Биология A-Level (9700) начинается с клетки и расширяется наружу: мембраны и транспорт, митотический клеточный цикл, нуклеиновые кислоты и синтез белков, затем транспорт у растений и млекопитающих, газообмен, инфекционные заболевания и иммунитет. A2 добавляет дыхание, фотосинтез, гомеостаз, наследственность, отбор и эволюцию.
Биологию называют наукой на запоминание, и именно это часто становится ловушкой. Ключевое слово выполняет основную работу: «объяснить» требует механизм, «описать» — нет. Идеальное описание не принесёт ни одного балла, если в вопросе требовалось объяснить.
Оценки выставляются по конкретным критериям оценивания. Одно размытое предложение, охватывающее три идеи, обычно приносит один балл, а не три.
make temporary preparations of cellular material suitable for viewing with a light microscope
draw cells from microscope slides and photomicrographs
calculate magnifications of images and actual sizes of specimens from drawings, photomicrographs and electron micrographs (scanning and transmission)
use an eyepiece graticule and stage micrometer scale to make measurements and use the appropriate units, millimetre (mm), micrometre (µm) and nanometre (nm)
define resolution and magnification and explain the differences between these terms, with reference to light microscopy and electron microscopy
Русский
готовить временные препараты клеточного материала, подходящие для просмотра в световой микроскоп
рисовать клетки с предметных стекол и фотомикрографии
рассчитывать увеличение изображений и реальные размеры образцов по рисункам, фотомикрографиям и электронным микрографиям (сканирующим и трансмиссионным)
использовать окуляр-микромасштаб и шкалу объектного микрометра для измерений и применять соответствующие единицы: миллиметр (мм), микрометр (мкм) и нанометр (нм)
определять разрешающую способность и увеличение и объяснять различия между этими терминами, ссылаясь на световую и электронную микроскопию
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Cells 细胞 are very small, so you cannot see them with your eyes alone. You use a microscope 显微镜 to make a bigger picture of them. The first kind you meet is the light microscope 光学显微镜. It shines light through a thin specimen 标本 (the material you look at) and uses glass lenses to enlarge the view.
Making a slide and drawing what you see
To look at living material, you make a temporary preparation 临时装片. You put a small, thin piece of material on a glass slide 载玻片, add a drop of stain 染色剂 (a coloured liquid that makes parts easier to see), then lower a thin cover slip 盖玻片 on top to flatten it and keep out air.
When you draw cells from a slide or a photograph, follow simple rules:
use a sharp pencil and clear, single lines (no shading).
draw only what you can really see, with the parts in the correct sizes.
label the parts with straight lines that do not cross.
Magnification and actual size
Magnification 放大倍数 tells you how many times bigger the image is than the real object. It has no unit. You find it with one equation:
$$\text{magnification} = \frac{\text{size of image}}{\text{actual size of object}}$$
You can rearrange this to find any one value from the other two:
$$\text{actual size} = \frac{\text{size of image}}{\text{magnification}}$$
The top and the bottom of the fraction must use the same unit. Cells are tiny, so you work in small units:
$1\ \text{mm} = 1000\ \text{micrometre}$ 微米 (µm)
$1\ \text{µm} = 1000\ \text{nanometre}$ 纳米 (nm)
so $1\ \text{mm} = 1\,000\,000\ \text{nm}$.
Worked example. In a photomicrograph at magnification $5000$, a chloroplast 叶绿体 measures $25\ \text{mm}$ across. Its actual size is
The same equation works for drawings, photomicrographs 显微照片 (photos taken through a light microscope) and electron micrographs 电子显微照片 (the most detailed photos, explained below). Always convert to the same unit first, then divide.
Eyepiece graticule and stage micrometer
To measure a real cell under the microscope, you use an eyepiece graticule 目镜测微尺 — a tiny scale inside the eyepiece. Its divisions have no fixed size, so first you must calibrate 校准 them (work out what one division is worth).
You calibrate using a stage micrometer 载物台测微尺 — a special slide with an accurate scale on it (often $1\ \text{mm}$ split into $100$ parts, so each part is $10\ \text{µm}$). You line up the two scales, count how many graticule divisions fit a known length, and divide. Once calibrated, you can swap in your specimen and measure it with the graticule.
Resolution and magnification
These two words are easy to mix up. The examiner gives marks for the difference.
Magnification is how many times bigger the image is than the object.
Resolution 分辨率 is the smallest distance between two points that still lets you see them as two separate points.
Making an image bigger does not always show more detail. Past a certain point you just get a bigger, blurry image. Resolution sets the real limit on detail.
A light microscope has lower resolution because light has a fairly long wavelength 波长. An electron microscope 电子显微镜 uses beams of electrons 电子 instead of light. Electrons have a much shorter wavelength, so the resolution is far higher and you can see very small structures inside the cell. There are two kinds: scanning 扫描 (shows the surface in 3D) and transmission 透射 (passes electrons through a thin slice to show inside detail).
Русский
Клетки очень малы, поэтому их нельзя разглядеть невооруженным глазом. Для получения увеличенного изображения используют микроскоп. Первый тип, с которым вы столкнетесь, — это световой микроскоп. Он пропускает свет через тонкий препарат (образец, который вы рассматриваете) и использует стеклянные линзы для увеличения обзора.
Световой микроскоп: свет проходит вверх через препарат, затем две линзы (объектив и окуляр) увеличивают изображение
Изготовление препарата и зарисовка увиденного
Для изучения живых образцов готовят временный препарат. Небольшой тонкий кусочек материала помещают на стеклянное предметное стекло, добавляют каплю красителя (цветной жидкости, делающей структуры более видимыми), затем аккуратно опускают тонкое покрывное стекло сверху, чтобы сплющить образец и исключить воздушные пузырьки.
Изготовление временного влажного препарата — опускайте покрывное стекло под углом, чтобы не trapping воздушные пузырьки
При зарисовке клеток со стекол или фотографий следуйте простым правилам:
используйте острый карандаш и четкие одинарные линии (без штриховки).
рисуйте только то, что действительно видите, соблюдая правильные пропорции частей.
подписывайте части прямыми линиями, которые не пересекаются.
Увеличение и реальный размер
Увеличение показывает, во сколько раз изображение больше реального объекта. Оно не имеет единиц измерения. Его вычисляют по формуле:
Увеличение = размер изображения ÷ реальный размер
$$\text{magnification} = \frac{\text{size of image}}{\text{actual size of object}}$$
Эту формулу можно преобразовать, чтобы найти любое одно значение, зная два других:
$$\text{actual size} = \frac{\text{size of image}}{\text{magnification}}$$
Верхняя и нижняя части дроби должны быть в одних единицах измерения. Клетки крошечны, поэтому работают с мелкими единицами:
$1\ \text{mm} = 1000\ \text{micrometre}$ (µm)
$1\ \text{µm} = 1000\ \text{nanometre}$ (нм)
или $1\ \text{mm} = 1\,000\,000\ \text{nm}$.
Разобранный пример. На фото микрофотографии при увеличении $5000$ хлоропласт имеет размер $25\ \text{mm}$ в диаметре. Его реальный размер составляет
Та же формула применима к зарисовкам, фотографиям микроскопии (фото, сделанные через световой микроскоп) и электронной микроскопии (наиболее детальные снимки, объясняются ниже). Всегда переводите значения в одни единицы перед делением.
Окулярная линейка и предметная линейка
Для измерения реальной клетки под микроскопом используют окулярную линейку — маленькую шкалу внутри окуляра. Её деления не имеют фиксированного размера, поэтому сначала их необходимо калибровать (определить, какому значению соответствует одно деление).
Калибровку проводят с помощью предметной линейки — специального стекла с точной шкалой (часто $1\ \text{mm}$ разделено на $100$ частей, так что каждая часть равна $10\ \text{µm}$). Совмещают две шкалы, считают, сколько делений окулярной линейки укладывается в известную длину, и делят. После калибровки можно заменить образец на исследуемый и измерить его с помощью окулярной линейки.
Откалибруйте окулярную линейку, совместив её с известной шкалой предметной линейки
Разрешающая способность и увеличение
Эти два слова легко перепутать. Экзаменатор начисляет баллы за понимание разницы.
Увеличение показывает, во сколько раз изображение больше самого объекта.
Разрешающая способность — это минимальное расстояние между двумя точками, при котором их всё ещё можно различить как два отдельных элемента.
Увеличение изображения не всегда позволяет увидеть больше деталей. За определённым пределом вы получаете просто более крупное, но размытое изображение. Именно разрешающая способность определяет реальный предел детализации.
Световой микроскоп имеет более низкую разрешающую способность из-за достаточно длинного длины волны света. Электронный микроскоп использует пучки электронов вместо света. Электроны имеют значительно более короткую длину волны, поэтому разрешающая способность гораздо выше, и можно увидеть очень мелкие структуры внутри клетки. Существует два вида: сканирующий (показывает поверхность в 3D) и проходящий (пропускает электроны через тонкий срез для демонстрации внутренней структуры).
Разрешающая способность: световой микроскоп сливает две очень близкие точки в одну; электронный микроскоп благодаря более короткой длине волны разделяет их на две.
Choose the right microscopy idea from what the student wants to see. · Оберіть правильний тип мікроскопії відповідно до того, що хоче побачити студент.
Eukaryotic cells and their organelles · Эукариотические клетки и их органоиды
Syllabus · Программа
English
recognise organelles and other cell structures found in eukaryotic cells and outline their structures and functions, limited to: • cell surface membrane • nucleus, nuclear envelope and nucleolus • rough endoplasmic reticulum • smooth endoplasmic reticulum • Golgi body (Golgi apparatus or Golgi complex) • mitochondria (including the presence of small circular DNA) • ribosomes (80S in the cytoplasm and 70S in chloroplasts and mitochondria) • lysosomes • centrioles and microtubules • cilia • microvilli • chloroplasts (including the presence of small circular DNA) • cell wall • plasmodesmata • large permanent vacuole and tonoplast of plant cells
describe and interpret photomicrographs, electron micrographs and drawings of typical plant and animal cells
compare the structure of typical plant and animal cells
state that cells use ATP from respiration for energy-requiring processes
outline key structural features of a prokaryotic cell as found in a typical bacterium, including: • unicellular • generally 1–5 μm diameter • peptidoglycan cell walls • circular DNA • 70S ribosomes • absence of organelles surrounded by double membranes
compare the structure of a prokaryotic cell as found in a typical bacterium with the structures of typical eukaryotic cells in plants and animals
state that all viruses are non-cellular structures with a nucleic acid core (either DNA or RNA) and a capsid made of protein, and that some viruses have an outer envelope made of phospholipids
Русский
распознавать органоиды и другие структуры клеток в эукариотических клетках и описывать их строение и функции, ограничиваясь следующими: • клеточная мембрана • ядро, ядерная оболочка и нуклеол • шероховатая эндоплазматическая сеть • гладкая эндоплазматическая сеть • аппарат Гольджи (комплекс или комплекс Гольджи) • митохондрии (включая наличие малых кольцевых молекул ДНК) • рибосомы (80S в цитоплазме и 70S в хлоропластах и митохондриях) • лизосомы • центриоли и микротрубочки • реснички • микроворсинки • хлоропласты (включая наличие малых кольцевых молекул ДНК) • клеточная стенка • плазмодесмы • крупная постоянная вакуоль и тонопласт растительных клеток
описывать и интерпретировать фотомикрографии, электронные микрографии и рисунки типичных растительных и животных клеток
сравнивать строение типичных растительных и животных клеток
указывать, что клетки используют АТФ из клеточного дыхания для процессов, требующих энергии
опишите ключевые структурные особенности прокариотической клетки, характерной для типичной бактерии, включая: • одноклеточность • обычно диаметр 1–5 мкм • клеточные стенки из пептидогликана • кольцевая ДНК • рибосомы 70S • отсутствие органоидов, окруженных двойными мембранами
сравните строение прокариотической клетки типичной бактерии со строением типичных эукариотических клеток растений и животных
укажите, что все вирусы представляют собой неклеточные структуры с нуклеиновым ядром (ДНК или РНК) и капсидом, состоящим из белка, а некоторые вирусы имеют наружную оболочку из фосфолипидов
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Plant and animal cells are eukaryotic cells 真核细胞: their DNA is kept inside a nucleus 细胞核. Inside the cell are many small parts called organelles 细胞器, each with its own job. The jelly-like fluid around them is the cytoplasm 细胞质.
In a photomicrograph or electron micrograph you identify organelles by their shape, size and position; in a drawing you show their outlines and label them.
Organelle
Structure
Function
cell surface membrane 细胞膜
thin layer around the cell
controls what enters and leaves the cell
nucleus
large, surrounded by a nuclear envelope 核膜 (a double membrane with holes); contains a nucleolus 核仁
holds the DNA; controls the cell; the nucleolus makes ribosomes
rough endoplasmic reticulum 粗面内质网 (rough ER)
sheets of membrane with ribosomes on the surface
makes and transports proteins 蛋白质 (for example antibodies 抗体)
smooth endoplasmic reticulum 滑面内质网 (smooth ER)
sheets of membrane, no ribosomes
makes lipids 脂质
Golgi body 高尔基体
stack of flat membrane sacs
changes and packs proteins and lipids into vesicles 囊泡 for secretion 分泌
mitochondria 线粒体
oval, with a folded inner membrane; has small circular DNA
site of respiration 呼吸作用 — releases energy 能量 as ATP
ribosomes 核糖体
very small; $80\text{S}$ in the cytoplasm, $70\text{S}$ in chloroplasts and mitochondria
join amino acids 氨基酸 to synthesise 合成 proteins
lysosomes 溶酶体
small sacs of enzymes 酶
break down old organelles and waste
centrioles 中心粒 and microtubules 微管
small tubes made of protein
help move chromosomes and form the cell's "skeleton"
cilia 纤毛
tiny hairs on the cell surface that beat
move fluid or move the cell
microvilli 微绒毛
tiny folds of the cell surface membrane
increase surface area for absorption 吸收
chloroplasts (plants)
green, with stacked membranes; has small circular DNA
site of photosynthesis 光合作用
cell wall 细胞壁 (plants)
strong outer layer of cellulose 纤维素
supports and protects the cell; stops it bursting
plasmodesmata 胞间连丝 (plants)
tiny channels through the cell walls
link the cytoplasm of neighbouring cells
large permanent vacuole 液泡 (plants)
big sac of watery fluid, with a membrane called the tonoplast 液泡膜
stores water and keeps the cell firm
Cells use ATP made in respiration as their energy supply for every job that needs energy, such as making proteins, moving things and dividing.
Comparing plant and animal cells
Feature
Plant cell
Animal cell
cell wall
present (cellulose)
absent
chloroplasts
present
absent
large permanent vacuole
present
absent (only small, temporary ones)
centrioles
absent in most
present
shape
fixed and regular
rounder and more flexible
Both have a cell surface membrane, cytoplasm, a nucleus, mitochondria, ribosomes, ER and a Golgi body.
Русский
Растительные и животные клетки являются эукариотическими клетками: их ДНК находится внутри ядра. Внутри клетки расположены множество мелких частей, называемых органоидами, каждый из которых выполняет свою функцию. Желеобразная жидкость, окружающая их, называется цитоплазмой.
Обобщенная животная клетка и её органоидыРастительная клетка также имеет клеточную стенку, хлоропласты и большую вакуоль.
На фото или электронном микрофотографии органоиды определяют по форме, размеру и расположению; на рисунке изображают их контуры и подписывают.
Органоид
Строение
Функция
клеточная мембрана
тонкий слой вокруг клетки
регулирует поступление веществ в клетку и выход из неё
ядро
крупное, окружено ядерной оболочкой (двойная мембрана с порами); содержит ядрышко
хранит ДНК; управляет работой клетки; ядрышко образует рибосомы
шероховатая эндоплазматическая сеть (шероховатая ЭПС)
пласты мембраны с рибосомами на поверхности
синтезирует и транспортирует белки (например, антитела)
гладкая эндоплазматическая сеть (гладкая ЭПС)
пласты мембраны без рибосом
синтезирует липиды
Аппарат Гольджи
стопка плоских мембранных мешочков
модифицирует и упаковывает белки и липиды в везикулы для секреции
митохондрии
овальные, с складчатой внутренней мембраной; содержат маленькую кольцевую ДНК
место клеточного дыхания — выделяют энергию в виде АТФ
рибосомы
очень маленькие; $80\text{S}$ в цитоплазме, $70\text{S}$ в хлоропластах и митохондриях
соединяют аминокислоты для синтеза белков
лизосомы
мелкие пузырьки с ферментами
расщепляют старые органоиды и отходы
центриоли и микротрубочки
малые трубки из белка
помогают движению хромосом и формируют «скелет» клетки
CILIA (реснички)
крошечные волоски на поверхности клетки, совершающие движения
перемещают жидкость или саму клетку
микроворсинки
крошечные складки клеточной мембраны
увеличивают площадь поверхности для поглощения
хлоропласты (растения)
зелёные, со сложенными мембранами; содержат маленькую кольцевую ДНК
место фотосинтеза
клеточная стенка (растения)
прочный наружный слой из целлюлозы
поддерживает и защищает клетку; предотвращает её разрыв
плазмодесмы (растения)
крошечные каналы через клеточные стенки
соединяют цитоплазму соседних клеток
крупная постоянная вакуоль (растения)
большой мешок с жидкостью, окружённый мембраной, называемой тонопласт
запасает воду и поддерживает упругость клетки
Клетки используют АТФ, образующийся при дыхании, как источник энергии для всех процессов, требующих затрат энергии, таких как синтез белков, транспорт веществ и деление.
Сравнение растительных и животных клеток
Признак
Растительная клетка
Животная клетка
клеточная стенка
присутствует (целлюлоза)
отсутствует
хлоропласты
присутствуют
отсутствуют
крупная постоянная вакуоль
присутствуют
отсутствуют (только мелкие временные)
центриоли
отсутствуют у большинства
присутствуют
форма
фиксированная и правильная
более округлая и гибкая
Оба типа клеток имеют клеточную мембрану, цитоплазму, ядро, митохондрии, рибосомы, ЭПС и аппарат Гольджи.
Explore · Исследовать
Explore an animal cell · Исследование животной клетки
Tap each numbered part to check you know its job — the same organelles as the table above. · Нажмите на каждую пронумерованную часть, чтобы проверить, знаете ли вы её функцию — те же органоиды, что и в таблице выше.
Prokaryotic cells (bacteria) · Прокариотические клетки (бактерии)
English
A prokaryotic cell 原核细胞, such as a bacterium 细菌, is much smaller and simpler than a eukaryotic cell. Its key features are:
unicellular 单细胞 — it is a single cell.
generally $1$–$5\ \text{µm}$ across.
a cell wall made of peptidoglycan 肽聚糖 (not cellulose).
circular DNA lying free in the cytoplasm — there is no nucleus.
$70\text{S}$ ribosomes (smaller than the $80\text{S}$ ones in the cytoplasm of eukaryotes).
no organelles surrounded by a double membrane — so no nucleus, no mitochondria and no chloroplasts.
Comparing prokaryotic and eukaryotic cells
Feature
Prokaryotic cell
Eukaryotic cell
size
about $1$–$5\ \text{µm}$
about $10$–$100\ \text{µm}$
DNA
circular, free in cytoplasm
linear, inside a nucleus
nucleus
none
present
double-membrane organelles
none
mitochondria (and chloroplasts in plants)
ribosomes
$70\text{S}$
$80\text{S}$ (with $70\text{S}$ inside mitochondria and chloroplasts)
cell wall
peptidoglycan
cellulose (plants) or none (animals)
Русский
Прокариотическая клетка, например бактерия, намного меньше и проще эукариотической клетки. Её ключевые особенности:
одноклеточная — состоит из одной клетки.
обычно $1$–$5\ \text{µm}$ в диаметре.
клеточная стенка из пептидогликана (не целлюлозы).
кольцевая ДНК, свободно находящаяся в цитоплазме — нет ядра.
$70\text{S}$ рибосом (меньше, чем $80\text{S}$ рибосомы в цитоплазме эукариот).
нет органоидов, окруженных двойной мембраной — нет ни ядра, ни митохондрий, ни хлоропластов.
Прокариотическая клетка: кольцевая ДНК (нуклеоид) находится свободно, без ядра и без органоидов с двойной мембраной.
Сравнение прокариотических и эукариотических клеток
Признак
Прокариотическая клетка
Эукариотическая клетка
размер
около $1$–$5\ \text{µm}$
около $10$–$100\ \text{µm}$
ДНК
кольцевая, свободная в цитоплазме
линейная, внутри ядра
ядро
отсутствует
присутствует
двухмембранные органеллы
нет
митохондрии (и хлоропласты у растений)
рибосомы
$70\text{S}$
$80\text{S}$ (с $70\text{S}$ внутри митохондрий и хлоропластов)
клеточная стенка
пептидогликан
целлюлоза (у растений) или отсутствует (у животных)
Explore · Исследовать
Explore a bacterial cell · Исследование бактериальной клетки
A prokaryote is smaller and simpler. Tap each part — notice there is no nucleus and no double-membrane organelles. · Прокариот меньше и проще. Нажмите на каждую часть — обратите внимание, что нет ядра и нет двухмембранных органоидов.
1.2
Viruses · Вирусы
English
All viruses 病毒 are non-cellular 非细胞 — they are not made of cells at all. Each virus is built from just two or three parts:
a core of nucleic acid 核酸, which is either DNA or RNA (never both).
a protein coat around the core called a capsid 衣壳.
in some viruses, an outer envelope 包膜 made of phospholipids 磷脂.
A virus has no cytoplasm, no organelles and no ribosomes. It cannot respire or make its own proteins. It can only copy itself inside a living host 宿主 cell, so it sits at the edge of what we call "living".
Русский
Все вирусы являются неклеточными — они не состоят из клеток. Каждый вирус состоит всего из двух-трех частей:
ядро из нуклеиновой кислоты, которая является либо ДНК, либо РНК (никогда обеими сразу).
белковая оболочка вокруг ядра, называемая капсидом.
у некоторых вирусов внешняя оболочка, образованная фосфолипидами.
Настоящий вирус, сильно увеличенный. Округлая головка представляет собой белковый капсид, обернутый вокруг нуклеинового ядра; хвост внедряет эту нуклеиновую кислоту в бактерию. Обратите внимание на масштабную линейку — весь вирус имеет размер около 100 нм, что намного меньше любой клетки.
Обобщенный вирус: нуклеиновая кислота внутри белкового капсида, с липидной оболочкой у некоторых вирусов.
У вируса нет цитоплазмы, органелл и рибосом. Он не может дышать или синтезировать собственные белки. Он может только копировать себя внутри живой хозяинской клетки, поэтому находится на границе того, что мы называем «живым».
Explore · Исследовать
Explore a virus · Исследование вируса
A virus is non-cellular — just a few parts. Tap each one: there is no cytoplasm, no organelles and no ribosomes. · Вирус неклеточен — состоит лишь из нескольких частей. Нажмите на каждую: нет цитоплазмы, нет органоидов и нет рибосом.
Magnification $=$ image size $\div$ actual size — convert units first ($\text{mm} \leftrightarrow \mu\text{m} \leftrightarrow \text{nm}$), then rearrange for whichever is unknown.
Distinguish magnification (how many times larger) from resolution (smallest distance still seen as two points); electron microscopes resolve more because electrons have a shorter wavelength.
Give each organelle a structure + function pair (e.g. mitochondrion: folded inner membrane → aerobic respiration).
State the prokaryote vs eukaryote differences exactly: no nucleus, smaller (70S) ribosomes, no membrane-bound organelles, circular DNA.
