Biologia z elementami
mikrobiologii

Dr hab. Krystian Kubica

Politechnika Wrocławska

Instytut Inżynierii Biomedycznej

i Pomiarowej

Biologia

Skaldowie

nie ma życia bez białka

nauka o życiu

Życie?

Przeciętna komórka zawiera ok. 20 000 różnych typów białek z których
ok. 2000 reprezentuje co najmniej 50 000 cząsteczek jednego typu co daje
ok. 100 milionów cząsteczek białek w każdej komórce.

2002 r. Nagroda Nobla w dziedzinie chemii (proteomika)

John Fenn, Kurt Wüthrich, Korchi Tanaka

„...życie jest formą istnienia białka...”

a co z lipidami?

Życie

Termodynamika

życie - złożona struktura dyssypatywna, mająca zdolność
miejscowego odwracania kierunku zmian entropii.

Cybernetyka

życie - system sprzężeń zwrotnych ujemnych,
podporządkowanych sprzężeniu zwrotnemu dodatniemu.

Informatyka

życie - czasowa zdolność systemu kodowego
wykorzystywania i przekazywania zawartej w nim
semantycznej informacji.

Filozofia

Istota żywa – posiadająca jakikolwiek stopień świadomości

Fizyko-chemiczna

Życie – ogół specyficznych procesów fizyko-chemicznych
zachodzących w pewnych zespołach materii organicznej

Śmierć - stan charakteryzujący się ustaniem oznak życia,
spowodowany nieodwracalnym zachwianiem równowagi
funkcjonalnej i załamaniem wewnętrznej organizacji
ustroju

u.

? Regeneracja

? Formy przetrwalnikowe

? reanimacja

? transplantologia

Potrzeba prawnej definicji śmierci
osobniczej człowieka

śmierć pnia mózgu jest niezbędnym i wystarczającym
warunkiem do uznania osoby za zmarłą.

Śmierć

Komunikat Ministerstwa Zdrowia i Opieki Społecznej 1.07 1984

Komunikat Ministerstwa Zdrowia i Opieki Społecznej 1994

Komunikat Ministerstwa Zdrowia i Opieki Społecznej 1996

Obwieszczenie Ministra Zdrowia z dnia 17 lipca 2007.

Obserwacja wstępna

I.

Czas obserwacji?

Śpiączka ?

Nieodwracalność uszkodzenia?

Efekty środków farmakologicznych/trucizn?

Hipotermia?

II.

Odruchy pniowe?

Bezdech?

Jakiekolwiek wątpliwości powinny być rozwiane

badaniami instrumentalnymi (EEG, metody

badania krążenia mózgowego)

Śmierć komórki i śmierć organizmu?

Cechy życia (czynności życiowe)

Odżywianie się (pobieranie pokarmu)

Wzrost

Wydalanie

Reagowanie na bodźce

Ruch

Rozmnażanie się

Cechy istot żywych:

Budowa komórkowa

Własny metabolizm

Posiadanie białek i kwasów nukleinowych

Zdolność do samoreprodukcji i dziedziczenia cech

Utrzymywanie homeostazy

Właściwości istot żywych:

Solomon E., Berg L., Martin D., Villee C., Biologia. Ofic. Wyd. Multico, Warszawa 2000

specyficzna organizacja,

metabolizm,

homeostaza,

zdolność ruchów,

reakcja na bodźce,

wzrost i rozwój,

rozmnażanie się,

przystosowanie się do zmian środowiska.

?

Każdy układ znajdujący się w stanie równowagi, który poddany jest
działaniu czynnika zewnętrznego, zaczyna przeciwdziałać zmianom
przez niego powodowanym

reguła przekory Le Chateliera i Brauna 1881

Każde zdarzenie wywołuje skutki, które działają przeciw zdarzeniu,
które je wywołało.

Reguła Lentza 1834

Adaptacja i reguła przekory?

Życie nie zachodzi w stanie równowagi termodynamicznej

Pytanie o początek?

Ewolucja chemiczna

1924 r. Teoria Oparina (koacerwaty)

Sidney Fox (mikrosfery)

1953 r. Doświadczenie Millera i Ureya

Substraty: CH

4

, NH

3

, H

2

,H

2

O

Produkty: CHCOOH, CH

3

COOH, (NH

2

)

2

CO,

HN

2

CH

2

COOH, CH

3

CH(NH

2

)COOH,

HOOC(CH

2

)

2

CH(NH

2

)COOH,

1981 r. Rybozymy - Thomas Cech –
autokataliczne wycinanie intronów

Q ß replikaza – prawdopodobieństwo błędu 10

-4

Teoria Eigena (Peter Schuster) 1973

DNA RNA białko

RNA DNA?

? Stężenie substratów w praoceanie

Rola powierzchni

Konieczność utrwalenia i przekazywania nowych własności

Aminokwasy

polipeptydy

białka

?

Kodowanie i przekazywanie informacji

? Eksperymenty z gąbkami

? Ekspetymenty z kapsydem

wirusowym

? Eksperymenty z bakteriami

? PrPc ->PrPsc

Białka nie kodują i nie przekazują informacji

?

