низкомолекулярные ионы, молекулы), осмос (вода), активный транспорт с затратой энергии АТФ против градиента концентрации, пассивный транспорт без затрат энергии, эндоцитоз – поглощение крупных частиц, фагоцитоз – поглощение твёрдых частиц, пиноцитоз – поглощение жидких веществ. У клеток животных с внешней стороны к белкам или липидам присоединяются углеводы, образуя гликокаликс. Он обеспечивает сцепление клеток и выполняет рецепторную функцию. Клетки растений и грибов снаружи имеют оболочку (клеточную стенку), которая придаёт клетке прочность, защищает, выполняет роль «скелета». У растений оболочка из целлюлозы, у грибов – из хитина. В оболочке имеются поры, через которые происходит взаимосвязь клеток друг с другом. Цитоплазма – внутреннее полужидкое содержимое клетки, в котором располагаются все органоиды. Органоиды могут быть отделены от цитоплазмы мембраной. Одномембранные органоиды имеют только одну мембрану. Эндоплазматическая сеть (ЭПС) – система канальцев, трубочек, цистерн, пронизывает всю цитоплазму, разделяет её на отсеки, обеспечивает сообщение между отдельными частями клетки и транспорт веществ. На гладкой ЭПС синтезируются липиды, полисахариды; на гранулярной ЭПС располагаются рибосомы и синтезируются белки. Аппарат Гольджи – система пузырьков, цистерн, связанных с ЭПС; обеспечивает упаковку и вынос синтезируемых веществ из клетки, формирование лизосом. Лизосомы – округлые тельца, содержат специальные ферменты, которые обеспечивают расщепление (гидролиз) поступающих в клетку полимеров до мономеров, а также внутриклеточное переваривание. Вакуоли с клеточным соком – мембранные мешки различной величины и формы, заполненные клеточным соком и питательными веществами, характерны для растений. Двумембранные полуавтономные органоиды. Митохондрии имеют продолговатую форму. Наружная мембрана гладкая, а внутренняя имеет складки – кристы. Внутри органоид заполнен матриксом, в котором находятся кольцевая ДНК, РНК, рибосомы. Митохондрии способны к самостоятельному росту, синтезу белков и делению. Являются энергетическими станциями клетки, в них происходит окончательное окисление органических веществ кислородом воздуха (дыхание) и синтез АТФ. Пластиды характерны для растительных клеток и делятся на три вида: хлоропласты, лейкопласты и хромопласты. Хлоропласты – органоиды зелёного цвета, окружены двумя мембранами. Внутренняя часть заполнена стромой, в которую погружены мембранные структуры – граны. Граны образованы мембранными мешочками – тилакоидами. В строме имеются кольцевая ДНК, РНК, рибосомы. На мембранах располагается фотосинтезирующий пигмент – хлорофилл. В хлоропластах осуществляется фотосинтез. Хромопласты – органоиды шарообразной формы; они содержат красный, оранжевый, жёлтый пигменты, придают окраску цветкам, плодам, осенью – листьям, образуются из хлоропластов. Лейкопласты – бесцветные пластиды, находятся в неокрашенных частях растения, содержат запасные питательные вещества, могут на свету переходить в хлоропласты. Немембранные органоиды. Рибосомы – мелкие тельца грибовидной формы, состоящие из большой и малой субъединиц, которые образованы из белков и рибосомальных РНК; на них идёт синтез белка. Микротрубочки – палочкообразные структуры, состоящие из спирально расположенных молекул белка. Они располагаются по всей клетке, выполняют роль внутреннего скелета, придают клетке определённую форму и обеспечивают движение цитоплазмы. Производные микротрубочек – две центриоли и центросфера клеточного центра, которая участвует в делении клетки, образует нити веретена деления и обеспечивает равномерное распределение хромосом между дочерними клетками. Центриоли – цилиндрические структуры, образованные из микротрубочек. Органоиды движения – реснички и жгутики, обеспечивающие движение клетки (одноклеточных организмов). Представляют собой выросты цитоплазмы, окружённые 13