Viruses are non-living — describe them only by capsid, genetic material and (sometimes) an envelope.
Русский
Увеличение $=$ размер изображения $\div$ реальный размер — переведите единицы измерения сначала ($\text{mm} \leftrightarrow \mu\text{m} \leftrightarrow \text{nm}$), затем преобразуйте формулу для поиска любого неизвестного значения.
Различайте увеличение (во сколько раз больше) и разрешающую способность (наименьшее расстояние, при котором видны две отдельные точки); электронные микроскопы обеспечивают лучшее разрешение, так как длина волны электронов короче.
Для каждой органеллы дайте пару «строение + функция» (например, митохондрия: складчатая внутренняя мембрана → аэробное дыхание).
Точно указывайте различия между прокариотами и эукариотами: отсутствие ядер, более мелкие рибосомы (70S), отсутствие мембранных органелл, кольцевая ДНК.
Вирусы неживые — описывайте их только по наличию капсида, генетического материала и (иногда) оболочки.
Testing for biological molecules · Тестирование биологических молекул
Syllabus · Программа
English
describe and carry out the Benedict’s test for reducing sugars, the iodine test for starch, the emulsion test for lipids and the biuret test for proteins
describe and carry out a semi-quantitative Benedict’s test on a reducing sugar solution by standardising the test and using the results (time to first colour change or comparison to colour standards) to estimate the concentration
describe and carry out a test to identify the presence of non-reducing sugars, using acid hydrolysis and Benedict’s solution
Русский
опишите и проведите тест Бенедикта на восстанавливающие сахара, тест с йодом на крахмал, эмульсионный тест на липиды и биуретовый тест на белки
опишите и проведите полуквантитативный тест Бенедикта на раствор восстанавливающего сахара, стандартизируя тест и используя результаты (время до первого изменения цвета или сравнение со цветовыми эталонами) для оценки концентрации
описать и провести тест для выявления нередуцирующих сахаров, используя кислотный гидролиз и раствор Бенедикта
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Living things are built from four main kinds of large molecule 分子: carbohydrates 碳水化合物, lipids 脂质, proteins 蛋白质 and nucleic acids 核酸. You can use simple chemical tests to find out which kinds are present in a sample.
Test
What it finds
Method
Positive result
Benedict's test
reducing sugar 还原糖
add Benedict's solution and heat in a water bath
blue changes to green, yellow, orange, then brick-red precipitate 沉淀
iodine test
starch 淀粉
add orange-brown iodine 碘 solution
colour changes to blue-black
emulsion test
lipid
mix sample with ethanol, then pour into water
a white, cloudy emulsion 乳浊液 forms
biuret 双缩脲 test
protein
add biuret solution at room temperature
blue changes to purple
Semi-quantitative Benedict's test
The normal Benedict's test only tells you "yes or no". A semi-quantitative 半定量 test gives a rough amount. First you standardise 标准化 the test: you run it on solutions of known concentration 浓度 and record the result for each. Then you can estimate an unknown by either:
the time to the first colour change (more sugar changes colour faster), or
comparing the final colour to your set of colour standards.
Testing for non-reducing sugars
Some sugars, such as sucrose, are non-reducing sugar 非还原糖: they give a negative Benedict's test. To detect them:
Do a normal Benedict's test first. It stays blue (no reducing sugar).
Take a fresh sample and add dilute hydrochloric acid 盐酸, then heat. This acid hydrolysis breaks the sugar into smaller reducing sugars.
Cool, then neutralise 中和 the acid with sodium hydrogencarbonate.
Now do the Benedict's test again. A brick-red colour shows a non-reducing sugar was present.
Worked example. A solution gives a negative Benedict's test. It is then boiled with dilute hydrochloric acid, neutralised with sodium hydrogencarbonate, and re-tested with Benedict's - now it turns brick-red. What was present, and why is each step needed? The first negative result rules out a reducing sugar. Boiling with acid hydrolyses the glycosidic bond, splitting a non-reducing sugar such as sucrose into its reducing monosaccharides. The neutralising step is essential because Benedict's only works in alkaline conditions - skip it and the test fails even when sugar is present. The positive re-test therefore shows a non-reducing sugar was there all along. Quote the first, negative test as part of the answer: without it, the final red colour cannot tell a non-reducing sugar from a reducing one.
Русский
Живые организмы построены из четырех основных видов крупных молекул: углеводов, липидов, белков и нуклеиновых кислот. Вы можете использовать простые химические реакции, чтобы определить, какие из них присутствуют в образце.
Реакция Бенедикта: синий цвет переходит в зеленый, затем оранжевый и finally кирпично-красный по мере увеличения количества восстанавливающего сахара.
Тест
Что обнаруживает
Метод
Положительный результат
Реакция Бенедикта
восстанавливающий сахар
добавьте раствор Бенедикта и нагрейте в водяной бане
синий цвет меняется на зеленый, желтый, оранжевый, затем выпадает кирпично-красный осадок
Йодный тест
крахмал
добавьте оранжево-коричневый раствор иода
цвет меняется на сине-черный
Эмульсионный тест
липид
смешайте образец со спиртом, затем влейте в воду
образуется белый мутный эмульсия
Реакция Биурета
белок
добавьте реактив Биурета при комнатной температуре
синий цвет меняется на фиолетовый
Полуквантитативный тест Бенедикта
Обычная реакция Бенедикта дает только ответ «да» или «нет». Полуквантитативный тест дает приблизительное количество вещества. Сначала вы стандартизируете тест: проводите его на растворах известной концентрации и фиксируйте результат для каждого. Затем можно оценить неизвестное количество одним из следующих способов:
время до первого изменения цвета (больше сахара — быстрее изменение цвета), или
сравнения конечного цвета с вашим набором цветовых стандартов.
Тестирование на невосстанавливающие сахара
Некоторые сахара, например сахароза, являются невосстанавливающими сахарами: они дают отрицательную реакцию Бенедикта. Для их выявления:
Сначала проведите обычную реакцию Бенедикта. Цвет остается синим (нет восстанавливающего сахара).
Возьмите свежий образец и добавьте разбавленную соляную кислоту, затем нагрейте. Эта кислотная гидролиз расщепляет сахар на более мелкие восстанавливающие сахара.
Остудите, затем нейтрализуйте кислоту гидрокарбонатом натрия.
Теперь снова проведите реакцию Бенедикта. Кирпично-красный цвет указывает на наличие невосстанавливающего сахара.
Тестирование на невосстанавливающий сахар: сначала гидролизуйте его кислотой, тогда второй тест Бенедикта станет красным.
Разобранный пример. Раствор дает отрицательную реакцию Бенедикта. Затем его кипятят с разбавленной соляной кислотой, нейтрализуют гидрокарбонатом натрия и повторно тестируют реакцией Бенедикта — теперь он становится кирпично-красным. Что присутствовало изначально и почему необходим каждый шаг? Первый отрицательный результат исключает наличие восстанавливающего сахара. Кипячение с кислотой гидролизует гликозидную связь, расщепляя невосстанавливающий сахар, такой как сахароза, на восстанавливающие моносахариды. Шаг нейтрализации обязателен, потому что реакция Бенедикта работает только в щелочных условиях — если его пропустить, тест не сработает даже при наличии сахара. Поэтому положительный повторный тест показывает, что изначально там был невосстанавливающий сахар. Цитируйте первый, отрицательный тест в ответе: без него финальный красный цвет не позволяет отличить невосстанавливающий сахар от восстанавливающего.
Explore · Исследовать
Testing for a non-reducing sugar · Тестирование на нередуцирующий сахар
Step through the trick: a non-reducing sugar stays blue, so you hydrolyse it with acid, neutralise, then re-test. · Проход через хитрость: нередуцирующий сахар остается синим, поэтому его гидролизируют кислотой, нейтрализуют, затем повторно тестируют.
2.2
Carbohydrates · Углеводы
Syllabus · Программа
English
describe and draw the ring forms of α-glucose and β-glucose
define the terms monomer, polymer, macromolecule, monosaccharide, disaccharide and polysaccharide
state the role of covalent bonds in joining smaller molecules together to form polymers
state that glucose, fructose and maltose are reducing sugars and that sucrose is a non-reducing sugar
describe the formation of a glycosidic bond by condensation, with reference to disaccharides, including sucrose, and polysaccharides
describe the breakage of a glycosidic bond in polysaccharides and disaccharides by hydrolysis, with reference to the non-reducing sugar test
describe the molecular structure of the polysaccharides starch (amylose and amylopectin) and glycogen and relate their structures to their functions in living organisms
describe the molecular structure of the polysaccharide cellulose and outline how the arrangement of cellulose molecules contributes to the function of plant cell walls
state that triglycerides are non-polar hydrophobic molecules and describe the molecular structure of triglycerides with reference to fatty acids (saturated and unsaturated), glycerol and the formation of ester bonds
relate the molecular structure of triglycerides to their functions in living organisms
describe the molecular structure of phospholipids with reference to their hydrophilic (polar) phosphate heads and hydrophobic (non-polar) fatty acid tails
Русский
описать и нарисовать кольцевые формы α-глюкозы и β-глюкозы
определить термины мономер, полимер, макромолекула, моносахарид, дисахарид и полисахарид
указать роль ковалентных связей в соединении меньших молекул вместе для образования полимеров
указать, что глюкоза, фруктоза и мальтоза являются редуцирующими сахарами, а сахароза — нередуцирующим сахаром
описать образование гликозидной связи при конденсации с упоминанием дисахаридов, включая сахарозу, и полисахаридов
описать разрыв гликозидной связи в полисахаридах и дисахаридах путем гидролиза, с упоминанием теста на нередуцирующие сахара
описать молекулярную структуру полисахаридов крахмала (амилоза и амилопектин) и гликогена и связать их структуры с функциями в живых организмах
описать молекулярную структуру полисахарида целлюлозы и изложить, как расположение молекул целлюлозы способствует функции клеточных стенок растений
указать, что триглицериды являются неполярными гидрофобными молекулами, и описать молекулярную структуру триглицеридов с упоминанием жирных кислот (насыщенных и ненасыщенных), глицерина и образования эфирных связей
связать молекулярную структуру триглицеридов с их функциями в живых организмах
описать молекулярную структуру фосфолипидов с упоминанием их гидрофильных (полярных) фосфатных головок и гидрофобных (неполярных) жирнокислотных хвостов
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Monomers, polymers and macromolecules
a monomer 单体 is a small molecule that is a single unit.
a polymer 聚合物 is a long molecule made of many monomers joined together.
a macromolecule 大分子 is any very large molecule.
Sugars come in three sizes:
a monosaccharide 单糖 is a single sugar unit, such as glucose 葡萄糖 and fructose.
a disaccharide 二糖 is two units joined, such as maltose and sucrose.
a polysaccharide 多糖 is many units joined into a polymer.
Glucose, fructose 果糖 and maltose 麦芽糖 are reducing sugars. Sucrose 蔗糖 is a non-reducing sugar.
Two ring forms of glucose
Glucose has six carbon atoms and forms a ring. There are two ring forms. They differ only at carbon 1:
in α-glucose, the –OH group on carbon 1 points down, below the ring.
in β-glucose, the –OH group on carbon 1 points up, above the ring.
This small difference decides which polysaccharide the glucose can build.
Joining and breaking sugars
Monomers are joined by strong covalent bonds 共价键. When two sugars join, a glycosidic bond 糖苷键 forms between them. This happens by condensation 缩合: a molecule of water is removed each time a bond forms.
The reverse is hydrolysis 水解: a water molecule is added to break a glycosidic bond. This is why the non-reducing sugar test needs acid and heat — they hydrolyse sucrose into glucose and fructose.
Storage polysaccharides: starch and glycogen
Starch is the energy 能量 store in plants. It is made of two polymers of α-glucose:
amylose 直链淀粉 — a long, unbranched chain that coils into a spiral.
amylopectin 支链淀粉 — a chain with many side branches.
Glycogen 糖原 is the energy store in animals. It is like amylopectin but has even more branches, so it can be broken down quickly when energy is needed.
These stores suit their job well: they are compact, they are insoluble 不溶 (so they do not leave the cell), and they do not change the water potential 水势 of the cell (so they do not pull water in by osmosis 渗透). The many branches give many ends, so glucose can be added or removed fast.
Cellulose
Cellulose 纤维素 is made of β-glucose. Because of the β form, every other glucose is flipped over, so the chains are long and straight. Many straight chains lie side by side and are held together by hydrogen bonds 氢键 into strong bundles called microfibrils 微纤丝. These give the plant cell wall 细胞壁 its strength and stop the cell bursting.
Русский
Мономер, полимер и макромолекула
мономер — это маленькая молекула, являющаяся отдельной единицей.
полимер — это длинная молекула, состоящая из множества соединенных вместе мономеров.
макромолекула — это любая очень большая молекула.
Сахара делятся на три размера:
моносахарид — это единая сахарная единица, такая как глюкоза и фруктоза.
двуссахарид — это две единицы, соединённые вместе, например мальтоза и сахароза.
полисахарид — это множество единиц, соединённых в полимер.
Глюкоза, фруктоза и мальтоза являются восстанавливающими сахарами. Сахароза является невосстанавливающим сахаром.
Две кольцевые формы глюкозы
Глюкоза содержит шесть атомов углерода и образует кольцо. Существует две кольцевые формы. Они отличаются только у атома углерода 1:
в α-глюкозе группа –OH у атома углерода 1 направлена вниз, под кольцо.
в β-глюкозе группа –OH у атома углерода 1 направлена вверх, над кольцом.
Это небольшое различие определяет, какой полисахарид может построить глюкоза.
Две кольцевые формы отличаются только у атома углерода 1: группа –OH направлена вниз в α-форме, вверх в β-форме
Соединение и расщепление сахаров
Мономеры соединяются прочными ковалентными связями. Когда два сахара соединяются, между ними образуется гликозидная связь. Это происходит путём конденсации: каждый раз, когда образуется связь, удаляется молекула воды.
Обратный процесс — это гидролиз: для разрыва гликозидной связи добавляется молекула воды. Именно поэтому тест на невосстанавливающие сахара требует кислоты и нагревания — они гидролизуют сахарозу на глюкозу и фруктозу.
Конденсация удаляет воду для соединения мономеров; гидролиз добавляет воду для их расщепления
Запасающие полисахариды: крахмал и гликоген
Крахмал — это запас энергии у растений. Он состоит из двух полимеров α-глюкозы:
амилоза — длинная неразветвлённая цепь, сворачивающаяся в спираль.
амилопектин — цепь со многими боковыми ответвлениями.
Гликоген — это запас энергии у животных. Он похож на амилопектин, но имеет ещё больше ответвлений, поэтому может быстро расщепляться при необходимости энергии.
Эти запасы хорошо подходят для своей функции: они компактные, они нерастворимы (поэтому не покидают клетку) и не изменяют водный потенциал клетки (поэтому не затягивают воду внутрь путём осмоса). Множество ответвлений создают много концов, поэтому глюкозу можно быстро добавлять или удалять.
Настоящие крахмальные зерна внутри картофеля, окрашенные йодом. Каждое зерно представляет собой плотный нерастворимый пакет амилозы и амилопектина — обратите внимание на масштаб: самые крупные имеют диаметр всего около 0.1 мм
Целлюлоза
Целлюлоза состоит из β-глюкозы. Из-за β-формы каждая следующая молекула глюкозы перевернута, поэтому цепи длинные и прямые. Многие прямые цепи расположены рядом и удерживаются вместе водородными связями, образуя прочные пучки, называемые микрофибриллами. Они придают клеточной стенке растения прочность и предотвращают её разрыв.
Форма соответствует функции: амилоза сворачивается, а амилопектин/гликоген ветвятся (для компактных запасов), тогда как прямые цепи целлюлозы упаковываются в прочные волокна
Explore · Исследовать
Condensation and hydrolysis · Конденсация и гидролиз
Step through how two sugars join. Condensation removes one water to make the bond; hydrolysis is the reverse — adding water splits it again. · Проанализируйте, как две молекулы сахаров соединяются. Конденсация удаляет одну молекулу воды для образования связи; гидролиз — это обратный процесс: добавление воды снова расщепляет связь.
A triglyceride 甘油三酯 is the main fat or oil. It is non-polar 非极性 and hydrophobic 疏水 (it does not mix with water). It is made from one glycerol 甘油 molecule joined to three fatty acids 脂肪酸 by ester bonds 酯键. Each ester bond forms by condensation, so three water molecules are removed.
Fatty acids are of two kinds:
saturated 饱和 — no carbon–carbon double bonds 双键; these fats are usually solid.
unsaturated 不饱和 — one or more double bonds; these oils are usually liquid.
Triglycerides make a good long-term energy store: they release about twice as much energy per gram as carbohydrates, they are insoluble, and they store little extra mass because they hold no water. Under the skin they also give insulation 隔热 and protect the organs.
Phospholipids
A phospholipid 磷脂 is like a triglyceride, but one fatty acid is replaced by a phosphate 磷酸 group. This gives the molecule two ends with different behaviour:
a hydrophilic 亲水 ("water-loving") polar 极性 phosphate head.
two hydrophobic ("water-fearing") fatty acid tails.
This split personality is why phospholipids form the membranes around cells.
Русский
Триглицериды
Триглицерид — это основной жир или масло. Он неполярный и гидрофобный (не смешивается с водой). Он состоит из одной молекулы глицерина, соединённой с тремя жирными кислотами посредством эфирных связей. Каждая эфирная связь образуется путём конденсации, поэтому удаляются три молекулы воды.
Один глицерин плюс три хвоста жирных кислот; прямой хвост — насыщенный, изогнутый — ненасыщенный
Жирные кислоты бывают двух видов:
насыщенные — без двойных связей между атомами углерода; эти жиры обычно твёрдые.
ненасыщенные — с одной или несколькими двойными связями; эти масла обычно жидкие.
Триглицериды служат хорошим долгосрочным запасом энергии: они выделяют примерно вдвое больше энергии на грамм, чем углеводы, они нерастворимы и занимают мало места, так как не содержат воды. Под кожей они также обеспечивают теплоизоляцию и защищают органы.
Фосфолипиды
Фосфолипид похож на триглицерид, но одна жирная кислота заменена на группу фосфата. Это придаёт молекуле два конца с разным поведением:
гидрофильная («любящая воду») полярная головка из фосфата.
два гидрофобных («боящихся воды») хвоста жирных кислот.
Именно это двойственное поведение объясняет, почему фосфолипиды образуют мембраны вокруг клеток.
Watch one glycerol join three fatty acids. Each ester bond forms by condensation, removing one water — three bonds, three waters. · Посмотрите, как один глицерин присоединяется к трем жирным кислотам. Каждая эфирная связь образуется путем конденсации с удалением одной молекулы воды — три связи, три молекулы воды.
describe and draw the general structure of an amino acid and the formation and breakage of a peptide bond
explain the meaning of the terms primary structure, secondary structure, tertiary structure and quaternary structure of proteins
describe the types of interaction that hold protein molecules in shape: • hydrophobic interactions • hydrogen bonding • ionic bonding • covalent bonding, including disulfide bonds
state that globular proteins are generally soluble and have physiological roles and fibrous proteins are generally insoluble and have structural roles
describe the structure of a molecule of haemoglobin as an example of a globular protein, including the formation of its quaternary structure from two alpha (α) chains (α–globin), two beta (β) chains (β–globin) and a haem group
relate the structure of haemoglobin to its function, including the importance of iron in the haem group
describe the structure of a molecule of collagen as an example of a fibrous protein, and the arrangement of collagen molecules to form collagen fibres
relate the structures of collagen molecules and collagen fibres to their function
Русский
описать и нарисовать общую структуру аминокислоты и образование и разрыв пептидной связи
объяснить значение терминов первичная структура, вторичная структура, третичная структура и четвертичная структура белков
описать типы взаимодействий, удерживающих молекулы белков в форме: • гидрофобные взаимодействия • водородные связи • ионные связи • ковалентные связи, включая дисульфидные мостики
указать, что глобулярные белки обычно растворимы и выполняют физиологические функции, а фибриллярные белки обычно нерастворимы и выполняют структурные функции
описать структуру молекулы гемоглобина как пример глобулярного белка, включая образование его четвертичной структуры из двух альфа (α) цепей (α–глобин), двух бета (β) цепей (β–глобин) и гемовой группы
связать структуру гемоглобина с его функцией, включая важность железа в гемовой группе
описать структуру молекулы коллагена как пример фибриллярного белка, и расположение молекул коллагена для образования коллагеновых волокон
связать структуры молекул коллагена и коллагеновых волокон с их функцией
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Amino acids and the peptide bond
Proteins are polymers of amino acids 氨基酸. Every amino acid has the same general structure around a central carbon atom: an amino group 氨基 (–NH₂), a carboxyl group 羧基 (–COOH), a hydrogen atom, and a variable side chain 侧链 (the R group). The R group is different in each amino acid.
Two amino acids join by condensation. The bond formed between the amino group of one and the carboxyl group of the next is a peptide bond 肽键, and a water molecule is removed. Many amino acids joined this way make a polypeptide 多肽. Adding water (hydrolysis) breaks a peptide bond.
Four levels of protein structure
Level
What it means
primary structure 一级结构
the order of amino acids in the chain
secondary structure 二级结构
local shapes — the α-helix 螺旋 and the β-pleated sheet 折叠片 — held by hydrogen bonds
tertiary structure 三级结构
the whole chain folded into a precise 3-D shape
quaternary structure 四级结构
two or more polypeptide chains joined into one protein
The folded shape is held together by four kinds of interaction between R groups:
hydrophobic interactions 疏水作用 (non-polar R groups cluster away from water).
hydrogen bonding.
ionic bonds 离子键 (between charged R groups).
covalent bonding, including strong disulfide bonds 二硫键.
Globular and fibrous proteins
globular proteins 球状蛋白质 fold into a rounded shape, are usually soluble 可溶, and do jobs in the body (for example enzymes and haemoglobin).
fibrous proteins 纤维状蛋白质 form long strands, are usually insoluble, and give structure and support (for example collagen).
Haemoglobin — a globular protein
Haemoglobin 血红蛋白 carries oxygen 氧气 in red blood cells. It has a quaternary structure made of four polypeptide chains: two alpha (α-globin) chains and two beta (β-globin) chains. Each chain holds a haem group 血红素. At the centre of each haem group is an iron 铁 atom, and this is where one oxygen molecule binds. Four chains mean one haemoglobin molecule can carry four oxygen molecules.
Collagen — a fibrous protein
Collagen 胶原蛋白 gives strength to skin, tendons 肌腱, bone and blood vessel walls. One collagen molecule is three polypeptide chains wound tightly around each other in a triple strand, held by hydrogen bonds. Many of these molecules lie side by side, slightly staggered, and are cross-linked into thick fibres 纤维. The staggered, cross-linked arrangement makes collagen very strong when pulled.
Русский
Аминокислоты и пептидная связь
Белки — это полимеры аминокислот. Каждая аминокислота имеет одинаковую общую структуру вокруг центрального атома углерода: аминогруппу (–NH₂), карбоксильную группу (–COOH), атом водорода и переменную боковую цепь (группу R). Группа R отличается в каждой аминокислоте.
Две аминокислоты соединяются путём конденсации. Связь, образующаяся между аминогруппой одной и карбоксильной группой следующей, называется пептидной связью, и удаляется молекула воды. Многие аминокислоты, соединённые таким образом, образуют полипептид. Добавление воды (гидролиз) разрывает пептидную связь.