PrPsc

PrPc

PrPsc

Interacja kwasów nukleinowych i białek

wirusy

3’5’cAMP

ATP

CoA

NADP

Życie i woda

Woda (tlenek wodoru, IUPAC – oksydan)

Własności:

1. Trwały związek chemiczny (dipol)

2. Główny składnik organizmów ok.

78%

wagowych

3. Duża wartość przenikalności dielektrycznej

~80

4. Relatywnie wysoka temperatura wrzenia w porównaniu do cieczy o

podobnej masie cząsteczkowej

5. Duża wartość współczynnika napięcia powierzchniowego

~7x10

-2

N/m

6. Maksymalna gęstość w

4

o

C

7. Duża wartość ciepła właściwego

~4kJ/(kgK)

8. Duża wartość ciepła parowania

~2000kJ/kg

samoogranizacja

Woda i związki amfifilowe

Efekt hydrofobowy

+ H

2

O

+ H

2

O

Model płynnej mozaiki

Model płynnej mozaiki

A co z tlenem?

Fotosynteza:

CO

2

, H

2

O -> O? (1941- metody izotopowe)

Czy fotosynteza musiała doprowadzić do pojawienia
się tlenu w atmosferze?

Bakterie purpurowe

H

2

S + CO

2

węglowodany +S

Secenedesmus - glon nie wytwarzający tlenu
(Gaffron)

Tlenowe (aerobowe)

Beztlenowe (anaeroby obligatoryjne i
fakultatywne):

Fermentacja np. cukry ->kwas mlekowy

Redukcja azotanów do azotynów

Redukcja siarczanów do siarkowodoru

Oddychanie beztlenowe u ludzi?

Glikoliza we włóknach
mięśniowych

porfiryna

1909r. Leon Marchlewski -

Podobieństwo hemu i chlorofilu

Ewolucja życia a układy porfirynowe

Pojawienie się O

2

w atmosferze

konieczność jego transportu – porfiryny

porfiryny

: hemoglobina, mioglobina, cytochromy, chlorofile

Sztuczne życie?

1961r . Nirenberg i Matthei

Ekstrakt enzymów z Escherichia Coli + ATP+aa+
systetyczny RNA poliUracyl -> polipeptyd
zbudowany z fenyloalaniny

1970 r. Khorana – pierwszy sztuczny łańcuch DNA

Wirtualna komórka

http://www.e-cell.org

http://www.copasi.org

http://www.vcell.org

Mycoplasma genitalium – wzorzec
minimum informacji genetycznej
580 000 nukleotydów

Teorie pochodzenia życia na Ziemi

Samorództwo (autogonia)

Kreacjonizm

Panspermia

Samoistnie (proste związki chemiczne,
samoorganizacja, ewolucja)

Szczypce laserowe

lata 80-te XX w. zespół Ashkina użyli wiązki laserowej do schwytania
wirusa mozaiki tytoniowej i bakterii Escherichia Coli.

film

Pytanie o początek?

1970 rok

matematyk John Conway

Gra life

(S. Wolfram)

Pytanie o początek w świetle automatów komórkowych

Okres - 6

Okres - 24

Teoria ewolucji

Jean Lamark (1744-1829)

Przystosowanie do nowych warunków środowiska

Wzrost doskonałości poprzez „pęd wewnętrzny”

Dziedziczenie cech nabytych

Używanie/nie używanie narządów

G. Cuvier (1769-1832)

Zasada korelacji

Narządy homologiczne

Narządy analogiczne

William Paley (1743-1805)

Wszystkie organizmy są idealnie przystosowane do
środowiska

August Weismann (1834-1914)

Komórki somatyczne i płciowe

A zmiany w komórkach
zarodka?

Teoria ewolucji Darwina 1859

Dobór naturalny i dobór sztuczny (hodowlany)

Dobór naturalny i konkurencja (przeżycie
najstosowniejszego)

Reprodukcja (liczebność i przeżywalność)

Potomstwo płodne

Ziemby? Gołębie?

Dobór stabilizujący (żywe skamieliny?)

Dobór kierunkowy (gwałtowne zmiany środowiskowe?)

Dobór rozrywający (mocno różniące się fenotypowo a
konkurencja?)

Dobór płciowy (konkurencja o partnera seksualnego)

Matematyka matrymonialna?

Dowody ewolucji

Bezpośrednie – kopalne

Żywe skamieliny ?

Anatomia porównawcza (gruczoły mleczne, kręgosłup,
kończyny kręgowców, narządy szczątkowe ?)
Embriologia – prawo rekapitulacji - Ernst Haeckel

Ontogeneza - filogeneza

Biogeorgafia – szczerbaki i leniwce A. Południowa

Genetyka i biochemia (kod genetyczny, cytochrom c,
ATP)

Specjacja – powstawanie nowych gatunków (izolacja rozrodcza)

•Specjacja allopatryczna (różne terytoria)

•Specjacja sympatryczna (ekologiczne,
behawioralne na podłożu genetycznym)

Wielkie wymierania a tempo

ewolucji

?

Datowanie

Metoda stratygraficzna (względna)

Metoda faunistyczna

Datowanie izotopowe

14

C do 50 000 (70 000 lat)

40

K/

40

Ar 1250 mln lat do 200 000 lat

238

U 

206

Pb

235

U 

207

Pb miliardy lat

Izotopy C

11

C

12

C

13

C

14

C

Czas połowicznego rozpadu

?

syntetyczny

98,9%

1,1%

Śladowo –10

-6

%

Datowanie

14

C do ok. 50 000lat

Niepewność datowania?