клеточной мембраной. Внутри находятся микротрубочки, сокращения которых приводят к движению клетки. Ядро – центр регуляции жизнедеятельности клетки, обеспечивает передачу наследственной информации. Отделено от цитоплазмы двойной ядерной мембраной, в которой имеются поры. Внутри ядро заполнено кариоплазмой, в которой находятся молекулы ДНК. Здесь происходит синтез ДНК, РНК, формирование рибосом. В неделящейся клетке молекулы ДНК находятся в виде тонких нитей хроматина. Во время деления ДНК спирализуются, утолщаются, образуют комплексы с белком и превращаются в хорошо заметные структуры – хромосомы. Ядрышко – тёмное округлое образование в кариоплазме, место синтеза рРНК, формирования и скопления рибосом. В ядре может быть одно или несколько (до шести) ядрышек. Строение прокариотной клетки. Снаружи прокариотная клетка покрыта оболочкой, но состоит из вещества гликопротеида – муреина. Она может иметь дополнительные слизистые слои и капсулу, которые выполняют защитную функцию. Под оболочкой располагается плазматическая мембрана, как у эукариотной клетки. У аэробных прокариот на плазматической мембране имеются ферменты, которые участвуют в дыхании, аналогично ферментам митохондрий. На этих участках происходить кислородный этап энергетического обмена. У фотосинтезирующих бактерий (цианобактерий) имеются впячивания в виде фотосинтетических мембран. Они могут располагаться в виде стопок в цитоплазме и напоминают граны хлоропластов. Генетический аппарат состоит из одиночной кольцевой молекулы ДНК – нуклеоида. В клетке имеются рибосомы, но они мельче, чем эукариотные. Многие прокариотные организмы подвижны и имеют один или несколько жгутиков, напоминают микротрубочку эукариот, но вместо тубулина здесь белок флагеллин. На клеточной стенке у некоторых бактерий имеются тонкие выросты – пили. Практические задания Для систематизации материала и его усвоения вам предлагается следующее. Заполнить таблицу. Название органоида

Строение

Функции

Ответить на вопросы. 1. Как образована плазматическая мембрана? 2. Какую функцию выполняют мембранные белки? 3. Какие структуры плазматической мембраны обеспечивают: а) избирательную проницаемость; б) распознавание соседних клеток; в) взаимное сцепление клеток друг с другом в одной ткани? 4. Чем оболочка клетки отличается от плазматической мембраны? 5. Какие органоиды клетки относятся к одномембранным? Какие функции они выполняют? 6. В чём сходство строения митохондрий и хлоропластов? Почему их считают полуавтономными органоидами? 7. Какое строение имеет рибосома? Какие функции выполняют рибосомы? 8. Каковы основные функции ядра? 9. Сравните строение ядерной и наружной плазматической мембраны. Укажите их сходство и различия. Выполнить задание. 14

Все перечисленные ниже понятия, кроме двух, используются для описания структуры клетки, обозначенной на рисунке вопросительным знаком. Определите два понятия, «выпадающих» из общего списка, и запишите в таблицу цифры, под которыми они указаны.

1) 2) 3) 4) 5)

целлюлозная оболочка фосфолипиды транспорт веществ рибосомы белки

Ответ: 2.3. Обмен веществ и превращения энергии в клетке. Фотосинтез. Хемосинтез Краткое содержание теоретического материала Ассимиляция (анаболизм, пластический обмен) – совокупность реакций синтеза высокомолекулярных органических веществ из низкомолекулярных органических или неорганических веществ, сопровождающихся поглощением энергии за счёт расщепления молекул АТФ. К пластическому обмену относят реакции синтеза органических веществ: углеводов, липидов, белков и нуклеиновых кислот. Молекулы АТФ при этом расщепляются, и выделяется энергия. Диссимиляция (катаболизм или энергетический обмен) – совокупность реакций распада и окисления высокомолекулярных органических веществ до низкомолекулярных органических или неорганических веществ, сопровождающихся выделением энергии и запасанием её в синтезируемых молекулах АТФ. Живые существа для своей жизнедеятельности используют световую и химическую энергию, органический или неорганический углерод. Автотрофные организмы синтезируют органические соединения из неорганических, используя энергию солнечного света (фототрофы) или энергию окисления неорганических соединений серы, азота, водорода, железа (хемотрофы). Источником углерода для них является углекислый газ. Автотрофы: растения, цианобактерии, хемосинтензирующие бактерии. Гетеротрофы используют только готовые органические вещества, извлекая из них энергию за счёт их расщепления. Это животные, грибы, гетеротрофные бактерии. Фотосинтез – это процесс первичного синтеза органических веществ из неорганических (углекислого газа и воды), осуществляемый с использованием энергии Солнца. Общее уравнение: свет