У каждой аминокислоты есть аминогруппа, карбоксильная группа и R-группа; две аминокислоты соединяются пептидной связью
Четыре уровня структуры белка
Уровень
Что это означает
первичная структура
порядок аминокислот в цепи
вторичная структура
локальные формы — α-спираль и β-складчатый слой — удерживаются водородными связями
третичная структура
вся цепь сворачивается в точную 3-D форму
четвертичная структура
две или более полипептидных цепи, объединённых в один белок
Четыре уровня: первичная → вторичная → третичная → четвертичная структура
Сложенная форма удерживается четырьмя видами взаимодействий между R-группами:
гидрофобные взаимодействия (неполярные R-группы группируются вдали от воды).
водородное связывание.
ионные связи (между заряженными R-группами).
ковалентное связывание, включая прочные дисульфидные связи.
Глобулярные и фибриллярные белки
глобулярные белки складываются в округлую форму, обычно растворимы и выполняют функции в организме (например, ферменты и гемоглобин).
фибриллярные белки образуют длинные нити, обычно нерастворимы и обеспечивают структуру и поддержку (например, коллаген).
Гемоглобин — глобулярный белок
Гемоглобин переносит кислород в эритроцитах. Он имеет четвертичную структуру, состоящую из четырех полипептидных цепей: двух альфа (α-глобин) цепей и двух бета (β-глобин) цепей. Каждая цепь содержит гемовую группу. В центре каждой гемовой группы находится атом железа, именно здесь связывается одна молекула кислорода. Наличие четырех цепей означает, что одна молекула гемоглобина может переносить четыре молекулы кислорода.
Настоящая молекула гемоглобина, реконструированная по данным рентгеновской дифракции. Посчитайте их: две альфа-цепи (красные), две бета-цепи (синие) и одна зеленая гемовая группа, удерживаемая каждой — всего четыре молекулы кислорода
Коллаген — фибриллярный белок
Коллаген придает прочность коже, сухожилиям, костям и стенкам кровеносных сосудов. Одна молекула коллагена состоит из трех полипептидных цепей, плотно намотанных друг на друга в тройную спираль, удерживаемых водородными связями. Множество таких молекул расположены рядом, со смещением, и перекрестно связаны в толстые волокна. Смещенное, перекрестно связанное расположение делает коллаген очень прочным при растяжении.
Explore · Исследовать
The four levels of protein structure · Четыре уровня структуры белка
Build a protein up one level at a time: sequence → local shapes → a folded 3-D shape → several chains joined. · Постройте белок, повышая уровень его сложности: последовательность → локальные формы → свёрнутая 3D-структура → несколько соединённых цепей.
explain how hydrogen bonding occurs between water molecules and relate the properties of water to its roles in living organisms, limited to solvent action, high specific heat capacity and latent heat of vaporisation
Русский
объяснить, как происходит водородная связь между молекулами воды, и связать свойства воды с ее ролями в живых организмах, ограничиваясь растворяющим действием, высокой удельной теплоемкостью и теплотой испарения
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Water is a small molecule, but its two O–H bonds are polar: the oxygen end is slightly negative and the hydrogen ends are slightly positive. So one water molecule attracts its neighbours, forming weak hydrogen bonds between them. These hydrogen bonds explain water's useful properties:
solvent action — water is a good solvent 溶剂, so many substances dissolve in it. This lets reactions happen and lets substances be carried around the body.
high specific heat capacity 比热容 — water needs a lot of energy to warm up, so its temperature stays steady. This protects living things from quick temperature changes.
latent heat of vaporisation 汽化潜热 — water needs a lot of energy to evaporate 蒸发. So when water evaporates (for example as sweat dries), it carries away a lot of heat and cools the body.
Русский
Вода — маленькая молекула, но её две O–H связи полярны: конец у кислорода слегка отрицателен, а концы у атомов водорода слегка положительны. Поэтому одна молекула воды притягивает соседние, образуя слабые водородные связи между ними. Эти водородные связи объясняют полезные свойства воды:
свойство растворителя — вода является хорошим растворителем, поэтому многие вещества растворяются в ней. Это позволяет химическим реакциям происходить и веществам транспортироваться по организму.
высокая удельная теплоёмкость — воде требуется много энергии для нагревания, поэтому её температура остается стабильной. Это защищает живые организмы от резких изменений температуры.
теплота парообразования — воде требуется много энергии для испарения. Поэтому при испарении воды (например, при высыхании пота) она уносит много тепла и охлаждает тело.
Вода полярна (δ− кислород, δ+ водород), поэтому её молекулы притягивают друг друга водородными связями — причина всех вышеуказанных свойств
Explore · Исследовать
Why water is polar · Почему вода полярна
Tap each part. Oxygen pulls the shared electrons closer, so it is slightly negative and the hydrogens slightly positive — and these opposite charges form hydrogen bonds. · Нажмите на каждую часть. Кислород притягивает общие электроны ближе к себе, поэтому он слегка отрицательный, а атомы водорода слегка положительные — и эти противоположные заряды образуют водородные связи.
Learn each food test as reagent + positive result + colour change (Benedict's → brick-red; iodine → blue-black; biuret → purple; emulsion → white).
Benedict's detects reducing sugars; for a non-reducing sugar you must hydrolyse with acid first, then re-test.
Name the bond precisely: glycosidic (carbohydrates), ester (lipids), peptide (proteins) — all made by condensation (water removed).
Link structure to function: cellulose (straight chains, H-bonds → strong), glycogen/starch (branched/coiled → compact store).
For proteins, name the bond at each level: primary (peptide), secondary (hydrogen), tertiary (R-group interactions), quaternary.
Русский
Запомните каждый химический тест на питательные вещества как реагент + положительный результат + изменение цвета (Бенедикт → кирпично-красный; йод → сине-черный; биурет → фиолетовый; эмульсия → белый).
Бенедикт обнаруживает восстанавливающие сахара; для невосстанавливающего сахара нужно сначала гидролизовать кислотой, затем повторить тест.
Называйте связь точно: гликозидная (углеводы), эфирная (липиды), пептидная (белки) — все они образуются при конденсации (выделение воды).
Связывайте структуру с функцией: целлюлоза (прямые цепи, H-связи → прочность), гликоген/крахмал (разветвленные/спиральные → компактное хранение).
Для белков назовите связи на каждом уровне: первичная (пептидная), вторичная (водородная), третичная (взаимодействия R-групп), четвертичная.
state that enzymes are globular proteins that catalyse reactions inside cells (intracellular enzymes) or are secreted to catalyse reactions outside cells (extracellular enzymes)
explain the mode of action of enzymes in terms of an active site, enzyme–substrate complex, lowering of activation energy and enzyme specificity, including the lock-and-key hypothesis and the induced-fit hypothesis
investigate the progress of enzyme-catalysed reactions by measuring rates of formation of products using catalase and rates of disappearance of substrate using amylase
outline the use of a colorimeter for measuring the progress of enzyme-catalysed reactions that involve colour changes
Русский
указать, что ферменты — это глобулярные белки, которые катализируют реакции внутри клеток (внутриклеточные ферменты) или секретируются для катализа реакций вне клеток (внеклеточные ферменты)
объяснить механизм действия ферментов с терминами активный центр, комплекс фермент–субстрат, снижение энергии активации и специфичность фермента, включая гипотезу «ключ-замок» и гипотезу индуцированного соответствия
исследовать ход ферментативно-катализируемых реакций, измеряя скорости образования продуктов с использованием каталазы и скорости исчезновения субстрата с использованием амилазы
изложить использование колориметра для измерения хода ферментативно-катализируемых реакций, связанных со сменой цвета
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Enzyme action: lock and key
Enzymes 酶 are globular proteins 球状蛋白质 — a type of protein 蛋白质 with a rounded, soluble shape. They are biological catalysts: they catalyse 催化 (speed up) the chemical reactions in living things, and they are not used up, so each enzyme works again and again.
Enzymes work in two places:
intracellular 细胞内 enzymes work inside the cell 细胞 that made them. An example is catalase 过氧化氢酶, which breaks down harmful hydrogen peroxide.
extracellular 细胞外 enzymes are secreted 分泌 (sent out) to work outside the cell. An example is amylase 淀粉酶, which is released into the gut to digest 消化starch 淀粉.
Русский
Действие фермента: ключ и замок
Ферменты — это глобулярные белки — вид белка с округлой, растворимой формой. Они являются биологическими катализаторами: они катализируют (ускоряют) химические реакции в живых организмах и не расходуются, поэтому каждый фермент работает многократно.
Ферменты действуют в двух местах:
внутриклеточные ферменты работают внутри клетки, которая их синтезировала. Пример — каталаза, которая расщепляет вредный перекись водорода.
внеклеточные ферменты секретируются (выделяются наружу) для работы вне клетки. Пример — амилаза, которая выделяется в кишечник для пищеварениякрахмала.
Дрожжевые ферменты брожат сахар, выделяя пузырьки углекислого газа
Each enzyme has a special pocket called the active site 活性位点. The molecule it acts on is its substrate 底物. The substrate fits into the active site to form an enzyme–substrate complex 酶底物复合物. The reaction then happens, and the products 产物 leave, freeing the active site for the next substrate.
Specificity
An enzyme is specific: it usually works on only one substrate. This is because the shape of the active site is complementary 互补 to (fits) the shape of that substrate and no other. We call this specificity 专一性.
Two ideas explain how the substrate fits:
the lock-and-key hypothesis 锁钥学说 — the active site is a fixed shape, and only a substrate with the matching shape fits, like a key in a lock.
the induced-fit hypothesis 诱导契合学说 — the active site is not quite the right shape at first. When the substrate binds, the active site changes shape a little to wrap around it tightly. This idea fits the evidence better.
Lowering activation energy
Every reaction needs a small "push" of energy to start, called the activation energy 活化能. An enzyme lowers the activation energy. This lets the reaction go quickly at the cell's normal temperature 温度, instead of needing high heat.
Русский
У каждой фермента есть специальное углубление, называемое активным центром. Молекула, на которую он воздействует, является его субстратом. Субстрат помещается в активный центр, образуя комплекс фермент–субстрат. Затем происходит реакция, и продукты покидают активный центр, освобождая его для следующего субстрата.
Специфичность
Фермент специфичен: обычно он действует только на один субстрат. Это происходит потому, что форма активного центра комплементарна (соответствует) форме именно этого субстрата и не подходит ни к какому другому. Мы называем это специфичностью.
Существуют две концепции, объясняющие, как субстрат помещается в активный центр:
гипотеза «ключ-замок» — активный центр имеет фиксированную форму, и в него помещается только субстрат с соответствующей формой, как ключ в замке.
гипотеза индуцированного соответствия — активный центр сначала не совсем подходит по форме. Когда субстрат связывается, активный центр немного меняет свою форму, чтобы плотно обхватить его. Эта идея лучше соответствует фактическим данным.
Гипотеза «ключ-замок»: фиксированный активный центр. Индуцированное соответствие: активный центр меняет форму, чтобы удерживать субстрат
Снижение энергии активации
Каждой реакции требуется небольшой «толчок» энергии для начала, который называется энергия активации. Фермент снижает энергию активации. Это позволяет реакции протекать быстро при нормальной температуре клетки, без необходимости в высоком нагреве.
Путь с ферментом имеет меньшую энергию активации ($E_A$), поэтому больше молекул могут вступить в реакцию
Explore · Исследовать
The catalytic cycle · Каталитический цикл
Step through the cycle. The enzyme binds its substrate, the reaction happens, the products leave — and the same enzyme is free to go again. · Пройдите через цикл. Фермент связывает свой субстрат, происходит реакция, продукты покидают — и тот же самый фермент снова свободен для новой реакции.
Measuring the rate of a reaction · Измерение скорости реакции
English
You can follow an enzyme reaction in two ways:
measure how fast product is made. With catalase, oxygen gas is a product, so you collect the gas and measure its volume over time.
measure how fast substrate disappears. With amylase, you remove samples and use the iodine test; the blue-black colour fades as the starch is used up.
A colorimeter 比色计 makes this exact. It shines light through the tube and measures how much light is absorbed, so a colour change becomes a number you can plot.
The rate of reaction 反应速率 is steepest at the start (most substrate present), so the initial rate (the slope at time zero) is the fairest value to compare.
Worked example. In the first $20$ seconds of a catalase reaction, $16\ \text{cm}^3$ of oxygen is collected. Estimate the rate of reaction.
$$\text{rate} = \frac{\text{volume of product}}{\text{time}} = \frac{16}{20} = 0.8\ \text{cm}^3\,\text{s}^{-1}.$$
Because the reaction is fastest at the start, measuring over this short early interval gives a value close to the initial rate; averaging over a longer time would include the slower later stages and underestimate it.
Русский
Вы можете отслеживать ферментативную реакцию двумя способами:
измерять скорость образования продукта. С каталазой продуктом является кислород, поэтому вы собираете газ и измеряете его объем со временем.
измерять скорость исчезновения субстрата. С амилазой вы отбирают пробы и используют йодный тест; сине-черная окраска бледнеет по мере расходования крахмала.
Колориметр делает это точно. Он пропускает свет через пробирку и измеряет поглощение света, так что изменение цвета превращается в числовое значение, которое можно построить на графике.
Скорость реакции наиболее крутая в начале (когда субстрата больше всего), поэтому начальная скорость (наклон касательной в момент времени ноль) является наиболее объективным значением для сравнения.
Продукт накапливается быстрее всего в начале; начальная скорость — это наклон касательной в момент времени ноль — наиболее объективное значение для сравнения
Решенный пример. За первые $20$ секунд реакции каталазы собирается $16\ \text{cm}^3$ кислорода. Оцените скорость реакции.
$$\text{rate} = \frac{\text{volume of product}}{\text{time}} = \frac{16}{20} = 0.8\ \text{cm}^3\,\text{s}^{-1}.$$
Поскольку реакция fastest в начале, измерение за этот короткий начальный интервал дает значение, близкое к начальной скорости; усреднение за более длительный период включало бы более медленные последующие этапы и занизило бы результат.
Factors that affect enzyme activity · Факторы, влияющие на активность фермента
Syllabus · Программа
English
investigate and explain the effects of the following factors on the rate of enzyme-catalysed reactions: • temperature • pH (using buffer solutions) • enzyme concentration • substrate concentration • inhibitor concentration
explain that the maximum rate of reaction ($V_{\text{max}}$) is used to derive the Michaelis–Menten constant ($K_{\text{m}}$), which is used to compare the affinity of different enzymes for their substrates
explain the effects of reversible inhibitors, both competitive and non-competitive, on enzyme activity
investigate the difference in activity between an enzyme immobilised in alginate and the same enzyme free in solution, and state the advantages of using immobilised enzymes
Русский
исследовать и объяснить влияние следующих факторов на скорость ферментативно-катализируемых реакций: • температура • pH (с использованием буферных растворов) • концентрация фермента • концентрация субстрата • концентрация ингибитора
объяснить, что максимальная скорость реакции ($V_{\text{max}}$) используется для вывода константы Михаэлиса–Ментен ($K_{\text{m}}$), которая применяется для сравнения аффинности различных ферментов к своим субстратам
объяснить влияние обратимых ингибиторов, как конкурентных, так и неконкурентных, на активность ферментов
исследовать различия в активности иммобилизованного в альгинате фермента и того же фермента в свободном растворе, и указать преимущества использования иммобилизованных ферментов
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Temperature
As temperature rises, molecules gain more kinetic energy 动能 and collide 碰撞 more often, so the rate rises. But above the optimum temperature 最适温度 the enzyme begins to denature 变性: the heat breaks the bonds holding its shape, so the active site changes and no longer fits the substrate. The rate then falls quickly.
pH
Each enzyme has an optimum pH. If the pH moves too far from it, the enzyme denatures and the rate drops. To study pH fairly, you keep it steady with a buffer solution 缓冲液.
Enzyme concentration
With plenty of substrate, more enzyme means more active sites, so the rate goes up in proportion to enzyme concentration.
Substrate concentration
At first, adding more substrate speeds the reaction. But once every active site is busy, adding more makes no difference — the rate levels off at a maximum.
Inhibitor concentration
An inhibitor 抑制剂 is a molecule that slows an enzyme. The more inhibitor present, the lower the rate.
Русский
Температура
По мере повышения температуры молекулы приобретают больше кинетической энергии и сталкиваются чаще, поэтому скорость возрастает. Но выше оптимальной температуры фермент начинает денатурировать: тепло разрывает связи, удерживающие его форму, поэтому активный центр изменяется и больше не подходит к субстрату. Скорость затем резко падает.
Скорость возрастает до оптимума, затем быстро падает при денатурации фермента
pH
У каждого фермента есть оптимальный pH. Если pH слишком сильно смещается от него, фермент денатурирует, и скорость падает. Для справедливого изучения pH его поддерживают стабильным с помощью буферного раствора.
Скорость достигает пика при оптимальном pH и снижается в обе стороны
Концентрация фермента
При наличии избытка субстрата увеличение количества фермента означает больше активных центров, поэтому скорость возрастает пропорционально концентрации фермента.
Концентрация субстрата
Сначала добавление большего количества субстрата ускоряет реакцию. Но после того, как все активные центры заняты, добавление еще больше не имеет значения — скорость выходит на максимум.
Концентрация ингибитора
Ингибитор — это молекула, замедляющая работу фермента. Чем больше ингибитора присутствует, тем ниже скорость.
Explore · Исследовать
How temperature changes enzyme activity · Как изменение температуры влияет на активность фермента
Drag the temperature slider. Activity rises to an optimum, then crashes as the enzyme denatures and its active site loses shape. · Перетащите ползунок температуры. Активность возрастает до оптимума, затем резко падает, когда фермент денатурирует, и его активный центр теряет форму.
V_max and the Michaelis–Menten constant · V_max и константа Михаэлиса–Ментен
English
The levelling-off rate, when all active sites are full, is the maximum rate, written $V_{\text{max}}$.
The Michaelis–Menten constant 米氏常数 ($K_{\text{m}}$) is the substrate concentration that gives half of $V_{\text{max}}$. It tells you about the enzyme's affinity 亲和力 (pulling power) for its substrate:
a low$K_{\text{m}}$ means the enzyme reaches half-speed at a low substrate concentration, so it has a high affinity.
a high$K_{\text{m}}$ means a low affinity.
So $K_{\text{m}}$ lets you compare how strongly different enzymes hold their substrates.
Русский
Скорость выхода на плато, когда все активные центры заполнены, является максимальной скоростью, обозначаемой как $V_{\text{max}}$.
Константа Михаэлиса–Ментен ($K_{\text{m}}$) — это концентрация субстрата, дающая половину от $V_{\text{max}}$. Она говорит о сродстве (притяжении) фермента к своему субстрату:
низкое$K_{\text{m}}$ означает, что фермент достигает половины максимальной скорости при низкой концентрации субстрата, то есть обладает высоким сродством.
высокое$K_{\text{m}}$ означает низкое сродство.
Таким образом, $K_{\text{m}}$ позволяет сравнивать, насколько сильно разные ферменты удерживают свои субстраты.
Скорость возрастает до $V_{\text{max}}$, когда все активные центры заполнены; $K_{\text{m}}$ — это концентрация субстрата, дающая половину $V_{\text{max}}$
Explore · Исследовать
Substrate concentration and Vmax · Концентрация субстрата и Vmax
Add more substrate: the rate climbs, then plateaus at $V_{max}$ once every active site is busy. $K_m$ is the substrate concentration that gives half of $V_{max}$. · Добавьте больше субстрата: скорость растет, затем выходит на плато на $V_{max}$, когда все активные центры заняты. $K_m$ — это концентрация субстрата, дающая половину от $V_{max}$.
3.2
Reversible inhibitors · Обратимые ингибиторы
English
Some inhibitors are reversible 可逆: they can leave the enzyme again. There are two types.
Type
Where it binds
Effect of adding more substrate
Effect on $V_{\text{max}}$ and $K_{\text{m}}$
competitive inhibitor 竞争性抑制剂
in the active site (it has a similar shape to the substrate)
more substrate out-competes it, so its effect is reduced
$V_{\text{max}}$ unchanged; $K_{\text{m}}$ rises
non-competitive inhibitor 非竞争性抑制剂
at another site, changing the active site's shape
adding more substrate does not help
$V_{\text{max}}$ falls; $K_{\text{m}}$ unchanged
Русский
Некоторые ингибиторы являются обратимыми: они могут снова отсоединяться от фермента. Существует два типа.
Тип
Место связывания
Эффект добавления большего количества субстрата
Влияние на $V_{\text{max}}$ и $K_{\text{m}}$
конкурентный ингибитор
в активном центре (имеет схожую форму со субстратом)
добавление субстрата вытесняет его, поэтому его действие ослабевает
$V_{\text{max}}$ не меняется; $K_{\text{m}}$ увеличивается
неконкурентный ингибитор
на другом участке, изменяя форму активного центра
добавление субстрата не помогает
$V_{\text{max}}$ уменьшается; $K_{\text{m}}$ не меняется
An immobilised enzyme 固定化酶 is fixed in place — for example, trapped inside small beads of alginate 海藻酸盐 — instead of floating free in solution. The substrate solution flows past the beads.
A free enzyme usually works a little faster, because the substrate can reach it easily. But immobilised enzymes have big practical advantages:
the enzyme is not washed away, so it can be used again and again.
the product is pure — it is not mixed with enzyme.
the enzyme is more stable, so it survives changes in temperature and pH better.
the process can run continuously, with substrate flowing in and product flowing out.
Русский
Иммобилизованный фермент закреплен на месте — например, заключен внутри маленьких шариков альгината, вместо того чтобы плавать свободно в растворе. Раствор субстрата протекает мимо этих шариков.
Ферменты остаются запертыми в шарике, пока субстрат входит, а продукт выходит — поэтому фермент никогда не смывается
Свободный фермент обычно работает немного быстрее, так как субстрат легко до него достает. Но иммобилизованные ферменты имеют большие практические преимущества:
фермент не смывается, поэтому его можно использовать многократно.
продукт получается чистым — он не смешан с ферментом.
фермент более стабилен, поэтому лучше переносит изменения температуры и pH.
процесс может протекать непрерывно: субстрат поступает, продукт выходит.
Биологические стиральные порошки содержат ферменты, расщепляющие пищевые и кровяные пятна при низких температурах
Explain enzyme action with the induced-fit model (the active site moulds around the substrate) — now preferred to lock-and-key.
Above the optimum the enzyme denatures (hydrogen bonds and tertiary structure break) — write "denatures", never "dies" or "is killed".
Distinguish inhibitors: competitive binds the active site (overcome by more substrate, same $V_{max}$); non-competitive binds elsewhere (lower $V_{max}$).
Compare rates using the initial rate (tangent at time zero) — the fairest measure, before substrate becomes limiting.
Русский
Объяснить действие фермента по модели индуцированного соответствия (активный центр обволакивает субстрат) — сейчас предпочтительнее модели «ключ-замок».
Выше оптимальной температуры фермент денатурирует (разрушаются водородные связи и третичная структура) — пишите «denatures», никогда не «dies» или «is killed».
Различать ингибиторы: конкурентный связывается с активным центром (преодолевается избытком субстрата, тот же $V_{max}$); неконкурентный связывается в другом месте (снижает $V_{max}$).
