Введение

Уровни организации живого и система биологических наук. Свойства живого: самовоспроизведение, наследственность и изменчивость; обмен веществ; восприятие и переработка информации; создание и поддержание сложной организации; способность к эволюции.
Научные подходы в биологии: принцип редукционизма и системный подход. Границы применимости редукционизма. Выполнение законов физики и химии в живой природе (на примере начал термодинамики). Главные научные проблемы биологии, состояние их изученности.

Раздел I. Основы цитологии

Тема 1. Общие признаки клеток. Схема строения и работы клетки

Краткая история изучения клетки. Основные положения клеточной теории. Общие признаки клетки.
Общая схема строения эукариотической клетки. Основные органоиды, их функции. Отличия прокариотических клеток. Методы изучения внутриклеточных структур: изготовление срезов, электронная микроскопия, дифференциальное окрашивание, центрифугирование.
Основные стройматериалы клетки: полимеры и мономеры. Экзотермические и эндотермические реакции. Ограниченная устойчивость биополиме ров. Энергозатраты клетки. Два направления использования органики: пластика и энергетика. Питание, дыхание, выделение, транспорт.

Демонстрации: электронные микрофотографии; препараты растительных и животных тканей.

Тема 2. Основные понятия химии и химический состав живого

Атомы и молекулы. Химическая связь. Структурные формулы. Строение атома и образование химических связей. Типы связи.
Химический состав живого. Особенности строения молекулы воды и роль воды в живой природе. Полярные и неполярные молекулы. Водородная связь. Гидрофильность и гидрофобность. Неорганические вещества, их роль в организмах. Основные классы органических веществ. Полимеры и мономеры.
Основные классы органических соединений клетки, их функции. Липиды, их биологические функции. Строение молекулы фосфолипидов, их поведение при взаимодействии с водой. Биологическая мембрана как липидный бислой.
Моносахариды, дисахариды и полисахариды. Их функции в клетках животных и растений.
Строение белков. Мономеры белков — аминокислоты. Строение их молекул и свойства. Кислотные и основные свойства. рН. Гидрофильные и гидрофобные радикалы. Образование пептидной связи и первичная структура белков. Образование водородных связей и вторичная структура. Приме ры структурных белков с вторичной структурой (кератин — шерсть, фиброин — шелк). Гидрофильно-гидрофобные взаимодействия и третичная структура. Денатурация и ренатурация.
Функции белков. Понятие катализа и ферментативная функция. Белки наружной мембраны: транспортная функция; рецепторная функция. Другие функции (защитная, энергетическая, регуляторная, двигательная).

Демонстрация: модели строения белков.

Тема 3. Функции основных органоидов эукариотической клетки.

Функции наружной мембраны. Ограничительная функция. Текучесть мембраны и способность к самозамыканию.
Рецепторная функция мембраны. Воздействие химического сигнала и механизм ответной реакции (на примере адреналина).
Цитоскелет и подвижность. Основные элементы цитоскелета: микротрубочки, микрофиламенты, промежуточные филаменты. Состав и функции промежуточных филаментов. Строение, сборка и разборка и функции микротрубочек. Центриоли и веретено деления. Микрофиламенты, их функции. Механизм мышечного сокращения.
Транспортная функция. Полупроницаемость и избирательность транспорта.
Диффузия и осмос. Роль осмоса в жизни животных и растений.
Пассивный транспорт. Активный транспорт. Затраты энергии. Избирательность по субстрату и направлению. Роль мембранных белков в транспорте: белки-каналы, белки-переносчики и белки-насосы.
Электрические свойства мембраны. Строение и механизм работы нейрона. Потенциал покоя и его возникновение. Потенциал действия и его генерация. Распространение потенциала действия по аксону. Строение и принцип действия химического синапса (на примере нервно-мышечного синапса). Тормозные и возбуждающие нейроны и медиаторы. Регуляция сокращения в поперечнополосатых мышцах.
Эндоплазматическая сеть, ее синтетическая и транспортная функции.
Понятие о единой мембранной системе клетки. Роль компартментализации в функционировании клеток эукариот.
Аппарат Гольджи, его роль в образовании лизосом и секреции. Основная функция аппарата Гольджи — сортировка белков.
Лизосомы, их роль во внутриклеточном пищеварении. Защитная функция лизосом у человека. Автофагия. Нарушения функционирования лизосом и связанные с этим патологии. Рецептор-опосредованный эндоцитоз. Пиноцитоз и фагоцитоз.