6СО2+ 6Н2О → С6Н12О6 + 6О2 15

Энергетически бедные вещества – вода и углекислый газ – в процессе фотосинтеза превращаются в энергоёмкие органические вещества, при этом солнечная энергия аккумулируется в их химических связях. В результате для организмов становятся доступными энергия и углерод. Кроме того, в процессе фотосинтеза в атмосферу выделяется кислород, необходимый для дыхания. Фотосинтез протекает в две фазы: световую и темновую. Все реакции, происходящие при этом, можно разделить на две группы: 1) благодаря солнечной энергии идёт накопление энергии в процессе синтеза АТФ и происходит фотолиз воды, сопровождающийся образованием водорода и связыванием его с переносчиком, одновременно идёт выделение свободного кислорода; 2) происходит фиксация углекислого газа, его активизация за счёт энергии АТФ, восстановление водородом и синтез глюкозы. Первая фаза – световая. Энергия света, поглощённая хлорофиллом, преобразуется в энергию электронов, за счёт которой идёт синтез АТФ и образование НАДФ∙2Н. Процесс происходит на мембранах тилакоидов. В световую фазу протекают следующие параллельные процессы: 1) возбуждение электронов хлорофилла энергией света и перемещение возбуждённых электронов на мембране тилакоидов; 2) синтез молекул АТФ за счёт энергии возбуждённых электронов – фосфорилорование; 3) фотолиз (разложение) молекул воды за счёт энергии света, образование кислорода и протонов водорода: Н2О → ½О2↑ + 2Н+ + 2ḕ 4) соединение водорода со специальным переносчиком НАДФ+ и образование НАДФ∙2Н. Из клетки выделяется кислород. Темновая фаза протекает в строме хлоропластов. В результате циклических реакций происходят фиксация СО2, активирование промежуточных веществ за счёт энергии АТФ, восстановление углерода за счёт НАДФ∙2Н и синтез глюкозы: 6СО2 + НАДФ∙2Н + АТФ → С6Н12О6 + НАДФ+ + АДФ Значение фотосинтеза. Фотосинтез обеспечивает образование органических веществ из неорганических, снабжает пищей и энергией все живые организмы. Образовавшийся кислород обеспечивает дыхание и жизнь всех аэробных организмов. Хемосинтез – процесс синтеза органических соединений из неорганических за счёт химической энергии, получаемой при окислении неорганических веществ (серы, сероводорода, железа, аммиака, нитритов и др.). Хемосинтез осуществляют только хемосинтезирующие бактерии. Высвобождающаяся энергия запасается бактериями в АТФ и используется для синтеза органических соединений из неорганических. В зависимости от вещества, которое бактерии используют для выделения энергии, различают нитрифицирующие бактерии, железобактерии, серобактерии, водородные бактерии. Источником водорода в окислительно-восстановительных реакциях является не только вода, но и другие неорганические вещества, например сероводород – H2S и водород – H2. Углерод бактерии-хемосинтетики извлекают из углекислого газа. Хемосинтезирующие бактерии играют важную роль в природе и жизни человека. Практические задания Для систематизации материала и его усвоения вам предлагается следующее. Заполнить таблицу. Характеристики

Световая фаза

Темновая фаза 16

Место протекания реакций Источник энергии Исходные вещества Продукты реакции Ответить на вопросы. 1. Какие две группы реакций составляют обмен веществ? 2. Охарактеризуйте процессы анаболизма и катаболизма. Какова их взаимосвязь? 3. Приведите примеры организмов, отличающихся по использованию источников энергии, необходимого для обмена веществ. 4. Почему АТФ можно назвать ключевым источником энергии в реакциях обмена веществ? 5. На какие процессы расходуется АТФ?