Сравнивать скорости по начальной скорости (касательная в момент времени ноль) — это наиболее объективная мера до того, как субстрат станет лимитирующим фактором.
describe the fluid mosaic model of membrane structure with reference to the hydrophobic and hydrophilic interactions that account for the formation of the phospholipid bilayer and the arrangement of proteins
describe the arrangement of cholesterol, glycolipids and glycoproteins in cell surface membranes
describe the roles of phospholipids, cholesterol, glycolipids, proteins and glycoproteins in cell surface membranes, with reference to stability, fluidity, permeability, transport (carrier proteins and channel proteins), cell signalling (cell surface receptors) and cell recognition (cell surface antigens – see 11.1.2)
outline the main stages in the process of cell signalling leading to specific responses: • secretion of specific chemicals (ligands) from cells • transport of ligands to target cells • binding of ligands to cell surface receptors on target cells
Русский
описать жидкомозаичную модель структуры мембраны с упоминанием гидрофобных и гидрофильных взаимодействий, обусловливающих образование фосфолипидного бислоя и расположение белков
описать расположение холестерина, гликолипидов и гликопротеинов в клеточных мембранах
описать роли фосфолипидов, холестерина, гликолипидов, белков и гликопротеинов в клеточных мембранах с учетом стабильности, текучести, проницаемости, транспорта (белки-переносчики и белки-каналы), клеточной сигнализации (рецепторы клеточной поверхности) и клеточной идентификации (антигены клеточной поверхности – см. 11.1.2)
изложите основные этапы процесса клеточной сигнализации, приводящего к специфическим ответам: • выделение специфических химическими веществ (лигандов) клетками • перенос лигандов к целевым клеткам • связывание лигандов с рецепторами на поверхности клеточной мембраны целевых клеток
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Every cell is wrapped in a cell surface membrane 细胞膜. We describe its structure with the fluid mosaic model 流动镶嵌模型.
The phospholipid bilayer
The membrane is built mainly from phospholipids 磷脂. Each phospholipid has a hydrophilic 亲水 ("water-loving") head and two hydrophobic 疏水 ("water-fearing") tails. There is water on both sides of the membrane, so the phospholipids line up in two layers — a bilayer 双层 — with the heads facing the water outside and inside, and the tails hidden in the middle, away from water. This arrangement forms by itself because of those hydrophilic and hydrophobic interactions.
The model is called "fluid" because the phospholipids are not fixed: they slide past each other, so the membrane can move and bend. It is called a "mosaic" because many proteins 蛋白质 are dotted through it, like tiles in a picture.
What floats in the membrane
Part
Where it sits
Main roles
phospholipids
the two layers
form the basic barrier
proteins
through the membrane or on its surface
transport, support and signalling
carrier proteins 载体蛋白
span the membrane
carry specific molecules across
channel proteins 通道蛋白
span the membrane
form water-filled pores for ions to pass
cholesterol 胆固醇
between the phospholipid tails
controls fluidity 流动性 and adds strength
glycolipids 糖脂 and glycoproteins 糖蛋白
carbohydrate chains on the outer surface
cell recognition; some act as antigens 抗原
So the membrane molecules together give the membrane its stability 稳定性, its fluidity, its permeability 通透性 (control over what gets through), its transport jobs, its signalling jobs, and its cell recognition.
The membrane is partially permeable 半透膜: it lets some substances through easily but blocks others.
Русский
Каждая клетка окружена клеточной мембраной. Её строение описывают с помощью жидкомозаичной модели.
Эритроциты под сканирующим электронным микроскопом — каждый окружен клеточной мембраной
Фосфолипидный бислой
Мембрана состоит преимущественно из фосфолипидов. Каждый фосфолипид имеет гидрофильную («любящую воду») головку и две гидрофобные («боящиеся воды») хвостика. Вода находится с обеих сторон мембраны, поэтому фосфолипиды выстраиваются в два слоя — бислой — головками к воде снаружи и изнутри, а хвостиками спрятаны в середине, подальше от воды. Такая структура образуется самопроизвольно благодаря взаимодействиям гидрофильных и гидрофобных участков.
Модель называется «жидкой», потому что фосфолипиды не зафиксированы: они скользят друг относительно друга, позволяя мембране двигаться и изгибаться. Она называется «мозаикой», потому что через неё разбросано множество белков, подобно плиткам на картине.
Что плавает в мембране
Компонент
Расположение
Основные функции
фосфолипиды
два слоя
образуют базовый барьер
белки
пронизывают мембрану или находятся на её поверхности
транспорт, опора и сигнализация
белки-переносчики
пронизывают мембрану
переносят специфические молекулы через мембрану
канальные белки
пронизывают мембрану
образуют поры, заполненные водой, для прохождения ионов
холестерин
между хвостиками фосфолипидов
регулирует жидкость и придает прочность
гликолипиды и гликопротеины
углеводные цепи на внешней поверхности
распознавание клеток; некоторые действуют как антигены
Жидкомозаичная модель: белки, холестерин и углеводные цепи расположены в жидком фосфолипидном бислое
Таким образом, молекулы мембраны вместе обеспечивают её стабильность, текучесть, проницаемость (контроль над тем, что проходит), транспортные функции, сигнальные функции и распознавание клеток.
Мембрана является полупроницаемой: она пропускает некоторые вещества легко, но блокирует другие.
Explore · Исследовать
Explore the cell membrane · Изучите клеточную мембрану
Tap each part of the fluid mosaic model — the bilayer plus the proteins and other molecules dotted through it. · Нажмите на каждый элемент жидкостно-мозаичной модели — бислой плюс белки и другие молекулы, распределенные в нем.
4.1
Cell signalling · Клеточная сигнализация
English
Cells talk to each other by cell signalling 细胞信号传递. The main stages are:
a cell secretes a signal chemical called a ligand 配体 (for example a hormone 激素).
the ligand is carried (often in the blood) to a target cell 靶细胞.
the ligand binds to a specific receptor 受体 on the target cell's surface membrane. The shape of the receptor matches that ligand only. Binding then triggers a particular response inside the target cell.
Русский
Клетки общаются друг с другом посредством клеточной сигнализации. Основные этапы:
клетка выделяет сигнальный химический агент, называемый лигандом (например, гормоном).
лиганд доставляется (часто с током крови) к целевой клетке.
лиганд связывается со специфическим рецептором на поверхности мембраны целевой клетки. Форма рецептора подходит только этому лиганду. Связывание затем запускает определенный ответ внутри целевой клетки.
Лиганд подходит только к форме одного рецептора, поэтому только клетки с этим рецептором реагируют на сигнал
Moving substances across the membrane · Перемещение веществ через мембрану
Syllabus · Программа
English
describe and explain the processes of simple diffusion, facilitated diffusion, osmosis, active transport, endocytosis and exocytosis
investigate simple diffusion and osmosis using plant tissue and non-living materials, including dialysis (Visking) tubing and agar
illustrate the principle that surface area to volume ratios decrease with increasing size by calculating surface areas and volumes of simple 3-D shapes (as shown in the Mathematical requirements)
investigate the effect of changing surface area to volume ratio on diffusion using agar blocks of different sizes
investigate the effects of immersing plant tissues in solutions of different water potentials, using the results to estimate the water potential of the tissues
explain the movement of water between cells and solutions in terms of water potential and explain the different effects of the movement of water on plant cells and animal cells (knowledge of solute potential and pressure potential is not expected)
Русский
опишите и объясните процессы простой диффузии, облегченной диффузии, осмоса, активного транспорта, эндоцитоза и экзоцитоза
исследуйте простую диффузию и осмос с использованием растительных тканей и нереагирующих материалов, включая диализный (вискинг) мешок и агар
Проиллюстрируйте принцип того, что соотношение площади поверхности к объёму уменьшается при увеличении размера, путём вычисления площадей поверхностей и объёмов простых геометрических фигур 3-D (как показано в Математических требованиях)
исследуйте влияние изменения соотношения площади поверхности к объему на диффузию, используя блоки агара различных размеров
исследуйте эффекты погружения растительных тканей в растворы с различными водными потенциалами, используя результаты для оценки водного потенциала тканей
объясните движение воды между клетками и растворами в терминах водного потенциала и объясните различные эффекты движения воды на растительные и животные клетки (знание потенциала растворенных веществ и давления не требуется)
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Active transport vs diffusionOsmosis: water crosses the membraneDiffusion: random motion, one-way flow
There are six processes. Some are passive 被动 (they need no energy 能量), and some are active (they use energy from ATP).
Simple diffusion
Diffusion 扩散 is the net movement of particles from where they are at a high concentration 浓度 to where they are at a low concentration, until they are spread evenly. Simple diffusion 简单扩散 is when particles pass straight through the bilayer, down the concentration gradient 浓度梯度. Only small or non-polar molecules can do this — such as oxygen 氧气 and carbon dioxide 二氧化碳. It is passive.
Facilitated diffusion
Charged ions 离子 and large polar molecules (such as glucose 葡萄糖) cannot cross the oily bilayer by themselves. In facilitated diffusion 易化扩散 they cross through channel proteins or carrier proteins, still moving down the concentration gradient. It is also passive.
Osmosis
Osmosis 渗透 is the diffusion of water across a partially permeable membrane, from a higher water potential 水势 to a lower water potential. It is passive.
Active transport
Active transport 主动运输 moves a substance against its concentration gradient — from low to high concentration. This needs carrier proteins and energy from ATP.
Endocytosis and exocytosis
These move large amounts of material in bulk, using ATP.
in endocytosis 胞吞作用, the membrane folds inwards around material and pinches off a vesicle 囊泡 to bring it into the cell.
in exocytosis 胞吐作用, a vesicle fuses with the membrane and releases its contents outside the cell.
Русский
Активный транспорт против диффузииОсмоз: вода пересекает мембрануДиффузия: случайное движение, односторонний поток
Существует шесть процессов. Некоторые из них пассивные (не требуют энергии), а другие — активные (используют энергию АТФ).
Простая диффузия
Диффузия — это суммарное перемещение частиц из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией до тех пор, пока они не распределятся равномерно. Простая диффузия происходит, когда частицы проходят прямо через бислой вниз по концентрационному градиенту. Это могут делать только малые или неполярные молекулы — например, кислород и углекислый газ. Процесс является пассивным.
Облегченная диффузия
Заряженные ионы и крупные полярные молекулы (такие как глюкоза) не могут пройти через жирный бислой самостоятельно. В облегченной диффузии они проникают через канальные белки или белки-переносчики, двигаясь все еще вниз по концентрационному градиенту. Этот процесс также является пассивным.
Осмос
Осмос — это диффузия воды через полупроницаемую мембрану от более высокого водного потенциала к более низкому водному потенциалу. Он является пассивным.
Осмометр из картофеля: сахарный раствор поднимается вверх по трубке, так как вода поступает в картофель посредством осмосаВода движется в сторону более низкого водного потенциала; растворенное вещество слишком велико, чтобы пройти через полупроницаемую мембрану
Активный транспорт
Активный транспорт перемещает вещество против его концентрационного градиента — от низкой концентрации к высокой. Для этого требуются белки-переносчики и энергия АТФ.
Диффузия и облегченная диффузия являются пассивными (вниз по градиенту); активный транспорт осуществляется против него и требует АТФ
Эндоцитоз и экзоцитоз
Эти процессы перемещают большие объемы материала в bulk (массово) с использованием АТФ.
при эндоцитозе мембрана складывается внутрь вокруг материала и отщепляет везикулу, чтобы внести его в клетку.
при экзоцитозе везикула сливается с мембраной и высвобождает свое содержимое за пределы клетки.
Эндоцитоз вносит материал внутрь путем образования везикулы; экзоцитоз сливает везикулу для высвобождения ее содержимого
Explore · Исследовать
Diffusion across a membrane · Diffusion across a membrane (Диффузия через мембрану)
Set the concentration on each side. Particles spread from high to low concentration until both sides are equal. · Установите концентрацию с каждой стороны. Частицы распространяются от высокой к низкой концентрации, пока обе стороны не станут равными.
Surface area to volume ratio · Отношение площади поверхности к объему
English
A cell takes in and removes substances across its surface. As an object gets bigger, its volume 体积 grows faster than its surface area 表面积. So the surface area to volume ratio gets smaller as size increases.
A large $L$ gives a small ratio. This is why small cells (and thin, flat shapes) exchange materials quickly, while large cells cannot rely on diffusion alone.
Worked example. Compare the surface area : volume ratio of a cube-shaped cell of side $4$ with one of side $10$.
For side $4$: surface area $= 6 \times 4^2 = 96$ and volume $= 4^3 = 64$, so the ratio is $96 : 64 = 1.5 : 1$. For side $10$: surface area $= 6 \times 10^2 = 600$ and volume $= 10^3 = 1000$, so the ratio is $600 : 1000 = 0.6 : 1$. The larger cell has the smaller ratio, so it exchanges materials across its surface more slowly for its size — which is why large organisms need specialised exchange surfaces such as lungs and gills.
You can show this with agar 琼脂 blocks of different sizes soaked in dye or acid: the smallest block, with the largest surface area to volume ratio, changes colour all the way through fastest. Diffusion across non-living materials can also be studied with dialysis tubing 透析袋 (Visking tubing).
Русский
Клетка принимает и удаляет вещества через свою поверхность. По мере увеличения объекта его объем растет быстрее, чем его площадь поверхности. Поэтому отношение площади поверхности к объему становится меньше по мере роста размера.
Большой $L$ дает маленький коэффициент. Именно поэтому мелкие клетки (и тонкие, плоские формы) быстро обмениваются веществами, тогда как крупные клетки не могут полагаться только на диффузию.
По мере роста куба (или клетки) его отношение площади поверхности к объему уменьшается
Разобранный пример. Сравните отношение площади поверхности к объему клеточного куба со стороной $4$ и куба со стороной $10$.
Для стороны $4$: площадь поверхности $= 6 \times 4^2 = 96$ и объем $= 4^3 = 64$, следовательно, отношение равно $96 : 64 = 1.5 : 1$. Для стороны $10$: площадь поверхности $= 6 \times 10^2 = 600$ и объем $= 10^3 = 1000$, следовательно, отношение равно $600 : 1000 = 0.6 : 1$. У большей клетки меньше отношение, поэтому она обменивается материалами через свою поверхность медленнее относительно своего размера — именно поэтому у крупных организмов нужны специализированные поверхности обмена, такие как легкие и жабры.
Это можно показать с помощью блоков агара разных размеров, пропитанных красителем или кислотой: самый маленький блок, имеющий наибольшее отношение площади поверхности к объему, окрашивается полностью быстрее всего. Диффузию через нереагирующие материалы также можно изучать с помощью диализного мешочка (трубки Вискинг).
Explore · Исследовать
Surface area : volume · Площадь поверхности : объём
Make the cube bigger: its volume grows faster than its surface, so the SA:V ratio falls — which is why exchange surfaces and cells stay small. · Увеличьте куб: его объём растёт быстрее, чем площадь поверхности, поэтому соотношение ПП:О уменьшается — именно поэтому обменные поверхности и клетки остаются маленькими.
Explore · Исследовать
Diffusion across the surface · Диффузия через поверхность
Particles spread on their own from crowded to sparse. A small cell has a large surface-area-to-volume ratio, so substances diffuse in and out fast enough. · Частицы самостоятельно распространяются от густонаселённых участков к редким. Маленькая клетка имеет большое соотношение площади поверхности к объёму, поэтому вещества быстро диффундируют внутрь и наружу.
Water potential and living cells · Водный потенциал и живые клетки
English
Water potential measures how likely water is to leave a solution. Pure water has the highest water potential. Adding a solute 溶质 (a dissolved substance) lowers it. Water always moves by osmosis from a higher to a lower water potential.
To estimate the water potential of plant tissue, you place pieces in sucrose solutions of different water potentials. The solution that causes no change in mass or length has about the same water potential as the tissue.
Effect on plant cells
in a solution of higher water potential (for example distilled water 蒸馏水), water enters the cell. The cell swells and becomes turgid 膨胀, but the strong cell wall stops it bursting.
in a solution of lower water potential, water leaves. The cell contents shrink and the membrane pulls away from the cell wall — this is plasmolysis 质壁分离.
Effect on animal cells
Animal cells have no cell wall to protect them.
in a solution of higher water potential, water enters and the cell may burst. In a red blood cell this bursting is called haemolysis 溶血.
in a solution of lower water potential, water leaves and the cell shrinks.
Русский
Водный потенциал измеряет вероятность выхода воды из раствора. Чистая вода имеет наивысший водный потенциал. Добавление растворенного вещества (растворенного субстрата) снижает его. Вода всегда движется посредством осмоса от более высокого к более низкому водному потенциалу.
Чтобы оценить водный потенциал растительной ткани, поместите кусочки в растворы сахарозы с разным водным потенциалом. Раствор, не вызывающий изменений массы или длины, имеет примерно такой же водный потенциал, как и ткань.
Влияние на растительные клетки
в растворе более высокого водного потенциала (например, дистиллированной воде) вода поступает в клетку. Клетка набухает и становится тургорной, но прочная клеточная стенка предотвращает её разрыв.
в растворе более низкого водного потенциала вода выходит. Содержимое клетки сжимается, а мембрана отделяется от клеточной стенки — это называется плазмолизом.
Влияние на животные клетки
У животных клеток нет клеточной стенки для защиты.
в растворе с более высоким водным потенциалом вода входит, и клетка может разорваться. У эритроцитов этот разрыв называется гемолизом.
в растворе с более низким водным потенциалом вода выходит, и клетка сморщивается.
Растительная клетка становится упругой или происходит плазмолиз; животная клетка может лопнуть (гемолиз) или сжаться
Explore · Исследовать
Water potential · Водный потенциал
water follows the gradient · вода следует за градиентом
Drag the concentrations. A water-potential gradient drives net movement — it stops only when the two sides match. · Перетащите концентрации. Градиент водного потенциала вызывает чистое движение — оно прекращается только тогда, когда стороны выравниваются.
4.2
Exam tips · Советы для экзамена
English
Describe the membrane as a fluid mosaic: a phospholipid bilayer with proteins, cholesterol and glycoproteins.
Sort each process: diffusion, facilitated diffusion and osmosis are passive (down a gradient); active transport and endo/exocytosis need ATP and can go against it.
For osmosis always use water potential ($\Psi$): water moves from high (less negative) to low (more negative)$\Psi$; pure water is $0$, the highest.
State the outcome by cell type: plant cell turgid/plasmolysed; animal cell lyses/crenates — link it to the water-potential gradient.
Русский
Опишите мембрану как жидкую мозаику: двойной слой фосфолипидов с белками, холестерином и гликопротеинами.
Распределите каждый процесс: диффузия, облегченная диффузия и осмос — это пассивный транспорт (по градиенту); активный транспорт и эндо-/экзоцитоз требуют АТФ и могут идти против градиента.
Для осмоса всегда используйте водный потенциал ($\Psi$): вода движется от высокого (менее отрицательного) к низкому (более отрицательному)$\Psi$; чистая вода имеет $0$, что является максимальным значением.
Укажите результат по типу клетки: растительная клетка упругая/плазмолизированная; животная клетка лизируется/сморщивается — свяжите это с градиентом водного потенциала.
5
The mitotic cell cycle · Митотический клеточный цикл
The structure of a chromosome · Структура хромосомы
Syllabus · Программа
English
describe the structure of a chromosome, limited to: • DNA • histone proteins • sister chromatids • centromere • telomeres
explain the importance of mitosis in the production of genetically identical daughter cells during: • growth of multicellular organisms • replacement of damaged or dead cells • repair of tissues by cell replacement • asexual reproduction
outline the mitotic cell cycle, including: • interphase (growth in G_1 and G_2 phases and DNA replication in S phase) • mitosis • cytokinesis
outline the role of telomeres in preventing the loss of genes from the ends of chromosomes during DNA replication
outline the role of stem cells in cell replacement and tissue repair by mitosis
explain how uncontrolled cell division can result in the formation of a tumour
объясните важность митоза в образовании генетически идентичных дочерних клеток во время: • роста многоклеточных организмов • замены поврежденных или мертвых клеток • восстановления тканей путем замены клеток • бесполого размножения
изложите митотический клеточный цикл, включая: интерфазу (рост в фазах G_1 и G_2 и репликацию ДНК в фазе S) • митоз • цитокинез
изложите роль теломер в предотвращении потери генов с концов хромосом во время репликации ДНК
изложите роль стволовых клеток в замене клеток и восстановлении тканей посредством митоза
объясните, как неконтролируемое деление клеток может привести к образованию опухоли
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Mitosis: one cell into two
A chromosome 染色体 is one very long molecule of DNA wound tightly around special proteins 蛋白质 called histones 组蛋白. Winding the DNA like this lets a huge length fit inside the nucleus and keeps it tidy.
Before a cell divides, its DNA is copied (this copying is called replication 复制). After copying, each chromosome is made of two identical copies joined together. These two copies are the sister chromatids 姐妹染色单体, and they are held together at a point called the centromere 着丝粒. The tips of each chromosome are capped by telomeres 端粒, which protect the ends.
Русский
Митоз: одна клетка делится на две
Хромосома — это одна очень длинная молекула ДНК, туго намотанная вокруг специальных белков, называемых гистонами. Такое сворачивание ДНК позволяет огромной длине поместиться внутри ядра и сохраняет её в порядке.
Перед делением клетки её ДНК копируется (этот процесс копирования называется репликация). После копирования каждая хромосома состоит из двух идентичных копий, соединенных вместе. Эти две копии называются сестринскими хроматидами, и они удерживаются вместе в точке, называемой центромерой. Концы каждой хромосомы защищены теломерами, которые закрывают концы.
После репликации хромосома представляет собой две сестринские хроматиды, соединенные центромерой, с теломерами на концах
Mitosis 有丝分裂 is a type of nuclear division that makes two daughter cells 子细胞 that are genetically identical — they carry exactly the same genes 基因 as the parent cell and as each other.
This matters for:
growth of multicellular 多细胞organisms 生物体 (making more cells).
replacement of damaged or dead cells.
repair of tissues 组织 by making new cells.
asexual reproduction 无性生殖 (one parent makes identical offspring).
Русский
Митоз — это тип деления ядра, при котором образуются две дочерние клетки, которые являются генетически идентичными — они несут точно такие же гены, что и материнская клетка, и друг друга.
Это важно для:
ростамногоклеточныхорганизмов (образования новых клеток).
замены поврежденных или мертвых клеток.
восстановлениятканей путем образования новых клеток.
бесполого размножения (один родитель производит идентичное потомство).
Кончик корня лука в метафазе: митоз производит идентичные соматические клетки для роста и восстановления
Explore · Исследовать
Why mitosis matters · Почему важен митоз
Classify real cases by the role mitosis is playing. · Классифицируйте реальные случаи по роли, которую играет митоз.
5.1
The mitotic cell cycle · Клеточный цикл при митозе
English
The cell cycle 细胞周期 is the full life of a cell from one division to the next. It has three parts:
interphase 间期 — the longest part. The cell grows in the G₁ phase, copies its DNA in the S phase (replication), and grows again and prepares to divide in the G₂ phase.
mitosis — the nucleus divides into two identical nuclei.
cytokinesis 胞质分裂 — the rest of the cell splits, giving two separate daughter cells.
The mitotic index
The mitotic index is the fraction of cells in a sample that are in mitosis. You find it by counting cells under a microscope:
$$\text{mitotic index} = \frac{\text{number of cells in mitosis}}{\text{total number of cells}}.$$
Worked example. In a root-tip sample, $8$ of the $50$ cells seen are in mitosis. Find the mitotic index.
$$\text{mitotic index} = \frac{8}{50} = 0.16.$$
A high mitotic index means many cells are dividing quickly — normal in a growing root tip, but in adult animal tissue it can be a warning sign of uncontrolled growth.
