GRADIVO ZA MATURO ZAPISKI S PREDAVANJ
BIOLOGIJA
Zbral in uredil: Marko Pongrac Profesor: Vlado Pirc
KAZALO 1. UVOD V BIOLOGIJO ................................................................................................................ 1 1.1. KAJ JE BIOLOGIJA ............................................................................................................... 1 1.2. PANOGE BIOLOGIJE ........................................................................................................... 1 1.3. KRALJESTVA ŽIVEGA ........................................................................................................ 1 1.5. SMERI BIOLOGIJE ............................................................................................................... 2 1.6. RAZDELITEV BIOLOŠKIH ZNANOSTI............................................................................. 2 1.7. KJE SE POJAVLJA ................................................................................................................ 2 2. ZNAČILNOSTI ŽIVEGA ........................................................................................................... 3 2.1. CELIČNA ORGANIZACIJA ................................................................................................. 3 2.2. INDIVIDUALIZIRANOST .................................................................................................... 3 2.3. VZDRAŽNOST IN ODZIVNOST ......................................................................................... 3 2.4. SPOSOBNOST REGULACIJE .............................................................................................. 4 2.5. RAZMNOŽEVANJE, RAST, RAZVOJ ................................................................................ 4 2.6. METABOLIZEM .................................................................................................................... 4 2.7. MUTABILNOST .................................................................................................................... 5 2.8. STARANJE IN SMRT ............................................................................................................ 5 3. RAZNOLIKOST IN PODOBNOST........................................................................................... 6 4. HIERARHIČNA ORGANIZACIJA .......................................................................................... 7 4.1. RAVNI ORGANIZACIJE ŽIVIH SISTEMOV...................................................................... 7 4.2. EVOLUCIJA ........................................................................................................................... 8 5. ZNANSTVENO RAZISKOVALNO DELO .............................................................................. 9 5.1. ISKANJE PROBLEMA .......................................................................................................... 9 5.2. ZBIRANJE PODATKOV ....................................................................................................... 9 5.3. POSTAVITEV HIPOTEZE (REŠITEV NAŠEGA PROBLEMA) ........................................ 9 5.4. DOKAZ HIPOTEZE ............................................................................................................... 9 5.5. POSTAVITEV TEORIJE ....................................................................................................... 9 6. CELICA ...................................................................................................................................... 10 6.1. ZGODOVINA ....................................................................................................................... 10 6.2. OSNOVA .............................................................................................................................. 10 6.3 OSNOVNA RAZDELITEV CELIC ...................................................................................... 10 6.4. SPLOŠNE ZNAČILNOSTI CELIC IN PRIMERJAVA ...................................................... 10
7. KEMIJSKA ZGRADBA CELICE ........................................................................................... 12 7.1. ANORGANSKE SNOVI V CELICI .................................................................................... 12 7.1.1. Voda: .............................................................................................................................. 12 7.2. ORGANSKE SNOVI V CELICI .......................................................................................... 13 7.2.1. Ogljikovi hidrati ............................................................................................................. 13 7.2.2. Beljakovine..................................................................................................................... 15 7.2.3. Maščobe ......................................................................................................................... 16 7.2.4. Nukleinske kisline .......................................................................................................... 17 8. MORFOLOŠKA ZGRADBA CELICE ................................................................................... 19 8.1. EUKARIONSTSKA CELICA .............................................................................................. 19 8.2. MEMBRANSKI CELIČNI ORGANELI .............................................................................. 20 8.2.1. Jedro ............................................................................................................................... 20 8.2.2. Jedrce.............................................................................................................................. 20 8.2.3. Endoplazmatski retikulum (ER) ..................................................................................... 20 8.2.4. Golgijev aparat (GA) ...................................................................................................... 21 8.2.5. Lizosomi ......................................................................................................................... 21 8.2.6. Kloroplasti ...................................................................................................................... 22 8.2.7. Mitohondriji ................................................................................................................... 22 8.3. ZRNATI CELIČNI ORGANELI .......................................................................................... 23 8.3.1. Ribosomi ........................................................................................................................ 23 8.4. NITASTI CELIČNI ORGANELI ......................................................................................... 23 8.4.1. Nitke (mikrofilamenti) ................................................................................................... 23 8.4.2. Cevke (mikrotubuli) ....................................................................................................... 23 8.4.2.1. Centriol .................................................................................................................... 23 8.4.2.2. Bazalno telo ............................................................................................................. 24 8.4.2.3. Bički in migetalke ................................................................................................... 24 9. ZGRADBA MEMBRAN ........................................................................................................... 25 9.1. FOSFOLIPIDI ....................................................................................................................... 25 9.2. BELJAKOVINE ................................................................................................................... 25 9.3. OGLJIKOVI HIDRATI ........................................................................................................ 25 10. TRANSPORT PREKO PLAZMALEME .............................................................................. 26 10.1. PRENOS VELIKIH DELCEV............................................................................................ 26 10.1.1. Endocitoza .................................................................................................................... 26 10.1.2. Eksocitoza .................................................................................................................... 26
10.2. PRENOS MAJHNIH DELCEV .......................................................................................... 26 10.2.1. Pasivni transport ........................................................................................................... 26 10.2.1.1. Difuzija .................................................................................................................. 26 10.2.1.2. Osmoza .................................................................................................................. 27 10.2.2. Aktivni transport .......................................................................................................... 28 11. DELITEV CELICE ................................................................................................................. 29 11.1. DELITEV PROKARIONTSKE CELICE ........................................................................... 29 11.2. DELITEV EUKARIONTSKE CELICE ............................................................................. 30 11.2.1. Mitoza .......................................................................................................................... 31 11.2.2. Mejoza (redukcijska delitev – R!) ................................................................................ 33 12. METABOLIZEM ..................................................................................................................... 36 12.1. METABOLIZEM ................................................................................................................ 36 12.2. METABOLIČNE REAKCIJE ............................................................................................ 36 12.3. ZNAČILNOSTI ENCIMOV ............................................................................................... 37 12.4. VPLIVI NA ENCIMSKO REAKCIJO ............................................................................... 37 13. FOTOSINTEZA ....................................................................................................................... 39 13.1. OD SVETLOBE ODVISNE REAKCIJE ........................................................................... 40 13.1.1. Ciklična transportna veriga .......................................................................................... 40 13.1.2. Neciklični transport ...................................................................................................... 40 13.2. OD SVETLOBE NEODVISNE REAKCIJE ...................................................................... 41 14. CELIČNO DIHANJE .............................................................................................................. 42 14.1. GLIKOLIZA ....................................................................................................................... 42 14.2. KREBSOV CIKEL ............................................................................................................. 42 14.3. KEMIOSMOZA .................................................................................................................. 42 15. VRENJE ALI FERMENTACIJA........................................................................................... 43 16. ORGANSKI SISTEMI ............................................................................................................ 44 16.1. TRANSPORTNI SISTEMI ................................................................................................. 44 16.1.1. KRVOŽILJE ................................................................................................................ 44 16.1.1.1. KRI ........................................................................................................................ 44 16.1.1.1.1. Krvne celice.................................................................................................... 44 16.1.1.1.2. Strjevanje krvi ................................................................................................ 45 16.1.1.1.3.Krvne skupine ................................................................................................. 46 16.1.1.1.4. Rh faktor......................................................................................................... 46
16.1.1.2. ŽILE ...................................................................................................................... 47 16.1.1.2.1. Krvni spleti ..................................................................................................... 48 16.1.1.1.2. Krvni obtoki ................................................................................................... 49 16.1.1.1.3. Vrste krvnih obtokov in krvožilja .................................................................. 51 16.1.1.3. SRCE (ČLOVEŠKO) ............................................................................................ 52 16.1.1.3.1. Oživčenje srca ................................................................................................ 52 16.1.1.3.1.1. Samodejno ali avtonomno živčevje ......................................................... 53 16.1.1.3.1.2. Vegetativno oživčenje srca ...................................................................... 53 16.1.2. DIHALA ...................................................................................................................... 54 16.1.2.1. Vrste dihal ............................................................................................................. 54 16.1.2.1.1. Telesna površina ............................................................................................. 54 16.1.2.1.2. Škrge............................................................................................................... 54 16.1.2.1.3. Traheje (vzdušnice/zračnice).......................................................................... 55 16.1.2.1.4. Trahealne škrge .............................................................................................. 55 16.1.2.1.5. Pljuča .............................................................................................................. 55 16.1.2.2. Dihanje človeka ..................................................................................................... 56 16.1.2.3. Dihanje ptičev ....................................................................................................... 56 16.1.2.4. Dihanje morskih sesalcev ...................................................................................... 57 16.1.2.5. Transport plinov .................................................................................................... 57 16.1.2.5.1. Vpliv pH ......................................................................................................... 57 16.1.2.5.1. Vpliv Temperature ......................................................................................... 57 16.1.3. PREBAVILA ............................................................................................................... 58 16.1.3.1. Zgradba in delovanje ............................................................................................. 58 16.1.3.1.1. Prebavna cev .................................................................................................. 58 16.1.3.1.1.1. Usta.......................................................................................................... 59 16.1.3.1.1.2. Žrelo in požiralnik ................................................................................... 61 16.1.3.1.1.3. Želodec .................................................................................................... 61 16.1.3.1.1.4. Tanko črevo ............................................................................................. 62 16.1.3.1.1.5. Debelo črevo ........................................................................................... 62 16.1.3.1.2. Prebavni žlezi ................................................................................................. 63 16.1.3.1.2.1. Jetra ......................................................................................................... 63 16.1.3.1.2.2. Trebušna slinavka .................................................................................... 64 16.1.3.1.3. Primerjava ...................................................................................................... 65 16.1.3.1.3.1. Prebavila prežvekovalcev ........................................................................ 65 16.1.3.1.3.2. Prebavila ptičev ....................................................................................... 65
16.1.4. IZLOČALA .................................................................................................................. 66 16.1.4.1. Sistemi / tipi izločal ............................................................................................... 67 16.1.4.1.1. Kontraktilna vakuola/krčljivi mehurček ......................................................... 67 16.1.4.1.2. Protonefridiji .................................................................................................. 67 16.1.4.1.3. Metanefridiji ................................................................................................... 68 16.1.4.1.4. Malpigijeve cevke .......................................................................................... 68 16.1.4.1.5. Ledvice ........................................................................................................... 69 16.2. REGULACIJSKI SISTEMI ............................................................................................. 71 16.2.1.HORMONI .................................................................................................................... 71 16.2.1.1. Delovanje hormonov ............................................................................................. 71 16.2.1.2. Žleze in hormoni človeka ...................................................................................... 72 16.3. ŽIVČEVJE......................................................................................................................... 78 16.3.1. ZGRADBA ŽIVČEVJA .............................................................................................. 78 16.3.2. ŽIVČNE CELICE (NEVRONI) ................................................................................... 79 16.3.2.1. Motorični oz. gibalni nevroni ................................................................................ 79 16.3.2.2. Senzorični oz. čutilni nevroni................................................................................ 80 16.3.2.3. Povezovalni oz. asociacijski nevroni (internevroni) ............................................. 80 16.3.3. Ovojnice živčnega sistema ........................................................................................... 81 16.3.3.1. Ovojnice v perifernem živčnem sistemu ............................................................... 81 16.3.3.2. Ovojnice (meninge) v centralnem živčnem sistemu ............................................. 81 16.3.4. Prenos signalov po živcih ............................................................................................. 82 16.3.4.1. Sinapsa .................................................................................................................. 82 16.3.4.2. Vzdražnostni prag ................................................................................................. 83 16.3.4.3. Prevajanje signalov po živčnih vlaknih ................................................................. 83 16.3.5. Somatsko živčevje ........................................................................................................ 84 16.3.5.1. Hrbtenjača ............................................................................................................. 84 16.3.5.2. Mali možgani......................................................................................................... 85 16.3.5.3. Veliki možgani ...................................................................................................... 85 16.3.6. Vegetativno živčevje .................................................................................................... 86 16.3.7. Razdelitev živčevja glede na sistem ............................................................................. 86 16.4. ČUTILA ............................................................................................................................. 87 16.4.1. Čutila za kemične dražljaje - kemoreceptorji ............................................................... 87 16.4.1.1. Jezik (okus) ........................................................................................................... 87 16.4.1.2. Nos (vonj).............................................................................................................. 88
16.4.2. Čutila za svetlobne dražljaje - fotoreceptorji ............................................................... 88 16.4.2.1. Oko (vid / zaznavanje svetlobe) ................................................................................ 88 16.4.3. Čutila za mehanske dražljaje - mehanoreceptorji......................................................... 90 16.4.3.1. Uho (zvok in ravnotežje) ....................................................................................... 90 16.5. GIBALA ............................................................................................................................. 93 16.5.1. Ogrodje pri človeku ...................................................................................................... 93 16.5.1.1. Hrustanec............................................................................................................... 93 16.5.1.2. Kosti ...................................................................................................................... 94 16.5.1.3. Mišice .................................................................................................................... 96 17. KOŽA ........................................................................................................................................ 98 17.1. VRHNJICA ......................................................................................................................... 98 17.2. USNJICA ............................................................................................................................ 98 17.3. PODKOŽJE......................................................................................................................... 98 17.4. DLAKA/LAS ...................................................................................................................... 99 17.5. DERIVATI KOŽE .............................................................................................................. 99 17.5.1. Žleze znojnice .............................................................................................................. 99 17.5.2. Žleze lojnice ................................................................................................................. 99 17.6. Naloge kože ..................................................................................................................... 99 18. GENETIKA ............................................................................................................................ 100 18.1. KLASIČNA GENETIKA ................................................................................................. 100 18.1.1 Kariotip človeka .......................................................................................................... 100 18.1.2. Dominantni in recesivni aleli ..................................................................................... 101 18.1.3. Genotip/fenotip........................................................................................................... 102 18.1.4. Kodominantni aleli ..................................................................................................... 103 18.1.4. Kloni ........................................................................................................................... 103 18.1.5. Čiste linije .................................................................................................................. 103 18.1.6. Multipli aleli ............................................................................................................... 104 18.1.7. Spolno vezano dedovanje ........................................................................................... 105 18.1.7.1. Spolno vezani geni na kromosomu Y.................................................................. 105 18.1.7.2. Spolno vezani geni na kromosom X.................................................................... 106 18.1.8. Dihibridno križanje .................................................................................................... 107 18.2. POPULACIJSKA GENETIKA......................................................................................... 108 18.1.1. Hardy – Weinbergovo načelo ..................................................................................... 108
19. MUTACIJE ............................................................................................................................ 109 19.1. IZVOR MUTACIJ ............................................................................................................ 109 19.1.1. Vsiljene mutacije ........................................................................................................ 109 19.1.2. Sponatane mutacije .................................................................................................... 109 19.2. VRSTE MUTACIJ ............................................................................................................ 109 19.2.1. Genske/točkaste mutacije ........................................................................................... 110 19.2.2. Kromosomske mutacije .............................................................................................. 112 19.2.3. Genomske mutacije .................................................................................................... 113 19.2.2.1. Genomske mutacije avtosomov........................................................................... 113 19.2.2.1. Genomske mutacije spolnih kromosomov .......................................................... 115 19.3. MOLEKULARNA GENETIKA ....................................................................................... 117 19.3.1. Zgradba nukleinskih kislin ......................................................................................... 117 19.3.1. Molekula DNK ........................................................................................................... 118 19.3.2. Molekula RNK ........................................................................................................... 119 19.3.3. Sinteza beljakovin ...................................................................................................... 119 19.3.3.1. Transkripcija........................................................................................................ 119 19.3.3.2. Translacija ........................................................................................................... 119 19.3.4. Podvajanje DNK ........................................................................................................ 120 20. EVOLUCIJA .......................................................................................................................... 122 20.1. Nastanek in razvoj življenja .............................................................................................. 122 20.1.1. Nastanek Zemlje......................................................................................................... 122 20.1.2. Kemoevolucija ........................................................................................................... 122 20.1.3. Bioevolucija ............................................................................................................... 122 20.1.4. Razvoj prokariontske celice ....................................................................................... 123 20.1.5. Razvoj eukariontov (endosimbiontska teorija)........................................................... 123 2.1.5.1. Mnogoceličarji ...................................................................................................... 124 20.2. MEHANIZMI EVOLUCIJE ............................................................................................. 124 20.2.1. HIPERPRODUKCIJA POTOMCEV......................................................................... 124 20.2.2. RAZNOLIKOST OSEBKOV .................................................................................... 124 20.2.3. NARAVNI IZBOR .................................................................................................... 125 20.2.4. Umetni izbor............................................................................................................... 125 20.2.5. Divergenca ................................................................................................................. 125 20.5.6. Konvergenca............................................................................................................... 125 20.5.7. Progresivni razvoj ...................................................................................................... 126 20.5.9. Koevolucija ................................................................................................................ 126
20.5.10. SPECIACIJA - nastanek nove vrste ......................................................................... 126 20.5.10.1. Opredelitev vrste ............................................................................................... 126 20.5.11. Nepovratnost evolucijskega razvoja......................................................................... 128 20.6. PODROČJA BIOLOGIJE PRI REKONSTRUKCIJI EVOLUCIJE ................................ 128 20.7. EVOLUCIJA ČLOVEKA ................................................................................................. 129 20.7.1. Prokonzul ................................................................................................................... 129 20.7.2. Eustralopithecus afarensis .......................................................................................... 129 20.7.3. Australopithecus africanus ......................................................................................... 130 20.7.4. Homo habilis .............................................................................................................. 130 20.7.5. Homo erectus.............................................................................................................. 130 20.7.6. Arhaični Homo sapiens .............................................................................................. 131 20.7.7. Homo sapiens neanderthalensis.................................................................................. 131 20.7.8. Homo sapiens sapiens ................................................................................................ 131 20.8. TEORETIČNE OSNOVE EVOLUCIJE ČLOVEKA ...................................................... 132 21. SISTEMATIKA...................................................................................................................... 133
1. UVOD V BIOLOGIJO • •
BIOS = ŽIVLJENJE LOGOS = VEDA
1.1. KAJ JE BIOLOGIJA Biologija je veda, ki preučuje življenje, življenjske procese, žive organizme itd. Sprašuje se vprašanja kot so npr.: Kaj je življenje? 1. 2. 3. 4.
VEDA - skupek znanj, postopkov in metod, ki preučujejo in razvijajo znanje o določeni temi, stvari. PANOGA DISCIPLINA PODROČJE
Biologija je v neposredni povezavi tudi z drugimi področji: • • •
Kemija: življenjski procesi Fizika, Geologija: dejavniki okolja, ki so zelo pomembni za obstoj nekega oranizma Matematika: statistika, sistematika
1.2. PANOGE BIOLOGIJE Biologija je zelo široka veda, zato jo delimo na različna področja, ki jih imenujemo panoge. • • • • • • • • •
Morfologija: preučuje zgradbo organizma Ekologija: preučuje odnos med organizmi in okoljem Genetika: preučuje gene, DNK (molekularna, klasična, populacijska,...) Citologija: preučuje zgradbo in delovanje celic Histologija: preučuje zgradbo in delovanje tkiv Evolucija: preučuje razvoj skozi čas Fiziologija: preučuje procese v organizmih (delovanje) Paleontologija: preučuje fosile Sistematika: uvršča organizme v sistem
1.3. KRALJESTVA ŽIVEGA Živi svet sestavlja več skupin organizmov. Po današnji sistematiki večinoma delimo organizme v štiri kraljestva živega: • • • •
Živali (Zoo): Zoolog, Zoomorfolog,... Rastline (Fito): Fitomorfilog, Fitocitolog,... Glive (Myco): Mycofiziolog,... Bakterije (Mikro): Mikrobiolog,...
V okviru posameznega kraljestva večinoma delujejo vse panoge.
1
1.5. SMERI BIOLOGIJE V okviru kraljestev ločimo več smeri biologije • • • •
Živali = Zoologija Rastline = Botanika Glive = Mikologija Bakterije = Mikrobiologija
1.6. RAZDELITEV BIOLOŠKIH ZNANOSTI Biološke znanosti ločimo v dve osnovni skupini: • •
Temeljna, Bazična: raziskave, znanstvene metode, odkrivanje in ugotavljanje značilnosti živih bitij. Aplikativna, Uporabna: Vsa bazična znanja uporabimo v različnih industrijskih panogah.
1.7. KJE SE POJAVLJA Biologija je temeljna veda za mnoge druge znanstvene vede, ki nam omogočajo preživetje, pojavlja se v • • • • •
Medicina Agronomija Prehranska Industrija Farmacija: pridelava zdravil, encimi, hormoni,... Biotehnologija: genetsko spremenjeni organizmi, razvoj brezvirusnih rastlin, naravna borba proti škodljivcem
2
2. ZNAČILNOSTI ŽIVEGA To so tiste značilnosti, ki ločijo žive organizme od nežive narave. 2.1. CELIČNA ORGANIZACIJA • Vsi organizmi so zgrajeni iz celic • Celice so si po zgradbi in delovanju različne • Njihova zgradba je vedno odvisna od njihovega delovanja in obratno • Vendarle so si po nekaterih gradbenih značilnostih celice zelo podobne • Število celic v organizmih je različno (enoceličarji, mnogoceličarji) • Celične strukture so hierarhično razporejene; celica, tkivo, organ, organski sistem, organizem 2.2. INDIVIDUALIZIRANOST - [Individum = Posameznik] Vsak organizem je bolj ali manj samostojna enota, ki se loči od drugega posameznika (prostorsko, po zgradbi,...). Višje, kot so organizmi razviti, bolj so individualizirani. • •
Bakterije: Majhne medsebojne razlike Ljudlje: Velike medsebojne razlike
Organizmi so bolj ali manj nedeljive celote. Tisti organizmi, ki imajo visoko stopnjo individualiziranosti imajo nizko stopnjo obnavljanja, se pravi tisti organizmi, ki imajo nizko stopnjo individualiziranosti imajo visoko stopnjo obnavljanja (morska zvezda, vrtinčar, deževnik, rastline,...) 2.3. VZDRAŽNOST IN ODZIVNOST Organizmi sprejemajo iz okolja različne dražljaje in se nanje ustrezno odzivajo. Dražljaje iz okolja sprejemajo čutila, ki so lahko zelo preprosta ali pa so samostojni organi. Zaznavanje dražljajev nam omogoča prilagajanje okolju, varnost, iskanje hrane, razmnoževanje,... Čutila morajo biti prilagojena dražljajem, ki jih sprejemajo in zato ločimo več vrst čutil ali receptorjev: • • • •
Kemoreceptorji (kemične snovi): jezik, nos Mehanoreceptorji (mehanski dražljaji): koža, uho Fotoreceptorji (svetloba): oko Termoreceptorji (toplota): koža
3
2.4. SPOSOBNOST REGULACIJE Organizmi imajo dve vrsti okolja: Zunanje okolje: je zelo spremenljivo •
Spremembe zaznavamo s čutili in se nanje ustrezno odzovemo (premik k ali od dražljaja, termoregulacija,...)
Notranje okolje: mora biti bistveno manj spremenljivo •
T, pH, vlažnost,...
