УДК  611.018.1

ББК   28.070

Ф92

Фросин В.Н.

Ф92     Введение в биологию человека: 1. Молекулярная биология клетки / В.Н.Фросин. – Казань: Диалог-Компьютерс, 2005. – 276 с.: ил.

Издание  второе, исправленное и дополненное.

 Учебное пособие содержит изложение представлений о молекулярных и клеточных основах жизнедеятельности организма человека. Особое внимание уделено строению и функционированию белков,  нуклеиновых кислот и структурным компонентам клеток, механизмам клеточного деления и апоптоза, строению и экспрессии генов.

Учебное пособие предназначено для студентов вузов, учащихся и преподавателей медицинских училищ,  учреждений общего образования и слушателей подготовительных курсов вузов.

© В.Н.Фросин

Оглавление

ПРЕДИСЛОВИЕ

Одним из продуктивных процессов ХХ века является биологизация медицины. За прошедший век получен огромный объем биологических знаний о фундаментальных механизмах развития и жизнедеятельности организма человека, о популяциях людей и их генетической структуре, об особенностях экологии человека как биосоциального существа. Следствием происходящего процесса явилось оформление биологии человека как самостоятельной дисциплины.

Предметом изучения биологии человека является строение и функционирование человеческого организма как сложной биологической системы и одновременно как составной части еще более крупных биологических систем – популяций, биоценозов и биосферы. В последние десятилетия предметом направленных исследований становятся не просто биологические закономерности, лежащие в основе жизнедеятельности человека, но и биологические предпосылки здоровья и нездоровья человека. После открытия огромного генетического и биохимического разнообразия людей все больше осознается необходимость поиска молекулярных, генетических и метаболических маркеров уровня уязвимости конкретных людей и индикаторов продолжительности предстоящей индивидуальной жизни, а также вероятности развития у конкретного человека той или иной патологии.

Достижения фундаментальной биологии использует еще одна наука, ориентированная на человека. – это медицинская биология, призванная преумножать и охранятьь здоровье человека и бороться с болезнями и их возбудителями.

  Современные методы исследования и возросшие возможности вычислительной техники обеспечивают высокую производительность научного труда и дают исследователям и врачам возможность получить сведения об элементарных событиях, создающих и характеризующих здоровую жизнь и патологию.  В последние десятилетия приоритетным направлением современной биологии человека и медицинской биологии становятся интегральные науки, изучающие организм человека, его головной мозг, геном и клетку как единые целостные системы, состоящие из взаимодействующих друг с другом элементов. Такими науками являются геномика, протеомика и иммуномика. В настоящее время биологизация медицины проявляется в виде биоинформатизации: исследователи и врачи приобретают доступ к естественным информационным базам и потокам, организующим жизнь. Это связано с возможностью обращаться к геному отдельно взятых людей и расшифровкой  молекулярных механизмов межклеточных взаимодействий, языка межклеточного общения, организации и регуляции жизненного цикла клеток, выбора клеткой альтернативного пути между размножением и программируемой гибелью клетки, дифференцировкой клеток и злокачественным перерождением.

Огромным достижением молекулярной генетики стала реализация проекта “Геном человека” -  выяснение порядка следования нуклеотидных остатков в молекулах ДНК человека. Стало  ясно, что геном – это целостная система наследственной информации организма. Наследственная информация реализуется на уровне клетки. Однако, если бы геном был не только целостной, но и самостоятельной единицей, то вся совокупность клеточных составных частей могла бы создаваться полностью заново при условии целостности генома и наличия биосинтетического аппарата. Но ни ядро, ни большинство органоидов не могут быть созданы абсолютно заново, без наличия хотя бы фрагментов этих клеточных структур. Существующие в клетке структуры являются своеобразными матрицами для создания новых подобных структур. Геном не в состоянии из отдельных молекул воссоздать эти матрицы, появившиеся в какой-то момент эволюции и получившие автономность от ядерного генома. Это может сделать только клетка. С деятельностью клеток связано формирование не только здорового организма, но и развитие болезни. 

Практическим выходом биоинформатики явилось появление такого сектора молекулярной биологии как реконструктивная биология. Задачей этого направления является получение и использование продуктов биотехнологии – макромолекул, генетических конструкций, генетически модифицированных клеток, клеток с заданными характеристиками. Подходы и методы реконструктивной биологии используются для разработки современных биотехнологий в сельском хозяйстве, микробиологической и фармацевтической промышленности, медицине. В медицине они применяются для создания диагностических и терапевтических технологий. В арсенале врачей появляются практически безграничные возможности вмешательства в процессы жизнедеятельности человеческого организма. Продолжающаяся фундаментализация медицины привела к пониманию того, что прогресс клинической медицины полностью зависит от медицины молекулярной, то есть исследований на уровне генов и молекул.