Русский
Клеточный цикл — это полный жизненный цикл клетки от одного деления до следующего. Он состоит из трех частей:
мефаза — самая длительная часть. Клетка растет в фазе G₁, копирует свою ДНК в фазе S (репликация), снова растет и готовится к делению в фазе G₂.
митоз — ядро делится на два идентичных ядра.
цитокинез — остальная часть клетки разделяется, образуя две отдельные дочерние клетки.
Большую часть цикла занимает мефаза (G₁, S, G₂); митоз (M) и цитокизис составляют короткую часть
Митотический индекс
Митотический индекс — это доля клеток в образце, находящихся в митозе. Вы находите его, подсчитывая клетки под микроскопом:
$$\text{mitotic index} = \frac{\text{number of cells in mitosis}}{\text{total number of cells}}.$$
Разобраный пример. В образце кончика корня $8$ из $50$ видимых клеток находятся в митозе. Найдите митотический индекс.
$$\text{mitotic index} = \frac{8}{50} = 0.16.$$
Высокий митотический индекс означает, что многие клетки быстро делятся — это нормально для растущего кончика корня, но в тканях взрослых животных это может быть признаком неконтролируемого роста.
Explore · Исследовать
The cell cycle · Клеточный цикл
Step around the cycle. Most of it is interphase (grow, copy DNA, grow); mitosis and cytokinesis are short, then it repeats. · Пройдите по циклу. Большую его часть занимает интерфаза (рост, копирование ДНК, рост); митоз и цитокинез коротки, затем процесс повторяется.
Explore · Исследовать
The cell cycle · Клеточный цикл
Step through the cycle. Most of a cell's life is interphase (G1, S, G2); mitosis and cytokinesis are the short dividing phase. · Пройдите по циклу. Большая часть жизни клетки — межфаза (G1, S, G2); митоз и цитокинез — короткая фаза деления.
Telomeres and the ends of chromosomes · Теломеры и концы хромосом
English
When DNA is replicated, the copying cannot reach the very end of the molecule, so a little is lost each time. Telomeres are short, repeated lengths of DNA at the ends that carry no genes. Because the telomeres are shortened instead, no important genes are lost during replication.
Русский
При репликации ДНК копирование не может достигнуть самого конца молекулы, поэтому с каждым разом теряется немного материала. Теломеры — это короткие повторяющиеся участки ДНК на концах, которые не содержат генов. Поскольку укорачиваются именно теломеры, важные гены не теряются во время репликации.
Теломеры (которые не содержат генов) немного укорачиваются при каждом делении, поэтому гены в середине никогда не теряются
A stem cell 干细胞 is an unspecialised cell that can keep dividing by mitosis and can differentiate 分化 (change) into different specialised cell types. Stem cells are the source of new cells for replacing lost cells and repairing tissues.
Русский
Стволовая клетка — это недифференцированная клетка, которая может продолжать делиться путем митоза и может дифференцироваться (превращаться) в различные специализированные типы клеток. Стволовые клетки являются источником новых клеток для замены утраченных клеток и восстановления тканей.
Одна недифференцированная стволовая клетка может дифференцироваться во множество специализированных типов клеток
Uncontrolled division and tumours · Неконтролируемое деление и опухоли
English
The cell cycle is normally tightly controlled, so cells divide only when needed. If this control is lost, a cell may divide again and again without stopping. This uncontrolled division produces a lump of cells called a tumour 肿瘤.
Русский
Клеточный цикл обычно строго контролируется, поэтому клетки делятся только тогда, когда это необходимо. Если этот контроль утрачен, клетка может делиться снова и снова без остановки. Это неконтролируемое деление приводит к скоплению клеток, называемому опухолью.
Обычно клетки перестают делиться, когда должны; если этот контроль утрачен, они продолжают делиться, образуя опухоль
describe the behaviour of chromosomes in plant and animal cells during the mitotic cell cycle and the associated behaviour of the nuclear envelope, the cell surface membrane and the spindle (names of the main stages of mitosis are expected: prophase, metaphase, anaphase and telophase)
interpret photomicrographs, diagrams and microscope slides of cells in different stages of the mitotic cell cycle and identify the main stages of mitosis
Русский
опишите поведение хромосом в растительных и животных клетках в течение митотического клеточного цикла и связанное с ним поведение ядерной оболочки, клеточной мембраны и веретена деления (ожидается знание названий основных стадий митоза: профаза, метафаза, анафаза и телофаза)
интерпретируйте фото микропрепараты, диаграммы и микроскопические препараты клеток на разных стадиях митотического клеточного цикла и определяйте основные стадии митоза
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Mitosis runs through four stages. You should be able to recognise them in photomicrographs and slides.
Stage
What happens
prophase 前期
chromosomes coil up and become visible as two sister chromatids; the nuclear envelope 核膜 breaks down; a spindle 纺锤体 of fibres forms across the cell
metaphase 中期
chromosomes line up along the middle (the equator 赤道); spindle fibres attach to each centromere
anaphase 后期
the centromeres split; the sister chromatids are pulled to opposite ends (poles) of the cell
telophase 末期
a set of chromosomes reaches each pole; a new nuclear envelope forms around each set, making two nuclei
Cytokinesis then follows. In an animal cell the cell surface membrane pinches inwards to split the cell; in a plant cell a new wall forms across the middle. The result is two genetically identical daughter cells.
Русский
Митоз проходит через четыре этапа. Вы должны уметь распознавать их на фото- и микропрепаратах.
Этап
Что происходит
профаза
хромосомы спирализуются и становятся видимыми как две сестринские хроматиды; ядерная оболочка разрушается; формируется веретенное веретно из волокон по всей клетке
метафаза
хромосомы выстраиваются вдоль середины (экватора); веретенные волокна прикрепляются к каждой центромере
анафаза
центромеры расщепляются; сестринские хроматиды тянутся к противоположным концам (полюсам) клетки
телофаза
набор хромосом достигает каждого полюса; вокруг каждого набора формируется новая ядерная оболочка, образуя два ядра
Четыре стадии: профаза, метафаза, анафаза, телофазаНастоящий верхушка корешка лука: в растущей верхушке многие клетки находятся в процессе деления
Затем следует цитокинез. В животной клетке плазматическая мембрана впячивается внутрь, чтобы разделить клетку; в растительной клетке посередине образуется новая клеточная стенка. В результате получаются две генетически идентичные дочерние клетки.
Explore · Исследовать
The stages of mitosis · Стадии митоза
Drag through prophase, metaphase, anaphase and telophase to watch the chromosomes line up and then separate into two identical cells. · Перетащите через профазу, метафазу, анафазу и телофазу, чтобы увидеть, как хромосомы выстраиваются в ряд, а затем разделяются на две идентичные клетки.
Explore · Исследовать
The stages of mitosis · Стадии митоза
Step through PMAT. Watch the chromosomes condense, line up, split to the poles, then reform two nuclei. · Пройдите этапы PMAT. Наблюдайте, как хромосомы конденсируются, выстраиваются в ряд, расходятся к полюсам, затем снова образуют два ядра.
5.2
Exam tips · Советы для экзамена
English
Learn the stages in order (prophase, metaphase, anaphase, telophase) with one key event each; interphase (G1, S, G2) is not part of mitosis.
Mitosis gives two genetically identical diploid cells — for growth, repair and asexual reproduction.
Mitotic index$=$ cells in mitosis $\div$ total cells; a high value means rapid division.
Link uncontrolled mitosis to tumours and telomere shortening to the limit on the number of divisions.
Русский
Выучите стадии в порядке (профаза, метафаза, анафаза, телофаза), каждая с одним ключевым событием; интерфаза (G1, S, G2) не является частью митоза.
Митоз дает две генетически идентичные диплоидные клетки — для роста, восстановления тканей и бесполого размножения.
Митотический индекс$=$ клеток в митозе $\div$ общее число клеток; высокое значение означает быстрое деление.
Связать неконтролируемый митоз с образованием опухолей и укорочение теломер с ограничением числа делений.
6
Nucleic acids and protein synthesis · Нуклеиновые кислоты и синтез белков
Nucleotides — the building blocks · Нуклеотиды — строительные блоки
Syllabus · Программа
English
describe the structure of nucleotides, including the phosphorylated nucleotide ATP (structural formulae are not expected)
state that the bases adenine and guanine are purines with a double ring structure, and that the bases cytosine, thymine and uracil are pyrimidines with a single ring structure (structural formulae for bases are not expected)
describe the structure of a DNA molecule as a double helix, including: • the importance of complementary base pairing between the 5′ to 3′ strand and the 3′ to 5′ strand (antiparallel strands) • differences in hydrogen bonding between C–G and A–T base pairs • linking of nucleotides by phosphodiester bonds
describe the semi-conservative replication of DNA during the S phase of the cell cycle, including: • the roles of DNA polymerase and DNA ligase (knowledge of other enzymes in DNA replication in cells and different types of DNA polymerase is not expected) • the differences between leading strand and lagging strand replication as a consequence of DNA polymerase adding nucleotides only in a 5′ to 3′ direction
describe the structure of an RNA molecule, using the example of messenger RNA (mRNA)
Русский
опишите структуру нуклеотидов, включая фосфорилированный нуклеотид АТФ (структурные формулы не требуются)
укажите, что основания аденин и гуанин являются пуринами со двойным кольцевым строением, а основания цитозин, тимин и урацил — пиримидинами с одинарным кольцевым строением (структурные формулы оснований не требуются)
опишите структуру молекулы ДНК как двойную спираль, включая: • важность комплементарного спаривания оснований между цепью от 5′ к 3′ и цепью от 3′ к 5′ (антипараллельные цепи) • различия в водородном связывании между парами оснований C–G и A–T • соединение нуклеотидов через фосфодиэфирные связи
опишите полуконсервативную репликацию ДНК в фазе S клеточного цикла, включая: • роли ДНК-полимеразы и ДНК-лигазы (знание других ферментов в репликации ДНК в клетках и различных типов ДНК-полимераз не требуется) • различия между репликацией ведущей нити и отстающей нити как следствие того, что ДНК-полимераза добавляет нуклеотиды только в направлении от 5′ к 3′
опишите структуру молекулы РНК, используя пример матричной РНК (мРНК)
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
DNA replication: unzip and copy
Nucleic acids 核酸 (DNA and RNA) are polymers of small units called nucleotides 核苷酸. Each nucleotide is made of three parts joined together:
a phosphate 磷酸 group,
a sugar (a 5-carbon sugar),
a nitrogen-containing base 碱基.
ATP is a special nucleotide. It has the base adenine 腺嘌呤, the sugar ribose 核糖, and three phosphate groups. Breaking off the last phosphate releases energy 能量 for the cell.
There are five bases, in two groups:
purines 嘌呤 have a double ring (two rings): adenine and guanine 鸟嘌呤.
pyrimidines 嘧啶 have a single ring (one ring): cytosine 胞嘧啶, thymine 胸腺嘧啶 and uracil 尿嘧啶.
Русский
Репликация ДНК: расплетение и копирование
Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) являются полимерами мелких единиц, называемых нуклеотидами. Каждый нуклеотид состоит из трех частей, соединенных вместе:
фосфатная группа,
сахар (5-углеродный сахар),
азотсодержащее основание.
АТФ — это особый нуклеотид. Он содержит основание аденин, сахар рибозу и три фосфатные группы. Отщепление последнего фосфата высвобождает энергию для клетки.
Нуклеотид — это фосфат, сахар и основание; АТФ — это нуклеотид с тремя фосфатамиИзвлеченная из клеток ДНК выглядит как бледные, волокнистые нити этих нуклеотидных полимеров
Существует пять оснований, разделенных на две группы:
пурины имеют двойное кольцо (два кольца): аденин и гуанин.
пиримидины имеют одиночное кольцо (одно кольцо): цитозин, тимин и урацил.
Две группы различаются формой: пурин — двойное кольцо, пиримидин — одиночное кольцо — именно поэтому пурин всегда спаривается с пиридином
A DNA molecule is two strands twisted together into a double helix 双螺旋.
Each strand 链 has a backbone of alternating sugar (here the sugar is deoxyribose 脱氧核糖) and phosphate. The sugar of one nucleotide is joined to the phosphate of the next by a phosphodiester bond 磷酸二酯键.
The two strands are held together by their bases, which meet in the middle. The pairing is exact — this is complementary base pairing 碱基互补配对:
A always pairs with T, held by twohydrogen bonds 氢键.
C always pairs with G, held by three hydrogen bonds (so a C–G base pair 碱基对 is harder to separate).
The two strands run in opposite directions: one goes 5′ to 3′ while the other goes 3′ to 5′. We say they are antiparallel 反平行.
The flat ladder above is twisted into a spiral. This space-filling model, where every atom is a ball, shows the real shape of the double helix:
Русский
Молекула ДНК представляет собой две цепи, скрученные вместе в двойную спираль.
Каждая цепь имеет остов из чередующихся сахаров (здесь сахар — дезоксирибоза) и фосфатов. Сахар одного нуклеотида соединен с фосфатом следующего посредством фосфодиэфирной связи.
Две цепи удерживаются вместе своими основаниями, которые встречаются посередине. Спаривание точное — это комплементарное спаривание оснований:
А всегда спаривается с Т, удерживаемая двумяводородными связями.
Ц всегда спаривается с Г, удерживаемая тремя водородными связями (так что пара оснований Ц–Г сложнее разделить).
Две цепи идут в противоположных направлениях: одна направлена от 5′ к 3′, а другая от 3′ к 5′. Мы говорим, что они антипараллельны.
Комплементарное спаривание оснований: А спаривается с Т (2 водородные связи), Ц с Г (3); цепи антипараллельны
Плоская лестница выше скручена в спираль. Эта объемная модель, где каждый атом представлен шариком, показывает реальную форму двойной спирали:
Объемная модель ДНК: две цепи скручиваются друг вокруг друга, образуя двойную спираль — лестница схемы свернута
Explore · Исследовать
Explore the DNA ladder · Исследуйте «лестницу» ДНК
Tap each part of the double helix — two antiparallel backbones with complementary base pairs as the rungs. · Нажмите на каждую часть двойной спирали — два антипараллельных остов с комплементарными парами оснований в качестве ступенек.
DNA replication 复制 (copying) happens during the S phase of the cell cycle. It is semi-conservative 半保留复制: each new molecule keeps one old strand and one new strand. The steps are:
the double helix unwinds and the hydrogen bonds break, so the two strands separate.
each old strand acts as a template. Free nucleotides pair with the exposed bases by complementary base pairing.
the enzyme 酶DNA polymerase 聚合酶 joins the new nucleotides into a strand. It can only add nucleotides in the 5′ to 3′ direction.
Because of that 5′ to 3′ rule, the two new strands are made differently:
the leading strand 前导链 is built continuously, following the unwinding.
the lagging strand 后随链 is built in short pieces, working away from the unwinding point. The enzyme DNA ligase 连接酶 then joins these pieces together.
Русский
Репликация ДНК (копирование) происходит во время S-фазы клеточного цикла. Она полуконсервативна: каждая новая молекула сохраняет одну старую цепь и одну новую цепь. Шаги следующие:
двойная спираль раскручивается, и водородные связи разрываются, поэтому две цепи разделяются.
каждая старая цепь служит матрицей. Свободные нуклеотиды спариваются с открытыми основаниями посредством комплементарного спаривания оснований.
ферментДНК-полимераза соединяет новые нуклеотиды в цепь. Он может добавлять нуклеотиды только в направлении от 5′ к 3′.
Из-за этого правила 5′ к 3′, две новые цепи синтезируются по-разному:
ведущая цепь строится непрерывно, следуя за раскручиванием.
отстающая цепь строится короткими участками, работая от точки раскручивания. Фермент ДНК-лигаза затем соединяет эти участки вместе.
Репликация полуконсервативна: каждая новая молекула сохраняет одну старую цепь (синюю) и одну новую цепь (оранжевую)
Step through copying DNA. The helix unwinds, each old strand templates a new one, and you end with two identical molecules. · Процесс копирования ДНК шаг за шагом. Спираль расплетается, каждая старая цепь служит матрицей для новой, и в результате образуются две идентичные молекулы.
6.1
RNA · РНК
English
RNA is also made of nucleotides, but it is a single strand, its sugar is ribose, and it uses uracil in place of thymine. The most important type here is messenger RNA (mRNA), which carries a copy of a gene's instructions out of the nucleus to be used.
Русский
РНК также состоит из нуклеотидов, но представляет собой одну цепь; её сахар — рибоза, а урацил используется вместо тимина. Наиболее важным типом здесь является мессенджерная РНК (мРНК), которая переносит копию инструкций гена из ядра для использования.
Двойная спираль ДНК: РНК — это родственная нуклеиновая кислота, которая переносит генетическую информацию в процесс синтеза белка
6.2
The genetic code · Генетический код
Syllabus · Программа
English
state that a polypeptide is coded for by a gene and that a gene is a sequence of nucleotides that forms part of a DNA molecule
describe the principle of the universal genetic code in which different triplets of DNA bases either code for specific amino acids or correspond to start and stop codons
describe how the information in DNA is used during transcription and translation to construct polypeptides, including the roles of: • RNA polymerase • messenger RNA (mRNA) • codons • transfer RNA (tRNA) • anticodons • ribosomes
state that the strand of a DNA molecule that is used in transcription is called the transcribed or template strand and that the other strand is called the non-transcribed strand
explain that, in eukaryotes, the RNA molecule formed following transcription (primary transcript) is modified by the removal of non-coding sequences (introns) and the joining together of coding sequences (exons) to form mRNA
state that a gene mutation is a change in the sequence of base pairs in a DNA molecule that may result in an altered polypeptide
explain that a gene mutation is a result of substitution or deletion or insertion of nucleotides in DNA and outline how each of these types of mutation may affect the polypeptide produced
Русский
укажите, что полипептид кодируется геном, а ген представляет собой последовательность нуклеотидов, являющуюся частью молекулы ДНК
опишите принцип универсального генетического кода, согласно которому различные триплеты оснований ДНК либо кодируют специфические аминокислоты, либо соответствуют старт- и стоп-кодонам
опишите, как информация из ДНК используется во время транскрипции и трансляции для синтеза полипептидов, включая роли: • РНК-полимеразы • матричной РНК (мРНК) • кодонов • транспортной РНК (тРНК) • антикодонов • рибосом
укажите, что цепь молекулы ДНК, используемая в транскрипции, называется транскрибируемой или матричной цепью, а другая цепь называется нетранскрибируемой цепью
объясните, что у эукариот РНК-молекула, образованная после транскрипции (первичный транскрипт), модифицируется удалением некодирующих последовательностей (интронов) и соединением кодирующих последовательностей (экзонов) для образования мРНК
укажите, что мутация гена — это изменение последовательности пар оснований в молекуле ДНК, которое может привести к изменению полипептида
объясните, что мутация гена является результатом замещения или делеции или инсерции нуклеотидов в ДНК, и изложите, как каждый из этих типов мутаций может повлиять на образующийся полипептид
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Protein synthesis: DNA to protein
A gene 基因 is a sequence of DNA nucleotides that codes for one polypeptide 多肽.
The code is read in triplets 三联体 — groups of three bases. Each triplet either codes for one specific amino acid 氨基酸, or acts as a start or stop signal. The code is universal: nearly all living things use the same triplets for the same amino acids.
There are 64 possible triplets but only 20 common amino acids, so most amino acids are coded by more than one triplet.
Русский
Синтез белка: от ДНК к белку
Ген — это последовательность нуклеотидов ДНК, кодирующая один полипептид.
Код читается триплетами — группами из трех оснований. Каждый триплет либо кодирует одну конкретную аминокислоту, либо служит сигналом начала или окончания. Код универсален: почти все живые организмы используют одинаковые триплеты для одних и тех же аминокислот.
Существует 64 возможных триплета, но всего 20 распространенных аминокислот, поэтому большинство аминокислот кодируются более чем одним триплетом.
Protein synthesis: transcription and translation · Синтез белка: транскрипция и трансляция
English
Transcription (in the nucleus)
The DNA gene is copied into mRNA. This is transcription 转录.
the strand of DNA that is copied is the template strand 模板链; the partner strand is the non-transcribed strand 非转录链.
the enzyme RNA polymerase joins RNA nucleotides that pair with the template bases (with uracil pairing to adenine).
in eukaryotes the first RNA made (the primary transcript 初级转录本) contains coding parts called exons 外显子 and non-coding parts called introns 内含子. The introns are cut out and the exons joined together to form the finished mRNA.
Translation (at the ribosome)
The mRNA leaves the nucleus and attaches to a ribosome 核糖体. Building the polypeptide from the mRNA code is translation 翻译.
the mRNA is read in codons 密码子 (each codon is one triplet of mRNA bases).
molecules of transfer RNA (tRNA) bring amino acids to the ribosome. Each tRNA has an anticodon 反密码子 that pairs with a matching codon.
as the codons are read in order, the ribosome joins the amino acids with peptide bonds 肽键, building the polypeptide.
Worked example. A DNA template strand reads TAC GGA CTT. Give the mRNA codons, and say how long the polypeptide is. Transcribe by complementary base pairing, remembering that RNA uses uracil in place of thymine: TAC gives AUG, GGA gives CCU, CTT gives GAA. So the mRNA reads AUG CCU GAA. AUG is the start codon (methionine), so the polypeptide is three amino acids long - two once the start methionine is removed. Two errors cost most of the marks here: pairing A with T instead of U when writing mRNA, and transcribing the coding strand instead of the template strand. The mRNA is complementary to the template, and identical to the coding strand apart from U replacing T.
Русский
Транскрипция (в ядре)
Ген ДНК копируется в мРНК. Этот процесс называется транскрипцией.
цепь ДНК, которая копируется, называется шаблонной цепью; комплементарная ей цепь — нетранскрибируемой цепью.
фермент РНК-полимераза соединяет РНК-нуклеотиды, которые образуют пары с шаблонными основаниями (урацил спаривается с аденином).
у эукариот первичный синтезированный РНК (первичный транскрипт) содержит кодирующие участки, называемые экзонами, и некодирующие участки, называемые интронами. Интроны вырезаются, а экзоны соединяются вместе, образуя зрелую мРНК.
Сплайсинг: некодирующие интроны вырезаются, а кодирующие экзоны соединяются для образования готовой мРНК
Трансляция (на рибосоме)
МРНК покидает ядро и присоединяется к рибосоме. Построение полипептида на основе кода мРНК называется трансляцией.
мРНК читается по кодонам (каждон кодон — это одна тройка оснований мРНК).
молекулы транспортной РНК (тРНК) доставляют аминокислоты к рибосоме. Каждая тРНК имеет антитриплет (антикодон), который спаривается с соответствующим кодоном.
по мере чтения кодонов по порядку рибосома соединяет аминокислоты пептидными связями, строя полипептид.
Транскрипция копирует ДНК в мРНК в ядре; трансляция на рибосоме строит полипептид
Разобранное решение. Шаблонная цепь ДНК имеет последовательность TAC GGA CTT. Запишите кодоны мРНК и определите длину полипептида. Транскрибируйте методом комплементарного спаривания оснований, помня, что РНК использует урацил вместо тимина: TAC дает AUG, GGA дает CCU, CTT дает GAA. Таким образом, мРНК имеет последовательность AUG CCU GAA. AUG является стартовым кодоном (метионин), поэтому полипептид состоит из трех аминокислот — двух после удаления стартового метионина. Две ошибки стоят большинства баллов здесь: спаривание A с T вместо U при записи мРНК и транскрипция кодирующей цепи вместо шаблонной. МРНК комплементарна шаблонной и идентична кодирующей цепи за исключением замены T на U.