Na zunanje, predvsem pa na nostranje dražljaje se organizmi odzovejo z ustreznimi reakcijami. Mehanizmi, ki omogočajo te reakcije se imenujejo regulacijski mehanizmi, ki natančno uravnavajo pH, vlažnost, telesno temperaturo,... S temi regulacijskimi mehanizmi organizmi vzdržujejo stabilno notranje okolje. Temu pravimo HOMEOSTAZA. 2.5. RAZMNOŽEVANJE, RAST, RAZVOJ Razmnoževanje lahko obravnavamo na tri načine: 1. Razmnoževanje v smislu nadaljevanja vrste (prenos genov/lastnosti s staršev na potomce): • •
Spolno razmnoževanje: združenje spolnih celic (potomci so mešanica lastnosti svojih staršev) Nespolno razmnoževanje: celična delitev/cepitev, spore/trosi, vegetativno razmnoževanje (podtaknjenci)
2. Razmnoževanje celic zaradi rasti organizma: Vsi mnogoceličarji se razvijejo iz ene same celice (razen tistih, ki se lahko vegetativno razmnožujejo – deževniki, morske zvezde, rastline,...) 3. Razmnoževanje zaradi obnavljanja organizma. 2.6. METABOLIZEM Metabolizem so vse reakcije, ki v celicah/organizmih omogočajo pretvorbe snovi iz anorganske v organske in obratno. Anabolizem - izgradnja (E se porablja): Anorganske snovi → Organske snovi (fotosinteza)
Katabolizem - razgradnja (E se sprošča): Organske snovi → Anorganske snovi (celič. dihanje)
Procesi metabolizma omogočajo življenje na zemlji. Ločimo snovne in energijske spremembe. Snovi v okolju krožijo, medtem, ko je tok E skozi snovi enosmeren (hν → kem. E → Q).
4
2.7. MUTABILNOST Mutabilnost je močno povezana z osnovno zgradbo vsakega organizma. DNK je nosilec genov, gen pa je zapis za eno beljakovino ali pa je zapis za eno beljakovino sestavljen iz več genov. DNK je skupek genov, se pravi je DNK skupek zapisov za lastnosti organizma. Vsaki spremembi DNK pravimo mutacija – mutacije počasi in spontano spreminjajo organizem. Mutacije povečujejo raznolikost med osebki v populaciji. Preko naravne selekcije preživijo le tisti, ki so najbolj prilagojeni na okolje (obdržijo se le tisti geni, ki omogočajo boljše sposobnosti za preživetje). Sposobnost DNK, da mutira je ena od ključnih značilnosti živega sveta in eno osnovnih gonil evolucije (razvoja). 2.8. STARANJE IN SMRT Ko se organizem postara, se celice ne obnavljajo več. Postopoma odpovedujejo in nastopi smrt.
5
3. RAZNOLIKOST IN PODOBNOST Organizmi so med seboj zelo različni a imajo veliko skupnih značilnosti: Zgradba: •
Na molekulski ravni so vsi organizmi zgrajeni iz enakih osnovnih molekul (beljakovine, meščobe, nuklinske kisline, ogljikovi hidrati...)
DNK: •
Je osnovna molekula, kjer so informacije zapisane na enak način
Encimi: •
Vse procese v organizmih uravnavajo encimi, ki so si po delovanju precej podobni.
Celična zgradba in metabolizem: •
Vsi organizmi so zgrajeni iz celic in imajo podobne metabolne poti
Skupne značilnosti so posledica skupnega evolucijskega razvoja in imajo nekje v daljni preteklosti skupnega prednika. Vsi danes živeči organizmi na zemlji so posledica evolucije.
6
4. HIERARHIČNA ORGANIZACIJA Biološki sistemi so organizirani na različnih nivojih. 4.1. RAVNI ORGANIZACIJE ŽIVIH SISTEMOV Molekula: •
To so gradbeni deli vseh celic in so med seboj povezani, tako, da omogočajo lastnosti živega (beljakovine, nukleinske kisline, ogljikovi hidrati,...).
Celica: •
Osnovna gradbena in funkcionalna enota vsega živega.
Tkivo: •
Je skupek med seboj povezanih celic iste vrste (enakih), ki opravljajo neko funkcijo/delo.
Organ: •
Je celota med seboj logično povezanih tkiv (srce = mišično + vezivno + maščobno tkivo).
Organski sistem: •
Več med seboj funkcionalno povezanih organov (prebavila, dihala,...).
Organizem: •
Je samostojna, individualizirana enota populacije.
Populacija: •
To je skupina osebkov iste vrste, ki živi na določenem območju.
Združba: •
Več različnih populacij, ki so med seboj povezane.
Ekosistem: •
So vsi organizmi, ki živijo na nekem območju, vključujoč tudi vse nežive dejavnike okolja. Ekosistem = Biotop (živ. prostor) + Biocenoza (živ. združba)
Biosfera (Zemlja): •
Vsi ekosistemi tvorijo biocenozo
Velika raznolikost je nastala na vsaki organizacijski ravni posebej in sicer z naravnim izborom oziroma selekcijo različnih trenutno najugodnejših kombinacij → To je bistvo evolucije (stalno prilagajanje okolju).
7
4.2. EVOLUCIJA Osrednji koncept v biologiji je evolucija. • • • •
•
Živo je produkt evolucije z naravnim izborom Življenje je nastalo pred 3 milijardami let in se vse do danes evolucijsko razvija Vse kaže na to, da imamo vsi organizmi skupnega prednika Charles Darwin (1809 - 1882) je leta 1859 izdal knjigo O Izvoru Vrst (The Origin Of Species), v tem delu opiše osnovne mehanizme, ki omogočajo potek evolucije. Eden izmed teh mehanizmov je naravna selekcija. Naravna selekcija lahko deluje z dvema pogojema:
Hiperprodukcija potomcev: •
Večina vrst organizmov proizvede bistveno več potomcev kot je nosilnost okolja zato med njimi prihaja do tekmovanja oz. kompeticije za hrano, vodo itd.
Raznolikost organizmov: •
•
Osebki v posameznih populacijah se med seboj razlikujejo po značilnostih, ki so genetsko pogojene. Organizmi, ki so bolje prilagojeni na trenutne razmere v okolju lažje preživijo, pogosteje se razmnožujejo in proizvajajo potomce z ugodnejšimi lastnostmi za preživetje. V prihodnjik generacijah so zelo pogosto zaznamovane tiste dedne lastnosti, ki omogočajo boljše preživetje in s tem večji uspeh pri razmnoževanju – naravni izbor.
Danes vse organizme razvrščamo na osnovi njihove podobnosti v zgradbi, ki pa je posledica njihove evolucijske sorodnosti.
8
5. ZNANSTVENO RAZISKOVALNO DELO Znanstveno raziskovalno delo poteka v več zaporednih fazah.
5.1. ISKANJE PROBLEMA • Postavitev smiselnega vprašanja na katerega bomo skušali odgovoriti in ga podpreti z dokazi. • Postavimo smiseln naslov in vprašanje. 5.2. ZBIRANJE PODATKOV • Viri starih podatkov: baze podatkov, članki, ustna informacija,... • Viri novih podatkov: Kvalitativni podatki: •
Podatki, značilnosti, informacije, ki jih ne moremo podajati v številkah ampak z opisom npr. barva, vonj, oblika,...
Kvantitativni podatki: •
Podatki, značilnosti, informacije, ki jih lahko podajamo v obliki izračunov oz. številk npr. gostota, viskoznost, dolžina, koncentracija,...
5.3. POSTAVITEV HIPOTEZE (REŠITEV NAŠEGA PROBLEMA) 5.4. DOKAZ HIPOTEZE - Dokažemo s poskusi! • •
Osnovni poskus Kontrolni poskus – z njim dokažemo pravilnost osnovnega
Osnovni in kontrolni poskus morata sovpadati. 5.5. POSTAVITEV TEORIJE Če je teorija vsesplošno priznana jo imenujemo nauk (neizpodbitno dejstvo).
9
6. CELICA 6.1. ZGODOVINA • Robert Hook – Odkrije mikroskop • Brown – Odkrije celično jedro • Müller – Odkrije živalsko celico • Schwann & Schleidn – Postavita celično teorijo (celica je osnovna gradbena in funkcionalna enota, celice delujejo neodvisno in hkrati kot celota) 6.2. OSNOVA • Celica je osnovna gradbena in funkcionalna enota živih organizmov • Njeno delovanje je odvisno od njene zgradbe • Celice omogočajo procese v organizmih • Celice so odprti sistemi (snovi izmenjujejo z okolico preko celične membrane) • Vsaka celica ima DNK, ki uravnava procese, omogoča prilagajanje na okolje in omogoča prenos lastnosti na potomce 6.3 OSNOVNA RAZDELITEV CELIC PROKARIONTSKE Preprosteje zgrajene Nimajo jedra Nimajo notranjih membran (izj. mezosomi) Imajo le ribosome Večinoma manjše od evkariontskih Gradijo prokarionte (bakterije)
EUKARIONTSKE Kompleksnejše Imajo jedro Imajo notranje membrane Imajo celične organele Večinoma večje Gradijo eukarionte
6.4. SPLOŠNE ZNAČILNOSTI CELIC IN PRIMERJAVA
VELIKOST CEL. STENA CEL. MEMB. JEDRO
PROKARIONTI BAKTERIJE nekaj μm iz peptidoglikanov /
Monomer peptidoglikana
GLIVE nekaj 10 μm iz hitina
Monomer hitina
EUKARIONTI RASTLINE nekaj 100 μm iz celuloze
ŽIVALI nekaj 10 μm /
Celuloza (polimer glukoz)
Velikost celic: Velikost celic sega od nekaj μm do 20 cm (nojevo jajce – največja znana celica)
10
Zakaj so celice majhne? • • •
Ker mora jedro nadzorovati vse procese v celici, zato je pomembno, da je jedro blizu drugih organelov (velike celice imajo več jeder) Ker mora biti transport snovi znotraj celice izvedljiv v najkrajšem možnem času Ker je razmerje med površino in volumnom celice bistveno boljše pri manjših celicah kot pri večjih (večje celice imajo relativno manjšo površino od manjših) ENOCELIČARJI
ZNAČILNOSTI
PREDNOSTI
SLABOSTI
MNOGOCELIČARJI Med celicami nastane delitev dela, celice se specializirajo Ena sama celica opravlja vse za določeno nalogo, od naloge naloge je odvisna tudi zgradba celice • Večja velikost • Višja razvitost • Večja specializacija • Hitrejše celic razmnoževanje • Hitrejši procesi v • Manjše zahteve po celicah snoveh in energiji • Možnost spolnega razmnoževanja (nastanek različnih osebkov) • Večinoma le nespolno razmnoževanje → manjša raznolikost • Počasnejše in bolj osebkov zapleteno razmnoževanje • Manjša možnost obnavljanja • Manjša prilagodljivost
11
7. KEMIJSKA ZGRADBA CELICE Elementi, ki gradijo neživo naravo, gradijo tudi organizme, vendar so prisotni v drugačnih deležih. Elementi, ki gradijo živo naravo so BIOGENI ELEMENTI. BIOGENI ELEMENTI MAKROELEMENTI MIKROELEMENTI Zastopani v večjih deležih Zastopani v manjših deležih S, C, H, N, O, P Ca2+, Na+, K+, Cl-, Fe2+, Mg2+,... Biogeni elementi se med seboj povezujejo na različne načine → nastanejo različne spojine. SPOJINE ANORGANSKE ORGANSKE
7.1. ANORGANSKE SNOVI V CELICI 7.1.1. Voda:
• • • •
• •
Je polarno topilo, v njej se raztapljajo polarne snovi (večina snovi, ki gradi organizme je polarnih) V vodnem okolju potekajo vse kemijske reakcije Velika toplotna kapaciteta (4,2 J/gK), se pravi dobro zadržuje toploto in se zaradi tega počasi ohlaja in segreva (preprečuje prevelike toplotne šoke) Med vodnimi molekulami so vodikove vezi, ki bolj ali manj trdno povezujejo melekule vode v odvisnosti od temperature. Glede na toplotno energijo, ki jo dovedemo vodi, obstaja voda v treh agregatnih stanjih; trdno, tekoče in plinasto Močno vpliva na oblikovanje klime (London : Moskva); v okolju z veliko vode to T ekstremi veliko manjši Voda v okolju stalno kroži, kar omogoča ugodne razmere za obstanek življenja
Anomalija vode: Voda je najgostejša pri 4°C, zato potone → Vsi oceani so tekoči. Življenje se je razvilo v tekoči vodi pred milijoni let.
12
Vezana voda: • • • • • •
Voda se zaradi svojih nabojev povezuje z drugimi molekulami Vodne molekule okoli drugih ionov ali molekul tvorijo hidratacijski ovoj Voda v tem ovoju je vezana in ni dostopna za kemijske reakcije. Za kemijske reakcije je potrebna prosta voda Manjši ioni imajo debelejši hidratacijski ovoj kot večji ioni zaradi jedrskega privlaka Pozitivni lastnost hidratacijskega ovoja je ta, da voda v hidratacijskemu ovoju zmrzuje pri nižji temperaturi (koligativna lastnost raztopin – znižanje TZ) Negativna lastnost hidratacijskega ovoja je ta, da voda, ki je vezana ne more sodelovati v kemijskih reakcijah
7.2. ORGANSKE SNOVI V CELICI Vse organske spojine vsebujejo ogljik, ki ima 4 vezi in se rad povezuje z drugimi biogenimi elementi ter tvori polimere.
• • • •
Ogljikovi hidrati Beljakovine Maščobe Nukleinske kisline
7.2.1. Ogljikovi hidrati C:H:O = 1:2:1 • •
C5H10O5 → Pentoza (npr. deoksiriboza, riboza) C6H12O6 → Heksoza (npr. fruktoza, glukoza, galaktoza)
Posamezne molekule ogljikovih hidratov imenujemo monosaharidi. Posamezne monosaharide imenujemo po številu C atomov v molekuli: • • •
Trioza (3C): piruvat Pentoza (5C): riboza, deoksiriboza Heksoza (6C): glukoza, fruktoza, galaktoza
13
Monosaharidi se pogosto, že tudi po nastanku povezujejo med seboj in tvorijo polisaharide. POLISAHARID
ZGRADBA
NAHAJALIŠČE / POMEN
SAHAROZA
Glukoza + Fruktoza
jedilni sladkor, sadje, sladkorni trs
LAKTOZA
Glukoza + Galaktoza
mlečni sladkor
ŠKROB
[Glukoza]n razvejane verige
moka, semena, rezervna hrana rastlin
CELULOZA
[Glukoza]n nerazvej. verige
celična stena rastlin (les)
GLIKOGEN
[Glukoza]n razvejane verige
rezervna hrana gliv in živali (mišice, jetra)
HITIN
[Glukoza]n + Aminokisline (Nacetilglukozamin)
zunanje ogrodje členonožcev (raki), celična stena gliv, žuželke, pajkovci
STRUKTURA
[Zakaj je sadje sladko? Zato, da ga pojemo, saj si s tem rastline zagotovijo obstoj. Semen ponavadi ne pojemo.]
14
7.2.2. Beljakovine • Številne signalne molekule pri živalih so beljakovine • Beljakovine omogočajo krčenje mišic • So ključni del imunske obrambe organizma (protitelesa) • So membranski receptorji • Encimi • ... Beljakovine so polimeri, ki so sestavljeni iz aminokislin (monomerov).
V živem svetu obstaja 20 različnih aminokislin (se pravi 20 različnih radikalov). Različne aminokisline, ki so povezane v molekulo beljakovine, dajo beljakovini specifične lastnosti. Aminokisline se med seboj povezujejo v dolge verige ali peptide. Vezi med dvema aminokislinama rečemo peptidna vez.
Strukture beljakovin: Primarna struktura: Število in zaporedje aminokislin, ki gradijo peptid Sekundarna struktura: Med aminokislinami znotraj peptida pride do dodatnih povezav, zato se veriga v prostoru zavije, ponavadi v vijačnico Terciarna struktura: Že zavita veriga se še enkrat zavije, rezultat je običajno kroglica Kvartarna struktura: Več že terciarno zavitih beljakovinskih molekul se poveže med seboj. Nastane kompleksna beljakovinska molekula. Beljakovine so v organizmih vedno vsaj v terciarni obliki, ponavadi pa v kvartarni. Beljakovine v vsakem organizmu nastajajo sproti in so značilne za vsak organizem.
15
7.2.3. Maščobe • V osnovi so zgrajene iz C, H in O in so estri nasičenih ali nenasičenih maščobnih kislin in glicerola • Nikoli ne tvorijo polimerov • Maščobe ločimo po izvoru (živalske in rastlinske) in po obliki (trdne in tekoče) • Osnovna molekula maščobe je zgrajena iz dveh delov
Nasičena maščobna kislina
Nenasičeni maščobni kislini
Hidrofilni del (glicerol)
• • • •
Hidrofobni del (maščobne kisline)
Maščobne kisline so lahko nasičene ali nenasičene, kar pomeni, da nasičene ne vsebujejo nobenih dvojnih ali trojnih vezi, nenasičene pa. Bolj kot so maščobe nasičene, bolj so trde (masti) Bolj kot so maščobe nenasičene, bolj so tekoče (olja) Primeri maščob so: sončnično olje, voski (čebelji, rastlinski), živalske masti,...
Fosfolipidi so posebna vrsta maščob, ki v veliki meri gradijo celične in druge membrane. Zaradi svojih fizikalno kemijskih lastnosti gradijo lipidni dvosloj. Pomen fosfolipidov: Omočili so nastanek življenja, saj so iz njih verjetno nastale prve celice. Hidrofilni deli molekul se v vodi obrnejo proti vodi, hidrofobni deli pa eden proti drugemu.
Liposom
16
7.2.4. Nukleinske kisline - ime izhaja iz besede nukleus, ki pomeni jedro • • • • •
So polimeri Pomembne so za nastanek in oblikovanje neke dedne snovi, ki nosi vse informacije o zgradbi organizma in se prenaša s prednikov na potomce. Poznamo dve vrsti nukleinskih kislin in sicer DNK in RNK. Tako DNK, kot RNK sta sestavljeni iz monomernih enot, ki jim pravimo nukleotidi Nukleotidi so sestavljeni iz fosfatne skupine, sladkorja (pentoze) in dušikove organske baze, ki je lahko purinska, ki vsebuje dvojni obroč (adenin, gvanin) ali pirimidinska, ki vsebuje enojni obroč (timin, citozin in uracil).
DNK: leta 1953 sta Watson in Crick odkrila dvojno vijačnico • • • • • • • • • • • • •
Dušikove organske baze so lahko: Adenin, Timin, Gvanin in Citozin Sladkor je pentoza deoksiriboza Fosfati in sladkorji naslednjega nukleotida so povezani s fosfodiestrsko vezjo in tvorijo verigo Organske baze so med seboj povezane z vodikovo vezjo in sicer po posebnem principu, ki mu pravimo komplementarnost Zaradi medsebojnih povezav, predvsem organskih baz se povezani vzporedni verigi zavijeta v dvojno vijačnico Vedno se nahaja samo v jedru (razen pri bakterijah, mitohondrijih in kloroplastih) Nosi dedni zapis DNK se v jedru povezuje s posebnimi proteini, ki jim pravimo histoni in tako nastane kromatin (kromatin = DNK + histoni) Kromatin se večkrat zavije in zgosti (kondenzira) in tako nastanejo kromosomi Kromosomi nastanejo ob delitvi celice in so transportna oblika DNK Vsaka človeška celica ima 46 kromosomov (23 parov) Zaporedni deli DNK so geni, en gen pa je zapis za eno beljakovino ali pa eno beljakovino predstavlja več genov Osnovna lastnost DNK je, da se lahko spreminja → mutira → to omogoča evolucijo Zgradba DNK:
Zgradba DNK nukleotida:
17
RNK: • • • • • •
Dušikove organske baze so lahko: Adenin, Uracil, Gvanin in Citozin Sladkor je pentoza riboza Vedno so enojne verige Lahko je v jedru (mRNK) ali pa izven njega (tRNK, rRNK, mRNK) Poznamo tri vrste RNK in sicer mRNK(messenger/obveščevalna), tRNK (transfer/prenašalna) in rRNK (ribosomska) Vse tri RNK sodelujejo pri sintezi beljakovin
mRNK: • •
Nastaja v jedru kot prepis enega ali več genov (operonov) Potuje iz jedra v citoplazmo, kjer se veže na ribosome in služi kot kodiran zapis za nastanek beljakovin
tRNK: •
Nosijo k ribosomom ustrezne aminokisline
rRNK: • •
Je vedno zunaj jedra, navadno v endoplazmatskem retikulumu Gradi ribosome in omogoča potek sinteze proteinov
Zgradba RNK nukleotida:
Trojčki nukleotidov na DNK: kodogeni (CTT) Trojčki nukleotidov na mRNK: kodoni (GAA) Trojčki nukleotidov na tRNK: antikodoni (CUU)
18
8. MORFOLOŠKA ZGRADBA CELICE (Anatomija celice) Po zgradbi ločimo dve vrsti celic: • •
Prokariontske (bakterije) Eukariontske (rastline, glive, živali)
8.1. EUKARIONSTSKA CELICA Jedro Celična membrana (plazmalema)
Citoplazma
Celični organeli + citosol
Citosol: •
Je pretežno iz vode in različnih raztopljenih soli. V njem so predvsem ioni biogenih elementov.
Celični organeli: Po zgradbi ločimo 3 oblike • • •
Membranski Zrnati Nitasti
19
8.2. MEMBRANSKI CELIČNI ORGANELI 8.2.1. Jedro • Največji celični organel • Obdan je z dvojno jedrsko membrano • Vsebuje DNK (DNK + histoni = kromatin → kromosomi) • Nadzoruje vse procese v celici preko proteinov (encimi) • Navadno imajo celice eno jedro. Velike celiko, kot so mišične jih lahko imajo več. Izjemoma pa so lahko nekatere celice brez jedra npr. Eritrociti (rdeče krvne celice)
8.2.2. Jedrce • Ima vlogo pri nastanku RNK molekul 8.2.3. Endoplazmatski retikulum (ER) • To je sistem sploščenih membran, ki se direktno povezuje z jedrsko membrano. Ločimo: • Grobi endoplazmatski retikulum ima nanj vezane ribosome in omogoča sintezo beljakovin • Gladki endoplazmatski retikulum omogoča nadaljnje oz. dokončno izoblikovanje beljakovin
20
8.2.4. Golgijev aparat (GA) • Iz sploščenih membran ali cistern • Na koncih cistern se odlepljajo mehurčki, ki jim rečemo lizosomi • V golgijevemu aparatu se dokončno izoblikujejo proteini (lipoproteidi, glikoproteidi) • V njem nastajajo deli membran / membrane • Je center transporta v celicah
8.2.5. Lizosomi • Služijo prebavi v celici • Služijo transportu v celici • Primarni lizosomi so tisti, ki so ravnokar nastali in vsebujejo ustrezne encime • Sekundarni lizosomi so tisti, ki se združijo s fagocitoznim delcem, tako nastane prebavna vakuola • Lizosomi so tisti mehurčki, ki vsebujejo encime in so zadolženi za prebavo • Vezikli so tisti delci, ki so zadolženi za transport in vsebujejo hormone,…
21
8.2.6. Kloroplasti • So organeli, ki nastopajo samo v rastlinskih celicah • Omogočajo fotosintezo • V rastlinski celici kloroplasti krožijo (cikloza kloroplastov) zato, da se različni kloroplasti enakomerno osončijo • V tilakoidnih membranah se nahaja klorofil, ki omogoča fotosintezo • Ima svojo lastno DNK
8.2.7. Mitohondriji • Imajo jih vse eukariontske celice • So center proizvodnje kemične energije • Veliko jih je v celicah, ki porabijo veliko energije npr. v mišičnih celicah • V njih poteka celično dihanje, končni rezultat so molekule ATP • Mitohondrijski matrix vsebuje encime za potek celičnega dihanja • Vsak mitohondrij ima svojo lastno DNK
22
Endosimbiontska teorija: •
Po teoriji sta bili mitohondrij in kloroplast nekdaj samostojna organizma, ki sta šele naknadno v evoluciji prešla v nostranjost neke druge celice.
