Рисунки на а3 листе на тему биология. Биология в лицее

Науки о жизни идут по пути от крупного к мелкому. Совсем недавно биология описывала исключительно внешние черты животных, растений, бактерий. Молекулярная биология изучает живые организмы на уровне взаимодействий отдельных молекул. Биология структурная - исследует процессы в клетках на уровне атомов. Если хотите узнать, как «увидеть» отдельные атомы, как работает и «живет» структурная биология и какие использует приборы, вам сюда!

Генеральный партнер цикла - компания : крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

Одна из главных миссий «Биомолекулы» - докопаться до самых корней. Мы не просто рассказываем, какие новые факты обнаружили исследователи - мы говорим о том, как они их обнаружили, стараемся объяснить принципы биологических методик. Как вытащить ген из одного организма и вставить в другой? Как проследить в огромной клетке за судьбой нескольких крошечных молекул? Как возбудить одну крохотную группу нейронов в огромном мозге?

И вот мы решили рассказать о лабораторных методах более системно, собрать воедино в одной рубрике самые главные, самые современные биологические методики. Чтоб было интереснее и нагляднее, мы густо проиллюстрировали статьи и даже кое-где добавили анимации. Мы хотим, чтобы статьи новой рубрики были интересны и понятны даже случайному прохожему. И с другой стороны - чтобы они были так подробны, что даже профессионал мог бы обнаружить в них что-то новое. Мы собрали методики в 12 больших групп и собираемся сделать на их основе биометодический календарь. Ждите обновлений!

Зачем нужна структурная биология?

Как известно, биология - это наука о жизни. Появилась она в самом начале XIX века и первые сто лет своего существования была сугубо описательной. Главной задачей биологии в то время считали найти и охарактеризовать как можно большее количество видов различных живых организмов, чуть позже - выявить родственные связи между ними. Со временем и с развитием других областей науки из биологии выделились несколько ветвей с приставкой «молекулярный»: молекулярная генетика, молекулярные биология и биохимия - науки, изучающие живое на уровне отдельных молекул, а не по внешнему виду организма или взаиморасположению его внутренних органов. Наконец, совсем недавно (в 50-х годах прошлого века) появилась такая область знания, как структурная биология - наука, изучающая процессы в живых организмах на уровне изменения пространственной структуры отдельных макромолекул. По сути, структурная биология находится на стыке трех различных наук. Во-первых, это биология, потому что наука изучает живые объекты, во-вторых, физика, поскольку используется широчайший арсенал физических экспериментальных методов, а в-третьих, химия, так как изменение структуры молекул - объект именно этой дисциплины.

Структурная биология изучает два основных класса соединений - белки (основное «рабочее тело» всех известных организмов) и нуклеиновые кислоты (главные «информационные» молекулы). Именно благодаря структурной биологии мы знаем, что ДНК имеет структуру двойной спирали , что тРНК нужно изображать в виде винтажной буквы «Г», а в рибосоме есть большая и малая субъединицы, состоящие из белков и РНК в определенной конформации.

Глобальная цель структурной биологии, как и любой другой науки, - «понять, как все устроено». В какую форму свернута цепь белка, который заставляет клетки делиться, как изменяется упаковка фермента во время химического процесса, который он осуществляет, какими местами взаимодействуют гормон роста и его рецептор - вот вопросы, на которые отвечает эта наука. Более того, отдельной целью является накопление такого объема данных, чтобы на эти вопросы (по еще неизученному объекту) можно было ответить на компьютере, не прибегая к дорогостоящему эксперименту.

Например, нужно понять, как работает система биолюминесценции у червей или грибов - расшифровали геном, на основании этих данных нашли нужный белок и предсказали его пространственную структуру вместе с механизмом работы. Стоит, правда, признать, что пока такие методы существуют только в зачаточной стадии, и точно предсказать структуру белка, имея только его ген, еще невозможно . С другой стороны, результаты структурной биологии имеют применение в медицине. Как надеются многие исследователи, знания о структуре биомолекул и о механизмах их работы позволят разрабатывать новые лекарства на рациональной базе, а не методом проб и ошибок (высокопроизводительного скрининга, если говорить строго), как это делается чаще всего сейчас. И это не научная фантастика: уже есть много лекарств, созданных или оптимизированных с применением структурной биологии .