Explore · Исследовать
From gene to protein · От гена к белку
Step through the central dogma: the DNA template is transcribed into mRNA by base pairing (A→U, T→A, G→C, C→G), then read in codons and translated into a chain of amino acids. · Пройдите через центральную догму: шаблон ДНК транскрибируется в мРНК путем спаривания оснований (А→У, Т→А, Г→Ц, Ц→Г), затем читается по кодонам и переводится в цепочку аминокислот.
Explore · Исследовать
From gene to protein · От гена к белку
Step through how a gene becomes a protein. Transcription copies DNA into mRNA; translation reads the mRNA to build the polypeptide. · Пройдите по процессу превращения гена в белок. Транскрипция копирует ДНК в мРНК; трансляция читает мРНК для построения полипептида.
A gene mutation 突变 is a change in the base sequence of a DNA molecule. It may change the polypeptide made. There are three types:
substitution 替换 — one base is swapped for a different base. This changes at most one amino acid, and sometimes none (because most amino acids have more than one triplet).
deletion 缺失 — a base is removed.
insertion 插入 — an extra base is added.
A deletion or insertion shifts how every later triplet is read, so it usually changes many amino acids after that point and has a large effect on the polypeptide.
Русский
Мутация гена — это изменение последовательности оснований в молекуле ДНК. Она может изменить синтезируемый полипептид. Выделяют три типа:
субституция — одно основание заменяется другим. Это изменяет максимум одну аминокислоту, а иногда ни одной (поскольку большинство аминокислот имеют более одного триплета).
делеция — удаление одного основания.
инсерция — добавление лишнего основания.
Делеция или инсерция сдвигает чтение каждого последующего триплета, поэтому обычно меняет многие аминокислоты после этого места и оказывает значительное влияние на полипептид.
Субституция меняет один триплет; делеция или инсерция сдвигает каждый последующий триплет (сдвиговый фрейм)
Explore · Исследовать
Mutation type lab · Лабораторная работа по типам мутаций
Compare substitution, insertion and deletion using their effect on the code. · Сравните субституцию, инсерцию и делецию по их влиянию на код.
The two transport tissues · Два проводящих вещества
Syllabus · Программа
English
draw plan diagrams of transverse sections of stems, roots and leaves of herbaceous dicotyledonous plants from microscope slides and photomicrographs
describe the distribution of xylem and phloem in transverse sections of stems, roots and leaves of herbaceous dicotyledonous plants
draw and label xylem vessel elements, phloem sieve tube elements and companion cells from microscope slides, photomicrographs and electron micrographs
relate the structure of xylem vessel elements, phloem sieve tube elements and companion cells to their functions
Русский
начертите плановые схемы поперечных срезов стеблей, корней и листьев травянистых двудольных растений по препаратам под микроскопом и фото микропрепаратам
описывать распределение ксилемы и флоэмы в поперечных срезах стеблей, корней и листьев травянистых двудольных растений
рисовать и подписывать элементы сосудов ксилемы, элементы ситовидных трубок флоэмы и спутниковые клетки на препаратах для микроскопии, фото- и электронно-микроскопических снимках
связывать строение элементов сосудов ксилемы, ситовидных трубок флоэмы и спутниковых клеток с их функциями
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Plants move substances through two transport tissues 组织:
xylem 木质部 carries water and dissolved mineral ions 矿物离子 up from the roots.
phloem 韧皮部 carries dissolved foods (called assimilates 同化物, mainly sugars) to wherever they are needed.
In a transverse section 横切面 (a cut straight across) of a dicotyledonous plant 双子叶植物:
in the stem, xylem and phloem sit together in bundles near the outside, with xylem on the inside of each bundle.
in the root, the xylem is in the centre, often in a star shape, with phloem between the arms.
in the leaf, both are found in the veins.
When you draw a plan diagram, you draw only the outlines of the tissues, not the single cells.
Xylem vessels
Xylem water-carrying tubes are called vessels 导管. They are made of dead, empty cells joined end to end, with the end walls gone, so they form one long open pipe. Their walls are thickened and waterproofed with lignin 木质素. So the structure suits the job: the hollow, open tube with no contents lets water flow fast, and the lignin gives strength and support.
Phloem sieve tubes and companion cells
Phloem food-carrying tubes are called sieve tubes 筛管. They are living cells joined end to end, but their end walls are not gone — they become sieve plates 筛板 with many holes that sap flows through. To leave room for flow, a sieve tube cell loses most of its contents and has no nucleus.
Beside each sieve tube is a companion cell 伴胞. It keeps its nucleus 细胞核 and has many mitochondria 线粒体. It does the living work for the sieve tube and loads sugars into it.
This is what a real vascular bundle 维管束 looks like under the microscope, in a stained section of a young sunflower stem:
Русский
Растения перемещают вещества через два проводящих вещества:
ксилема переносит воду и растворенные минеральные ионы вверх от корней.
флоэма переносит растворенные питательные вещества (называемые ассимилятами, преимущественно сахарами) туда, где они необходимы.
При поперечном срезе (разрезе прямо поперек) дольчистого растения:
в стебле ксилема и флоэма расположены вместе в пучках ближе к наружной части, при этом ксилема находится внутри каждого пучка.
в корне ксилема расположена в центре, часто в форме звезды, с флоэмой между лучами.
в листе оба вещества находятся в жилках.
Когда вы рисуете плановую диаграмму, вы рисуете только контуры тканей, а не отдельные клетки.
Расположение тканей: проводящие пучки стебля образуют кольцо у периферии (ксилема внутри); в корне ксилема формирует центральную звездуДревесина ствола дерева — это ксилема; каждое кольцо соответствует одному году роста
Сосуды ксилемы
Водонесущие трубки ксилемы называются сосудами. Они образованы мертвыми полыми клетками, соединенными торец к торцу, при этом поперечные перегородки отсутствуют, что создает единую длинную открытую трубу. Их стенки утолщены и пропитаны лигнином для водонепроницаемости. Таким образом, строение идеально подходит для функции: полая открытая труба без содержимого обеспечивает быстрое движение воды, а лигнин придает прочность и опору.
Ситовидные трубки флоэмы и спутницы
Пищевые трубки флоэмы называются ситовидными трубками. Это живые клетки, соединенные торец к торцу, но их поперечные перегородки не исчезают полностью — они превращаются в ситовидные пластинки со множеством отверстий, через которые проходит сок. Чтобы освободить пространство для тока, клетка ситовидной трубки теряет большую часть содержимого и лишается ядра.
Рядом с каждой ситовидной трубкой находится клетка-спутница. Она сохраняет ядро и содержит множество митохондрий. Она выполняет метаболические функции за ситовидную трубку и загружает в нее сахара.
Ксилема — это мертвая открытая труба; флоэма — живые ситовидные трубки со ситовидными пластинками и клетками-спутницами
Так выглядит настоящий проводящий пучок под микроскопом на окрашенном срезе молодого стебля подсолнечника:
Настоящий проводящий пучок в срезе: крупные красные клетки — это сосуды ксилемы (толстые лигнифицированные стенки); мелкие клетки сверху — флоэма
Explore · Исследовать
Xylem and phloem side by side · Ксилема и флоэма рядом друг с другом
Tap each part. Xylem is a dead, hollow pipe for water; phloem is a living tube for sugars, helped by its companion cell. · Нажмите на каждую часть. Ксилема — мертвая полая трубка для воды; флоэма — живая трубка для сахаров, помогается ей спутниковой клеткой.
Water from the soil to the xylem · Вода от почвы к ксилеме
Syllabus · Программа
English
state that some mineral ions and organic compounds can be transported within plants dissolved in water
describe the transport of water from the soil to the xylem through the: • apoplast pathway, including reference to lignin and cellulose • symplast pathway, including reference to the endodermis, Casparian strip and suberin
explain that transpiration involves the evaporation of water from the internal surfaces of leaves followed by diffusion of water vapour to the atmosphere
explain how hydrogen bonding of water molecules is involved with movement of water in the xylem by cohesion-tension in transpiration pull and by adhesion to cellulose in cell walls
make annotated drawings of transverse sections of leaves from xerophytic plants to explain how they are adapted to reduce water loss by transpiration
state that assimilates dissolved in water, such as sucrose and amino acids, move from sources to sinks in phloem sieve tubes
explain how companion cells transfer assimilates to phloem sieve tubes, with reference to proton pumps and cotransporter proteins
explain mass flow in phloem sieve tubes down a hydrostatic pressure gradient from source to sink
Русский
указывать, что некоторые минеральные ионы и органические соединения могут транспортироваться внутри растений, растворённые в воде
описывать транспорт воды из почвы в ксилему через: • апопластный путь, включая упоминание лигнина и целлюлозы • симпластный путь, включая упоминание эндодермы, каспариявых полосок и суберина
объяснять, что транспирация включает испарение воды с внутренних поверхностей листьев, за которым следует диффузия водяного пара в атмосферу
объяснять, как водородные связи между молекулами воды участвуют в движении воды в ксилеме благодаря ковалентно-натяжному механизму при транспирационном потяжении и благодаря адгезии к целлюлозе в клеточных стенках
делать размеченные рисунки поперечных срезов листьев ксерофитных растений, чтобы объяснить, как они адаптированы для снижения потери воды при транспирации
указывать, что ассимиляты, растворённые в воде, такие как сахароза и аминокислоты, перемещаются от источников к стокам по ситовидным трубкам флоэмы
объяснять, как спутниковые клетки передают ассимиляты в ситовидные трубки флоэмы, с указанием протонных насосов и котранспортёрных белков
объяснять массовый поток в ситовидных трубках флоэмы вдоль гидростатического градиента давления от источника к стоку
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Water enters a root hair cell 根毛细胞 by osmosis 渗透, because the root hair has a lower water potential than the soil water. Water then crosses the root to the xylem by two pathways:
the apoplast pathway 质外体途径 — water moves through the cell walls 细胞壁 (made of cellulose 纤维素) and the spaces between cells, without entering the cytoplasm. This is fast.
the symplast pathway 共质体途径 — water moves through the cytoplasm of cells, passing from cell to cell through the plasmodesmata 胞间连丝.
At a ring of cells called the endodermis 内皮层, the apoplast pathway is blocked by the Casparian strip 凯氏带, a waterproof band of suberin 木栓质. This forces all the water through the cell membranes, which lets the plant control what enters the xylem.
Русский
Вода проникает в корневой волосок путем осмоса, так как водный потенциал корневого волоска ниже, чем у почвенной воды. Затем вода пересекает корень к ксилеме двумя путями:
апoplastный путь — вода движется через клеточные стенки (состоящие из целлюлозы) и межклеточные пространства, не входя в цитоплазму. Это быстрый процесс.
симпластный путь — вода движется через цитоплазму клеток, переходя от клетки к клетке через плазмодесмы.
На кольце клеток, называемом эндодермой, апoplastный путь блокируется Каспаровой полоской — водонепроницаемой лентой из суберина. Это вынуждает всю воду проходить через клеточные мембраны, что позволяет растению контролировать поступление веществ в ксилему.
Апопласт проходит через стенки, симпласт — через цитоплазму; каспарова полоска блокирует апостлат на эндодерме
Explore · Исследовать
Water from soil to xylem · Вода от почвы к ксилеме
Follow water in from the soil. It crosses the root two ways, is forced through a membrane at the endodermis, then enters the xylem. · Отследите путь воды из почвы. Она проникает через корень двумя путями, вынуждена пройти через мембрану на эндодерме, затем попадает в ксилему.
7.2
Transpiration and the movement of water up the xylem · Транспирация и движение воды вверх по ксилеме
English
Transpiration 蒸腾作用 is the loss of water vapour from a plant. Water evaporates (turns to vapour) from the wet cell surfaces inside the leaf — this is evaporation 蒸发. The water vapour 水蒸气 then diffuses 扩散 out through the stomata 气孔 into the atmosphere 大气.
This loss at the top pulls water up the xylem in a continuous column. It works because of hydrogen bonding between water molecules:
water molecules attract each other through hydrogen bonds 氢键, so they stick together. This sticking is cohesion 内聚力, and it lets the whole column be pulled up under tension 张力 (the cohesion–tension idea).
water molecules also stick to the cellulose of the cell walls. This is adhesion 附着力, which helps hold the column in place.
Worked example. A plant cell with a water potential of $-800\ \text{kPa}$ is placed in a solution of water potential $-400\ \text{kPa}$. Which way does water move, and what happens to the cell? Water always moves down a water potential gradient - from the less negative (higher) value to the more negative (lower) one. The solution at $-400$ is higher than the cell at $-800$, so water moves into the cell. The cell swells, the protoplast presses on the cell wall, the pressure potential rises, and the cell becomes turgid. Two traps: $-400$ is greater than $-800$, which is the sign error that reverses half of all answers; and pure water is the maximum at 0, so every solution is negative and a water potential can never rise above zero.
Русский
Транспирация — это испарение водяного пара с растения. Вода испаряется (превращается в пар) с влажных поверхностей клеток внутри листа — это испарение. Затем водяной пардиффундирует наружу через устичные щели в атмосферу.
Это испарение сверху тянет воду вверх по ксилеме непрерывным столбом. Этот процесс возможен благодаря водородным связям между молекулами воды:
молекулы воды притягивают друг друга посредством водородных связей, поэтому они сцепляются вместе. Это сцепление называется когезией, и оно позволяет всему столбу подниматься вверх под действием натяжения (теория когезии–натяжения).
молекулы воды также прилипают к целлюлозе клеточных стенок. Это адгезия, которая помогает удерживать столб на месте.
Транспирация на листе тянет весь водный столб вверх по ксилеме; когезия (водородные связи) удерживает его целостность
Разбор примера. Клетку растения с водным потенциалом $-800\ \text{kPa}$ помещают в раствор с водным потенциалом $-400\ \text{kPa}$. В каком направлении движется вода и что происходит с клеткой? Вода всегда движется вниз по градиенту водного потенциала — от менее отрицательного (более высокого) значения к более отрицательному (более низкому). Раствор со значением $-400$ является более высоким, чем клетка со значением $-800$, поэтому вода движется внутрь клетки. Клетка набухает, протопласт давит на клеточную стенку, потенциал давления возрастает, и клетка становится тургорной. Два ловушки: $-400$больше, чем $-800$, что является знаком ошибки, переворачивающей половину ответов; а чистая вода представляет максимум на уровне 0, поэтому любой раствор имеет отрицательное значение, и водный потенциал никогда не может подняться выше нуля.
Explore · Исследовать
The transpiration stream · Транспирационный ток
Step through how water is pulled up a tree — evaporation at the top creates a tension that drags the whole cohesive column upward. · Разберитесь, как вода поднимается по дереву — испарение наверху создает натяжение, которое тянет за собой весь когезионный столб вверх.
A xerophyte 旱生植物 is a plant adapted 适应 to live where water is scarce. Its leaves reduce water loss by transpiration in several ways: a thick waxy cuticle 角质层, stomata sunk in pits, hairs that trap moist air, and leaves that can roll up. You should be able to draw a labelled leaf section showing these features.
Русский
Ксерофит — это растение, адаптированное к жизни в условиях недостатка воды. Его листья снижают потерю воды при транспирации несколькими способами: толстый восковой кутикула, устичные щели, углубленные в ямки, волоски, задерживающие влажный воздух, и листья, способные сворачиваться. Вы должны уметь нарисовать помеченный срез листа, показывающий эти особенности.
Листья ксерофитов сокращают потери воды: толстая кутикула, углубленные устьица, задержанный влажный воздух и сворачивание
Translocation: moving assimilates in the phloem · Транслокация: перемещение ассимилятов во флоэме
English
Assimilates such as sucrose 蔗糖 and amino acids 氨基酸 are carried in the phloem from a source 源 to a sink 库.
a source is where the assimilate is made or released (for example a photosynthesising leaf).
a sink is where it is used or stored (for example a growing root).
Loading at the source
Companion cells load sucrose into the sieve tubes against its concentration gradient. They use proton pumps 质子泵 to pump hydrogen ions out, then cotransporter proteins 协同运输蛋白 bring sucrose back in together with those ions. This is a form of active transport 主动运输.
Loading sucrose lowers the water potential 水势 inside the sieve tube, so water follows by osmosis. This raises the hydrostatic pressure 静水压 there.
Mass flow
At the sink, sucrose is removed, so the water potential rises, water leaves, and the pressure falls. The result is a pressure difference between source (high) and sink (low). Sap flows from high to low pressure down this gradient. This pressure-driven flow is called mass flow 集流.
Русский
Ассимиляты, такие как сахароза и аминокислоты, транспортируются по флоэме от источника к стоку.
источник — это место, где образуется или высвобождается ассимилят (например, фотосинтезирующий лист).
сток — это место, где ассимилят используется или накапливается (например, растущий корень).
Погружение в источнике
Сопутствующие клетки загружают сахарозу в ситовидные трубки против градиента концентрации. Они используют протонные насосы для выкачивания ионов водорода наружу, а затем белки-котранспортеры возвращают сахарозу обратно вместе с этими ионами. Это форма активного транспорта.
Загрузка сахарозы снижает водный потенциал внутри ситовидной трубки, поэтому вода следует за ней осмосом. Это повышает гидростатическое давление в этом месте.
Массовый поток
В стоке сахароза удаляется, поэтому водный потенциал повышается, вода выходит, и давление падает. В результате возникает разность давлений между источником (высокое) и стоком (низкое). Сок течет от высокого давления к низкому вдоль этого градиента. Этот поток, вызванный давлением, называется массовым потоком.
Загрузка сахарозы в источнике повышает давление; затем сок движется массовым потоком к стоку
Explore · Исследовать
Translocation by mass flow · Транслокация массовым потоком
Step through how sugar moves. Loading at the source pulls water in and raises the pressure, pushing sap to the sink. · Разберитесь, как движется сахар. Загрузка на источнике втягивает воду и повышает давление, толкая соку к стоку.
State the tissue for each direction: xylem carries water up (dead, lignified), phloem carries assimilates both ways (living sieve tubes + companion cells).
Explain water movement by cohesion-tension: transpiration pulls a continuous water column held by cohesion (H-bonds) and adhesion.
List the factors affecting transpiration rate (light, temperature, humidity, air movement) and how a potometer measures uptake.
For xerophytes, link each adaptation (thick cuticle, sunken stomata, rolled leaves, hairs) to reduced water loss.
Русский
Укажите ткань для каждого направления: ксилема переносит воду вверх (мертвые, лигнифицированные), флоэма переносит ассимиляты в обоих направлениях (живые ситовидные трубки + сопутствующие клетки).
Объясните движение воды через когезию и натяжение: транспирация тянет непрерывный водяной столб, удерживаемый когезией (водородными связями) и адгезией.
Перечислите факторы, влияющие на скорость транспирации (свет, температура, влажность, движение воздуха), и то, как потометр измеряет поглощение.
Для ксерофитов свяжите каждую адаптацию (толстая кутикула, углубленные устьица, свернутые листья, волоски) со снижением потери воды.
8
Transport in mammals · Транспорт веществ у млекопитающих
state that the mammalian circulatory system is a closed double circulation consisting of a heart, blood and blood vessels including arteries, arterioles, capillaries, venules and veins
describe the functions of the main blood vessels of the pulmonary and systemic circulations, limited to pulmonary artery, pulmonary vein, aorta and vena cava
recognise arteries, veins and capillaries from microscope slides, photomicrographs and electron micrographs and make plan diagrams showing the structure of arteries and veins in transverse section (TS) and longitudinal section (LS)
explain how the structure of muscular arteries, elastic arteries, veins and capillaries are each related to their functions
recognise and draw red blood cells, monocytes, neutrophils and lymphocytes from microscope slides, photomicrographs and electron micrographs
state that water is the main component of blood and tissue fluid and relate the properties of water to its role in transport in mammals, limited to solvent action and high specific heat capacity
state the functions of tissue fluid and describe the formation of tissue fluid in a capillary network
Русский
указывать, что кровеносная система млекопитающих представляет собой замкнутую двойную систему кровообращения, состоящую из сердца, крови и кровеносных сосудов, включая артерии, артериолы, капилляры, венулы и вены
описывать функции основных кровеносных сосудов легочного и системного кровообращения, ограничиваясь легочной артерией, легочной веной, аортой и верхней/нижней полыми венами
распознавать артерии, вены и капилляры на препаратах для микроскопии, фото- и электронно-микроскопических снимках, а также составлять плановые схемы строения артерий и вен в поперечном (TS) и продольном (LS) разрезах
объяснять, как строение мышечных артерий, эластичных артерий, вен и капилляров связано с их функциями
распознавать и рисовать эритроциты, моноциты, нейтрофилы и лимфоциты на препаратах для микроскопии, фото- и электронно-микроскопических снимках
указывать, что вода является основным компонентом крови и межтканевой жидкости, и связывать свойства воды с её ролью в транспорте у млекопитающих, ограничиваясь растворительным действием и высокой удельной теплоёмкостью
указывать функции межтканевой жидкости и описывать образование межтканевой жидкости в капиллярной сети
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Mammals have a closed double circulation. "Closed" means the blood stays inside blood vessels 血管 the whole time. "Double" means the blood passes through the heart 心脏 twice for each full trip around the body. This gives two linked loops, so we call it a double circulation 双循环 and the whole thing a circulatory system 循环系统:
the pulmonary circulation 肺循环 carries blood from the heart to the lungs and back.
the systemic circulation 体循环 carries blood from the heart to the rest of the body and back.
Blood travels in this order: arteries 动脉 → arterioles 小动脉 → capillaries 毛细血管 → venules 小静脉 → veins 静脉.
The main vessels are:
the pulmonary artery 肺动脉 — carries blood low in oxygen 氧气 from the heart to the lungs.
the pulmonary vein 肺静脉 — carries oxygen-rich blood from the lungs back to the heart.
the aorta 主动脉 — the big artery that carries oxygen-rich blood from the heart to the body.
the vena cava 腔静脉 — the big vein that returns oxygen-poor blood from the body to the heart.
How the vessels suit their jobs
Vessel
Structure
Function
artery
thick wall of muscle 肌肉 and elastic 弹性 fibres; narrow lumen 管腔 (the space inside)
carries blood at high pressure away from the heart; elastic walls stretch and recoil to smooth the flow; muscle controls the flow
capillary
wall just one cell thick; very narrow
short distance for exchange of substances between blood and cells
vein
thin wall; wide lumen; has valves 瓣膜
returns blood at low pressure to the heart; valves stop blood flowing backwards
Blood cells
You should recognise: red blood cells 红细胞 (which carry oxygen), and three white blood cells — monocytes 单核细胞, neutrophils 中性粒细胞 and lymphocytes 淋巴细胞.
Water, plasma and tissue fluid
Water is the main part of blood. It is a good solvent 溶剂, so it carries dissolved substances, and it has a high specific heat capacity 比热容, so the blood's temperature stays steady.
At the start of a capillary, the high blood pressure pushes liquid (but not the cells or large proteins) out of the plasma 血浆 and through the capillary wall. This liquid around the cells is tissue fluid 组织液. It supplies the cells with oxygen and glucose and carries waste away. Most of it returns to the capillary at the far end, where the pressure is lower.
Русский
У млекопитающих замкнутая двойная циркуляция. «Замкнутая» означает, что кровь остается внутри кровеносных сосудов все время. «Двойная» означает, что кровь проходит через сердце дважды за каждый полный обход по организму. Это дает две связанные петли, поэтому мы называем это двойной циркуляцией, а всю систему — кровеносной системой:
легочная циркуляция переносит кровь от сердца к легким и обратно.
системная циркуляция переносит кровь от сердца ко всему остальному телу и обратно.