Anaerobna glikoliza: 1 mol glukoze → 2 ATP Aerobna glikoliza (mitohondrij): 1 mol glukoze → 36 ATP Glikoliza v mitohondriju da celici 18× več ATP kot anaerobna glikoliza. 8.3. ZRNATI CELIČNI ORGANELI 8.3.1. Ribosomi • So majhni celični organeli, zgrajeni iz dveh podenot • Lahko so samostojni (bakterijski, v mitohondriju, v kloroplastu) ali vezani na membrane (endoplazmatski retikulum) • So nujno potrebni za sintezo beljakovin 8.4. NITASTI CELIČNI ORGANELI 8.4.1. Nitke (mikrofilamenti) • Nevrofilamenti: živčne celice • Tonofilamenti: notranje celično ogrodje (citoskelet) • Myofilamenti: omogočajo krčenje mišic (aktin, miozin) 8.4.2. Cevke (mikrotubuli) 8.4.2.1. Centriol • Iz cevk, ki so iz beljakovine tubulin. • Zgrajen je iz 9 × 3 mikrotubulov • Ob delitvi živalskih celic nastanejo iz centriola niti delitvenega vretena, ki povlečejo kromosome/kromatide narazen
23
8.4.2.2. Bazalno telo • Enaka zgradba kot pri centriolu (9 × 3 mikrotubulov) • Leži na bazah migetalk ali bičkov ter omogoča njihov nastanek, obnavljanje in delovanje 8.4.2.3. Bički in migetalke • Oboji imajo enako zgradba in sicer 9 × 2 + 2 mikrotubula • Bički so daljši in jih je manj (od 1 do 4). Pri večini bičkarjev so nameščeni na sprednjem delu organizma. Pri nekaterih pa na zadnji (spermij). Bički služijo za premikanje bičkarjev (evglena) • Migetalke so krajše in jih je veliko. Lahko pokrivajo celotno celico ali le del nje. Služijo za premikanje migetalkarjev (paramecij)
24
9. ZGRADBA MEMBRAN Membrane lahko nastopajo v različnih delih celic. Vse membrane so v osnovi zgrajene enako. Delno se ločijo glede na mesto v celici in glede na funkcijo, ki jo opravljajo. Zgrajene so iz treh gradbenih delov. 9.1. FOSFOLIPIDI • Gradijo dvojni lipidni sloj, kjer so molekule gibljivo vezane med seboj in menjajo svoje mesto. 9.2. BELJAKOVINE • Lahko so na notranji, zunanji strani ali pa segajo čez celoten lipidni dvosloj Imajo več vrst nalog: • • • •
So membranski kanali: (so različni, prepuščajo različne snovi npr. Ca2+, H2O, Na+, K+,…) So membranski receptorji (sprejemniki kemičnih snovi): Celica preko njih komunicira z okolico Kot gradbeni deli utrjujejo membrano Prenašajo informacije
9.3. OGLJIKOVI HIDRATI • Verige polisaharidov na zunanji strani membrane, ki služijo za komunikacijo med celicami • Verige polisaharidov tvorijo omrežje, ki mu rečemo glikokaliks
Vse tri komponente membrane so dinamično povezane med seboj in tvorijo strukturo tekočega mozaika.
25
10. TRANSPORT PREKO PLAZMALEME Plazmalema je zunanja celična membrana. Snovi se preko nje prenašajo v odvisnosti od njihove velikosti in nabitosti. 10.1. PRENOS VELIKIH DELCEV 10.1.1. Endocitoza
10.1.2. Eksocitoza
Fagocitoza: potujejo trdni delci Pinocitoza: potujejo tekočine 10.2. PRENOS MAJHNIH DELCEV - (plini: N2, O2, CO2, … ioni: Ca2+, Na+, K+, Cl-) • • •
Majhni nenabiti delci in večji delci topni v maščobah lahko potujejo direktno skozi dvojni sloj lipidov (N2, O2, CO2, nekateri vitamini, hormoni,…) Majhni nabiti delci vedno potujejo skozi membranske kanale (Ca2+, Na+, K+, Cl-) Transport majhnih delcev lahko delimo na dva načina:
10.2.1. Pasivni transport - Za to vrsto transporta se energija ne porablja. 10.2.1.1. Difuzija Delci in voda potujejo z mesta z višjo koncentracijo k mestu z nižjo koncentracijo do izenačitve koncentracij. Z difuzijo potujejo majhni, nenabiti delci in delci topni v maščobah.
26
10.2.1.2. Osmoza Prehajanje vode iz področja nižje koncentracije topljenca v področje višje koncentracije topljenca do izenačitve ozmotskega in gravitacijskega tlaka.
Izotonično okolje: •
Celica je v izotoničnem okolju kadar je koncentracija zunaj celice enaka koncetraciji v celici (celica v fiziološki raztopini). V takem okolju celica ostane nespremenjena.
Hipertonično okolje: •
Celica je v hipertoničnem okolju, kadar je koncentracija zunaj celice višja kot koncentracija v celici (celica v 5 % raztopini NaCl). V takem okolju se zaradi osmoze celica osuši oziroma izgubi vodo.
Hipotonično okolje: •
Celica je v hipotoničnem okolju, kadar je koncentracija zunaj celice nižja od koncentracije v celici (celica v destilirani vodi). V takem okolju se celica zaradi osmoze napolni z vodo, kar lahko povroči to, da se celica razpoči.
27
10.2.2. Aktivni transport - Za to vrsto se vedno porablja kemična energija (ATP). • •
•
•
•
Z aktivnim trasportom potujejo nabiti delci, ki so večinoma ioni. Celica je s celično membrano stalno ločena od svoje okolice, zato je notranjost celice kemično drugačna od zunanjosti. Zaradi različnih raztopljenih snovi v notranjosti celice ima notranjost celice drugačno ionsko sestavo. Ioni so nabiti delci, so nosilci naboja, ki v notranjosti celice ustvarijo nekakšen potencial. Celica mora stalno vzdrževati stabilen električni potencial. Ko je celica v mirovanju ima tako imenovani Mirovni Membranski Potencial (MMP). Večina celic človeškega organizma ima MMP -70 mV. Ker je celica odprt sistem, se pravi stalno izmenjuje snovi z okoljem se MMP stalno ruši. Za celični električni potencial sta predvsem pomembna dva iona K+ (več znotraj celice) in Na+ (več zunaj celice). Velikokrat se MMP poruši pri prehodu snovi, saj ioni uidejo skozi kanale. Zaradi stalne potrebe celice, da izmenjuje snovi, se kanali odpirajo. Skozi odprte kanale zaradi difuzije poteče “vdor” Na+ v celico in “vdor” K+ iz celice. Tako se poruši MMP. Za ponovno vzpostavitev MMP-ja celica izvrže Na+ in sprejme K+.Ta transport poteka s pomočjo membranskih beljakovin, ki imajo ATP-azno funkcijo.
Delovanje Na+/K+ črpalke: • • •
•
Protein je z mesti za vezavo Na+ obrnjen v notranjost celice in nase veže 3 Na+ ione. Na beljakovino, se veže molekula ATP in povzroči spremembo oblike beljakovine, odcepi se ADP. Sedaj so trije Na+ ioni izpostavljeni celični zunanjosti in se odcepijo. Na mesto za vezavo K+ ionov se vežeta 2 K+ iona. Zaradi vezave K+ ionov se struktura beljakovine ponovno spremeni in izpostavi vezane K+ ione celični notranjosti, kjer se odcepita dva K+ iona. Ta postopek se v celici ponavlja do ponovne vzpostavitve MMP.
Močno porušenje MMP je akcijski potencial
28
11. DELITEV CELICE Delitev celice je osnovna lastnost vsake celice. Eukariontkse in prokariontske celice se delijo drugače. Iz ene materinske celice nastaneta dve hčerinski. Razlogi za delitev celice: • • • •
Razmnoževanje (ohranjanje vrst) Obnavljanje organizma Nadomeščanje celic Rast organizma
11.1. DELITEV PROKARIONTSKE CELICE • Je preprosta • Izredno hitra • Ohranja količino in kvaliteto genetskega materiala
Faze delitve prokariontske celice: • • • •
1. Prokariontska celica 2. Podvojitev DNK in pritrditev le te na celično membrano 3. Rast membrane med pritrjenima DNK 4. Cepitev: nastaneta dve hčerinski celici z enako količino in kvaliteto DNK
29
11.2. DELITEV EUKARIONTSKE CELICE Celični cikel:
Faze celičnega cekla: G0 faza: •
Imajo jo samo tiste celice, ki se ne delijo. Vzdrževanje metabolične aktivnosti.
G1 faza: •
Izgradnja in rast celice, intenzivna sinteza vseh celičnih sestavin, predvsem beljakovin.
S faza: •
Podvajanje DNK
•
Priprava na novo delitev, v celici nastajajo snovi in strukture, ki si potrebne za delitev.
G2:
M faza: •
Mitoza (pri telesnih celicah) ali mejoza (pri spolnih celicah)
30
11.2.1. Mitoza - (materinska celica: 2n kromosomov, hčerinska celica: 2n kromosomov) • • •
Z mitozo se delijo telesne celice in sicer z namenom rasti ali obnove organizma Mitozo delimo na več faz: profaza, metafaza, anafaza, telofaza Mitozo delimo na dve obdobji, ki potekata sočasno:
a) Kariokineza (delitev jedra): Profaza: • • •
DNK se začne zgoščevati, kondenzirati, zavijati in nastanejo kromosomi. Kromosomi nastanejo tik pred delitvijo celice in so transportna oblika DNK. Jedrni ovoj postopoma razpade Centrioli tvorijo niti delitvenega vretena, ki se pritrdijo na centromero vsakega kromosoma in kromosome povlečejo v ekvatorialno ravnino
Zgodnja profaza
Metafaza: •
Niti delitvenega vretena povlečejo oziroma potisnejo kromosome do ekvatorialne ravnine
31
Anafaza: •
Niti delitvenega vretena povlečejo kromatide proti poloma.
Telofaza: • • •
Delitveno vreteno postopoma izgine Okrog vsake skupine kromosomov se izoblikuje jedrni ovoj / membrana Kromosomi se razpustijo
b) Citokineza (delitev citoplazme): Poteka vzporedno s kariokinezo Živalske celice: •
Nimajo celične stene, delitev citoplazme poteka z ugreznitvijo celične membrane, nastane celična brazda.
Rastlinske celice: • • •
Imajo celično steno. V področju med novonastalima jedroma se zbirajo vezikli iz golgijevega aparata, ki se združijo v ploščato cisterno. Na to cisterno se postopoma naloži celuloza, nastane osrednja lamela in iz nje celična stena. Tej strukturi rečemo celična plošča.
32
11.2.2. Mejoza (redukcijska delitev – R!) (materinska celica: 2n kromosomov, hčerinska celica: n kromosomov) Človeške celice: • •
Telesne: 46 kromosomov Spolne: 23 kromosomov
Mejoza je delitev, kjer ir materinske celice dobimo hčerinske celice s polovičnim številom kromosomov. Takim celicam pravimo gamete ali spolne celice → to velja le za nekatere organizme. Živali: •
Z združitvijo moške in ženske spolne celice (gemete) nastane zarodek ali zigota. ♀ + ♂ → Zigota
Rastline:
•
Z mejozo nastanejo nespolne celice (spore, trosi). Iz trosov nastane nova generacija (spolna generacija). Ta se razmnožuje spolno. Produkt razmnoževanja spolne generacije je nova generacija (nespolna generacija). V nespolni generaciji nastajajo z mejozo spore ali trosi, ki dajo brez združevanja spolno generacijo. Taki izmenjavi spolne in nespolne generacije pravimo METAGENEZA.
33
Potek mejoze: Mejoza je sestavljena iz dveh delitev in sicer iz mejoze I (R!) in mejoze II (mitoza). • •
Mejoza I: prava redukcijska delitev (R!) – nastaneta dve celici Mejoza II: mitoza – iz prejšnjih dveh celic nastaneta še dve celici (skupaj 4 celice)
Mejoza I: Profaza I: •
Je enaka kot profaza mitoze
Metafaza I: • • • • • •
Kromosomi niti delitvenega vretena kromosome povlečejo v ekvatorialno ravnino, kjer se razvrstijo po parih oz. homolognih kromosomih Homologni kromosomi se zelo približajo in med njimi poteče crossing over V crossing over-u se izmenjujejo deli homolognih kromosomov Novonastali kromosomi so rekombinirani Crossing over je vir raznolikosti med osebki (organizem, ki bo nastal iz rekombiniranih kromosomov, bo le podoben svojim staršem in ne enak Če crossing over ne poteče pravilno je to vir za kromosomske mutacije
Anafaza I: •
Na vsako stran delitvenega vretena potuje en celoten rekombiniran kromosom, tako se število kromosomov razpolovi
Telofaza I: •
Nastaneta dve haploidni celici
Mejoza II: • •
Je enaka mitozi Končni rezultat mejoze so štiri haploidne celice
34
Shema mejoze:
n 2n n
n n n n
Redukcijska delitev je lahko postopek za nastanek spolnih ali nespolnih celic: • •
R! poteka v spolnih organih organizmov: nastanejo spolne celice ali gamete R! poteka v sporangijih gliv in rastlin: nastanejo nespolne celice ali spore
Rekombinantni kromosomi so vir raznolikosti, ki je poleg hiperprodukcije potomcev eden izmed osnovnih gonil evolucije. Iz spolnih celic pri večini organizmov ne nastane ničesar, nekateri organizmi pa so v svojem življenjskem ciklu razvilo možnost razvoja celotnega organizma iz spolne celice (čebele, listne uši,…). Takemu principu pravimo PARTENOGENEZA.
35
12. METABOLIZEM To so vse reakcije, ki potekajo v organizmih 12.1. METABOLIZEM Anabolizem (izgradnja): Energija se porablja •
anorganske snovi → organske snovi
Katabolizem (razgradnja): Energija se sprošča •
organske snovi → anorganske snovi
Snovi v okolju krožijo, pretok energije skozi sistem pa je enosmeren.
Anorganske snovi
Organske snovi
Svetlobna energija
Kemijska energija
Toplota
12.2. METABOLIČNE REAKCIJE
Katalizatorji: pospešijo reakcijo (znižajo aktivacijsko energijo) Inhibitorji: reakcijo zavrejo (zvišajo aktivacijsko energijo) Za potek vsake reakcije je potrebna neka določena aktivacijska energija.
V živih organizmih reakcije uravnavajo encimi (biokatalizatorji), ki znižujejo aktivacijsko energijo. Reakcije tako lahko potečejo tudi pri pogojih trenutnega okolja. Vsi encimi v živih sistemih so beljakovine.
36
12.3. ZNAČILNOSTI ENCIMOV • Pri reakcijah se ne spreminjajo • Po eni končani reakciji lahko takoj vstopijo v novo reakcijo • Ne spreminjajo smeri reakcije Dodatne značilnosti: • • • • •
• • •
Molekulam, s katerimi se veže encim pravimo substrat Substrat se vedno veže v aktivni center encima, zato morata biti substrat in encim ustrezna → vezava ključ – ključavnica Od tod izhaja specifičnost encimov (samo določen encim se bo vezal z določenim substratom) → nastane kompleks encim – substrat Encimi lahko molekule substrata sestavljajo ali razstavljajo/razgrajujejo Večina encimov je sestavljena iz beljakovinskega (apoencim) in nebeljakovinskega dela, ki mu pravimo kofaktor. Celoten encim se imenuje holoencim Kofaktor je lahko preprost kovinski ion ali pa organska molekula (koencim) Vsi kofaktorji izboljšajo vez substrat – encim in s tem pospešijo reakcijo Koencimi: večina vitaminov, ioni (Ca2+, Co2+, Cu2+, Fe3/2+, Zn2+,…)
12.4. VPLIVI NA ENCIMSKO REAKCIJO Temperatura: •
• •
Višanje T pospeši encimsko reakcijo do določene meje, ko previsoka T povzroči denaturacijo oz. koagulacijo ali razpad encima. Taka sprememba encima je ireverzibilna oz. nepovratna in tako se encim deaktivira. Zelo nizka T upočasni encimsko reakcijo Večina encimov ima svoj temperaturni optimum z ozkimi mejami npr.