История структурной биологии

История структурной биологии (рис. 1) достаточно коротка и стартует в начале 1950-х, когда Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, основываясь на данных Розалинд Франклин по дифракции рентгеновских лучей на кристаллах ДНК, собрали из винтажного конструктора модель известной сейчас всем двойной спирали . Чуть раньше Лайнус Полинг построил первую правдоподобную модель -спирали , одного из базовых элементов вторичной структуры белков (рис. 2) .

Спустя пять лет, в 1958 году, была определена первая в мире структура белка - миоглобина (белка мышечных волокон) кашалота (рис. 3). Выглядела она, конечно, не так красиво, как современные структуры, но это была значительная веха развития современной науки.

Рисунок 3б. Первая пространственная структура белковой молекулы. Джон Кендрю и Макс Перутц демонстрируют пространственную структуру миоглобина, собранную из специального конструктора.

Через 10 лет, в 1984–1985 годах, первые структуры определили методом спектроскопии ядерного магнитного резонанса . С того момента произошло несколько ключевых открытий: в 1985 году получили структуру первого комплекса фермента с его ингибитором, в 1994 году определили структуру АТФ-синтазы , главной «машины» электростанций наших клеток (митохондрий), а уже в 2000 г. получили первую пространственную структуру «фабрики» белков - рибосомы, состоящей из белков и РНК (рис. 6) . В 21 веке развитие структурной биологии пошло семимильными шагами, сопровождаясь взрывным ростом количества пространственных структур. Были получены структуры многих классов белков: рецепторов гормонов и цитокинов, G-белоксопряженных рецепторов, толл-подобных рецепторов, белков иммунной системы и многих других .

С появлением в 2010-х годах новых технологий регистрации и обработки изображений криоэлектронной микроскопии появилось множество сложных структур мембранных белков в сверхвысоком разрешении , . Прогресс структурной биологии не остался незамеченным: за открытия в данной области были вручены 14 нобелевских премий, из них пять - уже в 21 веке.

Методы структурной биологии

Исследования в области структурной биологии ведут при помощи нескольких физических методов, из которых только три позволяют получать пространственные структуры биомолекул в атомарном разрешении. Методы структурной биологии основаны на измерении взаимодействия исследуемого вещества с различными видами электромагнитных волн или элементарных частиц. Все методики требуют значительных финансовых ресурсов - стоимость оборудования часто поражает воображение.

Исторически первый метод структурной биологии - рентгеноструктурный анализ (РСА) (рис. 7). Еще в начале 20 века выяснили, что по картине дифракции рентгеновских лучей на кристаллах можно изучать их свойства - тип симметрии ячейки, длину связей между атомами и пр. Если же в ячейках решетки кристаллов находятся органические соединения, то можно вычислить координаты атомов, и, следовательно, химическую и пространственную структуру этих молекул. Именно так была получена в 1949 году структура пенициллина, а в 1953 году - структура двойной спирали ДНК.

Казалось бы, все просто, но есть нюансы.

Во-первых, нужно как-то получить кристаллы, причем их размер должен быть достаточно большим (рис. 8). Если для не очень сложных молекул это выполнимо (вспомните, как кристаллизуются поваренная соль или медный купорос!), то кристаллизация белков - это сложнейшая задача, требующая неочевидной процедуры поиска оптимальных условий. Сейчас это делается при помощи специальных роботов, которые готовят и мониторят сотни различных растворов в поисках «проросших» кристаллов белков , . Однако на заре кристаллографии получение кристалла белка могло занимать годы ценного времени.

Во-вторых, на основе полученных данных («сырых» дифракционных картин; рис. 8) нужно структуру «рассчитать». Сейчас это также рутинная задача, однако 60 лет назад, в эру ламповой техники и перфокарт, было далеко не так просто.