6. Назовите основной источник энергии на

Земле. В результате какого процесса аккумулируется эта энергия? 7. В каких органоидах идёт процесс фотосинтеза? Какое они имеют строение? 8. Какие процессы происходят в световую фазу фотосинтеза? В какой части хлоропластов протекают эти реакции? 9. Как происходит аккумуляция солнечной энергии молекулами хлорофилла? 10. Что такое фотолиз воды? Назовите продукты этого процесса. 11. Какое вещество образуется при фосфорилировании? 12. В какой части хлоропластов протекают реакции темновой фазы? Назовите основные реакции этой фазы. Выполнить задание. Установите соответствие между характеристиками и процессами обмена веществ у растений: к каждой позиции, данной в первом столбце, подберите соответствующую позицию из второго столбца. ХАРАКТЕРИСТИКИ Образуется вода. А) Б) Процесс осуществляется в пластидах. В) Различают анаэробный и аэробный этапы. Г) Процесс происходит во всех живых клетках. Д) Углекислый газ присоединяется к углеводу. Е) Происходит транспорт возбуждённого светом электрона.

ПРОЦЕССЫ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ 1) фотосинтез 2) дыхание

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. А

2.4. Энергетический обмен в клетке и организме Краткое содержание теоретического материала Энергетический обмен – совокупность реакций распада высокомолекулярных органических веществ до низкомолекулярных органических или неорганических, сопровождающихся выделением энергии и запасанием её в синтезируемых молекулах АТФ. Энергетический обмен протекает в три этапа. Рассмотрим его на примере распада углеводов. Первый этап – подготовительный. Это гидролитическое расщепление высокомолекулярных органических соединений пищи при участии воды до мономеров. Этот процесс протекает в пищеварительном тракте животных, а на клеточном уровне – в лизосомах. Реакции подготовительного этапа: белки + Н2О → аминокислоты + Q; жиры + Н2О → глицерин + высшие жирные кислоты + Q; полисахариды + Н2О → глюкоза + Q. Вся энергия, выделяющаяся на подготовительном этапе, рассеивается в виде тепла. Второй этап – бескислородный. Гликолиз – это расщепление и окисление глюкозы до пировиноградной кислоты (ПВК) и образование 2 молекул АТФ. Гликолиз происходит в цитоплазме. СбН12Об + 2АДФ + 2НАД → 2С3Н403+ 2НАД∙2Н + 2АТФ В клетках анаэробов (бактерии, дрожжи) этот процесс называется брожением. Спиртовое брожение: распад глюкозы на этиловый спирт и углекислый газ, образование двух молекул АТФ. Молочнокислое брожение: распад глюкозы до молочной кислоты, образование 2 молекул АТФ. Спиртовое брожение: СбН12Об + 2АДФ →

2С2Н5ОН + 2СО2

глюкоза

этиловый спирт

Молочнокислое брожение: СбН12Об + 2АДФ → 2С3Н6О3 глюкоза

+ 2АТФ

молочная кислота

Третий этап энергетического обмена – кислородный, или аэробный, происходит только в присутствии кислорода. Поэтому его называют биологическим окислением или дыханием. Биологическое окисление протекает в митохондриях, где пировиноградная кислота окисляется до углекислого газа и воды, синтезируется 36 молекул АТФ. Преобразование происходит в результате циклических реакций, при этом образуется весь углекислый газ и высвобождаются атомы водорода, которые связываются с переносчиком НАД+, и образуются молекулы НАД∙2Н. Этот процесс происходит в матриксе митохондрий. Образовавшийся углекислый газ выделяется из клетки и выводится из организма. Молекулы НАД∙2Н поступают на кристы митохондрий, где расположена дыхательная цепь ферментов. На мембране крист атомы водорода отщепляются от переносчика и соединяются с кислородом с выделением большого количества энергии. За счёт этой энергии на мембране синтезируют молекулы АТФ. Синтез молекул АТФ, сопряжённый с процессом окисления водорода, называется окислительным фосфорилированием. Обобщённое уравнение реакции третьего этапа: 2С3Н4О3 + 2НАД∙2Н + 6О2 + 36АДФ → 6СО2 + 6Н2О + 36АТФ + 2НАД+ При расщеплении глюкозы на двух этапах энергетического обмена образуется всего 38 молекул АТФ, причём основная часть – на кислородном этапе или при биологическом окислении. 18

Суммарное уравнение энергетического обмена глюкозы: СбН12Об + 6О2 + 38АДФ → 6СО2+ 6Н2О + 38АТФ Выход молекул АТФ в процессе кислородного окисления глюкозы – в 19 раз больше, чем при бескислородном расщеплении. Такой выигрыш энергии обеспечил преимущественное развитие на нашей планете аэробных организмов по сравнению с анаэробными. Практические задания Для систематизации материала и его усвоения вам предлагается следующее. Заполнить таблицу. Этапы энергетического обмена