pH: • •
Večina encimov ima svoj optimalen pH, pri katerem so najbolj aktivni Zmanjšanje oz. zvišanje pH od optimalnega poslabša delovanje encima
Koncentracija substrata: •
Z večanjem koncetracije substrata, se veča tudi aktivnost encimov, dokler niso zasedeni vsi aktivni centri, če količina substrata še narašča, aktivnost encimov ne narašča več. V normalnih razmerah do take situacije ne pride, ponavadi je vedno več molekul encima
PROTEAZE → razgradnja proteinov, LIPAZE → razgradnja maščob, KARBOHIDRAZE → razgradnja ogljikovih hidratov, POLIMERAZE → omogoča tvorbo verig (DNK, RNK polimeraza,…)
37
Graf odvisnosti aktivnosti encima od koncentracije substrata:
Graf odvisnosti aktivnosti encima od temperature:
Graf odvisnosti aktivnosti encima od pH:
38
13. FOTOSINTEZA • •
Je avtotrofni proces → Organizmi (rastline, in nekatere bakterije) si s tem procesom pridobivajo hrano (proizvajajo organsko snov) Za ta proces je potrebna svetloba vidnega spektra (λ = 380 – 760 nm) in sicer sta najbolj pomembni rdeča svetloa (λ = 680 nm) in modra svetloba (λ = 440 nm)
Svetloba je elektromagnetno valovanje. Magnetno valovanje se širi vodoravno (horizontalno), električno valovanje pa se širi pravokotno na magnetno valovanje, se pravi navpično (vertikalno). Razdalja med vrhoma dveh valov se imenuje valovna dolžina. Svetlobo lahko obravnavamo na dva načina in sicer kot valovanje ali kot delce, ki jim rečemo fotoni. Vsak foton nosi določen paket energije (kvant). Hitrost svetlobe v zraku je 3×108 m/s
•
Za ta proces so ključnega pomena tudi razne snovi, ki so sposobne svetlobo pretvarjati v energijo, ki jo potem organizmi porabijo za proizvodnjo energijsko bogatih molekul (ATP). Ta snov je klorofil
•
Pri rastlinah fotosinteza poteka v kloroplastih, pri bakterijah pa v mezosomih (cianobakterije) Fotosinteza je sestavljena iz dveh sklopov reakcij in sicer iz od svetlobe odvisnih reakcij in od svetlobe neodvisnih oz. temačnih reakcij
•
Osnovna reakcija fotosinteze: 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2 hν
Anorganski snovi
Organska snov
39
13.1. OD SVETLOBE ODVISNE REAKCIJE Za nastanek organskih spojin oziroma za vezavo ogljika v organske spojine je potrebna energija (ATP). Ta energija nastaja v svetlobnih reakcijah fotosinteze in sicer na dva načina. 13.1.1. Ciklična transportna veriga • Svetloba obseva molekulo klorofila in sicer fotosistem I, ter v reaktivnem centru, magnezijevem(II) ionu povzroči preskos zunanjega elektrona na višji energijski nivo • Ob padcu na osnovni nivo nastane elektron, ki ga sprejme elektronski prenašalec v elektronski transportni verigi • Elektronska transportna veriga je zaporedje elektronskih prenašalcev, kjer se elektron prenaša iz ene molekule na drugo do najnižjega, ki vrne elektron molekuli klorofila • Vsak prenos elektrona iz enega prenašalca na drugega se porabi za nastanek molekule ATP ADP + P → ATP •
Produkt ciklečnega transporta je molekula ATP
13.1.2. Neciklični transport • Ta omogoča cepitev vodne molekule na 2H+ in O2-, nastane ATP in NADPH2 • Svetloba, ki jo sprejme fotosistem II omogoča cepitev vodne molekule • Vodikovi ioni, ki se sprostijo iz vode (vodikovi protoni) se vežejo na vodikove prenašalce v tilakoidni membrani NADP + H → NADPH2 • • • • • • •
Ta prenašalec odda H+ prvemu prenašalcu v tilakoidni membrani V tilakoidni membrani je serija prenašalnih molekul, ki sprejmejo vodikove protone Tej seriji rečemo fotoelektronska transportna veriga Vsak prehod se porabi za nastanek molekule ATP Končni produkt necikličnega transporta sta molekuli ATP in NADPH2 Energije prenosa se porabijo za črpanje vodikovih protonov na zunanjo stran tilakoidne membrane Tam nastane prebitek protonov, ki postopoma prejajajo skozi poseben proteinski kanal, ki mu rečemo ATP sintaza, ta kanal ima sposobnost sinteze ATP molekule
Ciklična in neciklična transportna veriga zagotovita dovolj ATP za potek temotnih reakcij. Celotna svetlobna reakcija fotosinteze: 2NADP + 2P + 2ADP + 2H2O → 2NADPH2 + 2ATP + O2
40
13.2. OD SVETLOBE NEODVISNE REAKCIJE • Vezava ogljika iz ogljikovega dioksida v organske molekule • To je sklop reakcij, ki mu rečemo Calvinov cikel • Pri zaporednih pretvorbah v tem ciklu sodeluje veliko encimov • Kot osnovni substrat nastopa predvsem ketopentoza ribuloza, ki se ob prisotnosti ATP fosfolizira in nastane ribulozabifosfat • Ob prisotnosti encima ribulozabifosfat karboksilaze nastaneta dve molekuli fosfoglicerata, ki se združita v eno molekulo heksoze (glukoze/fruktoze) • Za vezavo CO2 se uporabljata ATP in NADPH2 • Prvi proizvod, ki zapusti Calvinov cikel (vsaka šesta molekula) je fruktoza, vse ostale molekule se pretvorijo nazaj v ribulozebifosfate • Za eno molekulo fruktoze potrebuje rastlina 48 fotonov svetlobe • Iz fruktoze kasneje nastane glukoza in iz več glukoz kasneje nastane škrob, ki se lahko skladišči v samem kloroplastu, večinoma pa v drugih delih rastlin • Vmesne snovi Calvinovega cikla so tudi vir nastanka aminokislin, maščobnih kislin, beljakovin in maščob • Reakcije Calvinovega cikla potekajo v stromi kloroplasta NADPH2: nikotinamid adenin dinukleotidfosfat ATP: adenozin trifosfat Adenozin: adenin + sladkor
41
14. CELIČNO DIHANJE Celično dihanje je aerobni proces (poteka v prisotnosti kisika), kjer se organske spojine razgrajujejo na anorganske (C6H12O6 → CO2 + H2O + ATP). Pri tem nastane ATP, ki ga porabimo za neko delo (krčenje mišic, sinteza beljakovin, aktivni transport,…). Osnovna hrana vsake celice je glukoza. Celično dihanje je sklop reakcij, ki potekajo v celici. Glukoza se razgrajuje postopoma. Prva faza celičnega dihanja se imenuje glikoliza, druga krebsov cikel in tretja faza kemiosmoza. 14.1. GLIKOLIZA • Glikoliza je anaerobni proces, ki poteka v citiplazmi celice, se pravi zunaj mitohondrija. • Za potek glikolize so potrebni encimi. • Glukoza razpade na dva piruvata (3C). • Pri glikolizi nastanejo 4 molekule ATP, vendar se dve porabita (končni izkupiček sta 2 ATP molekuli) 14.2. KREBSOV CIKEL • Piruvat vstopi v mitohondrij in se tam pretvori v acetil koencim A (AcCoA) • Ta vstopi v krebsov cikel (cikel citronske kisline) • V tem ciklu se H atomo postopoma odcepijo od ogljikovih in se vežejo na prenašalce NAD + H → NADH + FAD + 2H → FADH2 Končni produkt krebsovega cikla: C3 → CO2 + 4NADH + 2 FADH2 + 2ATP Krebsov cikel poteka med dvema membranama mitohondrija 14.3. KEMIOSMOZA • Vodikovi prenašalci prinesejo vodike iz krebsovega cikla do notranje membrane mitohondrija • Prenašalci oddajo svoje vodike drugim prenašalcem na notranji strani membrane • Ti prenašalci tvorijo kompleks, ki mu pravimo elektronska transportna veriga ali dihalna veriga • Vsak preskok H+ se porabi za črpanje H+ iz matriksa na zunanjo stran membrane, s tem se veča število H+ na zunanji strani • Ti H+ ioni postopoma prehajajo nazaj v matriks skozi posebne kanale, ki jim rečemo ATP sintaza, vsak prehod omogoča nastanek ene ATP molekule • Na koncu se vodikovi e-, ki zapustijo verigo vežejo s kisikom in nastane H2O
42
15. VRENJE ALI FERMENTACIJA fermenti = encimi • • • • •
Glukoza se na začetku razgradi z glikolizo, ki je anaeroben proces, kjer nastaneta dve molekuli ATP Pri celičnem dihanju je končni prejemnik vodika kisik, ker pa v tem primeru kisika ni je končni prejemnik vodika kar snov, ki je produkt glikolize Pri tem se porabi približno 5 % glukoze, ostala pa nastopi kot stranski produkt vrenja Vrenje poteka v mišicah, pri nekaterih glivah, v bakterijah (predelava mlečnih izdelkov – mlečnokislinske bakterije) Vrenja poimenujemo po stranskem produktu:
15.1. Mlečnokislinsko vrenje: Končni prejemnik vodika je piruvat, ki se pretvori v mlečno kislino. Pri mlečnokislinskem vrenju se ne porablja glukoza ampak laktoza, ki jo imajo za svojo hrano mlečnokislinske bakterije 15.2. Alkoholno vrenje Encim odcepi od piruvata še eno molekulo CO2 in nastane etanol. Tako vrenje poteka pri glivah kvasovkah (proizvodnja alkoholnih pijač) 15.3. Ocetnokislinsko vrenje
43
16. ORGANSKI SISTEMI Vsi organizmi so zgrajeni iz celic, ki so osnovne gradbene in funkcionalne enote organizmov in v njih potekajo vsi ustrezni procesi. Po številu celic lahkoorganizme delimo na enoceličarje, ki so zgrajeni iz ene same celice in mnogoceličarje, ki jih gradi množica celic. Med temi celicami pride do diferenciacije in posledično imajo različne celice v organizmu drugačno nalogo. Celice se povezujejo v tkiva, tkiva v organe in organi v organske sisteme. Pri preprostih organizmih lahko kakšen organski sistem tudi manjka. 16.1. TRANSPORTNI SISTEMI • • •
•
To so organi, strukture, tkiva, ki omogočajo prenos snovi po telesu Pri nižjih organizmih (enoceličarji in preprosti mnogoceličarji funkcijo prenosa snovi opravlja le okolje (voda) Velikost organizmov je navadno omejena z difuzijskimi zmogljivostmi (velike celice, veliki organizmi ne morejo preskrbeti vsake celice z diguzijo, zato so se morali razviti transportni sistemi) Aktivnejši organizmi imajo večje porabe po snoveh zato potrebujejo še bolj učinkovite transportne sisteme
16.1.1. KRVOŽILJE Sestavljajo ga trije deli: kri, žile, srce 16.1.1.1. KRI • Kri je tkivo s tekočo medceličnino • Sestavljeno je iz krvnih celic in krvne plazme 16.1.1.1.1. Krvne celice Vse krvne celice nastajajo v rdečem kostnem mozgu, v dolgih kosteh (stegnenica, …) grodnica/prsnica pa zadrži hemopoetsko sposobnost celo življenje. Rdeči kostni mozeg se zamenja z rumenim. Eritrociti: • • • • • • •
Premer celice 7μm V krvi jih je največ okoli 40 % suhe mase krvi So rdeče barve ker vsebujejo hemoglobin, njihova vloga je vezava in prenašanje O2 Določajo krvne skupine (A, B, 0, AB) Nimajo jedra Njihova življenjska doba je okoli 3 – 4 mesece Izrabljeni eritrociti se predelajo v jetrih
44
Levkociti: • • • • •
So celice brez barve (pod mikroskopom jih obarvamo vijolično, da se vidijo) So brez stalne oblike (so ameboidne) Njihova količina pri zdravem človeku je relativno majhna, naraste pa v primeru okužb, vnetij itd. Služijo obrambi pred tujki in so večji od eritrocitov Poznamo več vrst levkocitov: bazofili, nevtrofili, eozinofili, limfociti, monociti
Trombociti (krvne ploščice): • •
Za strjevanje krvi Za mašenje ran
16.1.1.1.2. Strjevanje krvi Zaporedje kemičnih reakcij, ki omogočajo zaprtje žile oziroma preprečitev izkrvavitve:
• • •
Fibrinogen je topen v krvni plazmi, fibrin pa ni topen, zato se izloči in začne tvoriti fibrinsko mrežo, v katero se ujamejo ostale krvne celice in zamašijo rano. Pri strjevanju sodelujejo še mnogi drugi faktorji strjevanja: Ca2+, vitamin K,… Motnje v strjevanju krvi so lahko genetsko pogojene; hemofilija
45
16.1.1.1.3.Krvne skupine Krvne skupine določajo beljakovine v krvi. Beljakovine na eritrocitih: Aglutinogen A, Aglutinogen B Beljakovine v krvni plazmi: Aglutinin PROTI A , Aglutinin PROTI B Krvna skupina A B AB 0 • • •
Aglutinogen A B A in B brez
Aglutinin proti B proti A brez proti A in proti B
Poznavanje krvnih skupin je izjemno pomembno pri transfuzijah Krvi različnih krvnih skupin se ne smejo mešati med seboj razen v izrednih primerih v zelo majhnih količinah Mešanje različnih krvnih skupin povzroča aglutinacijo (lepljenje krvi) Prejemnik A B AB 0
Dajalec A>0 B>0 AB > A, B, 0 0
16.1.1.1.4. Rh faktor - (po opici Rhesus Macacus) Rh faktor je v bistvu prisotnost ali odsotnost še ene beljakovine na eritrocitih in sicer Aglutinogena D. Tisti ljudje, ki to beljakovino imajo so Rh+ (85 %) in tisti, ki je nimajo so RH- (15 %).
46
16.1.1.2. ŽILE Zunanja plast iz kolagena Srednja plast: Gladke mišice
Notranja plast iz: Vezivo elastin
Endotelij: samo ena plast celic
• •
Poznamo dve glavni vrsti žil. Arterije, ki kri odvajajo iz srca v telo in vene, ki kri iz telesa dovajajo v srce Večje žile se razvejajo v manjše žile SRCE Velike vene
Aorta
Vene
Arterije
Venule
Arteriole Kapilare
•
V ožilju srečamo tudi zaklopke, ki jih imajo vse vene. Pri arterijah se po ena taka zaklopka nahaja samo v aorti in pljučni arteriji, drugače arterije nimajo zaklopk
•
Vse žile razen kapilar imajo štiri plastno steno. Kapilare so samo iz endotelija.
47
16.1.1.2.1. Krvni spleti • V tkiva prihajajo arteriole, ki se razvijejo v množico kapilar. Te imajo tanko steno iz endotelija • Med celicami endotelija so vrzeli skozi katere izstopa krvna plazma, ki celicam v okolici prinese hrano in kisik • Celice dobijo hrano in kisik z difuzijo • Iz celic z difuzijo izstopajo nerabne snovi in CO2 • Zaradi delovanja srca nastane v drugem delu kapilare podtlak in te snovi povleče v kapilaro • Vendar ne v celoti, preostanek odteče po limfnih žilah v limfo
Celica O2 + hgl
O2
CO2 pH, T
Kapilara Krvna plazma
48
16.1.1.1.2. Krvni obtoki Veliki/telesni krvni obtok - Začne se v levem prekatu in konča v desnem preddvoru
SRCE
DESNI PREDDVOR
LEVI PREKAT
VENE
AORTA
KAPILARE
ARTERIJE
Mali/pljučni krvni obtok - Začne se v desnem prekatu in konča v levem preddvoru
SRCE
LEVI PREDDVOR
DESNI PREKAT
PLJUČNI VENI
PLJUČNA ARTERIJA
PLJUČA
49
Jetrni/portalni krvni obtok
SRCE
SPODNJA VELIKA VENA
AORTA
JETRNA VENA
JETRNA ARTERIJA
JETRA
PORTALNA VENA
PREBAVILA
Naloge krvnih obtokov • • • • •
Preskrba vsake telesne celice s hrano in kisikom in obramba imunskega sistema. Oksigenacija; vezava kisika v kri in odnašanje CO2 iz tkiv. Vzdrževanje pritiska v sistemu. Predelava, skladiščenje, razstrupljanje, čiščenje krvi. Preskrba telesa z vsemi trenutno pomembnimi snovmi.
50
16.1.1.1.3. Vrste krvnih obtokov in krvožilja • Enojni: Ribe, dvoživke, nekateri plazilci
SRCE
ŠKRGE/PLJUČA
TELO
•
Dvojni (lahko je sklenjeno ali nesklenjeno): Nekateri plazilci, ptiči, sesalci PLJUČA
TELO
Nesklenjeno krvožilje: • • • •
Iz srca kri po aterijah (aortah) odteče v telo, kjer zapusti žile Kri oblije organe, poteče izmenjava in nato se kri zbira v spodnjem delu telesa, kjer je vena, ki kri vrne nazaj v srce Ni kapilar V takem sistemu se tlak ne ohranja in zato imajo tako krvožilje lahko le majhne živali
Nesklenjeno krvožilje: • • •
Kri nikoli ne zapusti žil, žile zapusti le krvna plazma Pritisk v ožilju je bolj ali manj stalen Ta vrsta krvožilja omogoča večjo mero aktivnosti in dopušča večje velikosti živali
Krvožilja nimajo: praživali, spužve, nečlenarji (ploski črvi, valjasti črvi, ožigalkarji, migetalkarji,..)
51
16.1.1.3. SRCE (ČLOVEŠKO)
16.1.1.3.1. Oživčenje srca Centralni živčni sistem - Živčevje
Somatsko (zavedno - veliki možgani)
Vegetativno (Nezavedno - podaljšana hrbtenjača)
Simpatično - Spodbuja delovanje organov
Parasimpatično - Zavira delovanje organov
Srce človeka je oživčeno z dvema različnima tipoma živčevja: • •
Avtonomno ali samorastno živčevje Vegetativno živčevje iz centralnega živčnega sistema
52
16.1.1.3.1.1. Samodejno ali avtonomno živčevje • Zagotavlja stalno, neprekinjeno in enakomerno delovanje srca • To omogočata dva srčna ritmovnika: Sinusno – atrijski živčni vozel (SA vozel): • •
Vodilni vozel SA vozel zavre delovanje VA vozla, da ne pride do hkratnih stiskov prekatov in preddvorov
Atrijsko – ventrikularni živčni vozel (VA vozel): •
Podrejeni vozel
Vsi impulzi iz vozlov potekajo po posebnih vlaknih, ki jim pravimo srčno prevajalo. Po stisku srčne mišice sledi krajša pavzo oziroma neaktivnost srčne mišice, ki ji pravimo refrektarna perioda. 16.1.1.3.1.2. Vegetativno oživčenje srca • V podaljšani hrbtenjači so centri, ki uravnavajo aktivnost srca – kardialni centri • Kardialni center sprejema z notranjimi čutili dražljaje o stanju organizma (T, pomanjkanje plinov, povečanje količine plinov, prisotnost hormonov,…) • V skladu s trenutnim stanjem organizma kardialni center preko simpatičnega živčevja pospeši oziroma preko parasimpatičnega živčevja zavre delovanje srca • Vsa živčna vlakna iz centralnega živčnega sistema do srca potujejo po mešanem živcu, ki mu pravimo nervus vagus
53
16.1.2. DIHALA Celično dihanje: proizvodnja ATP (energija); GLU + O2 → H2O + CO2 + ATP Telesno dihanje: izmenjava plinov; O2 → TELO → CO2 • • • • • •
Dihala omogočajo izmenjavo plinov (O2, CO2) Kisik lahko vstopa direktno do celice ali preko krvožilja Dihalne površine morajo biti velike, vlažne, imeti morajo ugodno razmerje volumna in površine, morajo biti dobro prekrvavljeni Plini vedno potujejo v in iz celic v raztopljeni obliki Organizmi so v evoluciji razvili različne tipe dihal, odvisno od življenjskega okolja Kisik, ki ga organizmi dobijo preko dihalnih poti je potreben za celično dihanje
16.1.2.1. Vrste dihal 16.1.2.1.1. Telesna površina • Organizmi izmenjujejo pline preko telesne površine, to so predvsem vodni organizmi, večinoma enocelični ali pa imajo nižje razvit metabolizem • Praživali, spužve, nečlenarji (izjema so mehkužci) • Kot pomožno dihalo je telesna površina prisotna pri mnogih organizmih, predvsem tistih, ki imajo golo površino 16.1.2.1.2. Škrge • Imajo jih večji, aktivnejši vodni organizmi, ki že imajo razvito krvožilje • Navadno škrge gradijo številni škržni lističi prepredeni z žilami • Izmenjava poteka po protitočnem sistemu, saj le tako 100 % nasičimio kri s kisikom Protitočni sistem O2 V VODI
100 % 100%
80 %
60 %
80 %
60%
...
40 %
...
40 %
O2 V KRVI
Sotočni sistem
•
O2 V VODI
100 %
80 %
60 %
50 %
50 %...
O2 V KRVI
0%
20 %
40 %
50 %
50 %...
Škrge so lahko notranje (nečlenarji - mehkužci, mnogočlenarji - kolobarniki, mnogoščetinci, členonožci - raki) ali zunanje (vretenčarji - ribe, ličinke dvoživk)
54
16.1.2.1.3. Traheje (vzdušnice/zračnice) • Tipično dihalo členonožcev • To je sistem cevi, ki vstopajo v zadku in se močno razvejajo v notranjosti • Razvejanje poteka od večjih do manjših cevi (traheole) • Traheje vodijo zrak direktno do celic • Ta sistem je ločen od krvožilja • Imajo jih mnogočlenarji (pajkovci, žuželke, stonoge) 16.1.2.1.4. Trahealne škrge • Imajo jih ličinke nekaterih obvidnih žuželk (kačji pastirji, enodnevnice,…) 16.1.2.1.5. Pljuča • Imajo jih kopenski vretenčarji (dvoživke, plazilci, ptiči, sesalci) • V evoluciji se pljuča razvijejo v 3 oblike Vrečasta pljuča • •
Imajo bolj ali manj nagubano notranjo površino Imajo jih dvoživke in plazilci
Mešičkasta / Alveolarna pljuča • •
To je sistem cevi, ki se končajo s pljučnimi mešički (alveoli) Imajo jih sesalci
Cevasta pljuča: •
Imajo jih ptiči
55
16.1.2.2. Dihanje človeka • Pljuča sesalcev so brez mišic, zato se sama ne krčijo in ne širijo Za dihanje so potrebne nekatere strukture: • • • •
Porebrnica (ovojnica, ki obdaja notranjo stran reber) Popljučnica (ovojnica, ki obdaja pljuča) Trebušna prepona Medrebrne mišice (širijo in krčijo prsni koš)
Ker je med porebrnico, popljučnico in trebušno prepono vakuum širjenju in krčenju prsnega koša sledi širjenje in krčenje pljuč. 16.1.2.3. Dihanje ptičev • Ptičja pljuča so cevasta in so sistem stalno odprtih vzporednih cevi, kjer zrak teče stalno v eno smer • Sistem izmenjave je protitočen (kot pri ribah) • Za pretok zraka skozi pljuča poskrbijo številne zračne vreče Vdih: • • •
Zrak iz zunanjosti steče v zadnjo vrečo in v pljuča Slab zrak iz pljuč gre v prednjo vrečo Vreče se razširijo
Izdih: • • •
Svež zrak iz zadnje vreče gre v pljuča Slab zrak iz zadnje vreče in pljuč gre ven Vreče se skrčijo Prva vreča
Pljuča
Zadnja vreča
56
16.1.2.4. Dihanje morskih sesalcev • Prilagodili so se na visoke pritiske v globinah in na dekompresijo (ob dvigu na površje se pritisk zmanjšuje in zaradi tega lahko plini izstopijo iz krvi v obliki mehurčkov, kar lahko povzroči zračno embolijo – zamašitev žil z mehurčki) • V velikih globinah se velika pljuča ne obnesejo, zato imajo kiti majhna pljuča in nimajo večine O2 shranjenega v njih ampak vezanega na mioglobin v mišicah • Med potopom se izredno počasi gibljejo in so sposobni zelo upočasniti svoj metabolizem (3 – 4 udarce srca na minuto) 16.1.2.5. Transport plinov Sigmoidna krivulja: Potek nasičenja hemoglobina v odvisnosti od parcialnega tlaka O2 v krvi pH = 7,6 pH = 7,4 pH = 7,2
CO2 + H2O → H2CO3 H2CO3(aq) + H2O(l) ↔ H3O+(aq) + HCO3-(aq) 16.1.2.5.1. Vpliv pH • Bolj kot je kri kisla, slabše je O2 vezan na molekulo hemoglobina (krivulja se premakne v desno) • Bolj kot je kri bazična, bolje je O2 vezan na molekulo hemoglobina (krivulja se pomakne v levo) 16.1.2.5.1. Vpliv Temperature • Višja kot je temperatura, slabša je vezava O2 na hemoglobin, kar ima za posledico hitrejše in lažje odcepljanje O2 s hemoglobina in s tem boljšo preskrbo celic s kisikom • Nižja kot je temperatura, boljša je vezava O2 na hemoglobin, kar ima za posledico boljšo vezavo O2 na hemoglobin v pljučih
57
• •
16.1.3. PREBAVILA Za prebavo hrane in sicer za razbijanje sestavin hrane na tako majhne delce, da se lahko vsrkajo v kri Imamo dve vrsti prebavi in sicer mehansko (žvečenje, trganje...) in kemijsko (poteka z encimi)
Beljakovine → (del maščobe se lahko vsrka tudi v limfo) •
S prebavo dobimo snovi, ki omogočajo obnavljanje organizma (aminokisline) in snovi, ki so pomembe za pridobivanje energije oz. omogočajo delovanje organizma
16.1.3.1. Zgradba in delovanje Delitev: • •
Prebavna cev Prebavne žleze
16.1.3.1.1. Prebavna cev Zgradba: Sestavljena je iz treh plasti • • •
Vezivo Mišice (vzdolžne krajšajo in daljšajo prebavno cev, krožne pa jo stiskajo in širijo) Sluznica Vezivo Vzdolžne mišice Krožne mišice Sluznica
• •
Prebavna cev se stalno giblje in s tem potiska hrano – temu gibanju rečemo peristaltika Celotna cev je pod nadzorom vegetativnega živčevja, razen ust in danke, ki sta pod somatskim živčevjem
58
16.1.3.1.1.1. Usta • Zobje • Jezik • Žleze slinavke Zobje: Ob rojstvu imamo v čeljustih 52 zobnih zasnov • •
20 za mlečne zobe 32 za stalne zobe
Zobna formula: Mlečni zobje Leva stran Desna stran 2 0 1 2 2 1 0 2 Kočnik Ličnik Podočnik Sekalec Sekalec Podočnik Ličnik Kočnik 2 0 1 2 2 1 0 2 Spodaj Zgoraj
Zobna formula: Stalni zobje Leva stran Desna stran 3 2 1 2 2 1 2 3 Zgoraj Kočnik Ličnik Podočnik Sekalec Sekalec Podočnik Ličnik Kočnik 3 2 1 2 2 1 2 3 Spodaj
59
Zgradba zoba:
CaCO3 - hidroksiapatit
CaCO3 + kolagen Notri so odontoblasti, kri, živec, limfa
Paradont (okolje zoba) → Paradontitis
Zobni cement – s pomočjo vibracij se stalno obnavlja
Zobovja: V skladu s prehrano se različnim živalskim rastlinam razvijejo različna zobovja • • • •
Vsejedo zobovje Glodalsko zobovje Mesojedo zobovje Rastlinojedo zobovje
Nekateri vretenčarji so brez zobovja (dvoživke, želve, ptiči, vosati kiti,...) Žleze slinavke: Vegetativno živčevje • • •
Podčeljustni Redkejši izloček brez encimov Podjezični Obušeni: gostejši izloček z encimom ptialin, ki spada med karbohidraze amilaze
Vloga sline: • • • • •
Mehča hrano Preprečuje lepljenje hrane na zobe Kemična prebava Enakomerna porazdelitev encimov Olajša požiranje
60
Jezik: • • •
Preplet mišic Zgornja površina je prekrita z okuševalnimi čutnicami, ki se združujejo v okuševalne brstiče različnih oblik, te čutnice zaznajo le v vodi raztopljene snovi Poznamo 4 osnovne okuse: sladko, slano, kislo in grenko
16.1.3.1.1.2. Žrelo in požiralnik Vodita hrano v želodec 16.1.3.1.1.3. Želodec • Najširši del prebavne cevi, ki je zgoraj in spodaj zaprt s krožnima mišicama, ki jima rečemo vratarja (zgornji je občutljiv na dotik, spodnji pa na kislost hrane) Sluznica želodca je srednje nagubana in izloča želodčni sok, ki vsebuje: •
Vodo
• •
Encim pepsin, ki razgrajuje beljakovine na peptide HCl, ki nima nobene prebavne vloge ampak samo pomaga. HCl tudi aktivira encim pepsin, saj se le ta iz pepsinogena ob stiku s HCl pretvori v pepsin. Prav tako HCl povzroča nabrekanje beljakovin, kar olajša delo encimu, razkužuje hrano in odpira spodnjega vratarja, ko je hrana dovolj okisana. HCl nastaja sproti, po potrebi (odvisno od količine hrane). Sluz, ki ščiti želodec pred HCl in encimom
•
Izločanje želodčnega soka pa ne uravnava samo vegetativno živčevje, temveč tudi hormon gastrin, ki se izloča v sami želodčni sluznici.