В-третьих, даже если получилось вырастить кристалл, то совсем не обязательно, что будет определена пространственная структура белка: для этого во всех узлах решетки белок должен иметь одну и ту же структуру, что далеко не всегда так.

Ну и в-четвертых, кристалл - далеко не естественное состояние белка. Изучать белки в кристаллах - это как изучать людей, впихнув их вдесятером в малогабаритную прокуренную кухню: можно узнать, что у людей есть руки, ноги и голова, но поведение может быть не совсем таким, как в комфортной обстановке. Тем не менее, рентгеноструктурный анализ - это наиболее распространенный метод определения пространственных структур, и 90% содержимого PDB получено при помощи этого метода.

РСА требует мощных источников рентгеновских лучей - ускорителей электронов или лазеров на свободных электронах (рис. 9). Такие источники стоят дорого - несколько миллиардов долларов США, - но обычно один источник используют сотни или даже тысячи групп по всему миру за достаточно символическую плату. В нашей стране мощных источников нет, поэтому большинство ученых ездит из России в США или Европу для анализа полученных кристаллов. Подробнее об этих романтичных исследованиях можно прочесть в статье «Лаборатория перспективных исследований мембранных белков: от гена к ангстрему » .

Как уже было сказано, для рентгеноструктурного анализа необходим мощный источник рентгеновского излучения. Чем мощнее источник, тем меньшим размером кристаллов можно обойтись, и тем меньше мучений придется испытать биологам и генным инженерам, пытающимся получить несчастные кристаллы. Рентгеновское излучение проще всего получить, ускоряя пучок электронов в синхротронах или циклотронах - гигантских кольцевых ускорителях. Когда электрон испытывает ускорение, он излучает электромагнитные волны в нужном диапазоне частот. В последнее время появились новые сверхмощные источники излучения - лазеры на свободных электронах (XFEL) .

Принцип работы лазера достаточно простой (рис. 9). Сначала электроны разгоняются до высоких энергий при помощи сверхпроводящих магнитов (длина ускорителя 1–2 км), а потом проходят через так называемые ондуляторы - наборы магнитов разной полярности.

Рисунок 9. Принцип работы лазера на свободных электронах. Пучок электронов ускоряется, проходит через ондулятор и излучает гамма-кванты, которые попадают на биологические образцы.

Проходя через ондулятор, электроны начинают периодически отклоняться от направления пучка, испытывая ускорение и испуская рентгеновское излучение. Поскольку все электроны движутся одинаково, то излучение усиливается за счет того, что другие электроны пучка начинают поглощать и переизлучать рентгеновские волны одной и той же частоты. Все электроны испускают излучение синхронно в виде сверхмощной и очень короткой вспышки (длительностью менее 100 фемтосекунд). Мощность рентгеновского луча настолько высока, что одна короткая вспышка превращает небольшой кристалл в плазму (рис. 10) , однако за те несколько фемтосекунд, пока кристалл цел, можно получить изображение высочайшего качества благодаря высокой интенсивности и когерентности луча. Стоимость такого лазера составляет 1,5 миллиарда долларов, а в мире работает всего четыре такие установки (находятся в США (рис. 11), Японии, Корее и Швейцарии). В 2017 году планируется ввод в эксплуатацию пятого - европейского - лазера, в строительстве которого участвовала и Россия.

Рисунок 10. Превращение белков в плазму за 50 фс под действием импульса лазера на свободных электронах. Фемтосекунда = 1/1000000000000000 доли секунды.

При помощи ЯМР-спектроскопии определены около 10% пространственных структур в базе PDB. В России есть несколько сверхмощных чувствительных ЯМР-спектрометров, на которых ведут работы мирового уровня. Самая большая ЯМР-лаборатория не только в России, но и на всем пространстве к востоку от Праги и к западу от Сеула, расположена в Институте биоорганической химии РАН (Москва) .