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

Место протекания

Исходные вещества

Конечные продукты

Энергия (АТФ)

Ответить на вопросы. Что общего в реакциях превращения белков, жиров и углеводов в пищеварительном тракте человека? Как называют такие реакции? В каких органоидах клетки происходит первый этап энергетического обмена? Какие продукты расщепления белков, жиров, углеводов образуются в результате первого этапа? Сравните энергетическую эффективность двух типов брожения глюкозы. Сделайте вывод об эффективности анаэробного пути обмена веществ. Опишите последовательность превращения пировиноградной кислоты в процессе биологического окисления. В каких органоидах клетки идут эти процессы? В результате каких реакций образуется углекислый газ? Где и как используется кислород, поступающий в организм при дыхании? Где происходит образование молекул воды? Объясните, почему и во сколько раз аэробный путь окисления органических веществ эффективнее анаэробного.

Выполнить задание. Установите соответствие между характеристиками и этапами энергетического обмена углеводов: к каждой позиции, данной в первом столбце, подберите соответствующую позицию из второго столбца. ХАРАКТЕРИСТИКИ А) Образуется молочная кислота. Б) Образуются конечные продукты – углекислый газ и вода. В) Образуется пировиноградная кислота. Г) Происходит расщепление глюкозы. Д) Синтезируется более 30 молекул АТФ. Е) Обмен осуществляется в митохондриях.

ЭТАПЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА 1) бескислородный 2) кислородный

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. А

2.5. Генетическая информация в клетке. Биосинтез белка Краткое содержание теоретического материала Реакции матричного синтеза – это реакции синтеза органических веществ на основе имеющейся молекулярной матрицы. К реакциям матричного синтеза относят синтез ДНК на ДНК-матрице, синтез всех видов РНК на ДНК-матрице и синтез белка на иРНК-матрице. Исходной матрицей для синтеза белков и нуклеиновых кислот служит молекула ДНК. Реакции происходят по принципу комплементарности. Информация, заключённая в линейной последовательности нуклеотидов, используется для создания другой линейной последовательности: либо нуклеотидов (при синтезе РНК или ДНК), либо аминокислот (при синтезе белка). Генетическая информация в клетке. Носителями наследственной информации клетки и организма являются молекулы ДНК. Ген – участок молекулы ДНК, в котором зашифрована информация о первичной структуре одного белка. Правило перевода последовательности нуклеотидов в нуклеиновой кислоте в аминокислотную последовательность белка называется генетическим кодом. Характеристика генетического кода 1. Код триплетен – каждой аминокислоте соответствует сочетание из трёх нуклеотидов. Всего таких сочетаний – 64 кодона. Из них 61 кодон смысловой, соответствует 20 аминокислотам, а 3 кодона – бессмысленные стоп-коды, которые не соответствуют аминокислотам, а заполняют промежутки между генами. 2. Код однозначен – каждый триплет соответствует только одной аминокислоте. 3. Код вырожден (избыточен) – каждая аминокислота имеет более чем один кодон. 4. Код универсален – все живые организмы имеют один и тот же генетический код. 5. Код непрерывен – между кодонами и генами нет промежутков. 6. Код неперекрываем – последний нуклеотид одного триплета не может служить началом другого. Матрицей для синтеза белка является иРНК, поэтому генетический код даётся по иРНК. Генетический код (иРНК от 5’к 3’концу) Первое Третье Второе основание основание основание У Ц А Г Фен Сер Тир Цис У Фен Сер Тир Цис Ц У Лей Сер – – А Лей Сер – Три Г Лей Про Гис Арг У Лей Про Гис Арг Ц Ц Лей Про Глн Арг А Лей Про Глн Арг Г Иле Тре Асн Сер У Иле Тре Асн Сер Ц А Иле Тре Лиз Арг А Мет Тре Лиз Арг Г Вал Ала Асп Гли У Вал Ала Асп Гли Ц Г Вал Ала Глу Гли А Вал Ала Глу Гли Г Правила пользования таблицей 20

Первый нуклеотид в триплете берётся из левого вертикального ряда; второй – из верхнего горизонтального ряда; третий – из правого вертикального. Там, где пересекутся линии, идущие от всех трёх нуклеотидов, и находится искомая аминокислота.