61
16.1.3.1.1.4. Tanko črevo • Najdaljši del prebavne cevi (6-8 m) • Dokončna prebava hrane • Vsrkavanje prebavljene hrane v kri (ni selektivno) • Sluznica je zelo nagubana s tako imenovanimi črevesnimi resicami – v vsako črevesno resico vtopajo žile, živci in limfa • 1. del tankega črevesja se imenuje dvanajsternik, ki ima gladko sluznico in nima prebavne vloge. V dvanajsternik se izlivajo jetra in trebušna slinavka • Sluznica tankega črevesja izloča črevesni sok, ki vsebuje vodo in encime: Erepsin: Maltaza:
- dokončna razgradnja beljakovin - dokončna razgradnja škroba
Saharaza: Lipaza: - le del maščob se prabavi do konca, večji del se jih s pomočjo žolča razbije na drobne kapljice, ki se vsrkajo v limfo •
Okolje v črevesju mora biti bazično, da lahko delujejo encimi
16.1.3.1.1.5. Debelo črevo • Končni del prebavne poti • Prebava ne poteka več • Poteka povratna resorbcija vode • V njem imamo ogromno vrst bakterij (Escherichia Coli je endosimbiontska bakterija, ki dokončno razgradi hrano, olajša/omogoča izločanje in proizvaja vitamin K, ki je pomemben za strjevanje krvi) • Črevesna sluznica je zelo tanka in izloča samo sluz • Slepič; tam »vzgajamo« limfocite
62
16.1.3.1.2. Prebavni žlezi 16.1.3.1.2.1. Jetra • Največja žleza v telesu • Dobro prekrvavljena, poleg vranice so središče krvi • Opravljajo veliko nalog • V jetrih stalno potekajo reakcije, zato se segrevajo in so centralni organ segrevanja telesa (vir toplote – stalna temperatura) • Tu se skladiščijo različne snovi; v maščobah topni vitamini (D, E, K, A), minerali, aminokisline,... • So osnovni organ presnove – tu potekajo številne reakcije: (naloži se v celicah, ki potrebujejo veliko energije) Inzulin odpira kanale jetrnih celic, da sprejmejo glukozo, ki se v celicah pretvarja v glikogen. Inzulin pa sam po sebi ne pretvarja glukoze v glikogen, saj je hormon in ne encim.
Glukagon, Tyroxin in Adrenalin so hormoni, ki omogočajo pretvorbo glikogena v glukozo. Tega ne počnejo neposredno, ker niso encimi.
Glukoneogeneza: Pri presnovi beljakovin nastaja strupen NH3. NH3: • • •
Spiranje z vodo (nastane NH4+) – vodni organizmi Nastane sečnina – večina kopenski organizmov Nastane sečna kislina – nekateri kopenski organizmi, predvsem puščavski (sečna kislina povzroča ledvične kamne in putiko). Putika ali protin nastane zaradi preveč zaužitih beljakovin in premalo vode.
Maščoba → Ogljikovi hidrati • • •
V obdobju pred rojstvom (prenatalnem obdobju) tam nastajajo celice Hrana se v jetrih v celoti predela, jetra oblikujejo sestavo krvi tako, da ustreza trenutnim potrebam organizma, jetra razrajujejo strupene snovi npr. alkohol V jetrih ves čas nastaja žolč, ki se ves čas izloča v črevo (dvanajsternik) ter omogoča nadaljno prebavo
Sestava žolča: • • • •
Voda (žolčne soli), ki emulgirajo maščobe, ki se potem vsrkajo v limfo in nevtralizirajo želodčno HCl in vzpostavljajo alkalno okolje v črevesju Bilirubin → strup rumene barve, ki nastaja z razpadanjem krvnih celic Strupene snovi V žolču ni prebavnih encimov
63
Zgradba jeter: • •
• • • • •
Jetra gradijo jetrne kepice, ki so zgrajene iz jetrnih celic Do jetrnih kepic prihajajo žile iz portalne vene in jetrne arterije (portalna vena nosi do jetrnih celic na novo vsrkano hrano iz prebavil, jetrna arterija pa jetrnim celicam nosi kisik in hrano) Ti dve žili se znotraj jetrne kepice razvejata v kapilare, prihaja do izmenjave Predelana kri se zbira v centralne vene, te se zberejo in jetra zapustijo po jetrni veni Iz jetrnih kepic pa izhaja tudi žolčevod, ki zbira sestavine žolča, ko zapuščajo jetra Vse žile in vodi prihajajo in odhajajo skozi jetrno lino Žilčevod se izlije v žolčnik iz katerega se žolč stalno izliva v dvanasternik
Bolezni jeter: • • • • •
Ciroza jeter (razpad jetrnih kepic → alkohol) Hepatitis (A, B, C) – vnetje jeter Zlatenica Zamastitev jeter (sladkorna bolezen tipa B) Rak na jetrih
16.1.3.1.2.2. Trebušna slinavka Je dvojna žleza: Hormonska: • •
Inzulin Glukagon
Prebavna (izloča trebušno slino, ki vsebuje): • • • • •
NaHCO3 – nevtralizira želodčno HCl in vzpostavlja bazično okolje v črevesju Tripsin: prebava beljakovin Lipaza: prebava maščob Saharaza: prebava saharoze Maltaza: prebava maltoze
64
16.1.3.1.3. Primerjava 16.1.3.1.3.1. Prebavila prežvekovalcev Vamp: • •
Največji del, v katerem se skladišči trava Velika količina endosimbiontskih bakterij
Kapica: •
Oblikuje majhne kroglice hrane, ki se vračajo v usta
Siriščnik: •
Vsebuje predvsem mlečno sirilo, zato je pomemben in aktiven pri teličkih. Poteka prava encimska prebava.
Devetogub: •
Absorbcija vode
16.1.3.1.3.2. Prebavila ptičev Golša: •
Mehčanje, Shranjevanje in vlaženje hrane
Golša Mlin Žlezovnik
Mlin: •
Mehanska prebava
Žlezovnik: •
Kemična prebava hrane
65
16.1.4. IZLOČALA Namenjena so izločanju strupenih, nerabnih in odvečnih snovi ter vzdrževanju homeostaze. Ločimo: • •
Glavna (ledvica) Pomožna (koža, prebavila, dihala)
V izločalih potekajo trije procesi: • • •
Filtracija Povratna resorbcija (nekatere snovi se iz seča ponovno vsrkajo v kri – večinoma voda) Aktivna sekrecija (določene snovi se iz krvi s pomočjo aktivnega transporta dodatno izločijo v seč) Sečna cev
Kri
Filtracija
Povratna resorbcija
Aktivna sekrecija
Izločanje je proces, kjer prihaja do prerazporejanja tekočin. Homeostaza je vzdrževanje koncentracije in stabilnosti telesnih tekočin in preko tega vzdrževanje stalnega pH, temeperature,... Delovanje izločal v veliki meri nadzorujejo hormoni.
66
16.1.4.1. Sistemi / tipi izločal 16.1.4.1.1. Kontraktilna vakuola/krčljivi mehurček • Tak tip izločal služi predvsem za izločanje vode, kadar je celica v hipotoničnem okolju • Imajo jih praživali (paramecij)
16.1.4.1.2. Protonefridiji • Cevasta izločala • Na eni strani plamenske celice s svojimi bički ustvarjajo podtlak, kar povzroči, da se tekočina, ki je zunaj celic filtrira v cev • Imajo jih nečlenarji: ploski črvi (trakulja, sesači, vrtinčarji), valjasti črvi (gliste), ožigalkarji (korenjaki, trdoživnjaki, klobučnjaki)
67
16.1.4.1.3. Metanefridiji • So tipična izločala mnogočlenarjev, ki so že povezana s krvožiljem • Tu že potekajo vsi trije procesi • Imajo jih kolobarniki: maloščetinci (deževniki, pijavke), mnogoščetinci (morski črvi)
16.1.4.1.4. Malpigijeve cevke • Členonožci imajo malpigijeve cevke, ki so del prebavil, ležijo ob prebavilih • Poleg izločanja omogočajo povratno resorbcijo vode • Imajo jih: členonožci (raki, pajkovci, stonoge, žuželke); te živali nimajo več enakomerne členjenosti, zato se spremenijo tudi izločala – nimajo sklenjenega krvožilja (ni kapilar), zato izmenjava ni mogoča
68
16.1.4.1.5. Ledvice Sečila človeka: • • • •
Ledvica Sečevod Sečni mehur Sečnica
Ledvica človeka: • • •
cca 8 sm visoka, 4 cm široka in 3 cm debela Imajo poleg srca največjo prekrvavitev v telesu (v njih je dvojna kapilarizacija) So iz treh delov: skorja, sredica, ledvična kotanja (ledvične čašice)
Skorja Sredica Ledvična čašica Ledvična kotanja
69
Zgradba in delovanje nefrona: Malpigijevo telesce: • • • • •
Bowmanova kapsula (razširitev sečne cevi) Notranji glomerulus (splet kapilar) Krvna plazma izstopi iz kapilar Poteče filtracija Nastane primarni seč (dnevno cca 180 L)
Henlejeva zanka: • • •
Sega v sredico Je močno prepletena s krvnimi kapilarami Poteče povratna resorbcija (predvsem se v kri vrne voda)
Distalno (oddaljeno) zavite cevi: • •
Poteka aktivna sekrecija (iz krvi se aktivno s pomočjo ATP še dodatno izločijo strupene in nerabne snovi) S tem procesom nastane sekundarni seč, ki ga je od 2 do 3 L na dan
Prekrvavitev ledvic: 1. kapilarizacija – malpigijevo telesce v bowmanovi kapsuli – kri še vedno ima hrano in kisik
Ledvična arterija
Ledvična vena
2. kapilarizacija – henlejeva zanka - kri izgubi hrano in kisik
70
16.2. REGULACIJSKI SISTEMI
Za razliko od zunanjega okolja, ki se stalno spreminja, mora biti notranje okolje stabilno. Stabilnost notranjega okolja uravnavamo z regulacijskimi sistemi. Na stabilnost notranjega okolja vplivata predvsem dva organska sistema; živčevje in hormoni. Dejavniki notranjega okolja so: pH, T, količina vode,... Uravnavaju stabilnosti notranjega okolja pravimo homeostaza. 16.2.1.HORMONI Hormoni so kemične snovi, ki s svojim delovanjem spreminjajo aktivnost celic, same metabolične reakcije pa potekajo v celicah ob prisotnosti encimov. Hormoni neposredno ne morejo spreminjati snovi, tako kot to lahko počnejo encimi. 16.2.1.1. Delovanje hormonov • Hormoni se vedno iz ustreznih žlez izločajo v kri • Izločajo se iz ustreznih žlez, ki jim rečemo hormonske žleze / žleze z notranjim izločanjev / endokrine žleze • Hormoni delujejo v majhnih količinah • Po kemični sestavi so lahko proteini ali maščobe / steroidni hormoni • Po principu delovanja se med seboj ločijo: Beljakovinski hormoni • •
Proteinski hormoni se vedno vežejo na ustrezne receptorje na celičnih membranah določenih celic S to vezavo ponavadi pospešijo, lahko pa tudi zavrejo aktivnost celic
Adrenalin: Vezava adrenalina na mišične, srčne in jetrne celice pospeši pretvorbo glikogena v glukozo → več sladkorja v krvi → več energije v celicah organizma • •
Beljakovinski hormoni so specifični, se pravi delujejo samo na določene celice (tarčne celice) Takoj po delovanju se hormoni razgradijo
Steroidni / maščobni hormoni •
Vsi maščobni hormoni lahko prehajajo direktno skozi celično membrano v vse celice našega telesa, zato jim pravimo sistemski hormoni.
Tipična sta: • •
Testosteron (moški) Estrogen (ženske)
71
16.2.1.2. Žleze in hormoni človeka Ščitnica: Hormon: Tiroksin – beljakovinski hormon (v kemijski zgradbi ima jod) • • •
Zvišuje sladkor v krvi Zvišuje metabolizem tarčnih celic (zvišuje porabo energije) V obdobju pred rojstvo uravnava razvoj možganov
Na delovanje ščitnice vpliva hipofiza s TSH hormonom, ki pospešuje izločanje tiroksina. Večja količina tiroksina pa zavira delovanje ščitnice. Taki medsebojni zvezi pravimo negativna povratna zanka, ki nek sistem ponovno uravnosvesi. Na tak način so uravnavane skoraj vse hormonske žleze.
Hipofiza TYR -
+ TSH
Ščitnica Motnje: • • •
Če v hrani primanjkuje joda, se ščitnica močno poveča → golšavost Basedowa / Grave's-ova bolezen: povečana sinteza tiroxina → živčnost, nespečnost, izbuljene oči,... Premalo tiroksina pred rojstvom vodi v mentalno zaostalost
Obščitnice: Hormon: Parathormon •
Uravnava količino Ca2+ in P
(Na količino Ca2+ vpliva tudi vitamin D)
72
Nadlevični žlezi: Sestavljeni sta iz dveh delov: Cortex / skorja: izloča glukokortikoidne in mineralokortikoidne hormone Glukokortikoidi: Hormon: Kortizol • • •
V jetrih pomagajo pretvarjati maščobo in ogljikove hidrate za zvišanje ali znižanje sladkorja v krvi Varujejo pred vnetji Krepijo obrambo telesa
Mineralokortikoidi: Hormon: Aldosteron •
Uravnava količino vode in soli, deluje na vsrkavanje v ledvicah
Medula / sredica: Hormon: Adrenalin – pri naporu, razburjenju vpliva tako, da pospeši delovanje srca • • • • •
Oži žile Pospešuje razpad ogljikovih hidratov Viša sladkor v krvi Pospeši preskrbo z energijo Kemično je beljakovina
Trebušna slinavka / pankreas: • •
Hormonski del žleze sestavljata dva tipa celic in sicer α in β celice Vse te celice so zbrane v kupčkih, ki jim rečemo langerhansovi otočki
α celice: Hormon: Glukagon – Zadolžen za potek reakcije: Glikogen → Glukoza β celice: Hormon: Inzulin – Zadolžen za potek reakcije: Glukoza → Glikogen
73
Spolne žleze: • •
• •
Izločajo spolne hormone Spolni hormoni vplivajo na razvoj spolnih celic in tudi na razvoj sekundarnih spolnih znakov (glas, poraščenost, plešavost, razvoj mlečnih žlez, duševnost, karakter, vedenje,...) Ločimo moške (testosteron) in ženske (estrogen in progesteron) spolne hormone (kemična predstopnja teh hormonov je holesterol) Ločimo moške in ženske spolne žleze:
Moške spolne žleze: Moda •
Hormon: Testosteron
Ženske spolne žleze: Jajčniki •
Hormon: Estrogen
Menstrualni cikel: • •
Dozorevanje in sprostitev jajčeca Razvoj maternične sluznice
Celoten menstrualni cikel je pod strogim nadzorom hormonov (estrogen in progesteron). Dozorevanje, sprostitev jajčeca in nastanek rumenega telesca: •
• • • • • • • • •
Znotraj vsakega jajčnika je določeno število nedozorelih jajčnih celic (te celice nastanejo z mejozo in sicer mejoza I poteče pri vsaki ženski do pubertete, mejoza II pa poteče šele pri oploditvi jajčne celice) Postopoma vsak mesec normalno dozori ena spolna celica Dozorevanje se začne znotraj jajčnika Sprva nastane primarni folikel oz. mehurček z jajčno celico Ko potuje proti površini jajčnika raste in se polni s tekočino, tako nastane sekundarni folikel Ko prispe do površine jajčnika dozori v Graafov folikel Graafov folikel poči in tekočina odplakne jajčno celico v jajcevod, to se zgodi 14 dan po začetku tega cikla (ovulacija) Graafov folikel se še naprej razvija in se polni z rumenim barvilom, ki mu rečemo lutein V nekaj dneh nastane rumeno telesce, ki je novo nastala hormonska žleza in izloča hormon progesteron Če ne pride do oploditve (cca 23. dan menstrualnega cikla), postopoma preneha delovati in razpade
74
Delovanje hormonov: Estrogen: • • •
Ob menstruaciji se količina zmanjša, sluznica se stanjša in pripravlja na novo rast Proti koncu prvega obdobja menstrualnega cikla se količina spet povečuje, kar pospeši zorenje foliklov V drugem obdobju estrogen omogoča zorenje novih foliklov in debelitev maternične sluznice
Progesteron: •
V drugem obdobju omogoča debelitev maternične sluznice, njegovo pomanjkanje sproži menstruacijo
Na zorenje foliklov in nastanek rumenega telesca pa vplivata še dva hormona iz hipofize: FSH (folikel stumulirajoči hormon): •
Pospešuje zorenje foliklov
LH (luteinizirajoči hormon): •
Omogoča polnitev Graafovega folikla z luteinom in s tem nastanek nove hormonske žleze
Estrogen
75
Epifiza (pineal gland): •
Leži na zgornji strani medmožganov
Hormon: Melatonin – izloča se v temi, med spanjem, ko zapremo oči • •
Neposredno ali preko hipofize vpliva na razvoj spolnih žlez (predvsem ženskih) Uravnava stanje organizma v povezavi z menjavanjem dneva in noči, letnih časov, obdobij v letu – ta hormon uravnava tako imenovani cirkadiani ritem
Hipofiza ali možganski privesek / podvesek (pituitary gland): • •
Je vrhovna žleza, ki s svojim delovanjem vpliva na delovanje vseh ostalih hormonskih žlez Zgrajena je iz dveh delov in sicer iz prednjega režnja (adenohipofiza) in iz zadnjega režnja (nevrohipofiza)
Adenohipofiza: Izloča vsto hormonov, ki s svojim delovanjem preko povratnih zank vplivajo na delovanje drugih hormonskih žlez Hormoni: • • • • • • • •
Somatotropin: Rastni hormon, angleško growth hormone (GH) Tirotropin: Tiroidni stimulirajoči hormon (TSH) – stimulira ščitnico Kortikotropin: Adrenokortikotropni hormon (ACTH) – stimulira skorjo nadledvične žleze Folikel stimulirajoči hormon (FSH): Spodbuja zorenje jajčeca Luteinizirajoči hormon (LH): Omogoča polnjenje Graafovega folikla z luteinom Gonadotropin: Gonadotropni hormon (GTH) – stimulira razvoj spolnih žlez Prolaktin: Stimulira razvoj mlečnih žlez pri ženskah – ima pozitivno povratno zanko Endorfini: Se izločajo pri hudih naporih, prijetnih doživetjih, vplivajo na center za ugodje v možganih, zmanjšujejo občutek bolečine
Nevrohipofiza: Hormoni: • •
Adiuretin: Zmanjšuje izločanje vode tako, da pospeši povratno resorbcijo v henlejevi zanki Oksitocin: Povzroča krčenje mišic maternice pri porodu (sproži popadke) – Ima pozitivno povratno zanko
76
Hipotalamus: Izloča nevro hormone, ki stimulirajo izločanje hipofize Hipotalamus je povezan z možgani, ki dobivajo informacije iz okolja
Povratna zanka
• •
Hipotalamus
Nevro hormoni – sproščujoči hormoni
Hipofiza Stimulirajoči hormoni
Hormonske žleze Specifični hormoni
Tarčne celice
77
16.3. ŽIVČEVJE Genetska regulacija poteka zelo počasi, hormonska regulacija zadostuje potrebam rastlin, Živčna regulacija je najhitrejša • • •
Živčevje povezuje vse organske sisteme Razvito je le pri živalih (od mnogočlenarjev dalje) Omogoča najhitrejše odzivanje na dražljaje iz okolja
16.3.1. ZGRADBA ŽIVČEVJA Živčevje Centralno Možgani in hrbtenjača
Periferno
Živci
Centralni živčni sistem - Živčevje
Somatsko (zavedno - veliki možgani)
Vegetativno (Nezavedno - podaljšana hrbtenjača)
Simpatično - Spodbuja delovanje organov
Parasimpatično - Zavira delovanje organov
Periferno živčevje somatksega živčevja sestavljajo senzorični in motorični živci Periferno živčevje vegetativnega živčevja sestavljata simpatično in parasimpatično živčevje Celoten živčni sistem pa gradijo živčne celice.
78
16.3.2. ŽIVČNE CELICE (NEVRONI) • So osnovni gradbeni del živčevja
• •
Pot živčnega signala: dendriti → telo živčne celice → akson Glede na zgradbo in delovanje ločimo tri vrste nevronov:
16.3.2.1. Motorični oz. gibalni nevroni • Kratki dendriti, dolg akson • V dendritih sprejete signale preko aksona posredujejo mišičnim celicam • Njihova telesa so vedno v centralnem živčnem sistemu
79
16.3.2.2. Senzorični oz. čutilni nevroni • Prenašajo živčne signale iz čutil v centralni živčni sistem • Poznamo dve vrsti čutilnih nevronov: Primarne čutnice: So tiste živčne celice, ki so same sposobne zaznavanja dražljajev. Take čutnice nastopajo pri zaznavanju dotika, toplote, vonja.. Sekundarne čutnice: So posebne čutilne celice, ki sprejmejo dražljaj in ga nato posredujejo živčni celici. Take čutnice nastopajo pri zaznavanju okusa, sluha, ravnotežja in svetlobe, se pravi pri vidu. •
Telesa teh celic so izven centralnega živčnega sistema in sicer v posebnih živčnih vozlih, ki jim rečemo spinalni gangliji.