ЯМР-спектрометр - замечательный пример торжества технологии над разумом. Как мы уже упоминали, для использования метода ЯМР-спектроскопии необходимо мощное магнитное поле, поэтому сердцем прибора является сверхпроводящий магнит - катушка из специального сплава, погруженная в жидкий гелий (−269 °C). Жидкий гелий нужен для достижения сверхпроводимости. Чтобы гелий не испарялся, вокруг него строят огромную цистерну с жидким азотом (−196 °C). Хоть это и электромагнит, он не потребляет электричества: сверхпроводящая катушка не имеет сопротивления. Однако, магнит нужно постоянно «подкармливать» жидким гелием и жидким азотом (рис. 15). Если не уследить, то произойдет «квенч»: катушка нагреется, гелий взрывоподобно испарится, а прибор сломается (см. видео). Также важно, чтобы поле в образце длиной 5 см было крайне однородным, поэтому в приборе присутствуют пара десятков небольших магнитов, нужных для тонкой настройки магнитного поля.

Видео. Запланированный «квенч» 21,14-теслового ЯМР-спектрометра.

Чтобы проводить измерения, нужен датчик - специальная катушка, которая как генерирует электромагнитное излучение, так и регистрирует «обратный» сигнал - осцилляцию магнитного момента образца. Чтобы повысить чувствительность в 2–4 раза, датчик охлаждают до температуры −200 °C, тем самым избавляясь от тепловых шумов. Для этого строят специальную машину - криоплатформу, которая охлаждает гелий до нужной температуры и прокачивает его рядом с детектором.

Есть целая группа методов, которая опирается на явление рассеяния света, рентгеновских лучей или пучка нейтронов. Данные методы по интенсивности рассеяния излучения/частиц на различных углах позволяют определять размер и форму молекул в растворе (рис. 16). При помощи рассеяния невозможно определить структуру молекулы, однако его можно использовать как подспорье при использовании другого метода, например, ЯМР-спектроскопии. Приборы для измерения рассеяния света относительно дешевы и стоят «всего» около 100 000 долларов, в то время как другие методы требуют наличия под рукой ускорителя частиц, который может создать пучок нейтронов или мощный поток рентгеновского излучения.

Другим методом, при помощи которого нельзя определить структуру, но можно получить кое-какие важные данные, является резонансный перенос энергии флуоресценции (FRET) . Метод использует явление флуоресценции - способность некоторых веществ поглощать свет одной длины волны, испуская свет другой длины волны. Можно подобрать пару соединений, у одного из которых (донора) испускаемый при флуоресценции свет будет соответствовать характерной длине волны поглощения второго (акцептора). Облучать донор лазером нужной длины волны и измерять флуоресценцию акцептора. Эффект FRET зависит от расстояния между молекулами, поэтому, если ввести донор и акцептор флуоресценции в молекулы двух белков или разные домены (структурные единицы) одного белка, можно изучать взаимодействия между белками или взаимное расположение доменов в белке . Регистрация осуществляется при помощи оптического микроскопа, поэтому FRET является дешевым, хотя и малоинформативным методом, использование которого сопряжено со сложностями в интерпретации данных.

Наконец, нельзя не упомянуть о «методе мечты» структурных биологов - компьютерном моделировании (рис. 17). Идея метода состоит в том, чтобы, пользуясь современным знанием о строении и законах поведения молекул, моделировать поведение белка в компьютерной модели. Например, используя метод молекулярной динамики , можно в реальном времени отслеживать движения молекулы или процесс «сборки» белка (фолдинг) за одним «но»: максимальное время, которое можно обсчитать, не превышает 1 мс , что чрезвычайно мало, но притом требует колоссальных вычислительных ресурсов (рис. 18) . Можно исследовать поведение системы в течение более длительного времени, только достигается это за счет неприемлемой потери точности.

Компьютерное моделирование активно используется для анализа пространственных структур белков. При помощи докинга ищут потенциальные лекарства , которые имеют высокую склонность к взаимодействию с белком-мишенью. В настоящий момент точность предсказаний все еще невелика, однако докинг позволяет существенно сузить круг потенциально активных веществ, которые необходимо проверить для разработки нового лекарства.