Центральная догма молекулярной биологии

Транскрипция – синтез иРНК на участке (гене) молекулы ДНК. Синтез РНК происходит только на определённом участке. Синтезируемые РНК значительно короче и являются копиями только определённого небольшого участка ДНК, где находится информация о структуре данной РНК или белка. Синтез РНК начинается с присоединения специального фермента РНК-полимеразы к определённой зоне на ДНК. Под действием специальных белков участок спирали ДНК раскручивается, и разрушаются водородные связи между двумя её цепями. Одна из них служит матрицей для синтеза РНК. Известно, что комплементарные цепи нуклеиновых кислот антипараллельны. Если рассмотреть схему двойной спирали ДНК, то можно увидеть, что 5’ концу в одной цепи соответствует 3’конец другой цепи. Синтез любой нуклеиновой кислоты начинается с 5’ конца, так как фермент РНК-полимераза и ДНК-полимераза может соединять нуклеотиды новой цепи только с одного конца - 5’. Следовательно, матрицей для синтеза нуклеиновой кислоты является цепь с 3’-конца. Это необходимо учитывать при выборе матричной цепи ДНК и написании комплементарных фрагментов цепи РНК. На одной цепи ДНК с 3’-конца по принципу комплементарности выстраиваются нуклеотиды. На одной цепи ДНК по принципу комплементарности выстраиваются нуклеотиды. Фермент РНК-полимераза, продвигаясь по цепи ДНК, соединяет между собой нуклеотиды. В результате синтезируется РНК-копия. Процесс синтеза РНК продолжается до стопсигнала – одного из трёх стоп-кодонов, который прекращает движение фермента и синтез РНК. Фермент РНК-полимераза отделяется от ДНК, освобождается синтезированная молекула РНК, ДНК восстанавливает двойную спираль. Синтез завершён. Трансляция – синтез белка на матрице иРНК, в ходе которого наследственная информация, закодированная в генах ДНК, реализуется в определённую последовательность аминокислот в белковых молекулах. Биосинтез белков происходит на рибосомах в цитоплазме или ЭПС. Для синтеза необходимы: набор аминокислот, тРНК, энергия АТФ, иРНК, рибосомы. тРНК связывают и кодируют аминокислоты, доставляют к рибосомам. Синтез полипептида на рибосоме также начинается с 5’ конца. Рибосома соединяется с иРНК и движется по иРНК в направлении от 5’ к 3’-концу. Это необходимо учитывать при определении последовательности аминокислот в полипептидной цепи. Место аминокислоты в белковой молекуле определяется соединением антикодона тРНК с кодоном иРНК в рибосоме. Здесь также необходимо учитывать антипараллельность нуклеиновых кислот. Так как синтез на иРНК идет с 5’ конца, а кодоны в таблице генетического кода также даны с 5’ конца, то соответствующие антикодоны должны имеют направление от 3’-конца к 5’-концу. Например, аминокислоте Мет соответствует кодон 5’АУГ-3’. Следовательно, ему соответствует антикодон тРНК 3’-УАЦ-5’. Окончание синтеза определяется стоп-кодонами на иРНК. Процесс трансляции в клетке обычно осуществляется многократно. Одна иРНК может соединяться с несколькими рибосомами, образуя полирибосому, или полисому. Полисома – это несколько рибосом на 21