16.3.2.3. Povezovalni oz. asociacijski nevroni (internevroni) • So le v centralnem živčnem sistemu • Imajo številne dendrite in akson, ki se močno razveja in je kratek
80
16.3.3. Ovojnice živčnega sistema 16.3.3.1. Ovojnice v perifernem živčnem sistemu • Vsi aksoni so obdani s tako imenovano mielinsko ovojnico • Mielinsko ovojnico gradijo Schwannove celice • Vsaka Schwannova celico se ovije okrog aksona • Vsako mielinsko ovojnico gradi več zaporednih celic, med katerimi so presledki, ki jim pravimo Ranvierjevi zažetki Ranvierjev zažetek
Schwannova celica Mielinska ovojnica
16.3.3.2. Ovojnice (meninge) v centralnem živčnem sistemu - opna oz. meninga • • • •
Trdna opna (dura mater) - vezivna ovojnica Žilnica / pajčevnica (arachnoidea mater) Notranja ovojnica (pia mater): je tanka in direktno obdaja živčna vlakna Likvor: je tekočina med ovojnicami, ki je namenjana blaženju tresljajev in s tem prepreči poškodbe
Meninge
•
Poleg Schwannovih celic, ki gradijo mielinsko nastopajo v centralnem živčnem sistemu tudi druge ne živčne celice, ki jim rečemo glia celice
Glia celice: • • •
Schwannove celice Astrocite Nevroglia celice
81
16.3.4. Prenos signalov po živcih • Poznamo več celic, ki so sposobne sprejemanja ali oddajanja nekega držljaja • Takim celicam rečemo vzdražne celice • Take celice so mišične celice, čutilne celice in živčne celice • Med posameznimi vzdražnimi celicami je stik, ki mu rečemo sinapsa 16.3.4.1. Sinapsa • Akcijski potencial v telesu presinaptične celice povzroči sproščanje Ca2+ iz notranjih zalog ali od zunaj • Ca2+ ioni omogočajo oblikovanje sinaptičnih veziklov, v katerih je nevrotransmiter (npr. Acetilholin) • Vezikli potujejo po aksonu do konca aksona, se pravi do sinapse in se z eksocitozo izlijejo v sinaptično špranjo • Molekule nevrotransmiterja se tam vežejo na membranske receptorje postsinaptične celice in s tem povzročijo odprtje kanalov za izmenjavo Na+ in K+, kar vodi v akcijski potencial (AP) v postsinaptični celici • Nevrotransmiter se takoj po delovanju odstrani iz sinaptične špranje (del le tega potuje nazaj v presinaptično celico, del pa se razgradi s pomočjo encima acetilholaze) • V možganih je na vsaki celici lahko tudi do več tisoč sinaps • Ene sinapse so vzpodbujevalne in ene zaviralne
82
16.3.4.2. Vzdražnostni prag Tudi vzdražnostni prag je povezan z delovanjem membranskih črpalk. •
Podpražni dražljaj: Dražljaj je premajhen, da bi v čutilni celici povzročil akcijski potencial
•
Pražni dražljaj: Dražljaj v čutilni celici je dovolj močan, da nastane akcijski potencial
Ko dosežemo pražni dražljaj je odziv vzdražne celice vse ali nič! 16.3.4.3. Prevajanje signalov po živčnih vlaknih • Akcijski potencial v postsinaptični celici povzroči odpiranje kanalov v membrani postsinaptične celice, kar povzroči nov akcijski potencial • Depolarizacije si vzdolž živčnega vlakna vedno sledijo samo v eni smeri • Prevajanje po živčnih vlaknih, ki imajo mielinsko ovojnico je mnogo hitrejše, kot pri tistih, ki je nimajo. Akcijski potenciali nastopijo samo na mestih, kjer je ranvierjev zažetek in tako živčni impulz skače od enega ranvierjevega zažetka do drugega.
83
16.3.5. Somatsko živčevje 16.3.5.1. Hrbtenjača • Zgrajena je iz mnogič živcev, ki prihajajo v in iz možganov • Nameščena je v hrbetnjačnem kanalu • Med dvema vretencema iz hrbtenjače izhajata dva snopa spinalnih živcev (eden na levi in eden na desni strani) • Ta dva snopa živcev sta sestavljena iz dveh ločenih snopov živcev. En snop izhaja na levi strani s trebušne strani drugi snop izhaja na levi strani s hrbtne strani, ta dva snopa živcev se združita in skupaj tvorita spinalni živec. Enako velja za desno stran. • Na trebušni strani iz hrbtenjače izhajajo gibalni živci, ki potujejo v ustrezne mišice trupa ali okončin • Na hrbtni strani pa izhajajo senzorični živci iz ustreznih delov telesa • Telesa senzoričnih čutilnih celic so vedno izven centralnega živčnega sistema v tako imenovanih spinalnih ganglijih oz. vozlih
• • •
Sivina: Celice brez mielinskega ovoja Belina: Celice z mielinskim ovojem Prerez možganov nam da ravno obratno sliko (sivina zunaj, belina notri)
*Spinalni refleks: Mnoge zelo pomembne funkcije so uravnavane na zelo preprost način in sicer brez posredovanja možganov. Takrat govorimo o refleksu. Le tega omogočajo 3 celice: čutilna, povezovalna in motorična
84
16.3.5.2. Mali možgani • Ležijo pod zatiljem • Njihova vloga je predvsem proženje gibalnih vzorcev (gibanje in ravnotežje) • V malih možganih so celice povezane v tako imenovana omrežja, ki se z uporabo utrjujejo
16.3.5.3. Veliki možgani • Sestavljeni so iz dveh polovic, iz leve in desne poloble (hemisfere) • Na zunaj je površina precej nagubana • Različna področja na tej površini so zadolžena za različne funkcije Čelni reženj (frontal lobe): trenutne odločitve, center za voh Temenski reženj (parietal lobe): odločitve o gibanju, center za tip Senčnični reženj: (temporal lobe): Center za sluh, področje govora Temenski reženj (occipital lobe): Center za vid
•
Obe možganski polovici se ločita tudi po lastnostih obdelanih podatkov Leva polobla Logika Ubesedenja Podrobnosti Matematika
Desna polobla Slikovna predstava Domišljija Videnje celote Umetnost
Praviloma desna polobla uravnava delovanje leve strani telesa.
85
16.3.6. Vegetativno živčevje - avtonomni živčni sistem – deluje samo od sebe • • • • • • • •
Je vzporedno somatskemu živčevju Je samostojno Svoje centre ima v podaljšani hrbtenjači Ima dve ločeni veji: simpatikus in parasimpatikus Vsaka veja ima ločena živčna vlakna in sicer praviloma simpatikus pospešuje delovanje organov, parasimpatikus pa zavira njihovo delovanje Najpogostejša živčna prenašalca sta adrenalin (simpatikus) in noradrenalin (parasimpatikus) Snopi živčnih vlaken so zbrani v vegetativne živčne proge, ločene od somatskega živčevja in sicer potekajo ob zunanji strani hrbtenjače Telesa živčnih celih so večinoma zbrana v avtonomnih gangljih v podaljšani hrbtenjači, v avtonomnih spinalnih gangljih in v bližini organov, ki jih oživčujejo
*Organi, ki jih oživčuje in funkcije: • • • • • •
Zenični refleks (mišice šarenice) Solzenje Žleza slinavka (mišice, ki stiskajo to žlezo) Srce (nervus vagus) Hormonske žleze Spolovila
16.3.7. Razdelitev živčevja glede na sistem Praživali - Nimajo živčevja (ista celica sprejme dražljaj in nanj tudi odgovori) Spužve - Nimajo živčevja Nečlenarji • • • •
Ploski črvi: Gangljisko živčevje Valjasti črvi: Ganglijsko živčevje Ožigalkarji: Mrežasto živčevje Mehkužci: Centralizirano živčevje (možgani)
Mnogočlenarji • •
Kolobarniki: Lestvičasta trebušnjača Členonožci: Vrvičasta trebušnjača
Maločlenarji - Obžrelni obroč, živčne vrvice Strunarji •
Vretenčarji: Hrbtenjača je zaščitena s hrbtenico
86
16.4. ČUTILA • • •
Pri nižje razvitih organizmih so v/na telesu razporejene posamezne čutilne celice Bolj kot so organizmi razviti, bolj se čutilne celice med seboj povezujejo v bolj kompaktne čutilne organe Vsako čutilo je vzdraženo z ustreznim dražljajem (kemični, termični, mehnaski, svetlobni)
Čuti, ki jih omogočajo čutila: Čut Vonj Dotik Sluh Okus Ravnotežje Temperatura Vid
Čutilo Nos Koža Uho Jezik Uho Koža Oko
16.4.1. Čutila za kemične dražljaje - kemoreceptorji Kemična čutila so najbolj izvorna čutila in so osnovna čutila nižje razvitih organizmov. 16.4.1.1. Jezik (okus) • Je organ, ki zaznava kemične dražljaje • Dražljaje zaznavajo čutilne celice, tako imenovane okušalne čutnice • Okušalne čutnice so zbrane v okušalne brstiče različnih oblik na zgornji površini jezika • Okušalne čutnice lahko zaznavajo samo snovi, ki so raztopljene v vodi • Okušalna polja so približna podračja na jeziku, ki omogočajo zaznavanje različnih okusov (sladko, slano, kislo, grenko) • Okušalne čutnice so sekundarne čutnice
87
16.4.1.2. Nos (vonj) • Je organ, ki zaznava kemične dražljaje • V nosni sluznici so primarne vohalne čutnice • Zaznavajo v vodi raztopljene snovi • Čutnice so živčnega izvora in so edine živčne celice, ki se lahko obnavljajo (vsakih nekaj mesecev človek zamenja vse čutnice v nosu) • Človek zaznava več 1000 vonjev
16.4.2. Čutila za svetlobne dražljaje - fotoreceptorji 16.4.2.1. Oko (vid / zaznavanje svetlobe) • Je organ, ki zaznava svetlobne dražljaje • Vsi organizmi, ki imajo dober vid imajo zelo dobro razvit centralni živčni sistem • Poznamo več vrst oči: Sestavljeno oko: (členonožci) • • •
Posamezno oko imenujemo omatidij Poleg barv v vidnem spektru nekateri členonožci zaznavajo tudi UV svetlobo Zaznavajo lahko tudi več barv kot človeško oko (metulj jih zaznava 5), slika, ki nastane je mozaična Leča iz prozorne kutikule
Čutilna celica Živčno vlakno
88
Mehurjasto oko (človeško oko) - dve očesi nam omogočata prostorsko gledanje - stereovizija Zgrajeno je iz treh plasti:
Beločnica (zunanja plast): •
Je bela, trda vezivna ovojnica, ki je v prednjem delu prozorna – ta del imenujemo roženica
Žilnica (srednja plast): Plast, ki prehranjuje celice v očesu •
V prednjem delu prehaja v aparat, ki ga imenujemo dioptični aparat iris ali šarenica – to so gladke mišice, ki se krčijo in raztezajo in s tem večajo ali manjšajo odprtino zenico ter tako uravnavajo količino svetlobe, ki pride v oko → zenični refleks je pod kontrolo vegetativnega živčevja
• • • •
V šarenici je tudi melanin, ki je ustrezno obarvan Ciliarnik – mišice, ki se naraščajo na rob leče in spreminjajo obliko leče ter s tem ostrijo sliko omogočajo zaznavo globinske ostrine (akomodacija) Leča je bikonveksna in ima dve lastnosti: sliko poveča in jo obrne Slika mora pasti točno na mrežnico, da je slika jasna
Mrežnica (notranja plast): • • • •
• •
Sestavljena iz vidnih čutnic in živčnih celic Čutnice so obrnjene stran od svetlobe in so pogreznjene v plast pigmenta – to je zaščita pred preveliko osvetlitvijo, takim očem pravimo inverzno oko V mrežnici so čutnice dveh vrst: paličice (za zaznavo jakosti svetlobe) in čepki (za zaznavo barve – poznamo čepke za rdečo, zeleno in modro barvo) → trobarvno gledanje V vsaki celici se nahaja vidni pigment, katerega glavni sestavni del je lipoproteid rodopsin, ki pod vplivom svetlobe razpade: , ta razpad povzroči vzburjenje – v celici nastane impulz, ki se prenese na živčne celice Predstopnja nastanka rodopsina je β karoten Na mrežnici sta dve posebni mesti: rumena pega (ima zelo visoko konc. čepkov in je na mestu, kjer nastane slika) ter slepa pega (je področje brez vidnih čutnic na mestu, kjer izhaja vidni živec) 89
16.4.3. Čutila za mehanske dražljaje - mehanoreceptorji Mehanski dražljaji: • • •
Valovanje zraka (zvok) → sluh Gravitacija → statično in dinamično ravnotežje Pritisk → dotik
16.4.3.1. Uho (zvok in ravnotežje)
• •
Zaznava mehanske dražljaje Sestavljeno iz treh delov:
Zunanje uho (uhelj): • •
Sprejema zvočne dražljaje Zvok potuje po sluhovodu do bobniča
Srednje uho: • • • •
V njem je zrak Z evstahijevo cevjo je povezano z žrelom Bistveni deli srednjega ušesa so kladivce, nakovalce in stremence (najmanjše koščice v telesu) Njihova naloga je prenašanje tresljajev bobniča na notranje uho, ter so varovalka v primeru prevelikih tresljajev
Notranje uho: •
Sestavljeno iz treh delov in sicer iz vrečice, treh polkrožnih kanalov in polža
90
Vrečica (saccule): struktura za zaznavanje statičnega ravnotežja (zaznavanje pozicije v okolju) • •
V njej so posebne čutnice, ki jim rečemo dlačne celice Z vrečico zaznavamo lego telesa glede na gravitacijo
Statoliti (zgledajo kot pikice)
Polkrožni kanali: struktura za zaznavanje dinamičnega ravnotežja • • •
V njih je tekočina V spodnjih delih teh kanalov so dlačne celice, ki zaznavajo premike tekočine (ampulla) Na ta način natančno zaznavamo lego telesa med gibanjem
91
Polž: • • • • • • • •
Gradijo ga trije vzporedno potekajoči kanali Srednji kanal sestavljata dve membrani: osnovna membrana (ni fiksna) in krovna membrana (je fiksna oz. statična) Med membranama je organ sluha cortijev organ Dlačice dlačnih celic cortijevega organa se dotikajo krovne membrane Tresljaji iz ovalnega okenca se prenesejo na osnovno membrano in jo zanihajo, to vzburi dlačne celice na delu membrane, ki je zanihal Osnovna membrana je na različnih delih različno široka in sicer je pri ovalnem okencu najožja, v vrhu polža pa najširša Določen zvok zaniha samo določen del osnovne membrane in sicer tisti del, ki je v resonanci s frekvenco zvoka Za to, da ne slišimo popačenega zvoka ali pa odvečnih šumov poskrbi lateralna inhibicija (pri določenem zvoku ni vzburjeno samo tisto mesto, ki je v resonanci z zvokom ampak večje področje, kar bi povročilo nejasen sluh, zato celice, ki so vzburejene pošljejo signal celicam v okolici, da zavre njihovo vzburjenost)
Cortijev organ
Prikaz vzvalovanja osnovne membrane ob zvoku
92
16.5. GIBALA
• Gibala delimo na kosti in mišice • Gibanje višjim organizmom omogočajo • Mišice lahko delujejo le, če so pritrjene na neko oporo, ki ji rečemo skelet oz. ogrodje Ogrodje je lahko: Zunanje (eksoskelet) Hitinjača Zunanja lupina / /
Notranje (endoskelet) Kosti Hrustanec Apnenčasti kožni skelet Apnenčasti skelet ožigalkarjev
16.5.1. Ogrodje pri človeku Je iz hrustanca in kosti 16.5.1.1. Hrustanec • Hrustanec gradijo okrogle celice, ki jim rečemo hondrocite • Hondrocite izločajo medceličnino, ki ji rečemo hondrin, ki je praktično v celoti organska snov in je bolj prožna kot trdna • Hrustanec prekriva ovojnica pohrustančnica, ki ima nalogo oskrbe hondrocit s hranilnimi snovmi in kisikom • Krvne žile ne segajo v notranjost hrustanca • Glede na delež vsebnosti elastina (bolj elastičen) in kolagena (trši) ločimo tri vrste hrustanca: Hialini hrustanec: Ima veliko kolagena • • • • •
Iz njega so embrionalne kosti (kosti zarodkov) Sklepni hrustanec Medrebrni hrustanec Nosni pretin Sapnice
Elastični hrustanec: Ima poleg kolagena veliko elastina • •
Uhelj Evstahijeva cev
Vezivni hrustanec: Je samo iz kolagena • •
Medvretenčni diski Simfiza v medenici
93
16.5.1.2. Kosti • Večino (2/3) celotne kostne mase gradijo anorganske snovi (80% CaSO4 in 15% CaCO3) • Organski del pa predstavlja osein (kolagen) Zgradba kosti: • • • •
Kosti gradijo celice osteocite Osnovni (malo večji) gradbeni del kosti se imenuje osteon Osteon ima v sredini Haversov kanal v katerega segajo žile, živci in limfa Okrog Haversovega kanala so v koncentričnih krogih razporejene osteocite
• • •
Kost je prehranjena od znotraj, zato dopušča bistveno večje velikosti Kosti so po obliki in tudi po notranji zgradbi različne Vsako kost od zunaj pokriva pokostnica (periosteum), kjer so posebne celice, ki jih imenujemo osteoblasti Pokostnica prehranjuje kost, jo ščiti in omogoča obnavlanje kosti Nekatere kosti (dolge kosti) imajo v sredini votlino, v kateri se nahaj kostni mozeg, ki je v mladosti rdeč, je prekrvavljen in ima krvotvorno (hematopoestsko) funkcijo Rdeč krvni mozeg se v starosti nadomesti z maščobo in temu rečemo rumeni kostni mozeg, ki nima več krvotvorne funkcije (hematopoetsko funkcijo zadržijo samo grodnica, vretenca in medenica) Rast v širino kosti omogočajo osteoblasti in v dolžino rastni hrustanec
• • •
•
Razdelitev kosti: Ploščate Lobanjske kosti Vretenca Rebra
Po obliki Dolge Nadlahtnica Podlahtnica Stegnenica Po strukturi
Kompaktne kosti Embrionalne kosti
Kratke Prstne kosti Dlančne kosti Zapestne koščice Gobaste kosti (puhlica)
Po nastanku Sezamoidne kosti
Kosti vezivnega porekla
94
Zveze med kostmi: • • • • • •
Večina kosti je gibljivo vezanih med seboj z zvezami, ki jim pravimo sklepi V sklepu so kosti prevlečene s hrustancem Sklep v celoti obdaja sklepna ovojnica, ki vsebuje tekočino, ki ji pravimo sklepna maža oziroma senovialna tekočina Te ligamenti (vezi) so iz zelo močnih kolagenih vlaken Gibljivost sklepa je odvisna od oblike sklepa, napetosti vezi in mišic in velikosti sklepna ovojnice Po obliki ločimo:
Kroglasti sklep: Ramena, kolki Valjasti sklep: Koleno, komolec Ploščati sklep: Medvretenčni diski •
Nekatere kosti pa so med seboj zraščene s hrustancem in so negibljivo vezane (kosti glave,...)
*Hidrostatski skelet: Krožne mišice se stisnejo. Ker je v notranjosti tekočina (je nestisljiva) jo stisk mišič potisne naprej, kar privede do raztezka in posledično premikanja.
95
16.5.1.3. Mišice • Mišice so zgrajene iz mišičnih celic, ki so se specializirale za krčenje • Mišice se aktivno krčijo in pasivno sproščajo • Mišice vedno delujejo v skupinah in sicer z nasprotnim oziroma antagonističnim delovanjem • Na osnovi zgradbe in delovanja delimo mišice na 3 skupine: Prečno progaste mišice (skeletne): • • • • • •
Zgrajene so iz velikih, mnogojedrnih celic, ki imajo na določen način razporejena mišična vlakna in na zunaj kažejo prečno progavost Delujejo pod vplivom zavednega (somatskega) živčevja So vedno povezane s skeletom Predstavljajo okrog 40% celotne mišične mase Namenjene so gibanju Na živčne impulze se odzivajo zelo hitro in se htro tudi sproščajo
Gladke mišice: • • • •
Zgrajene so iz celic z enim jedrom Ne kažejo rečne progavosti Odzivajo se na živčne impulze iz vegetativnega živčevja Na impulze se odzovejo počasi in se počasi tudi sproščajo
Srčne mišice: • • • • • • •
Prisotne so samo v srcu Imajo po eno jedro Na zunaj ne kažejo prečne progavosti Odzivajo se na avtonomno in vegetativno živčevje Vse celice srčne mišice so tesno povezane med seboj in tvorijo funkcionalno celoto Obdobju vzburjenja sledi krajše obdobje nevzdražnosti (refraktarna perioda) Po hitrosti odziva so nekje med prečnoprogastimi in gladkimi mišicami
96
Zgradba mišice (prečno progaste): • • • •
Vsaka mišica je iz več mišičnih snopov V vsakem snopu so vporedno potekajoče mišične celice, ki jim rečemo miofibrile Vsaka mišična celica je razdeljena na enakomerne odseke, ki jim rečemo sarkomere Sarkomere so zgrajene iz miofilamentov (aktina in miozina), ki sta zadolžena za krčenje mišic
Krčenje mišic: • • • • •
Miozinska glavica se pritrdi na točno določeno mesto na aktinu V prisotnosti ATP se miozinska glavica obrne za 45° (navznoter) in povleče aktinsko vlakno proti notranjosti sarkomere V prisotnosti Ca2+ se glavica odcepi od aktina in se veže na naslednje vezavno mesto na aktinu (postopek se ponovi) Ker je krčenje mišic posledica drsenja miofilamentov enega ob drugem, govorimo o teoriji drsečih filamentov Znotraj vsakega mišičnega snopa se nahaja tako imenovano mišično vreteno, ki stalno spremlja napetost mišic – preko njega kontroliramo napetost mišic
97
17. KOŽA • • •
Koža je kot organ razvita šele pri vretenčarjih Je največji organ, ki je sestavljen iz več plasti Koža sesalcev je sestavljena iz treh; vrhnjica, usnjica in podkožje
17.1. VRHNJICA • Iz več plasti celic • Najbolj spodnja plast se imenuje zarodna plast, kjer se celice delijo ves čas in postopoma potujejo proti površini • Na poti proti površju se v celicah postopoma kopiči keratin (roževina) zaradi katerega celice odmirajo in se na površini luščijo • Celice so tesno povezane in ne prepuščajo vode, tujkov (mikrobov), je pa delno prepustna za maščobe • V povrhnjici ni žil, živcev in maščobe • Med kožne celice se vrivajo posebne celice, tako imenovane melanocite, ki tvorijo melanin (kožno barvilo) → več kot jih je, bolj smo rjavi in prav tako je efekt enak, če se bolj intenzivno sončimo, saj takrat melanocite kopičijo več melanina • Iz vrhnjice nastanejo vse kožne tvorbe (lasje, dlake, nohti, rogovi,...) 17.2. USNJICA • Prožna srednja plast, ki je sestavljena predvsem iz veziva • Vsebuje žile, živce in limfo • Vsebuje številna živčna vlakna, ki so večinoma primarne čutnice (prosti živčni končiči – dotik, Paccinijeva telesca – toplo, mrzlo) 17.3. PODKOŽJE • Najdebelejša plast, ki vsebuje debelejše živce in žile ter maščobno tkivo
98
17.4. DLAKA/LAS • Nastane iz vrhnjice in je globoko vgreznjen/a v podkožje • V spodnjem delu je lasna čebulica (za rast), kamor segajo živci, žile in limfa • Celotna dlaka je obdana z lasnim mešičkom • Na lasni mešiček se pritrjuje mišica naježevalka • Ob vsakem lasnem mešičku je tudi žleza lojnica • Barva lasu je odvisna od količine melanina, ki se kopiči v lasni čebulici • Siv las je iz keratina in je brez melanina • Na dan lahko izpade cca do 100 las 17.5. DERIVATI KOŽE - znojnice, lojnice, rogovi, nohti, luske, lasje,... 17.5.1. Žleze znojnice • Izločajo znoj, ki je v bistvu razredčen urin (je sterilen) • So cevaste žleze, katerih naloga je izločanje znoja in s tem termoregulacija Termoregulacija •
Regulacijo telesne temperature uravnava center za termoregulacijo v hipotalamusu
Če je mraz: • • •
Dlake so naježene Dejavnost znojnic se zmanjša Poviša se metabolizem organizma
Če je vroče: • • •
Dlake so poležane Izločanje znojnic se poveča (poveča se hlapenje s površine kože → hlajenje) Ta mehanizem lahko tudi odpove, v primeru visoke zračne vlage
17.5.2. Žleze lojnice • So mešičkaste žleze • Izločajo loj, ki je sestavljen iz maščobe in soli • Loj je potreben za maščenje kože in s tem ohranjanje lastnosti kože (prožnost,...) • Če se zamašijo, nastanejo mozolji 17.6. Naloge kože • Termoregulacija • Mehanska in kemijska zaščita • Čutilo in izločalo • Je mesto nastanka vitamina D, ki uravnava količino Ca2+ v telesu • Je rezervoar za kri
99
18. GENETIKA Lahko jo obravnavamo na 3 načine: Klasična genetika: Zakonitosti dedovanja, Genotip/fenotip, Križanje, Genom, Humana genetika Populacijska genetika: Skladi genov, Deleži genov, Hardy-Weinbergovo načelo Molekularna genetika: Sinteza proteinov, Podvajanje DNK, Molekula DNK, Molekula RNK, Mutacije 18.1. KLASIČNA GENETIKA 18.1.1 Kariotip človeka 46 KROMOSOMOV (23 PAROV) 22 Parov 1 Par AVTOSOMI – Telesni kromosomi SPOLNI KROMOSOMI Homologni Homologni Nehomologni XX XY
100
18.1.2. Dominantni in recesivni aleli • Homologni kromosomi so si po obliki, velikosti in genih, ki jih nosijo zelo podobni • Homologni kromosomi nosijo gene za isto lastnost, vendar pa so lahko te geni različni po izraznosti • Različne oblike istega gena imenujemo aleli • Vsak alel se nahaja na točno določenem mestu, ki mu pravimo genski lokus • Eni aleli lahko prevladajo nad drugimi aleli • Alelom ki prevladajo nad drugimi, pravimo dominantni aleli • Alelom, ki ne prevladajo nad drugimi pravimo recesivni aleli in se izrazijo le v primeru, če sta na obeh lokusih homolognega kromosomskega para prisotna recesivna alela, ali pa je eden izmed niju poškodovan Če sta na obeh lokusih dominantna alela, je tak osebek dominantni homozigot (AA). Če sta na obeh lokusih recesivna alela, je tak osebek recesivni homozigot (aa). Če sta na obeh lokusih različna alela je tak osebek heterozigot (Aa).