Кровь движется в таком порядке: артерии → артериолы → капилляры → венулы → вены.
Двойная циркуляция: легочная петля идет к легким, системная — к телу; кровь проходит через сердце дважды
Основные сосуды:
легочная артерия — переносит бедную кислородом кровь от сердца к легким.
легочная вена — переносит богатую кислородом кровь от легких обратно к сердцу.
аорта — крупная артерия, несущая богатую кислородом кровь от сердца к телу.
верхняя/нижняя полая вена — крупная вена, возвращающая бедную кислородом кровь от тела к сердцу.
Как сосуды соответствуют своим функциям
Сосуд
Строение
Функция
артерия
толстая стенка из мышечной и эластичной ткани; узкий просвет (пространство внутри)
переносит кровь под высоким давлением от сердца; эластичные стенки растягиваются и возвращаются в исходное состояние, сглаживая поток; мышцы регулируют поток
капилляр
стенка всего из одной клетки; очень узкий
короткое расстояние для обмена веществами между кровью и клетками
вена
тонкая стенка; широкий просвет; имеет клапаны
возвращает кровь под низким давлением к сердцу; клапаны предотвращают обратный ток крови
Артерия имеет толстую стенку и узкий просвет; вена — тонкую стенку, широкий просвет и клапаны; капилляр состоит из одного слоя клеток
Клетки крови
Вы должны узнавать: эритроциты (переносящие кислород) и три вида лейкоцитов — моноциты, нейтрофилы и лимфоциты.
Окрашенный мазок крови: много мелких красных клеток, плюс лимфоцит (в центре) и нейтрофилы (с дольчатым ядром) — белые клетки больше и имеют ядро
Вода, плазма и тканевая жидкость
Вода — основная часть крови. Она является хорошим растворителем, поэтому переносит растворенные вещества, и обладает высокой удельной теплоемкостью, благодаря чему температура крови остается стабильной.
В начале капилляра высокое кровяное давление выталкивает жидкость (но не клетки и крупные белки) из плазмы и сквозь стенку капилляра. Эта жидкость вокруг клеток — тканевая жидкость. Она снабжает клетки кислородом и глюкозой и уносит продукты распада. Большая ее часть возвращается в капилляр на дальнем конце, где давление ниже.
Высокое давление на артериальном конце выталкивает жидкость для образования тканевой жидкости; большая часть возвращается на венозном конце
Explore · Исследовать
Double circulation · Двойное кровообращение
Follow one red blood cell around the loop. It passes through the heart twice each circuit — once to the lungs, once to the body. · Проследите за одним эритроцитом по кругу. Он проходит через сердце дважды за каждый цикл — один раз для легких, один раз для тела.
Transport of oxygen and carbon dioxide · Транспорт кислорода и углекислого газа
Syllabus · Программа
English
describe the role of red blood cells in transporting oxygen and carbon dioxide with reference to the roles of: • haemoglobin • carbonic anhydrase • the formation of haemoglobinic acid • the formation of carbaminohaemoglobin
describe the chloride shift and explain the importance of the chloride shift
describe the role of plasma in the transport of carbon dioxide
describe and explain the oxygen dissociation curve of adult haemoglobin
explain the importance of the oxygen dissociation curve at partial pressures of oxygen in the lungs and in respiring tissues
describe the Bohr shift and explain the importance of the Bohr shift
Русский
описывать роль эритроцитов в транспорте кислорода и углекислого газа с учетом ролей: • гемоглобина • карбонатангидразы • образования гемоглобиновой кислоты • образования карбоксигемоглобина
описывать хлоридный сдвиг и объяснять его значение
описывать роль плазмы в транспорте углекислого газа
описывать и объяснять кривую диссоциации кислорода для взрослого гемоглобина
объяснять значение кривой диссоциации кислорода при парциальных давлениях кислорода в легких и дыхательных тканях
описывать сдвиг Боура и объяснять его значение
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Carrying oxygen
Oxygen is carried by haemoglobin 血红蛋白 in the red blood cells. We show how well haemoglobin holds oxygen with the oxygen dissociation curve 氧解离曲线. This S-shaped graph plots the saturation 饱和度 (how full of oxygen the haemoglobin is) against the partial pressure 分压 of oxygen:
where the partial pressure of oxygen is high (in the lungs), haemoglobin loads up and becomes almost fully saturated.
where it is low (in respiring tissues), haemoglobin unloads its oxygen for the cells to use.
The Bohr shift
When tissues are very active, they release more carbon dioxide 二氧化碳, which lowers the pH. This makes haemoglobin release oxygen more easily, so the curve moves to the right. This helpful change is the Bohr shift 波尔位移: oxygen is given up exactly where it is most needed.
Carrying carbon dioxide
A little carbon dioxide dissolves straight into the plasma, but most is carried after a reaction inside the red blood cells:
the enzyme 酶carbonic anhydrase 碳酸酐酶 speeds up the reaction of carbon dioxide with water to make carbonic acid.
the carbonic acid splits into hydrogen ions and hydrogencarbonate ions 碳酸氢根离子.
the hydrogencarbonate ions move out into the plasma. This is the main way carbon dioxide is carried.
to keep the charge balanced, chloride ions 氯离子 move into the red blood cells. This movement is the chloride shift 氯转移.
the hydrogen ions join haemoglobin to form haemoglobinic acid 血红蛋白酸; this mops up the hydrogen ions and keeps the pH steady.
Some carbon dioxide also joins haemoglobin directly to form carbaminohaemoglobin 氨甲酰血红蛋白.
Worked example. At the lungs the partial pressure of oxygen is about $12\ \text{kPa}$ and haemoglobin is about 98% saturated; in an exercising muscle it is about $3\ \text{kPa}$ and saturation falls to about 40%. How much oxygen is unloaded, and why is the curve S-shaped? Subtract the saturations: $98 - 40 =$58% of the haemoglobin's oxygen is released in the muscle. The S shape comes from cooperative binding - the first oxygen to bind changes haemoglobin's shape so the next ones bind more easily, which is why the middle of the curve is so steep. That steepness is the point: a small fall in partial pressure in a respiring tissue causes a large release of oxygen. The extra carbon dioxide in an exercising muscle lowers the pH and shifts the curve right, so even more is unloaded at the same partial pressure - that is the Bohr shift doing its job.
Русский
Перенос кислорода
Кислород переносится гемоглобином в эритроцитах. С помощью кривой диссоциации кислорода мы показываем, насколько прочно гемоглобин удерживает кислород. Этот S-образный график отражает зависимость насыщения (степени насыщенности гемоглобина кислородом) от парциального давления кислорода:
там, где парциальное давление кислорода высокое (в легких), гемоглобин насыщается и становится почти полностью насыщенным.
там, где оно низкое (в дыхательных тканях), гемоглобин отдает кислород клеткам для использования.
Сдвиг Боура
Когда ткани очень активны, они выделяют больше углекислого газа, что снижает pH. Это облегчает высвобождение гемоглобином кислорода, поэтому кривая смещается вправо. Это полезное изменение называется сдвигом Боура: кислород отдается именно там, где он наиболее необходим.
Гемоглобин захватывает кислород в легких и отдает его в тканях; сдвиг Боура смещает кривую вправо, способствуя большему высвобождению
Перенос углекислого газа
Небольшая часть углекислого газа растворяется непосредственно в плазме, но большая часть переносится после реакции внутри эритроцитов:
ферменткарбоангидратаза ускоряет реакцию углекислого газа с водой с образованием угольной кислоты.
угольная кислота распадается на водородные ионы и гидрокарбонат-ионы.
гидрокарбонат-ионы выходят в плазму. Это основной способ переноса углекислого газа.
чтобы сохранить зарядовый баланс, хлорид-ионы входят в эритроциты. Это движение называется хлоридным сдвигом.
водородные ионы связываются с гемоглобином, образуя гемоглобиновую кислоту; это поглощает водородные ионы и поддерживает стабильность pH.
Некоторая часть углекислого газа также связывается с гемоглобином напрямую, образуя карбамингемоглобин.
Большая часть CO₂ переносится в виде гидрокарбонат-ионов; хлоридный сдвиг сохраняет зарядовый баланс, а гемоглобин поглощает H⁺
Разобранное решение. В легких парциальное давление кислорода составляет около $12\ \text{kPa}$, а насыщенность гемоглобина — около 98%; в работающей мышце оно составляет около $3\ \text{kPa}$, а насыщенность падает до примерно 40%. Сколько кислорода отдается и почему кривая имеет S-образную форму? Вычитаем показатели насыщения: $98 - 40 =$58% кислорода гемоглобина высвобождается в мышце. S-образная форма обусловлена кооперативным связыванием: первый присоединившийся молекула кислорода изменяет форму гемоглобина, облегчая связывание следующих молекул, благодаря чему средняя часть кривая так крутая. Именно эта крутизна важна: небольшое снижение парциального давления в дыхательных тканях вызывает значительное высвобождение кислорода. Избыток углекислого газа в работающей мышце снижает pH и смещает кривую вправо, что приводит к еще большему высвобождению при том же парциальном давлении — это работает сдвиг Боура.
Explore · Исследовать
How blood carries oxygen · Как кровь переносит кислород
Haemoglobin picks up oxygen where there is lots of it (the lungs) and releases it where there is little (the tissues). · Гемоглобин захватывает кислород там, где его много (в легких), и высвобождает его там, где его мало (в тканях).
describe the external and internal structure of the mammalian heart
explain the differences in the thickness of the walls of the: • atria and ventricles • left ventricle and right ventricle
describe the cardiac cycle, with reference to the relationship between blood pressure changes during systole and diastole and the opening and closing of valves
explain the roles of the sinoatrial node, the atrioventricular node and the Purkyne tissue in the cardiac cycle (knowledge of nervous and hormonal control is not expected)
Русский
описывать внешнее и внутреннее строение сердца млекопитающих
объяснять различия в толщине стенок: • предсердий и желудочков • левого желудочка и правого желудочка
описывать сердечный цикл, с учетом взаимосвязи между изменениями давления крови во время систолы и диастолы и открытием/закрытием клапанов
объяснять роли синусового узла, атриовентрикулярного узла и проводящей системы Пуркине в сердечном цикле (знание нервного и гормонального контроля не требуется)
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Structure
The heart has four chambers. The two upper chambers are the atria 心房 (singular: atrium); they have thin walls because they only push blood down into the chambers below. The two lower chambers are the ventricles 心室; they have thick muscular walls because they pump blood out of the heart.
The left ventricle wall is thicker than the right ventricle wall, because the left side must pump blood all the way round the body, while the right side only pumps to the nearby lungs.
The cardiac cycle
One heartbeat is the cardiac cycle 心动周期. It has two parts: systole 收缩期 (when heart muscle contracts) and diastole 舒张期 (when it relaxes and fills). When a chamber contracts, the pressure inside rises; this pressure change opens and closes the valves so that blood flows one way only.
Controlling the heartbeat
The heart sets its own rhythm:
the sinoatrial node 窦房结 in the right atrium is the pacemaker. It sends out a wave of electrical excitation that spreads across the atria and makes them contract.
the atrioventricular node 房室结 picks up the wave, holds it back for a moment (so the atria empty first), then passes it on.
the Purkyne tissue 浦肯野组织 carries the wave down and through the ventricle walls, so the ventricles contract from the bottom upwards and push blood out.
Русский
Строение
Сердце имеет четыре камеры. Две верхние камеры называются предсердиями (ед. ч.: предсердие); они имеют тонкие стенки, поскольку только продавливают кровь вниз в нижележащие камеры. Две нижние камеры — желудочки; они имеют толстые мышечные стенки, так как выталкивают кровь из сердца наружу.
Стенка левого желудочка толще стенки правого желудочка, потому что левая половина должна прокачивать кровь по всему телу, тогда как правая перекачивает её только в близлежащие легкие.
Четыре камеры, клапаны и крупные сосуды; стенка левого желудочка самая толстая
Сердечный цикл
Одно сердцебиение — это сердечный цикл. Он состоит из двух фаз: систолы (сокращения сердечной мышцы) и диастолы (расслабления и наполнения). Когда камера сокращается, давление внутри повышается; это изменение давления открывает и закрывает клапаны, обеспечивая односторонний кровоток.
Давление в желудочке скачкообразно возрастает в систолу, проталкивая кровь в аорту; клапан открывается или закрывается каждый раз, когда две кривые давления пересекаются
Регуляция heartbeat
Сердце задает собственный ритм:
синусовый узел в правом предсердии является водителем ритма. Он генерирует волну электрического возбуждения, распространяющуюся по предсердиям и вызывающую их сокращение.
атриовентрикулярный узел принимает волну, задерживает её ненадолго (чтобы предсердия успели опорожниться), затем передает дальше.
Пуркиньева ткань проводит волну вниз и через стенки желудочков, благодаря чему желудочки сокращаются снизу вверх и выталкивают кровь наружу.
СА-узел задает ритм; волна передается в АВ-узел, а Пуркиньева ткань обеспечивает сокращение желудочков снизу вверх
Explore · Исследовать
Explore the heart · Изучите сердце
Tap each part. The right side pumps blood to the lungs; the thicker-walled left side pumps it round the whole body. · Нажмите на каждую часть. Правая сторона перекачивает кровь в легкие; левая со стенами потолще перекачивает её по всему телу.
Explore · Исследовать
The cardiac cycle · Сердечный цикл
Step through one heartbeat — atria contract, then ventricles contract, then everything relaxes and refills. · Разберите один сердечный удар — предсердия сокращаются, затем желудочки сокращаются, после всего расслабляется и наполняется.
Explore · Исследовать
The cardiac cycle · Сердечный цикл
Step through one heartbeat. Pressure changes open and close the valves so blood always flows one way. · Пройдите по одному сердечному удару. Изменения давления открывают и закрывают клапаны, так что кровь всегда течет в одном направлении.
Trace the double circulation and name the chambers, valves and vessels; the left ventricle wall is thicker (pumps further at higher pressure).
Read the cardiac-cycle pressure graph: a valve opens/closes when the pressures across it cross over.
Explain the oxygen dissociation curve (S-shaped) and the Bohr shift (more CO2 shifts it right, unloading more O2 to active tissue).
Most CO2 is carried as hydrogencarbonate (via the chloride shift).
Русский
Отслеживайте двойной круг кровообращения и назовите камеры, клапаны и сосуды; стенка левого желудочка толще (перекачивает кровь на большее расстояние под более высоким давлением).
Прочитайте график давления сердечного цикла: клапан открывается/закрывается, когда давления по обе стороны от него пересекаются.
Объясните кривую диссоциации кислорода (S-образная) и сдвиг Боэра (увеличение CO2 смещает её вправо, способствуя высвобождению большего количества O2 в активные ткани).
Большинство CO2 переносится в виде гидрогенкарбоната (в результате хлоридного сдвига).
describe the structure of the human gas exchange system, limited to: • lungs • trachea • bronchi • bronchioles • alveoli • capillary network
describe the distribution in the gas exchange system of cartilage, ciliated epithelium, goblet cells, squamous epithelium of alveoli, smooth muscle and capillaries
recognise cartilage, ciliated epithelium, goblet cells, squamous epithelium of alveoli, smooth muscle and capillaries in microscope slides, photomicrographs and electron micrographs
recognise trachea, bronchi, bronchioles and alveoli in microscope slides, photomicrographs and electron micrographs and make plan diagrams of transverse sections of the walls of the trachea and bronchus
describe the functions of ciliated epithelial cells, goblet cells and mucous glands in maintaining the health of the gas exchange system
describe the functions in the gas exchange system of cartilage, smooth muscle, elastic fibres and squamous epithelium
describe gas exchange between air in the alveoli and blood in the capillaries
Русский
описывать строение человеческой дыхательной системы, ограничиваясь: • лёгкими • трахеей • бронхами • бронхиолями • альвеолами • капиллярной сетью
описывать распределение в дыхательной системе хряща, мерцательного эпителия, бокаловидных клеток, плоского эпителия альвеол, гладкой мускулатуры и капилляров
распознавать хрящ, мерцательный эпителий, бокаловидные клетки, плоский эпителий альвеол, гладкую мускулатуру и капилляры на препаратах для микроскопии, фото- и электронно-микроскопических снимках
распознавать трахею, бронхи, бронхиолы и альвеолы на препаратах для микроскопии, фото- и электронно-микроскопических снимках, а также составлять плановые схемы поперечных срезов стенок трахеи и бронха
описывать функции мерцательных эпителиальных клеток, бокаловидных клеток и слизистых желез в поддержании здоровья дыхательной системы
описывать функции в дыхательной системе хряща, гладкой мускулатуры, эластических волокон и плоского эпителия
описывать газообмен между воздухом в альвеолах и кровью в капиллярах
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Your body needs to take in oxygen and get rid of carbon dioxide. This swap happens in the gas exchange 气体交换 system. Air follows this path into the body:
down the trachea 气管 (the windpipe),
into two bronchi 支气管 (one to each lung),
into many smaller bronchioles 细支气管,
and finally into tiny air sacs called alveoli 肺泡, deep in the lungs 肺.
Each alveolus is wrapped in a network of capillaries 毛细血管, so air and blood are brought very close together.
Русский
Вашему организму необходимо поглощать кислород и выводить углекислый газ. Этот обмен происходит в системе газообмена. Воздух следует по этому пути в организм:
вниз по трахее (дыхательной трубке),
в два главных бронха (по одному к каждому легкому),
во множество более мелких мелких бронхов,
и, наконец, в крошечные воздушные мешочки, называемые альвеолами, расположенными глубоко в лёгких.
Каждая альвеола окружена сетью капилляров, благодаря чему воздух и кровь находятся очень близко друг к другу.
Легкие человека, где газообмен происходит через миллионы альвеолВоздух проходит вниз по трахее, в бронхи и бронхиолы, до альвеол
Explore · Исследовать
Explore the airways · Исследуйте дыхательные пути
Tap each part. Air branches from the trachea down to the tiny alveoli, where gas exchange happens. · Нажмите на каждую часть. Воздух разветвляется от трахеи до крошечных альвеол, где происходит газообмен.
The tissues of the airways and what they do · Ткани дыхательных путей и их функции
English
Tissue
Where it is
Function
cartilage 软骨
C-shaped rings in the trachea and bronchi
holds the airway open so it cannot collapse when you breathe in
ciliated epithelium 纤毛上皮
lining the trachea and bronchi
tiny hairs called cilia 纤毛 beat to sweep mucus 黏液 up towards the throat, away from the lungs
goblet cells 杯状细胞 and mucous glands 黏液腺
in the lining of the airways
make the mucus, which traps dust and microbes 微生物 that you breathe in
smooth muscle 平滑肌
in the walls of bronchi and bronchioles
contracts to make the airway narrower
elastic fibres 弹性纤维
in the airway and alveolus walls
stretch when you breathe in, then spring back to help push air out
squamous epithelium 扁平上皮
the very thin, flat lining of the alveoli
gives a very short distance for gases to cross
The cilia, goblet cells and mucous glands work together to keep the lungs clean and healthy: the mucus traps dirt and microbes, and the cilia carry it away to be swallowed.
Русский
Ткань
Расположение
Функция
хрящ
С-образные кольца в трахее и бронхах
Удерживает дыхательные пути открытыми, предотвращая их коллапс при вдохе
реснитчатый эпителий
Выстилает трахею и бронхи
Микроскопические волоски, называемые ресничками, биют, чтобы поднимать слизь вверх к горлу, отводя ее от легких
бокаловидные клетки и слизистые железы
В выстилке дыхательных путей
Вырабатывают слизь, которая задерживает пыль и микробы, которые вы вдыхаете
гладкая мускулатура
В стенках бронхов и бронхиол
Сокращается, сужая дыхательные пути
эластические волокна
В стенках дыхательных путей и альвеол
Растягиваются при вдохе, а затем возвращаются в исходное состояние, помогая выталкивать воздух наружу
плоский эпителий
Очень тонкая, плоская выстилка альвеол
Обеспечивает крайне короткое расстояние для прохождения газов
Реснички, бокаловидные клетки и слизистые железы работают совместно, поддерживая чистоту и здоровье легких: слизь задерживает грязь и микробы, а реснички уносят их, чтобы они были проглочены.
Разрез стенки дыхательного пути: реснички и бокаловидные клетки выстилают просвет, позади них расположены гладкая мускулатура и поддерживающий хрящБокаловидные клетки вырабатывают слизь, которая задерживает пыль и микробы; реснички поднимают ее к горлу
Gas exchange in the alveoli · Газообмен в альвеолах
English
The alveoli are excellent surfaces for exchanging gases, because they have:
a very large total surface area (millions of tiny sacs),
very thin walls — the squamous epithelium of the alveolus and the capillary wall are each only one cell thick, so the distance to cross is tiny,
a rich blood supply from the capillary network,
a moist lining, so gases dissolve before crossing.
Gases move by diffusion 扩散 down their concentration gradients 浓度梯度:
oxygen 氧气 is at a high concentration in the alveolar air and a low concentration in the blood, so it diffuses from the air into the blood.
carbon dioxide 二氧化碳 is at a high concentration in the blood and a low concentration in the alveolar air, so it diffuses from the blood into the air to be breathed out.
Under the microscope, real lung tissue looks like a fine pink lace. The many open spaces are the alveoli, and the thin pink lines between them are the walls where gas exchange happens:
Breathing keeps fresh air in the alveoli, and the flowing blood keeps carrying gases away. Both of these keep the concentration gradients steep, so gas exchange stays fast.
Worked example. Use Fick's law to explain why the alveoli allow such rapid gas exchange. Fick's law makes the rate of diffusion proportional to
so a fast rate needs all three terms working for it. Surface area: millions of alveoli give a huge total area, roughly $70\ \text{m}^2$. Diffusion distance: the alveolar epithelium and the capillary endothelium are each one flattened cell thick, so oxygen crosses in under $1\ \mu\text{m}$. Concentration difference: ventilation constantly refreshes the air while the circulation constantly carries oxygenated blood away, so a steep gradient is maintained. Tie each adaptation to the term of the equation it serves - listing "big surface area, thin walls, good blood supply" without linking them to Fick's law is the weaker answer.
Русский
Альвеолы являются отличными поверхностями для газообмена, поскольку они обладают:
очень большой общей площадью поверхности (миллионы крошечных мешочков),
очень тонкими стенками — плоский эпителий альвеолы и стенка капилляра каждый состоит всего из одного слоя клеток, поэтому расстояние для прохождения минимально,
обильным кровоснабжением от сети капилляров,
влажной выстилкой, что позволяет газам растворяться перед прохождением.
Газы движутся путем диффузии вдоль своих концентрационных градиентов:
кислород находится в высокой концентрации в альвеолярном воздухе и низкой концентрации в крови, поэтому он диффундирует из воздуха в кровь.
углекислый газ находится в высокой концентрации в крови и низкой концентрации в альвеолярном воздухе, поэтому он диффундирует из крови в воздух для последующего выдоха.
Через тонкую влажную стенку кислород диффундирует в кровь, а углекислый газ выходит наружу
Под микроскопом настоящая легочная ткань выглядит как тонкое розовое кружево. Множество открытых пространств — это альвеолы, а тонкие розовые линии между ними — это стенки, где происходит газообмен:
Настоящая легочная ткань, окрашенная для микроскопии: открытые пространства — это альвеолы, тонкие розовые стенки — места crossings газов; маленький дыхательный путь расположен в центре
Дыхание поддерживает приток свежего воздуха в альвеолы, а протекающая кровь постоянно уносит газы. Оба этих фактора поддерживают крутой концентрационный градиент, обеспечивая быстрый газообмен.