Основным полем практического применения результатов структурной биологии является разработка лекарств или, как это сейчас модно говорить, драг-дизайн. Существует два способа разработать лекарство на основе структурных данных: можно начинать от лиганда или от белка-мишени. Если уже известно несколько лекарств, действующих на белок-мишень, и получены структуры комплексов белок-лекарство, можно создать модель «идеального лекарства» в соответствии со свойствами «кармана» связывания на поверхности молекулы белка, выделить необходимые черты потенциального лекарства и провести поиск среди всех известных природных и не очень соединений. Можно даже построить зависимости между свойствами структуры лекарства и его активностью. Например, если у молекулы есть сверху бантик, то ее активность выше, чем у молекулы без бантика. И чем больше бантик заряжен, тем лучше работает лекарство. Значит, из всех известных молекул нужно найти соединение с самым большим заряженным бантиком.

Другой способ - используя структуру мишени, на компьютере провести поиск соединений, которые потенциально способны с ней взаимодействовать в нужном месте. При этом обычно используют библиотеку фрагментов - небольших кусочков веществ. Если найти несколько хороших фрагментов, которые взаимодействуют с мишенью в разных местах, но близко друг от друга, можно построить из фрагментов лекарство, «сшив» их между собой. Существует много примеров успешной разработки лекарств при помощи структурной биологии. Первый успешный случай датируется 1995 годом: тогда был одобрен к применению дорзоламид - лекарство от глаукомы.

Общая тенденция в биологических исследованиях все больше склоняется не только к качественному, но и количественному описанию природы. Структурная биология - яркий тому пример. И есть все основания полагать, что она будет и дальше приносить пользу не только фундаментальной науке, но и медицине, и биотехнологиям.

Календарь

На основе статей спецпроекта мы решили сделать календарь «12 методов биологии» на 2019 год. Эта статья представляет март.

Литература

1. Биолюминесценция: возрождение ;
2. Торжество компьютерных методов: предсказание строения белков ;
3. Heping Zheng, Katarzyna B Handing, Matthew D Zimmerman, Ivan G Shabalin, Steven C Almo, Wladek Minor. (2015).

Биология — наука о живой природе.

Биология изучает разнообразие живых существ, строение их тел и работу их органов, размножение и развитие организмов, а также влияние человека на живую природу.

Название этой науки произошло от двух греческих слов «биос » — «жизнь» и «логос » — «наука, слово».

Одним из основателей науки о живых организмах был великий древнегреческий учёный (384 - 322 до н. э.). Он первым обобщил биологические знания, полученные до него человечеством. Учёный предложил первую классификацию животных, объединив в группы живые организмы, сходные по строению, и обозначил в ней место для человека.

В дальнейшем вклад в развитие биологии внесли многие учёные, которые изучали разные виды живых организмов, населяющих нашу планету.

Семья биологических наук

Биология — это наука о природе. Область исследований учёных-биологов огромна: это различные микроорганизмы, растения, грибы, животные (в том числе человек), строение и функционирование организмов и т. д.

Таким образом, биология — это не просто наука, а целая семья, состоящая из многих отдельных наук .

Исследуйте интерактивную схему о семье биологических наук и выясните, что изучают различные разделы биологии.

Анатомия — наука о форме и строении отдельных органов, систем и организма в целом.

Физиология — наука о жизнедеятельности организмов, их систем, органов и тканей, о процессах идущих в организме.

Цитология — наука о строении и жизнедеятельности клетки.

Зоология — наука, изучающая животных.

Разделы зоологии:

• Энтомология — наука о насекомых.

В ней выделяют несколько разделов: колеоптерология (изучает жуков), лепидоптерология (изучает бабочек), мирмекология (изучает муравьёв).

• Ихтиология — наука о рыбах.
• Орнитология — наука о птицах.
• Териология — наука о млекопитающих.

Ботаника — наука, изучающая растения.

Микология — наука, изучающая грибы.

Протистология — наука, изучающая простейших.

Вирусология — наука, изучающая вирусы.

Бактериология — наука, изучающая бактерии.