101
18.1.3. Genotip/fenotip • Genotip so vsi aleli nekega organizma • Fenotip so vse izražene lastnosti nekega organizma Gamete (spolne celice): •
Z nastankom gamet pride do cepitve lastnosti staršev
1. Kakšne potomce lahko imata starša, če je mati homozigot (modra barva oči) in oče, ki je heterozigot? P... parentalna generacija A... rjava barva a.... modra barva F... filialna generacija
P genotip fenotip zigote
♂ Aa Rjava barva A a
F genotip fenotip
♀ aa Modra barva a a
osebek 1 Aa Rjava barva
♀
F ♂
A a
a Aa aa
a Aa aa
osebek 2 Aa Rjava barva
Punnetov kvadrat
osebek 3 aa Modra barva
osebek 4 aa Modra barva
Ker se osebka razlikujeta samo v enem paru elelov, takemu križanju rečemo monohibridno dominantno-recesivno križanje. 2. a) Kolikšna je verjetnost, da bomo dobili bele potomce, če križamo belo samico in homozigotnega črnega samca (alel za črno barvo je dominanten)? P genotip fenotip zigote F1 genotip fenotip
♂ AA Črna barva A A osebek 1 Aa Črna barva
♀ aa Bela barva a a osebek 2 Aa Črna barva
F1 A A osebek 3 Aa Črna barva ♂
♀ a a Aa Aa Aa Aa osebek 4 Aa Črna barva
Verjetnost, da bi s črnim homozigotnim samcem in belo samico dobili belega potomca je enaka 0, saj ima vsak potomec vedno prisoten dominantni alel za črno barvo. b) Kolikšna je verjetnost, da bi nastali v F2 generaciji bele potomce?
F1 genotip fenotip zigote
♂ Aa Črna barva A a
♀ Aa Črna barva A a
♀
F2 ♂
A a
A AA Aa
a Aa aa
Možnost, da dobimo v F2 generacijo bele potomce je enaka 25%. 3. Kakšne gamete lahko tvori osebek z genotipom AaBBCc? ABC, ABc, aBC, aBc
102
18.1.4. Kodominantni aleli V nekaterih primerih aleli niso ne recesivni, ne dominantni, ampak so enakovredni takrat govorimo o kodominantnih alelih. Zajčki (roža): A – bele barve B – rdeče barve P genotip fenotip zigote
♂ BB Rdeča barva B B
♀ AA Bela barva A A
♀
F1
A AB AB
B B
♂
A AB AB
F1 genotip fenotip
Vsi osebki AB Roza barva
Pri križanju osebkov s kodominantnimi aleli, dobimo potomce, ki so mešanica lastnosti staršev. Takemu križanju pravimo intermediarno križanje
18.1.4. Kloni • Nekateri organizmi imajo poleg spolnega razmnoževanja tudi možnost nespolnega razmnoževanja • Poseben tip nespolnega razmnoževanja se imenuje vegetativno razmnoževanje, kjer nov organizem nastane iz starega oziroma na starem organizmu (morska zvezda, podtaknjenci, brstenje,...) • Tako nastali organizmi imajo staršem identičen genom → to so kloni 18.1.5. Čiste linije • Če križamo osebke z enakim genotipom, kjer so vsi osebki homozogoti, dobimo vedno enake potomce
•
AA aa AA aa
Če križamo potomce
AA aa
heterozigote, dobimo različne
Bb BB. Bb, bb •
Bb
Če hočemo povečati število homozigotnih osebkov, uporabimo tako imenovano samooploditev oziroma vzvratno križanje (potomce križamo z njihovimi starši) ♀ Bb × bb →
• • •
♂
B b
b Bb bb
b Bb bb
To počnemo, kadar želimo izvedeti, kakšni so starši Kadar želimo odstraniti pokvarjene gene Kadar želimo zanesljivo čiste linije
103
18.1.6. Multipli aleli • Če neke lastnosti ne določata le dva alela, ampak jih več, govorimo o multiplih alelih (tipični primer so krvne skupine – vsako krvno skupino določajo 3 aleli) Krvne skupine: I → imunoglobulin Krvna skupina A B AB 0
Dom/rec dominantna dominantna kodominantna recesivna
Oznaka IA IB IAIB i
Genotipi pri katerih je izražena IAIA, IAi IBIB, IBi IAIB ii
Dom/rec dominanten recesiven
Oznaka D d
Genotipi pri katerih je izražen DD, Dd dd
Rh faktor: Rh faktor Rh+ Rh-
1. Kakšne krvne skupine imajo lahko potomci matere, ki ima kri 0 in očeta, ki ima kri AB? ♀ i ♂
i IAi IBi
IAi IBi
IA IB
Imajo lahko krvne skupine A in B (50 % možnosti za vsako) 2. Če so otroci heterozigoti (Dd), kakšen je genotip staršev? Oba starša sta homozigota, en recesiven in en dominanten.
D D
d Dd Dd
d Dd Dd
Če so potomci heterozigotni, smo križali dve čisti liniji. 3. Kakšni so otroci, če križamo heterozigotno mamo z Rh- očetom? P genotip fenotip zigote
♂ dd Rhd d
♀ Dd Rh+ D d
♀
F1 ♂
d d
D Dd Dd
d dd dd
F1 genotip fenotip
Osebki 50% Dd in 50% dd 50% Rh+ in 50% Rh-
104
18.1.7. Spolno vezano dedovanje 46 KROMOSOMOV (23 PAROV) 22 Parov AVTOSOMI – Telesni kromosomi Homologni
1 Par SPOLNI KROMOSOMI Homologni Nehomologni XX (♀) XY (♂)
Tisti geni, ki jih nosijo spolni kromosomi, se imenujejo spolno vezani geni in se tudi spolno vezano dedujejo.
♂
♀
18.1.7.1. Spolno vezani geni na kromosomu Y • Taki kromosomi nimajo alelov na kromosomu X • Ni jih veliko in niso preveč nevarni • Prenašajo se le na moške potomce (z očeta na sina) • Primer takega dedovanja je prekomerna poraščenost uhljev in členkov • Za veliko več genov pri človeku velja, da so vezani na kromosom X
105
18.1.7.2. Spolno vezani geni na kromosom X • Te lastnosti lahko dedujejo tako moški, kot ženske • Te lastnosti so lahko recesivne, dominantne ali intermediarne Ženska ima ma 23. mestu dva homologna kromosoma, za razliko od moških, ki na tem mestu homolognega kromosoma nimajo. V primeru, da je okvarjen gen na tistem delu kromosoma, ki ga moški nima, tak moški zboli za določeno boleznijo.
Ne zboli
Zboli
Barvna slepota (Daltonizem): • • •
Recesivni gen leži na X kromosomu Prizadete osebe ne morejo razlikovati modre in rdeče svetlobe Ta bolezen prizadane moške mnogo pogosteje kot ženske
X... Kromosom brez okvarjenega gena X'... Kromosom z okvarjenim genom XX'... Ženska prenašalka X'Y... Bolan moški P genotip fenotip zigote
♂ XY Zdrav X Y
♀ XX' Prenašalka X X'
♀
F1 X Y
♂
X XX XY
X' XX' X'Y
Hemofilija: • • •
Je bolezen, pri kateri je onemogočeno strjevanje krvi zaradi odsotnosti trombokinaze, ki je zadolžena za pretvorbo protrombina v trombin Gen, ki je zadolžen za sintezo trombokinaze leži na X kromosomu in je dominanten Hemofilija se deduje enako kot barvna slepota, s to razliko, da v tem primeru ženske ne zbolijo za to boleznijo, oziroma ženski osebki, ki imajo na obeh kromosomih okvarjen gen umrejo že pri rojstvu
Kakšne potomce pričakujemo v F1 generaciji, če ima zdrava ženska, ki ni prenašalka hemofilije otroka s hemofilikom? P genotip fenotip zigote
♂ X'Y Hemofilik X' Y
♀ XX Zdrava X X
♀
F1 ♂
X' Y
X X'X XY
X X'X XY
Od štirih osebkov bosta dve ženski prenašalki in dva zrava moška.
106
18.1.8. Dihibridno križanje • To je križanje dveh posametnikov, ki se razlikujeta v dveh parih alelov • Aleli za določeno lastnost se razporejejo v gameto neodvisno drug od drugega tako, da je v vsaki gameti po en alel vsakega para BB Ss → Dihibrid Dve lastnosti 1. Po križanju dveh homozigotnih staršev dobimo v F1 generaciji heterozigote, ki so hibridi za dva alela: P genotip fenotip zigote
♂ AABB AB, AB
♀ aabb
♀
F1 AB AB
♂
ab, ab
ab AaBb AaBb
ab AaBb AaBb
Vsi potomci so dihibridi in so fenotipsko taki kot dominantni starši 2. Križamo dva osebka iz F1 generacije iz prejšnje naloge: F1 genotip fenotip zigote
♂ AaBb AB, ab, Ab, aB
♀ AaBb AB, ab, Ab, aB
♀
F2
♂
AB ab Ab aB
AB AABB AaBb AABb AaBB
ab AaBb aabb Aabb aaBb
Ab AABb Aabb AAbb AaBb
aB AaBB aaBb AaBb aaBB
107
18.2. POPULACIJSKA GENETIKA Definicija vrste: Vrsta je skupina osebkov, ki živijo na nekem določenem območju in se med seboj razmnožujejo in so sposobni imeti plodne potomce. Definicija populacije: Skupina osebkov iste vrste, ki živi na določenem območju • • • •
Razmerje genov oz. alelov in fenotipov v populaciji sta leta 1908 definirala angleški matematik Hardy in nemški zdravnik Weinberg. Vsi geni v populaciji so sklad genov (½ ♂ genov in ½ ♀genov) Polovica sklada genov je prisotna v vseh moških gametah, polovica pa v vseh ženskih Z oploditvijo jajčne celice nastanejo genski pari ♂ Dominantni aleli (p) Recesivni aleli (q)
(p + q)
♀ ×
(p + q)
=
1
(p + q) ×(p + q) = 1 p2 + 2pq + q2 = 1 p2 predstavlja dominantne homozigote 2pq predstavlja heterozigote q2 predstavlja recesivne homozigote 18.1.1. Hardy – Weinbergovo načelo Število genotipov ostaja v neki populaciji konstantno, vendar velja le z določenimi predpostavkami: • • • • • •
Populacija mora biti zelo velika Vsak osebek mora imeti možnost stika s katerimkoli osebkom Ne sme biti izolacij Ne sme biti migracij (emigracija/imigracija) Ne sme biti mutacij Ne sme biti selekcije
Če sta dve populaciji predolgo ločeni druga od druge pride do pojava intersterilnosti osebkov, kar pomeni, da se ne morejo med seboj razmnoževati. Posledica predolge ločenosti dveh populacij so lahko: • • • •
Osebki so različnih velikosti Različno časovno obdobje spolne zrelosti Morfološka različnost spolnih organov Genetski sestav (npr. število kromosomov) se tako spremeni, da potomci niso zmožni življenja
108
1. V neki populaciji ima 49% osebkov modre oči. Kolikšen del populacije ima rjave očl in so heterozigoti? p2 + 2pq + q2 =1 p2 + 2pq = 1 – q2 = 1 – 0,49 = 0,51 × 100% = 51% → Rjave oči (dominantni homozigoti + heterozigoti)
p = 1 – q = 1 – 0,7 = 0,3 2pq = 2 × 0,3 × 0,7 = 0,42 × 100% = 42 % → Rajve oči (heterozigoti) Vse ostale naloge se delajo po podobnem principu, samo, da obračaš enačbe, da dobiš tisto, kar iščeš.
19. MUTACIJE • • •
Vsaka sprememba molekule DNK je mutacija Z mutacija se spreminjajo geni, geni pa se dedujejo iz generacije v generacijo V evoluciji so mutacije vir raznolikosti, naravna selekcija pa omogoča preživetje tistih, ki so na okolje bolj prilagojeni
19.1. IZVOR MUTACIJ 19.1.1. Vsiljene mutacije • So obsežnejše spremembe DNK, ki jih povročajo različni mutageni: MUTAGENI FIZIKALNI Ionizirajoča sevanja
Neionizirajoča sevanja
γ žarki, X žarki
UV svetloba
•
KEMIJSKI Po navadi snovi, ki povzročajo nastanek prostih radikalov in s tem radikalizacijo organskih baz Metilni radikal (metilacija), etilni radikal (etilacija),...
Rezultat vsiljenih mutacij je navadno tako lvelika poškodba DNK, da celica, ki nosi pokvarjene gene propade ali pa so spremembe tako velike, da celice izgubijo sposobnost normalnega življenja
19.1.2. Sponatane mutacije • So drobne, naključne spremembe DNK, ki vodijo v rajle spremembe genov – nastanejo rahlo spremenjeni geni, ki so še vedno funkcionalni in se lahko prenašaja oziroma dedujejo • Vir teh mutacij so ponavadi napake oziroma nepravilnosti pri podvajanju DNK 19.2. VRSTE MUTACIJ
• • •
Genske/točkaste mutacije Kromosomske mutacije Genomske mutacije
109
19.2.1. Genske/točkaste mutacije • So spremembe v okviru enega gena (majhne spremembe DNK), kjer se spremenita ena ali dve bazi • Ločimo tri vrste genskih mutacij: Zamenjava ali substitucija baznega para: DNK mRNK A.K. • • •
C G
DNK brez mutacije T G G A G T T A A C C U C A A U Val Leu Asp
Substitucija baznega para v DNK C T G G A T T T A G A C C U A A A U Val Leu Asp
Majhna sprememba, ki ponavadi nima hudih posledic V najslabšem primeru je zamenjana ena aminokislina, kar pa ne povrzroči hudih sprememb na proteinu Hudih posledic nima zato, ker je genetski kod degeneriran, kar pomeni, da lahko več različnih kodonov kodira enako aminokislino
Izpad ali delecija baznega para: DNK mRNK A.K. • • • •
DNK brez mutacije Delecija baznega para v DNK C T G G A G T T A C G G A T T T A ... G A C C U C A A U G C C U A A A U ... Val Leu Asp Ala Stop
Majhna sprememba, velike posledice Zaradi enega baznega para se premakne celotni bralni okvir za nastanek mRNK V verigo se povežejo same nepravilne aminokisline Bralni okvir se lahko zamakne tako, da se kakšno zaporedje nukleotidov prevede kot stop kodon, kar ustavi sintezo tiste beljakovine, ki bi jo telo moralo proizvajati
Vrinjanje ali insercija baznega para: DNK mRNK A.K. • • • •
C G
DNK brez mutacije Delecija baznega para v DNK T G G A G T T A C A T G G A G T T A C C U C A A U G U A C C U C A A Val Leu Asp Val Pro Glu
Majhna sprememba, velike posledice Zaradi enega baznega para se premakne celotni bralni okvir za nastanek mRNK V verigo se povežejo same nepravilne aminokisline Bralni okvir se lahko zamakne tako, da se kakšno zaporedje nukleotidov prevede kot stop kodon, kar ustavi sintezo tiste beljakovine, ki bi jo telo moralo proizvajati
Posledice genskih mutacij se slučajno razvijejo pri recesivnih homozigotih. Primeri:
110
Enemija srpastih eritrocitov: •
• •
Kodogen CTT mutira v CAT in zaradi tega namesto glutamina nastane valin, tako namesto normalnega hemoglobina HbA nastane okvarjen henoglobin HbS, ki povzroča nastanek srpastih eritricitov Ljudje s to boleznijo se pogosto slabo počutijo, so zaspani, zljepljajo se jim eritrociti, krvavitve,... Ta bolezen se je obdržala v afriki, saj so zaradi nje zboleli ljudje odporni proti malariji genotip
1 HbAHbA
2 HbSHbS
fenotip
Zdrav
Bolan
3 HbAHbS Bolan (lažja oblika)
Okvarjen eritrocit Zdrav eritrocit
Fenilketonurija: •
•
Fenilketonurija je dedna bolezen, pri katerih so bolniki zaradi odsotnosti encima fenilalanin hidrolaze nesposobni razgrajevati aminokislino fenilalanin, kar vodi v umsko zaostalost, nepravilno napetost mišic, okvarjeno gibanje, bledo kožo Odsotnost fenilalanin hidrolaze povroča okvarjen gen za ta encim
Zdrav gen: Okvarjen gen:
• • •
Zelo pomembno je odkritje te bolezni v zgodnji fazi, se pravi čimprej po rojstvu Bolezen se zdravi predvsem z dietami, ki vsebujejo zelo malo hrane, ki vsebuje fenialanin Bolezen se deduje avtosomno recesivno
111
19.2.2. Kromosomske mutacije • So spremembe v zgradbi kromosoma • Največkrat nastanejo v fazi crossing-overa • Glede na kombinacijo genov ločimo 4 vrste mutacij: Izpad ali delecija gena:
• •
Gen izpade Posledice so nezmožnost celice, da proizvaja beljakovino, za katero gen je izpadel
Primer delecije: Sindrom mačji krik, ki je posledica delicije dela zgornjega kraka 5. Para kromosoma. Otroci ponavadi umrejo kmalu po rojstvu, majhna okrogla glava, deformacije udov, njihov jok je podoben mačjemu, so mentalno zaostali
Podvojitev ali duplikacija gena:
Obrat ali inverzija gena:
Prestavitev ali translokacija gena:
112
19.2.3. Genomske mutacije • So spremembe števila kromosomov (genoma) 19.2.2.1. Genomske mutacije avtosomov Downov sindrom (mongoloizem) •
To je trisomija 21. para kromosomov pri človeku (na 21. mestu, kjer bi morala biti dva kromosoma ima oseba z Downovim sindromom 3 kromosome – tak osebek ima 47 kromosomov)
Fenotipski znaki: • • • • • • • •
Poševne oči Okrogla glava Nižje rasti Povprečna življenjska doba 20 – 30 let Mentalna zaostalost Po inteligenci so na stopnji 5 letnega otroka Dovzetni so za infekcije Imajo izbočen jezik
Lastnost se deduje po materi, s kasnejšo zanositvijo se povečuje Starost, pri kateri mati zanosi Verjetnost Downovega sindroma 20 1:1900 30 1:800 40 1:110 45 1:45
113
Ewardsov sindrom •
To je trisomija 18. para kromosomov pri človeku (na 18. mestu, kjer bi morala biti dva kromosoma ima oseba z Edwardsovim sindromom 3 kromosome – tak osebek ima 47 kromosomov)
Patau sindrom •
To je trisomija 13. para kromosomov pri človeku (na 13. mestu, kjer bi morala biti dva kromosoma ima oseba s Patau sindromom 3 kromosome – tak osebek ima 47 kromosomov)
114
19.2.2.1. Genomske mutacije spolnih kromosomov Klinefelterjev sindrom (44 + XXY) • •
Taki osebki imajo 22 parov avtosomov + XXY Osebki so visoki moški, ženske postave, imajo razvite prsi, spolni organi delno zakrnijo, so mentalno zaostali
Turnerjev sindrom (45 + X) •
Osebki so ženske, ki so nizke rasti, so sterilne, nimajo razvitih jajčnikov, so mentalno zaostale
115
Super ženska (44 + XXX) •
So mentalno zaostale, spodobne imeti normalne otroke, večje kot je število X kromosomov, večja je zaostalost
44 + XYY •
Moški so mentalno zaostali, v bistvu so bolj ženske
Diagnostične metode za ugotavljanje motenj • • •
Nuhalna svetlina (opazujejo razdaljo med posameznimi deli zarodka) Amniocenteza (punkcija plodovne (amnijske) tekočine) Analiza horionskih resic (preverijo tkivo posteljice)
116
19.3. MOLEKULARNA GENETIKA Preučuje strukturo DNK, RNK, podvajanje DNK in sintezo beljakovin 19.3.1. Zgradba nukleinskih kislin Osnovni gradbeni del DNK in RNK je nukleotid, ki je sestavljen iz treh enot oziroma gradbenih delov. • • •
Organska baza Sladkor (pentoza) Fosfat
Organska baza
Fosfat Sladkor
Fosfat Fosfat
Molekula DNK Sladkor Organ. baza Timin Adenin Deoksiriboza Gvanin Citozin
Fosfat Fosfat
Molekula RNK Sladkor Organ. baza Uracil Adenin Riboza Gvanin Citozin
117
19.3.1. Molekula DNK
• •
Fosfat je vezan na dva sladkorja preko fosfodiestrske vezi Način vezave organskih baz med seboj imenujemo komplementarnost
• • •
DNK je dvojna vijačnica Vedno je v jedru V jedru je lahko v dveh oblikah:
Zgoščena oblika • • • • • • • •
DNK se zavija okrog posebnih beljakovin, ki jim pravimo histoni Na ta način se večkrat zavije in s tem zgosti Končni rezultat zgoščevanja je kromosom Vsak kromosom je iz dveh kromatid, vsaka kromatida pa predstavlja samostojno molekulo DNK To je delitvena oblika DNK DNK je nosilka genov → en odsek DNK je en gen, en gen pa je zapis za nastanek ene beljakovine DNK nikoli ne zapušča jedra, zato se posamezne genske informacije prepišejo v RNK preden zapustijo jedro Vsaka vrsta organizma ima točno določeno število kromosomov (človek 46)
Razpuščena Oblika • • •
To je delovna oblika DNK Posamezni deli se prepisujejo Same molekule se lahko podvajajo
118
19.3.2. Molekula RNK • Vedno enojna veriga • Lahko je v jedru ali izven jedra • So mnogo krajše od DNK • Poznamo 3 različne RNK: tRNK (transfer-prenašalna), mRNK(messengerobveščevalna), rRNK(ribosomska); vse tri sodelujejo pri sintezi proteinov 19.3.3. Sinteza beljakovin DNK je nosilka genov, geni so krajši ali daljši odseki DNK, ki nosijo informacijo za nastanek proteinov. Ta informacija je kodirana v obliki zaporedja organskih baz. Sinteza beljakovin poteka v dveh zaporednih fazah: 19.3.3.1. Transkripcija • Zaporedje kodogenov na DNK se prepiše v molekulo RNK • Molekula RNK nato potuje ven iz jedra in se veže na ribosome