Организм отдельно взятого человека существует в тесном взаимодействии с другими представителями вида Homo sapience, с симбиотическими и патогенными микроорганизмами, в том числе с вирусами. Являясь частью биосферы, человечество интенсивно преобразует свою среду обитания, часто в неблагоприятном для себя направлении. В настоящее время человечество вовлечено в тяжелейший экологический кризис, связанный с истощением энергетических ресурсов и загрязнением окружающей среды. Взаимоотношения человека со средой обитания также является предметом изучения биологии человека.

Появившаяся у ученых возможность изменять генотипы организмов от вирусов до человека поставила перед человечеством проблему направленной эволюции живых организмов. В связи с этим  вопрос о механизмах биологической эволюции на Земле приобретает не только теоретический интерес, так как затрагивается само существование человечества на нашей планете.   

Одним из важнейших итогов изучения генома человека является быстрое развитие молекулярной медицины – медицины, основанной на диагностике, лечении и профилактике заболеваний с помощью нуклеиновых кислот и белков. В настоящее время формирование высококлассного специалиста медицинского и фармацевтического профиля немыслимо без знания современных методов,  возможностей и перспектив развития молекулярной медицины.

        В основе знаний молекулярной биологии и медицины лежат базовые теоретические представления о строении, свойствах и функциях белков и нуклеиновых кислот, сущности генетического кода, механизмах трансляции и транскрипции. Все это в самом общем виде изучается по программе среднего общего образования, и предполагается, что студенты первого курса вузов имеют прочные знания молекулярных основ наследственности и изменчивости организмов. К сожалению, такие важные разделы учебной программы как ''Строение белков и нуклеиновых кислот. Синтез белка. Редупликация ДНК. Мейоз.'' традиционно остаются для школьников наиболее сложными для понимания и запоминания. Отчасти это объясняется сложностью самих изучаемых химических соединений и биохимических процессов. Другой причиной слабых знаний учащихся можно считать излишне упрощенное изложение учебного материала, затрудняющее формирование четких представлений об изучаемых явлениях. Такое упрощение неизбежно и оправдано, и обусловлено оно, с одной стороны, требованием учебной  программы, а с другой стороны, неполнотой  наших знаний  об изучаемых явлениях на момент разработки школьных учебников. Объективным результатом является низкий уровень базовых знаний многих учащихся молекулярных основ жизнедеятельности организма, что  существенно затрудняет формирование у студентов современных представлений  о материальной природе наследственности, механизмах индивидуального развития, месте генотипа в развитии заболеваний и перспективных методах их диагностики и лечения.

        Учитывая вышесказанное, перед педагогическим коллективом кафедр, первыми  встречающими студентов своего вуза, стоит большая и непростая задача: организовать учебный процесс таким образом, чтобы студенты в кратчайший срок смогли реализовать свои потенциальные возможности и желание повысить свои знания до уровня, достаточного для успешного овладения специальными биологическими, медицинскими и фармацевтическими дисциплинами, для того, чтобы видеть перспективы развития своей  специальности. Одним из средств решения данной задачи является использование учебных пособий, обеспечивающих преемственность обучения, в которых на более высоком научном уровне излагается уже знакомый учащемуся учебный материал и содержание которых служит базой для специальных учебных дисциплин, изучающих те или иные аспекты биологии человека.

Данное учебное пособие содержит три части: 1)молекулярная биология клетки, 2) генетика и индивидуальное развитие, 3) экология человека. Учебный материал пособия касается не только биологии человека, но и биологии окружающих его бактерий и вирусов как биотических факторов и инструментов генетической инженерии.

 Содержание настоящего учебного пособия включает в себя учебные элементы, изучаемые многими науками о человеке, в том числе цитологией, биологией развития, биохимией, генетикой, экологией. Все они объединены в учебном пособии биологическими процессами и явлениями, составными частями которых являются эти учебные элементы. Учебное пособие не заменяет учебники для высшей школы по соответствующим разделам биологии человека. Оно интегрирует многие учебные вопросы, изучаемые этими дисциплинами, в целостное представление, реализует принцип опережающего обучения. Каждая глава учебного пособия посвящена какому-либо важному биологическому явлению или процессу. Каждая глава построена на материале предыдущих глав, однако материал изложен так, что любую главу можно понять без дополнительной информации. Читатель по мере чтения пособия многократно встречается с наиболее важными учебными элементами, что способствует лучшему пониманию и запоминанию учебного материала. 

Учебное пособие предназначено для студентов вузов, учащихся старших классов образовательных учреждений и подготовительных курсов вузов.