Тема 4. Обмен веществ и энергии в клетке

Обмен веществ и энергии в клетке. Синтез и распад веществ. Способы питания и получения энергии. Автотрофы и гетеротрофы; фототрофы и хемотрофы.
Энергетика клетки. Открытие брожения Л. Пастером и история его изучения. Понятие метаболического пути. АТФ — универсальный источник энергии. Процессы, идущие с затратой АТФ, и процессы, сопровождаемые синтезом АТФ. АТФ и активный транспорт — генерация и использование мембранного потенциала. Строение и работа протонной АТФсинтазы. Роль митохондрий и хлоропластов в синтезе АТФ.
Пластиды. Строение. Общее уравнение фотосинтеза. Получение из сахара остальной органики.

Тема 5. Передача и реализация наследственных свойств на клеточном уровне

История вопроса. Доказательство отсутствия самозарождения микробов Пастером. Открытие сущности оплодотворения.
Различия полового и бесполого размножения. Митоз и мейоз, их механизмы и смысл. Жизненные циклы.
Доказательства роли ядра в наследственности. Открытие роли хромо сом. Строение и состав хромосом.
Теоретические представления Кольцова и Шредингера о носителях наследственности.
Выяснение роли ДНК (опыты Гриффитса и Эвери, опыт Херши-Чейз).
Открытие структуры ДНК. Механизм удвоения ДНК — полуконсерватив ный матричный синтез.
Наличие ДНК в митохондриях и хлоропластах. Теория симбиогенеза и следствия ее для клеточной теории.
Генетический код. Свойства генетического кода. Мутации. Причины мутация. Мутации как нарушения генетического кода. Возможные следствия мутаций (на примере единичной замены нуклеотида).
Механизм синтеза белка. Типы РНК (иРНК, рРНК, тРНК), их роль в клетке. Причины невозможности наследования «благоприобретенных признаков».
Путь белка в клетке: механизмы сортировки белков.
Регуляция работы гена на примере лактозного оперона кишечной палочки.

Раздел 2. Основы генетики

Тема 6. Законы Менделя

Биография Менделя. Причины успеха Менделя. Сущность открытия Менделя.
Моногибридное скрещивание и интерпретация его результатов Менделем. Закон чистоты гамет.
Основы теории вероятности. Вероятностный характер законов Менделя.
Дигибридное скрещивание. «Закон» независимого наследования.
Судьба открытия Менделя. Переоткрытие законов Менделя.

Лабораторная работа: вывод менделевских соотношений в ходе мысленного эксперимента.

Тема 7. Хромосомная теория наследственности

Мейоз как цитологическая основа менделевских закономерностей. Открытие половых хромосом и генетика пола. Механизмы определения пола у различных организмов. Сцепленное наследование и группы сцепления. Наследование, сцепленное с полом (дальтонизм и гемофилия). Кроссинговер и построение генетических карт. Заболевания человека, связанные с хромосомными аномалиями.

Тема 8. Зарождение и развитие биохимической генетики

Открытие взаимодействия генов и отсутствие объяснений этого явления. «Ошибки метаболизма» по Гэрроду.  Мутации как причины нарушения работы ферментов. Открытие природы серповидноклеточной анемии Полингом. Другие примеры заболеваний, вызываемых единичными мутациями. Теория «один ген — один фермент». Взаимодействие генов как результат участия их ферментов в одном метаболическом пути. Множественное действие гена и полимерия. Наследование количественных признаков.