Значение биологии

Биология тесно связана со многими сторонами практической деятельности человека - сельским хозяйством, различными отраслями промышленности, медициной.

Успешное развитие сельского хозяйства в настоящее время во многом зависит от биологов-селекционеров, занимающихся улучшением существующих и созданием новых сортов культурных растений и пород домашних животных.

Благодаря достижениям биологии была создана и успешно развивается микробиологическая промышленность. Например, кефир, простокваша, йогурты, сыры, квас и многие другие продукты человек получает благодаря деятельности определённых видов грибов и бактерий. С помощью современных биотехнологий предприятия выпускают лекарства, витамины, кормовые добавки, средства защиты растений от вредителей и болезней, удобрения и многое другое.

Знание законов биологии помогает лечить и предупреждать болезни человека.

С каждым годом человек всё шире использует природные ресурсы. Мощная техника так быстро преобразует мир, что сейчас на Земле почти уже не осталось уголков с нетронутой природой.

Чтобы сохранить нормальные условия для жизни человека, приходится восстанавливать разрушенную природную среду. Сделать это могут лишь люди, хорошо знающие законы природы. Знание биологии, а также биологическая наука экология помогает нам решить проблему сохранения и улучшения условий жизни на планете.

Выполните интерактивное задание -

Что такое биология? Биология – наука о жизни, о живых организмах, обитающих на Земле.

Картинка 3 из презентации «Наука» к урокам биологии на тему «Биология»

Размеры: 720 х 540 пикселей, формат: jpg. Чтобы бесплатно скачать картинку для урока биологии, щёлкните по изображению правой кнопкой мышки и нажмите «Сохранить изображение как...». Для показа картинок на уроке Вы также можете бесплатно скачать презентацию «Наука.ppt» целиком со всеми картинками в zip-архиве. Размер архива - 471 КБ.

Скачать презентацию

Биология

«Методы исследования в биологии» - История развития биологии как науки. Планирование эксперимента, выбор методики. План урока: Для решения каких глобальных задач человечества необходимы знания биологии? Тема: Пограничные дисциплины: Задание: Морфология анатомия физиология сисмтематика палеонтология. Значение биологии». Биология – нука о жизни.

«Учёный Ломоносов» - Подчеркивал важность исследования Северного морского пути, освоения Сибири. 19 ноября 1711гг.- 15апреля 1765 (53 года). 10 июня 1741 года. Открытия. Развивал атомно-молекулярные представления о строении вещества. Идеи. Исключил флогистон из числа химических агентов. Работа. Будучи сторонником деизма, материалистически рассматривал явления природы.

«Ботаник Вавилов» - Всесоюзный институт прикладной ботаники. В 1906 г. Вавилов Николай Иванович. В 1924 г. Выполнили: Бабичева Роксана и Жданова Людмила, ученицы 10 В класса. Авторитет Вавилова как ученого и организатора науки рос. В Мертоне (Англия), в генетической лаборатории Садоводственного института. Н. И. Вавилов родился 26 ноября 1887 г. в Москве.

«Проектная деятельность» - Алексеева Е.В. План лекции. Учитель становится автором проекта. Обзор дополнительных ресурсов. Технологизация информационной модели учебного процесса. Проектируем урок биологии. Проектная деятельность. Теория и практика. (Проектный метод). Этапы работы учителя. Теория и практика. Основные блоки в проектах.

«Наука о живой природе» - Оформление рабочих тетрадей. 3. Биология - наука о живой природе. Биология – наука о живой природе. Бактерии. Грибы. Состоят из одной клетки и не имеют ядра. Марк Цицерон. Биология изучает живые организмы. Имеют хлорофилл и образуют на свету органические вещества, выделяя кислород. Вопрос: Что изучает биология?

«Математика в биологии» - «Выявление плоскостопия». Чтение графиков. Понятие симметрии; Виды симметрии. Понятие графика функции. Общая биология, 10 класс. «Построение вариационного ряда и кривой». В точках касания будут уши. Круг, овал. Общепризнанна точка зрения, по которой математика относится к точным наукам. Пропорциональность.

Всего в теме 14 презентаций