одной молекуле иРНК, на которых происходит одновременный синтез одинаковых полипептидных цепей. Биосинтез белка протекает на рибосомах как в цитоплазме клетки, так и на поверхности каналов гранулярной ЭПС. Репликация ДНК – процесс удвоения молекулы ДНК. Каждая молекула раскручиваются с одного конца, и на каждой цепи синтезируется новая цепь по принципу комплементарности. В новых молекулах ДНК одна цепь исходная материнская, а вторая – новая дочерняя. Образовавшиеся две дочерние молекулы ДНК полностью идентичны исходной материнской. Точность копирования лежит в основе правильности передачи наследственной информации от материнской клетки дочерним клеткам. Процесс репликации происходит перед началом деления клетки. Пример задания. Сколько нуклеотидов содержится в гене, определяющем структуру белка, состоящего из 35 аминокислот? В ответе запишите только соответствующее число. Для решения задачи необходимо вспомнить свойство генетического кода – триплетность. Это означает, что каждая аминокислота кодируется сочетанием из трёх нуклеотидов. Если в молекуле белка 35 аминокислот, а код триплетен, то количество нуклеотидов равно 105 (35 × 3 = 105). Аналогично решается задача на количество кодонов на иРНК. Кодон – это один триплет из трёх нуклеотидов, который соответствует одной аминокислоте. Например, если кодонов на иРНК 10, то число нуклеотидов на иРНК – 30, а число аминокислот в белке, который синтезируется на иРНК, также равно 10 (1 кодон – 1 аминокислота). Наиболее сложными являются задачи из второй части с развёрнутым ответом. Рассмотрим методику решения такой задачи. В условие задачи всегда присутствует фраза об антипараллельности цепей нуклеиновых кислот и направлении синтеза полипептида на рибосоме. Пример задания Известно, что комплементарные цепи нуклеиновых кислот антипараллельны (5’ концу в одной цепи соответствует 3’конец другой цепи). Синтез нуклеиновых кислот начинается с 5’ конца. Рибосома движется по иРНК в направлении от 5’ к 3’ концу. Известно, что ген имеет кодирующую и некодирующую области. Фрагмент начала гена имеет следующую последовательность нуклеотидов (нижняя цепь матричная, транскрибируемая): 5’-ЦТАТГАГТЦГТАТТАТЦГТЦ-3’ 3’-ГАТАЦТЦАГЦАТААТАГЦАГ-5’ Определите последовательность аминокислот во фрагменте полипептидной цепи, объясните последовательность решения задачи. При ответе учитывайте, что полипептидная цепь начинается с аминокислоты Мет. Для выполнения задания используйте таблицу генетического кода. При написании последовательностей нуклеиновых кислот указывайте направление цепи. Решение: 1) последовательность иРНК: 5’- ЦУАУГАГУЦГУАУУАУЦГУЦ -3’; 2) аминокислоте Мет соответствует кодон 5’-АУГ-3’ (АУГ); 3) синтез полипептида начинается с третьего нуклеотида на иРНК; 4) последовательность аминокислот в полипептиде: мет-сер-арг-иле-иле-вал. При записи фрагмента молекулы иРНК следует помнить, что это единая молекула, её нужно записать сплошной цепью или через тире между триплетами. Последовательность аминокислот в полипептидной цепи также единая, её записывают через тире. Антикодоны тРНК принадлежат разным молекулам тРНК, поэтому их необходимо разделить запятыми. 22

Практические задания Для систематизации материала и его усвоения вам предлагается следующее. Ответить на вопросы. 1. Как передаётся генетическая информация в клетке? Какие вещества участвуют в этом процессе? 2. Что представляет собой генетический код? Охарактеризуйте его свойства. 3. В чём состоит универсальность генетического кода? 4. Какие реакции относятся к матричным и почему? 5. Как называют процесс синтеза РНК? Какие виды РНК синтезируются на ДНК? 6. Какая молекула является матрицей для синтеза белка? 7. В каких органоидах клетки происходит биосинтез белка? 8. Каковы функции тРНК в биосинтезе белка? Назовите главный участок этой молекулы. 9. Каким образом в клетке синтезируются одновременно несколько молекул одного и того же белка? Выполнить задание. Установите последовательность процессов биосинтеза белка в эукариотической клетке. Запишите в таблицу соответствующую последовательность цифр. 1) 2) 3) 4) 5)

синтез иРНК на ДНК соединение рибосомы с иРНК отрыв полипептидной цепи от рибосомы перемещение иРНК в цитоплазму образование пептидных связей