19.3.3.2. Translacija Je faza prevajanja kodirane informacije za nastanek beljakovine v dejansko beljakovino.
119
Translacija in s tem sinteza beljakovin je razdeljena na 4 faze: Aktivacija •
Preden se aminokisline lahko povežejo v beljakovino, se morajo aktivirati. Aktivirajo se tako, da se s pomočjo ATP vežejo na tRNK
Iniciacija (začetek) •
Na samem začetku nastane t.i. start kodon, ki določa aminokislino metionin (kodon AUG)
Elongacija (podaljševanje) • • •
Ustrezne tRNK prinašajo na ribosom nove aminokisline Encim AAS (aminoacil sintetaza) med aminokislinami tvori novo peptidno vez, na ta način se veriga aminokislin podaljšuje Podaljšuje se dokler se ne pojavi stop kodon, ki samo sintezo pripelje v 4. Fazo
Terminacija (konec) 19.3.4. Podvajanje DNK • Podvajanje DNK je semikonzervativno, kar pomeni, da je nova molekula DNK sestavljena iz ene stare in ene nove verige Potek podvajanja • • •
Vsaka delitev celice vključuje tudi delitev DNK DNK se podvoji v S fazi interfaze celičnega cikla Samo podvajanje uravnava več encimov:
Helikaza: Razpira dvojno vijačnico DNK polimeraza: Dodaja nove nukleotide (je zmožna dodajanja samo na 3. C atom) Ligaza: Poveže nukleotide med seboj v verigo Giraza: Ponovno zavije DNK v dvojno vijačnico
• • • •
Podvajanje se začne na več nukleotidih vzdolž matične (stare) verige DNK hkrati Vsakemu mestu, kjer se začne podvajanje DNK rečemo ORI mesto (origin of replication) Encim helikaza razklene dvojno vijačnico Nastanejo replikacijske (podvojevalne) vilice
120
• • • • • • • • • • • • • • •
Sinteza novih verig ob obeh starih verigah v smeri 5' → 3' Podvajanje poteka v obeh smereh, omogoča ga DNKpolimeraza, ki lahko dodaja nukleotide samo na 3' konec Ker sta verigi obrnjeni v nasprotnih smere, lahko samo ena veriga nastaja spontano (nemoteno) – tej verigi rečemo vodilna veriga Druga veriga pa nastaja z zavijanjem starig verig v zanke (le na ta način se stara veriga obrne v ustrezno smer, da je prost 3' konec Ob vsaki zanki nastanejo krajši odskeki DNK, ki jih imenujemo Okazakijevi fragmetni (delci), vsi fragmenti se med seboj povežejo s pomočjo ligaz Ta veriga nastaja počasneje in ji pravimo zastajajoča veriga Po nastanku obeh novih verig, se vsaka nova molekula DNK s pomočjo giraze ponovno zavije v dvojno vijačnico Na samem začetku sinteze nove verige DNK, je prisotno krajše zaporedje RNK verige, ki ga imenujemo RNK primer (prajmer) Vsaka nova molekula DNK je zgrajena iz ene stare in ene nove verige DNK se v jedru zavije okrog beljakovin – histonov Zavijanje poteka v več korakih Na koncu nastanejo kromosomi Vsak kromosom je sestavljen iz dveh kromatid (ena molekula DNK) Človek ima v jedru vsake celice 46 kromosomov (92 kromatid) DNK povezana s histoni se imenuje kromatin
121
20. EVOLUCIJA 20.1. Nastanek in razvoj življenja • Evolucija na Zemlji obsega več faz in sicer od nastanka organske molekule, do danes • Danes smatramo, da so vsi danes živeči organizmi rezultat postopnega razvoja iz skupnega prednika LUCA (last common universal ancestor) Obsega več zaporednih faz: • • • •
Prve organske molekule Prve celice Prvi mnogoceličarji Prehod iz vode na kopno
20.1.1. Nastanek Zemlje • Nastala je pred približno 4,6 miljardami let • Prvih nekaj 100 milijonov let je bila le žareča krogla • Postopoma se začne ohlajati in nastajati začne trdna skorja • Ko se dovolj ohladi, že nastane prva atmosfera (CO2, H2O, CH4, NH3) • Zemlja se dodatno ohladi zaradi kondenzacije vodne pare in nastanejo prva morja 20.1.2. Kemoevolucija • V pramorjih že nastanejo pogoji za nastanek prvih organskih spojin – temu pravimo abiogeneza • Abiogenezo sta dokazala Miller in Urey (1953) • Stekleno bučo napolnita s CO2, NH4, CH4 in vodnimi hlapi • Te snovi izpostavita vplivu razeletritev elektrod (strele) • Po določenem času nastanejo spontano aminokisline in druge organske molekule 20.1.3. Bioevolucija • Organske spojine se postopoma kopičijo v vodi • Iz enostavnih aminokislin nastanejo kompleksnejše beljakovine • Med temi beljakovinami so nastale tudi take, ki so imele funkcijo katalizatorja – encimi • Encimi delujejo le v okolju visoke gostote organskih spojin • Tako izolirano okolje so verjetno omogočili fosfolipidi, ki zaradi svojih fizikalnokemijskih lastnosti oblikujejo membrane in s tem omejijo notranje okolje od zunanjega • Tako nastanejo prve samostojne enote, ki jih že lahko imenujemo pracelice • Ena od sprejetih teorij, ki jih jo postavil ruski biokemik Alexander Oparin je, da so koacervati (majhne okrogle kapljice urejenih organskih molekul, predvsem lipidov) prve pracelice
122
20.1.4. Razvoj prokariontske celice • Prvi pravi organizmi so bili enocelični anaerobni heterotrofi, ki so razgrajevali organske spojine v procesih vrenja • Hranilnih snovi začne postopoma primanjkovati, zato so bili v prednosti tisti, ki so si lahko hrano izdelovali sami • Še danes obstajajo nekatere bakterije, ki s kemosintezo proizvajajo organske snovi in energijo • Še en način pridobivanja organskih snovi pa je fotosinteza, pri kateri sprva kot stranski produkt ne nastaja kisik • Šele kasneje se razvije taka fotosinteza, pri kateri nastaja kisik (danes so jo sposobne vršiti cianobakterije) • Količina kisika se j v atmosferi sicer povečevala, vendar delež kisika v atmosferi še zmeraj ostaja nizek, saj se kisik s kovinami v zemlji veže v okside • Za večino tedaj živečih organizmov je kisik strupen, zato se okoli 3 milijarde let nazaj zgodi prvo masovno izumrtje • Prokarionti so obstali vse do danes in predstavljajo najbolj množične in zelo uspešne organizme na Zemlji (to so današnje bakterije) • Bakterije so temelj ekosistemov in omogočajo kroženje snovi v naravi • Številni med prokarionti so se ohranili tudi v ekstremnih pogojih (ekstremofilne bakterije) – prenesejo zelo visoke temperature, strupeno okolje, proizvajajo CH4, prenesejo ektremne pH-je,... 20.1.5. Razvoj eukariontov (endosimbiontska teorija) • Z nekim notranjim sožitjem, so se različne prokariontske celice povezale v novo, kompleksnejšo zgradbo • Današnje eukariontske celice vsebujejo dve samostojni strukturi, ki sta bili včasih samostojno živeči celici; Mitohondrij in kloroplast (dokazi) • • • • •
Obe strukturi sta majhni (1-2 µm), kar je velikost Vsak ima svojo lastno DNK, ki je krožna, ni obdana z jedrom in ni vezana na histone Vsak ima svoje lastne ribosome, ki so zelo podobni ribosomom današnjih bakterij V procesu vključevanja je verjetno prišlo do endocitoze, zat ima vsak od njiju dvojno membrano Medsebojni odnos je bil verjetno sprva zajedalski, ki pa je kasneje prerasel v medsebojno odvisnost (medsebojna korist) Skoraj dve milijardi let je minilo preden so nastali prvi mnogoceličarji
123
2.1.5.1. Mnogoceličarji Kolonijski tip: • •
Več celic se združi v kolonije Tako so nastale današnje spužve, vendar še ne tvorijo tkiv in organov
Celularni tip: •
Današnji pravi mnogoceličarji (od nečlenarjev, do strunarjev), so verjetno nastali z notranjo celularizacijo
20.2. MEHANIZMI EVOLUCIJE Leta 1809 Lamarck objavi prvo dognanje, da se organizmi čez čas spreminjajo. Lamarck se je sicer v mnogih trditvah motil, vendar je utemeljil evolucijo kot samostojno panogo. 1859. leta izda Darwin svojo evolucijsko teorijo »Origin of species«, ki govori o nastanku vrst z naravnim izborom. Njegove osnovne ugotovitve so: a) Vse oblike življenja so nastale iz skupnega prednika na temelju dedovanja lastnosti s postopnim spreminjanjem (mutacije – spontane spremembe genskega materiala) b) Mehanizem, ki omogoča postopno spreminjanje je naravni izbor. Okolje se stalno spreminja. Lastnosti populacije se premikajo v smeri najuspešnejših osebkov, govorimo o evolucijskem prilagajanju. Glavni temelji Darwinove teoorije so: 20.2.1. HIPERPRODUKCIJA POTOMCEV • Organizmi imajo izjemno sposobnost razmnoževanja, vsaka generacija ima več potomcev, kot je staršev • V stalnem naravnem okolju pa preživi le toliko potomcev, kot je njihovih staršev – število se ohranja, preživi le toliko osebkov, kolikor je nosilnost okolja • Značilnosti okolja: Hrana, voda, plini, pH,... 20.2.2. RAZNOLIKOST OSEBKOV • Osebki v populaciji so navadno različni, govorimo dedni ali genetski raznolikosti • Na fenotip vplivajo tudi dejavniki okolja, vendar te lastnosti niso dedne – to so modifikacije • Genske raznolikosti so posledica mutacij in spolnega razmnoževanja • Z mutacijami nastajajo novi aleli • Aleli se shranijo v gamete, ki se z združevanjem pri spolnem razmnoževanju svobodno kombinirajo – nastanejo raznoliki potomci •
Mutacije nastanejo naključno najpogosteje pri podvojevanju DNK, aleli se pri spolnem razmnoževanju kombinirajo naključno, crossing over pri nastanku gamet je naključen proces, kombiniranje spolnih celic pri razmnoževanju je naključno
Genska raznolikost je neusmerjen, naključen in nepredvidljiv proces
124
20.2.3. NARAVNI IZBOR • Je usmerjen proces • V boju za obstanek imajo koristne spremembe veliko več možnosti za obstanek kot nekoristne • V trenutnih razmerh v okolju imajo boljše možnosti za preživetje tisti osebki, ki so bolj prilagojeni, s tem proizvedejo več potomcev • Iz generacije v generacijo postanejo ugodne lastnosti vse bolj pogoste Naravni izbor torej izbira med fenotipi, na ta način pride do spremembe pogostoti alelov v populaciji. Posebna oblika takega izbora je spolni izbor, kar pomeni, da recimo pri nekaterih živalih vršijo izbor samice (pav, fazan, petelin,...) Prilagojenost na določene razmere v okolju je rezultat evolucije. Je končna posledica naravnega izbora, je posledica variabilnosti in spolnega razmnoževanja ter boja za obstanek. 20.2.4. Umetni izbor • Na izbor lastnosti vpliva človek in ne narava, zato je mnogo hitrejši, ker je človek bolj dosleden (pasme psov, konj, oljna repica, kulture rastline,...) • Na svoje okolje so se organizmi prilagodili s svojo telesno zgradbo, s svojo organizacijo in s svojim vedenjem. Evolucija je kontinuiran proces, ki se nikoli ne zaključi. 20.2.5. Divergenca Evolucija je postopen razvoj iz skupnega prednika v nove in nove vrste. Ohranijo se nekatere stare in razvijejo se nekatere nove lastnosti. Evolucijsko sorodnejše vrste so si bolj podobne. Kadar pa sorodni organizmi živijo v različnih okoljih, lahko postanejo zelo različni. Zaradi prilagoditve na okolje lahko sorodni organizmi razvijejo različne strukture. Tem strukturam rečemo homologne strukture. Razvoj, pri katerem se iz homolognih organov razvijejo različne strukture imenujemo divergentni razvoj. • • •
Vsi listi so homologne strukture Vse okončine vretenčarjev (kit - plavut, ptič - krilo, konj – noga, opice – roka) Homologijo ugotavljajo tudi na molekularnem nivoju (zaporedje nukleotidov z molekuli DNK). To molekularno analogijo danes uporabljamo za določitev stopnje sorodnosti
20.5.6. Konvergenca Razvoj v podobnem okolju vodi v razvoj podobnih lastnosti. Organizmom se razvijejo strukture, ki so si podobne, analogne, vendar niso enakega izvora •
Oblika telesa (delfin, pingvin, riba,...), krila (metulj, netopir, ptič,...)
125
20.5.7. Progresivni razvoj • Evolucija organizmov je večinoma progresivna → organizmi se razvijejo iz bolj preprostih v bolj zapletene (razvoj prokariontske celice v eukariontsko, austrolopitek → homo sapiens,...) 20.5.8. Degresivni razvoj • •
Evolucija organizmov iz bolj kompleksnih v manj kompleksne Gre za privajanje na okolje, ki je stabilno (morski pritrjeni organizmi, jamski organizmi,...)
20.5.9. Koevolucija • Je medsebojno prilagajanje dveh vrst, pri čemer spreminjanje ene vrste vpliva na evolucijo druge vrste * Prilagoditev zajedalca na gostitelja in obratno; če zajedalec izboljša način vstopa v gostitelja, se bo ta sčasoma prilagodil tako, da bo razvil novo obrambo * Prilagoditev plena na plenilca: hitrost, barva, zobje,... * APOSEMIJA: svarilne barve strupenih in nevarnih živali so podobne (črno-rumena) * MIMIKRIJA: povsem nenevarne živali prevzamejo svarilne barve in vzorce strupenih živali * Koevolucija kritosemenk in žuželk (razvoj in zgradba razmnoževalnih organov)
20.5.10. SPECIACIJA - nastanek nove vrste Nove vrste nastanejo s cepitvami razvojnih linij v evoluciji.
20.5.10.1. Opredelitev vrste Biološki koncept vrste: Vrsta je skupina organizmov, ki se med seboj lahko razmnožuje in imajo plodne potomce (reprodukcijska izolacija) Morfološki koncept vrste: Določanje vrste na osnovi fenotipskih lastnosti, ki jih je mogoče opazovati in izmeriti Ekološki koncept vrste: Vrste se ločijo med seboj po svoji vlogi v okolju (ekološke niše) – dve vrsti sta si lahko zelo podobni, vendar se ločita po načinu prehranjevanja (brglez, drozg). Evolucijski koncept vrste: Danes ta koncept temelji na razlikovanju DNK – več kot je razlik v DNK, manj sta vrsti sorodni in obratno. Ko se organizmi iz dveh ločenih populacij ne morejo med seboj razmnoževati, govorimo o dveh samostojnih vrstah. Temu konceptu pravimo razmnoževalna osamitev (reproduktivna izolacija). Reproduktivno izolacijo pa nam omogočajo razmnoževalne pregrade
126
• • • • •
RAZMNOŽEVALNE PREGRADE PREDOPLODITVENE POOPLODITVENE Različno življenjsko okolje (vrste se • Do oploditve pride, vendar je nikoli ne srečajo onemogočen razvoj križancev Različna zgradba telesa (drugačna • Križanci niso sposobni preživetja oblika spolnih organov, neprimerna • Križanci so neplodni (mula-mezeg, velikost peloda,...) zebra + osel ipd.) razlog je večinoma različno število kromosomov Različen proces oploditve Različno vedenje • Potomci križancev niso sposobni preživetja Različni časi razmnoževanja
Razmnoževalne pregrade so eden glavnih načinov nastanka novih vrst. Naravni izbor spreminja raznolikost populacije na 3 načine: Usmerjeni izbor (usmerjena selekcija): Pojavi se, če se okolje, v kateri populacija živi, spremeni ali če se spremeni del populacije. Ta izobr poteka nepretrgano v isti smeri. Porazdelitvena krivulja se postopoma premika h enemu ali drugemu ekstremu. Iz stare nastane nova vrsta. Primer: zaradi segrevanja ozračja imajo več možnosti za preživetje temnejši zajci, ker je manj snega.
Ustalitveni izbor: Deluje proti obema ekstremoma. Prednost imajo osebki s srednjo značilnostjo (črna – siva – bela). Ustalitvena selekcija močno zoža porazdelitveno krivuljo, osebki postanejo večji specialisti. Primer: masa novorojenčka je okoli 3-4 kg, odklon od mase močno poveča smrtnost.
Cepitveni izbor: Kadar se v okolju pojavijo razmere, ki dajejo prednost osebkom iz ekstremov, postopoma nastaneta dve vrsti. Primer: okolje z velikimi ekstremi, razlikami med dnevom in nočjo – puščave.
127
20.5.11. Nepovratnost evolucijskega razvoja Če ena vrsta izumre, izgine za vedno. Njeno mesto v ekosistemu, pa navadno postopoma prevzame druga vrsta. 20.6. PODROČJA BIOLOGIJE PRI REKONSTRUKCIJI EVOLUCIJE Paleontologija: Raziskava ostankov živih organizmov iz preteklosti, na podlagi katerih rekontruiramo evolucijo * Fosili: To so ostanki trdnejših delov organizmov (navadno mineralizirani), to so ogrdoja, lupine ipd. Živi fosili so tisti organizmi, ki živijo danes in se že zelo zelo dolgo niso nič spremenili.
Morfologija: Primerjalna morfologija je ena ključnih je ena ključnih panog biologije, ki primerja zgradbo različnih sorodnih organizmov Embriologija: Primerjava zarodkov. Danes vemo, da so se današnje oblike organizmov razvile iz starejših oblik. Predvsem pri zarodkih prihaja do izražanja starinskih struktur. *Če primerjamo zarodke različnih skupin organizmov, opazimo podobnosti na različnih zaporednih razvojnih fazah V embriologije se v ontogenetskem razvoju ponovi celotni filogenetski razvoj Ontogenetski razvoj: Osebni razvoj organizma od oploditve, do smrti Filogenetski razvoj: Razvoj organizmov skozi čas
Biokemija: Raziskuje predvsem dve pomembni biološki molekuli; DNK in beljakovine. Raznolikost med organizmi se odraža predvsem na molekularnem nivoju.
128
20.7. EVOLUCIJA ČLOVEKA 20.7.1. Prokonzul • Skupni prednik človeka in njemu podobnih opic je gozdni primat prokonzul (cca 20 milijonov let nazaj)
Prvi predniki človeka, ki se razvijejo v hominide (človečnjake) cca 4,5 milijonov let nazaj 20.7.2. Eustralopithecus afarensis • Na stopnji današnjega šimpanza • Že dvonožec s pokončno držo • Sicer še veliko primitivnih znakov (malo možganov, višina cca 150 cm, dolgi podočniki) • Uporablja že naključna orodja • Verjetno so bili pretežni sadjejedi in občasni mrhovinarji • Verjetno izvorna oblika vseh ostalih Australopithecusov • Našli so relativno dobro ohranjeno okostje (Lucy)
129
20.7.3. Australopithecus africanus • Že naprednejša oblika • Cca 3 do 2 milijona let nazaj • Še bolj izrazita pokončna drža in dvonožna hoja
20.7.4. Homo habilis • Spretni človek • Že izdelava orodja (pestnjaki) • 2,5 – 2 milijona let nazaj
20.7.5. Homo erectus • Pokončni človek • Zelo uspešen primat • Že izdeluje in uporablja bolj napredno orodje • Popolna pokončna drža in hoja • Verjetno že uporaba ognja (simbol domačega ognjišča) • Iz tistih, ki so se v evropi prilagodili na mraz, se je razvil neandertalec • Se že seli izven Afrike
130
20.7.6. Arhaični Homo sapiens • Živi zelo malo časa
20.7.7. Homo sapiens neanderthalensis • Razvije se iz Homo erectusa v Evropi • Dobro prilagojen na ledeno dobo • Precizno kameno, leseno in koščeno orožje • Zavetišča, jame
20.7.8. Homo sapiens sapiens • Moderni človek • Se razvije v Afriki in se postopoma selijo • Grožnja neandertalcem • Razvito orodje in orožje
131
20.8. TEORETIČNE OSNOVE EVOLUCIJE ČLOVEKA • Fosili, razne najdbe, geološke metode • Izvor: 20 milijonov let nazaj Razvoj omogoča splet ekološko-bioloških dejavnikov: • • • •
Enakomerna porazdeljenost padavin, Vzhodna afrika postaja sušna Savana zahteva prilagoditve Energetsko bolj ugodno premikanje po dveh Več hrane najde inteligentnejša žival
Učlovečenje ali hominizacija • • •
Predniki so bile tipične drevesne živali Drevesni način življenja ima predvsem dve prilagoditvi (oprijemalna roka in frontalni vid) Dvonožna hoja
Posledice pokončne drže in dvonožne hoje • • • • • • • •
Spremembe v zgradbi Začel se je oblikovati sistem, ki drži telo v ravnotežju – močnejše noge Razvoj podplatov in pete Premik lobanjine špranje pod lobanjo, kar je omogočilo več prostora za razvoj možganov Zaradi dvonožne hoje imajo proste roke in zato več prostega časa, lahko kopičijo več hrane, prenašajo mladiče,... Zaradi prostega časa se začne razvoj kulture Primati so organizmi z majhnim številom potomcev, kar zahteva skrb zanje Skrbnejši odnost zahteva inteligentnejše možgane,...
132
21. SISTEMATIKA • • •
Organizme uvrščamo v sistem zaradi lažjega prepoznavanja, raziskovanja in ravnanja z organizmi. Organizme razvrščamo na osnovi podobnosti v zgradbi, predvsem pa sorodnosti Organizmi so v sistem razvrščeni hierarhično
1. KRALJESTVO 2. DEBLO 3. RAZRED 4. RED 5. DRUŽINA 6. ROD 7. VRSTA •
Za poimenovanje organizmov uporabljamo dvojno oziroma dvo delno poimenovanje: Marjetica Rod Bellis
Vrsta perenis
V isti rod lahko spada več vrst: Pino mungo, Pino nigra, Pino sylvestra,... • •
Jezik je latinščina, ker je mrtev jezik in ga ne spreminjajo Panoge, ki določajo pravilno sistematizacijo: paleontologija, morfologija, primerjalna ontogenija, biokemija
133