Ответ: 2.6. Жизненный цикл клетки. Хромосомный набор клетки Краткое содержание теоретического материала Жизненный цикл – совокупность всех фаз развития, пройдя которые, клетка или организм достигают зрелости и способны дать начало следующему поколению. Непрерывность жизни обеспечивается путём деления клетки и передачи наследственной информации от исходной материнской дочерним клеткам. От момента предыдущего до момента последующего деления в клетке происходит ряд событий, обеспечивающих её рост, развитие и размножение. Клеточный цикл – период жизнедеятельности клетки от момента её возникновения до момента деления на две дочерние клетки. Клеточный цикл состоит из интерфазы – периода подготовки к делению – и собственно деления. Интерфаза – период клеточного цикла между двумя последовательными делениями. Она характеризуется активными процессами обмена веществ, синтезом белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, накоплением клеткой питательных веществ, увеличением количества всех её органоидов, ростом и увеличением объёма цитоплазмы. В середине интерфазы происходит репликация ДНК. Если в начале интерфазы каждая хромосома состоит из одной молекулы ДНК (1с), то в конце этого периода она уже состоит из двух идентичных молекул ДНК (2с), т.е. из двух сестринских хроматид. Строение хромосом. Хромосомы в эукариотных клетках – это комплексы молекул ДНК и белков. Хромосомы в интерфазе деспирализованы, что делает их практически невидимыми. В прокариотной клетке содержится только одна кольцевая молекула ДНК, не связанная с белками. Поэтому её нельзя назвать хромосомой. Это нуклеоид. 23

Идентифицировать хромосомы возможно только в период деления, когда они максимально плотно упакованы, спирализованы, хорошо окрашиваются и видны в световой микроскоп. После репликации две дочерние молекулы ДНК упаковываются порознь и образуют сестринские хроматиды, которые удерживаются вместе центромерой и образуют единую хромосому. Центромера – это участок сцепления двух сестринских хроматид, к которой прикрепляются нити веретена деления. Хромосомный набор. Клетки каждого организма содержат определённый набор хромосом – кариотип. Хромосомный набор строго специфичен для каждого вида организмов. В клетках могут содержаться двойной и одинарный наборы хромосом. Двойной, или диплоидный, набор хромосом характеризуется наличием парных хромосом. Гомологичные хромосомы – парные хромосомы, одинаковые по форме, величине и характеру наследственной информации. Двойной парный набор хромосом – диплоидный. Одинарный, непарный набор хромосом – гаплоидный, гомологичные хромосомы отсутствуют. Диплоидный набор соответственно обозначается 2n, а гаплоидный – n. Для обозначения количества генетического материала, т.е. числа молекул ДНК, используют латинскую букву с. В диплоидном наборе количество ДНК в двухроматидных хромосомах (после репликации) обозначается 4с, а в однохроматидных (после митоза) – 2с. Количество ДНК в гаплоидном наборе двухроматидных хромосом обозначается 2с, а однохроматидных – с. Половые клетки – гаметы и споры растений – всегда имеют гаплоидный набор (n). Зигота образуется после слияния гамет – оплодотворения, и всегда имеет диплоидный набор хромосом (2n). В начале интерфазы каждая хромосома состоит из одной молекулы ДНК, хромосомный набор – 2n, 2с. В конце интерфазы перед началом деления хромосома состоит из двух молекул ДНК, которые образуют две сестринские хроматиды одной хромосомы, хромосомный набор – 2n, 4с. Рассмотрим методику решения типовой задачи. Пример задания. Число хромосом в соматических клетках дрозофилы равно 8. Сколько аутосом в её гамете? В ответе запишите только соответствующее число. Решение. Гаметы имеют гаплоидный набор хромосом, т.е. половину от соматического набора – 4 хромосомы. Из них одна хромосома – половая и 3 – аутосомы. Ответ – 3. При решении задач другого типа, в которых требуется определить число ДНК и хромосом в разные периоды интерфазы, следует учесть, что в начале интерфазы одной хромосоме соответствует одна молекула ДНК, а в конце интерфазы перед началом деления одной хромосоме соответствуют две молекулы ДНК. Это связано с репликацией ДНК в синтетический период интерфазы. Хромосомы при этом становятся двухроматидными. Практические задания Для систематизации материала и его усвоения вам предлагается следующее. Ответить на вопросы. 1. Что представляет собой хромосома? Из каких веществ она состоит? 2. Какое строение имеет интерфазная хромосома? Почему её невозможно увидеть в микроскоп? 3. Какое строение имеет метафазная хромосома, которая хорошо видна в световой микроскоп? Назовите её основные части. 4. Из скольких молекул ДНК состоит хромосома в начале интерфазы и перед самым делением клетки? Почему изменяется количество ДНК в разные периоды жизни клетки? 5. Какие хромосомы называют гомологичными? 6. Что такое диплоидный и гаплоидный наборы хромосом? 24