Разобранный пример. Используйте закон Фика, чтобы объяснить, почему альвеолы обеспечивают такой быстрый газообмен. Закон Фика гласит, что скорость диффузии пропорциональна
таким образом, высокая скорость требует выполнения всех трех условий. Площадь поверхности: миллионы альвеол создают огромную общую площадь, составляющую примерно $70\ \text{m}^2$. Расстояние диффузии: эпителий альвеолы и эндотелий капилляра каждый состоит из одного уплощенного слоя клеток, поэтому кислород пересекает их менее чем за $1\ \mu\text{m}$. Разница концентраций: вентиляция постоянно обновляет воздух, а кровообращение постоянно уносит оксигенированную кровь, поэтому крутой градиент поддерживается. Сопоставьте каждую адаптацию с членом уравнения, которому она служит — перечисление «большая площадь поверхности, тонкие стенки, хорошее кровоснабжение» без привязки к закону Фика является менее полным ответом.
Explore · Исследовать
At the alveolus · У альвеолы
Tap each part. Oxygen and carbon dioxide swap across a wall just one cell thick, between the air and the blood. · Нажмите на каждую часть. Кислород и углекислый газ обмениваются через стенку толщиной всего в одну клетку между воздухом и кровью.
Link each alveolar feature to fast diffusion: large surface area, thin (one-cell) walls, moist surface, good blood supply — a "surface area, short distance, steep gradient" answer.
Match airway tissue to function: cartilage (holds airways open), ciliated + goblet cells (trap and sweep mucus), smooth muscle and elastic fibres.
Frame answers with Fick's law ideas: rate $\propto$ surface area $\times$ concentration difference $\div$ distance.
Русский
Сопоставьте каждую альвеолярную особенность с быстрой диффузией: большая площадь поверхности, тонкие (однослойные) стенки, влажная поверхность, хорошее кровоснабжение — ответ типа «большая площадь поверхности, короткое расстояние, крутой градиент».
Соотнесите ткань дыхательных путей с функцией: хрящ (удерживает дыхательные пути открытыми), реснитчатый + бокаловидные клетки (задерживают и удаляют слизь), гладкая мускулатура и эластические волокна.
Формулируйте ответы на основе идей закона Фика: скорость $\propto$ площадь поверхности $\times$ концентрационная разница $\div$ расстояние.
What causes infectious disease · Что вызывает инфекционные заболевания
Syllabus · Программа
English
state that infectious diseases are caused by pathogens and are transmissible
state the name and type of pathogen that causes each of the following diseases: • cholera – caused by the bacterium Vibrio cholerae • malaria – caused by the protoctists Plasmodium falciparum, Plasmodium malariae, Plasmodium ovale and Plasmodium vivax • tuberculosis (TB) – caused by the bacteria Mycobacterium tuberculosis and Mycobacterium bovis • HIV/AIDS – caused by the human immunodeficiency virus (HIV)
explain how cholera, malaria, TB and HIV are transmitted
discuss the biological, social and economic factors that need to be considered in the prevention and control of cholera, malaria, TB and HIV (details of the life cycle of the malarial parasite are not expected)
Русский
укажите, что инфекционные заболевания вызываются патогенами и являются заразными
назовите название и тип патогена, вызывающего каждое из следующих заболеваний: • холера – вызывается бактерией Vibrio cholerae • малярия – вызывается простейшими Plasmodium falciparum, Plasmodium malariae, Plasmodium ovale и Plasmodium vivax • туберкулез (ТБ) – вызывается бактериями Mycobacterium tuberculosis и Mycobacterium bovis • ВИЧ/СПИД – вызывается вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ)
объясните механизмы передачи холеры, малярии, туберкулеза и ВИЧ
обсудите биологические, социальные и экономические факторы, которые необходимо учитывать при профилактике и контроле холеры, малярии, туберкулеза и ВИЧ (детали жизненного цикла малярийного паразита не требуются)
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
An infectious disease 传染病 is caused by a pathogen 病原体 — an organism that lives in or on a host and causes harm. Infectious diseases are transmissible: the pathogen can be transmitted 传播 (passed) from one person to another.
You need to know four diseases, the pathogen that causes each, and how each spreads.
Disease
Pathogen and type
How it spreads
cholera 霍乱
the bacterium 细菌Vibrio cholerae
drinking water or food contaminated 污染 with faeces 粪便 (human waste)
malaria 疟疾
the protoctist 原生生物Plasmodium
the bite of an infected mosquito 蚊子, which acts as a vector 媒介 (a carrier of the pathogen); also through infected blood
tuberculosis (TB) 结核病
the bacterium Mycobacterium
tiny airborne droplets 飞沫 from coughs and sneezes; spreads fast where people are crowded
HIV/AIDS
the virus 病毒 HIV (which leads to AIDS 艾滋病)
unprotected sex, infected blood (for example shared needles), and from mother to baby
HIV infects and destroys certain white blood cells, so it slowly weakens the body's immune system 免疫系统.
Русский
Инфекционное заболевание вызывается патогеном — организмом, который живет в организме или на нем и причиняет вред. Инфекционные заболевания заразны: патоген может быть передаваемым (передаваться) от одного человека к другому.
Вам нужно знать четыре болезни, возбудителя каждой из них и то, как каждая из них передается.
Болезнь
Возбудитель и тип
Как передается
холера
бактерияVibrio cholerae
употребление воды или пищи, загрязненныхфекалиями (человеческими отходами)
малярия
простейшееPlasmodium
укус инфицированного комара, который выступает в роли переносчика (носителя патогена); также через инфицированную кровь
туберкулез (ТБ)
бактерия Mycobacterium
крошечные воздушные капли при кашле и чихании; быстро распространяется в местах скопления людей
ВИЧ/СПИД
вирус ВИЧ (который приводит к СПИДУ)
незащищенный секс, инфицированная кровь (например, общие иглы), передача от матери к ребенку
ВИЧ заражает и уничтожает определенные белые кровяные клетки, поэтому он постепенно ослабляет иммунную систему организма.
Бактерия Mycobacterium (красные палочки), вызывающая туберкулез, окрашенная в мазке мокротыПростейшее Plasmodium (маленькие темные кольца), вызывающее малярию, живущее внутри эритроцитовДля малярии нужен комар-переносчик: паразит переходит от человека к комару и обратно к человеку при каждом укусе — именно поэтому борьба направлена против комаров
Explore · Исследовать
Infectious disease route lab · Лаборатория путей передачи инфекционных заболеваний
Classify disease cases by pathogen and route of transmission. · Классифицируйте случаи заболеваний по возбудителю и пути передачи.
Explore · Исследовать
Disease control chain · Цепочка контроля заболеваний
Follow how prevention breaks the chain of infection. · Проследите, как профилактика разрывает цепь инфекции.
Preventing and controlling these diseases · Предотвращение и контроль этих заболеваний
English
Control has biological, social and economic sides — the science of the pathogen, people's behaviour and education, and the money and resources available. Examples:
cholera: provide clean water and proper sewage treatment; good hygiene; vaccines 疫苗 in some areas.
malaria: sleep under nets; remove pools of still water where mosquitoes breed; spray insecticides 杀虫剂; take anti-malarial drugs.
TB: find and treat infected people with a long course of antibiotics; give the BCG vaccine; reduce overcrowding; trace contacts of patients.
HIV: use condoms; use clean needles; test donated blood; educate people. There is no cure and no vaccine yet, but drugs can slow the virus down.
In every case, cost (economic), people's willingness to change behaviour (social) and the supply of drugs or vaccines (biological) all affect how well a disease can be controlled.
Русский
Контроль имеет биологические, социальные и экономические аспекты — науку о патогене, поведение людей и образование, а также доступность денег и ресурсов. Примеры:
холера: обеспечение чистой водой и надлежащей очисткой сточных вод; соблюдение гигиены; вакцинация в некоторых районах.
малярия: сон под сетками; устранение стоячих водоемов, где размножаются комары; распыление инсектицидов; прием противомалярийных препаратов.
ТБ: выявление и лечение инфицированных людей длительным курсом антибиотиков; вакцинация БЦЖ; снижение скученности населения; отслеживание контактов пациентов.
ВИЧ: использование презервативов; применение чистых игл; тестирование донорской крови; просвещение людей. На данный момент нет ни лекарства, ни вакцины, но препараты могут замедлить развитие вируса.
В каждом случае стоимость (экономическая готовность людей изменить свое поведение (социальный аспект) и поставка лекарств или вакцин (биологический аспект) влияют на эффективность контроля над заболеванием.
10.2
Antibiotics · Антибиотики
Syllabus · Программа
English
outline how penicillin acts on bacteria and why antibiotics do not affect viruses
discuss the consequences of antibiotic resistance and the steps that can be taken to reduce its impact
Русский
опишите механизм действия пенициллина на бактерии и объясните, почему антибиотики не влияют на вирусы
обсудите последствия устойчивости к антибиотикам и меры, которые можно принять для снижения их воздействия
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
An antibiotic 抗生素 is a drug that kills bacteria or stops them growing. For example, penicillin 青霉素 stops bacteria from building their cell walls 细胞壁. As the bacterium grows, its weak wall cannot hold it, so the cell takes in water and bursts.
Antibiotics do not work against viruses. A virus has no cell wall and no chemical reactions of its own to attack — it simply uses the machinery of the host cell. So there is no antibiotic target in a virus.
Русский
Антибиотик — это лекарство, которое убивает бактерии или останавливает их рост. Например, пенициллин препятствует построению бактерией клеточной стенки. По мере роста бактерии ее слабая стенка не выдерживает давления, и клетка поглощает воду и лопается.
Пенициллин предотвращает образование новой клеточной стенки, поэтому бактерия поглощает воду и лопаетсяКак мы проверяем действие антибиотика. Каждый бумажный диск содержит другой антибиотик. Прозрачное кольцо означает, что этот антибиотик убил бактерии вокруг него — чем больше кольцо, тем эффективнее препарат. Диски без прозрачного кольца — те, к которым бактерии устойчивы
Антибиотики не действуют против вирусов. У вируса нет клеточной стенки и собственных биохимических реакций для атаки — он просто использует аппарат клетки-хозяина. Поэтому у вируса нет мишени для действия антибиотика.
Antibiotic resistance · Устойчивость к антибиотикам
English
Sometimes a mutation 突变 makes a bacterium resistant to an antibiotic, which means the antibiotic no longer kills it. This resistance 耐药性 is a serious problem:
when an antibiotic is used, the non-resistant bacteria die, but any resistant ones survive and multiply. Over time, more and more bacteria carry the resistance.
some infections then become very hard, or impossible, to treat.
Steps to slow resistance down:
only use antibiotics when they are really needed (not for viral illnesses such as colds).
always finish the full course, so no bacteria are left alive.
use the correct antibiotic for the infection.
reduce the heavy use of antibiotics in farming.
Worked example. A patient with influenza is prescribed an antibiotic. Explain why it will not help, and why it is actively harmful. Antibiotics work by attacking structures or processes that bacteria have and human cells do not - penicillin, for instance, blocks cell wall synthesis, so the growing bacterium bursts under osmotic pressure. A virus has no cell wall, no ribosomes of its own and no metabolism: it replicates inside the host's cells using the host's machinery, so there is simply no bacterial target for the drug to attack. Taking it anyway exposes the patient's harmless resident bacteria to the antibiotic, killing the susceptible ones and selecting for resistant ones - which is how resistance spreads through a population. Name the target that is missing: "viruses are not alive" is not the reason and earns nothing.
Русский
Иногда мутация делает бактерию устойчивой к антибиотику, что означает, что антибиотик больше не убивает её. Эта устойчивость является серьезной проблемой:
при применении антибиотика погибают неустойчивые бактерии, но любые устойчивые выживают и размножаются. Со временем все больше бактерий приобретают эту устойчивость.
некоторые инфекции становятся очень трудными, или невозможными, для лечения.
Устойчивость к антибиотикам распространяется посредством естественного отбора: антибиотик убивает остальных, поэтому выжившие устойчивые бактерии захватывают доминирующее положение
Шаги по замедлению развития устойчивости:
применять антибиотики только тогда, когда это действительно необходимо (не при вирусных заболеваниях, таких как простуда).
всегда завершать полный курс лечения, чтобы не осталось живых бактерий.
использовать правильный антибиотик для данной инфекции.
сократить чрезмерное использование антибиотиков в сельском хозяйстве.
Разобранное решение. Пациенту с гриппом назначен антибиотик. Объясните, почему он не поможет и почему может быть активным вредом. Антибиотики действуют, атакуя структуры или процессы, которые есть у бактерий, но отсутствуют в клетках человека — например, пенициллин блокирует синтез клеточной стенки, из-за чего растущая бактерия лопается под осмотическим давлением. У вируса нет клеточной стенки, собственных рибосом и метаболизма: он реплицируется внутри клеток хозяина, используя его машинерию, поэтому для препарата просто нет бактериальной мишени для атаки. Приём препарата всё равно подвергает безвредные резидентные бактерии организма воздействию антибиотика, убивая восприимчивые и выбирая устойчивые — именно так устойчивость распространяется по популяции. Назовите отсутствующую цель: «вирусы не являются живыми» — это не причина, и за неё не дают баллов.
Explore · Исследовать
How resistance evolves · Как возникает устойчивость
Step through natural selection in fast-forward. The antibiotic kills the rest, so only the resistant bacteria are left to breed. · Пройдите естественный отбор в ускоренном режиме. Антибиотик убивает остальных, поэтому остаются только устойчивые бактерии, которые размножаются.
For each named disease give the pathogen and route (cholera – bacterium, water; malaria – Plasmodium, mosquito vector; also TB, HIV/AIDS).
Explain why antibiotics work on bacteria only (they target cell walls/enzymes, not viruses).
Explain antibiotic resistance as natural selection: a resistant mutant survives and reproduces; reduce it by finishing courses and avoiding overuse.
Русский
Для каждого названного заболевания укажите возбудителя и путь передачи (холера — бактерия, вода; малярия — Plasmodium, переносчик комар; также туберкулёз, ВИЧ/СПИД).
Объясните, почему антибиотики действуют только на бактерии (они поражают клеточные стенки/ферменты, а не вирусы).
Объясните устойчивость к антибиотикам как естественный отбор: устойчивый мутант выживает и размножается; снижайте её, доводя курсы лечения до конца и избегая чрезмерного применения.
Phagocytes — the first defence · Фагоциты — первая линия защиты
Syllabus · Программа
English
describe the mode of action of phagocytes (macrophages and neutrophils)
explain what is meant by an antigen (see 4.1.3) and state the difference between self antigens and non-self antigens
describe the sequence of events that occurs during a primary immune response with reference to the roles of: • macrophages • B-lymphocytes, including plasma cells • T-lymphocytes, limited to T-helper cells and T-killer cells
explain the role of memory cells in the secondary immune response and in long-term immunity
Русский
опишите механизм действия фагоцитов (макрофагов и нейтрофилов)
объясните значение термина антиген (см. 4.1.3) и укажите различие между самоантигенами и чужеродными антигенами
опишите последовательность событий, происходящих во время первичного иммунного ответа, с учетом ролей: • макрофагов • B-лимфоцитов, включая плазматические клетки • T-лимфоцитов, ограниченных T-хелперами и T-киллерами
объясните роль клеток памяти в вторичном иммунном ответе и в обеспечении долгосрочного иммунитета
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Your immune system 免疫系统 is the set of cells that defends the body against pathogens 病原体. The first cells to act are phagocytes 吞噬细胞, a group of white blood cells that includes macrophages 巨噬细胞 and neutrophils 中性粒细胞.
A phagocyte destroys a pathogen by phagocytosis 吞噬作用: it surrounds the pathogen, takes it inside in a vesicle, and digests it with enzymes. After this, a macrophage displays parts of the pathogen on its own surface, ready to alert other immune cells.
This false-coloured electron micrograph captures the moment in real life: a phagocyte reaching out to grab and engulf rod-shaped bacteria.
Русский
Ваша иммунная система — это совокупность клеток, защищающих организм от патогенов. Первыми начинают действовать фагоциты, группа лейкоцитов, включающая макрофаги и нейтрофилы.
Мазок крови: крупные окрашенные клетки — это лейкоциты, рассеянные среди множества эритроцитов
Фагоцит уничтожает патоген путем фагоцитоза: он окружает патоген, захватывает его внутрь в пузыре (везикуле) и переваривает с помощью ферментов. После этого макрофаг экспонирует фрагменты патогена на своей поверхности, готовясь оповестить другие иммунные клетки.
Фагоцитоз: фагоцит заглатывает патоген, переваривает его, затем экспонирует его антиген
Эта окрашенная электронно-микроскопическая фотография запечатлела момент в реальной жизни: фагоцит протягивает руку, чтобы схватить и заглотить палочковидные бактерии.
Настоящий нейтрофил (желтый), один из видов фагоцитов, протягивающий руки, чтобы заглотить палочковидные бактерии (оранжевые) посредством фагоцитоза
Explore · Исследовать
Phagocytosis · Фагоцитоз
Step through how a phagocyte deals with a pathogen — engulf it, digest it, then display its antigen to call in the rest of the immune system. · Продемонстрируйте, как фагоцит борется с патогеном — захватывает его, переваривает, а затем демонстрирует его антиген, чтобы привлечь остальные клетки иммунной системы.
The primary immune response · Первичный иммунный ответ
English
The first time a new pathogen enters, the body makes a slow immune response 免疫反应. The main steps are:
a macrophage engulfs the pathogen and displays its antigen.
T-helper cells 辅助性T细胞 recognise that antigen and become active. They release chemicals that switch on other cells.
B-lymphocytes 淋巴细胞 with a matching shape are selected. They divide to form plasma cells 浆细胞, which pour out antibodies 抗体, and memory cells 记忆细胞.
T-killer cells 杀伤性T细胞 destroy the body's own cells that have been infected.
Русский
При первом появлении нового патогена организм вырабатывает медленный иммунный ответ. Основные этапы:
макрофаг заглатывает патоген и экспонирует его антиген.
T-хелперы распознают этот антиген и активируются. Они выделяют химические вещества, запускающие работу других клеток.
Отбираются B-лимфоциты с подходящей формой рецептора. Они делятся, образуя плазматические клетки, которые массово выделяют антитела, и клетки памяти.
T-киллеры уничтожают собственные клетки организма, зараженные вирусом.
Только B-лимфоцит, форма которого соответствует антигену, отбирается и клонируется — в антителопродуцирующие плазматические клетки и долгоживущие клетки памяти
Explore · Исследовать
The primary immune response · Первичный иммунный ответ
Step through the first time the body meets a pathogen — slow at first, but it leaves memory cells behind. · Пройдите по тому, как организм впервые встречает патоген — сначала медленно, но он оставляет после себя клетки памяти.
11.1
Memory cells and long-term immunity · Клетки памяти и долгосрочный иммунитет
English
Memory cells stay in the body for years after the infection is over. If the same pathogen enters again, the memory cells start a secondary immune response that is much faster and larger than the first. The pathogen is destroyed before it can make you ill. This is what we mean by long-term immunity.
Русский
Клетки памяти остаются в организме годами после завершения инфекции. Если тот же самый патоген попадет снова, клетки памяти запустят вторичный иммунный ответ, который будет гораздо быстрее и мощнее первого. Патоген будет уничтожен до того, как успеет вызвать болезнь. Именно это мы имеем в виду под долгосрочным иммунитетом.
Вторичный ответ быстрее и сильнее, потому что клетки памяти готовы
relate the molecular structure of antibodies to their functions
outline the hybridoma method for the production of monoclonal antibodies
outline the principles of using monoclonal antibodies in the diagnosis of disease and in the treatment of disease
describe the differences between active immunity and passive immunity and between natural immunity and artificial immunity
explain that vaccines contain antigens that stimulate immune responses to provide long-term immunity
explain how vaccination programmes can help to control the spread of infectious diseases
Русский
свяжите молекулярную структуру антител с их функциями
опишите метод гибридом для получения моноклональных антител
опишите принципы использования моноклональных антител в диагностике и лечении заболеваний
опишите различия между активным иммунитетом и пассивным иммунитетом, а также между естественным иммунитетом и искусственным иммунитетом
объясните, что вакцины содержат антигены, стимулирующие иммунный ответ для обеспечения долгосрочного иммунитета
объясните, как программы вакцинации помогают контролировать распространение инфекционных заболеваний
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
An antibody is a Y-shaped protein made by plasma cells. The two tips of the Y are antigen-binding sites 抗原结合位点. Each site has a special shape, called the variable region 可变区, that fits one antigen only, like a lock and key.
Antibodies help in several ways: they stick to antigens, clump pathogens together so they are easier to deal with, mark pathogens so phagocytes find them, and block harmful toxins.
Русский
Антитело — это белок в форме буквы Y, производимый плазматическими клетками. Два кончика Y — это участки связывания с антигеном. Каждый участок имеет особую форму, называемую вариабельной областью, которая подходит только к одному конкретному антигену, как ключ к замку.
Антитело имеет форму Y; два кончика — это вариабельные области, связывающие один специфический антиген
Антитела помогают несколькими способами: они связываются с антигенами, склеивают патогены вместе, облегчая борьбу с ними, маркируют патогены, чтобы фагоциты могли их найти, и блокируют опасные токсины.
Explore · Исследовать
Inside an antibody · Структура антитела
Tap each part. The variable tips bind one specific antigen; the constant stem is the same in every antibody. · Нажмите на каждую часть. Переменные концы связывают один специфический антиген; постоянный стебель одинаков во всех антителах.
A monoclonal antibody 单克隆抗体 is a single type of antibody, all identical. They are made by the hybridoma 杂交瘤 method:
an animal is given an antigen, so it makes B-lymphocytes that produce the wanted antibody.
these B-lymphocytes are fused with tumour cells, which divide endlessly.
the fused cell (the hybridoma) both makes the antibody and divides without stopping, producing large amounts of one identical antibody.
Monoclonal antibodies are used in the diagnosis 诊断 of disease (to detect a specific molecule, as in a pregnancy test) and in treatment (to carry drugs to specific target cells, such as cancer cells).
Русский
Моноклональное антитело — это единый тип антител, все идентичные. Они производятся методом гибридомы:
животному вводят антиген, чтобы он выработал B-лимфоциты, производящие нужное антитело.
эти B-лимфоциты сливаются с опухолевыми клетками, которые делятся бесконечно.
слитая клетка (гибридома) одновременно вырабатывает антитело и делится без остановки, производя большое количество идентичных антител.
Слияние B-лимфоцита с опухолевой клеткой образует гибридому, которая вырабатывает одно идентичное (моноклональное) антитело
Моноклональные антитела используются для диагностики заболеваний (для обнаружения специфической молекулы, как в тесте на беременность) и для лечения (для доставки лекарств к конкретным целевым клеткам, таким как раковые клетки).
Тест на беременность демонстрирует работу моноклональных антител. Антитела зафиксированы на линии T и связывают только одну молекулу — гормон беременности hCG. Линия T становится красной только при наличии hCG в моче; линия C появляется всегда, чтобы показать, что тест проведен корректно
Immunity can be active or passive, and natural or artificial.
active immunity 主动免疫 — your own body meets an antigen and makes its own antibodies and memory cells. It is slow to start but long-lasting.
passive immunity 被动免疫 — ready-made antibodies are given to you from outside. It works at once but does not last, because there are no memory cells.
natural immunity 天然免疫 — gained in a natural way (active: after an infection; passive: antibodies passed from mother to baby).
artificial immunity 人工免疫 — gained on purpose (active: your body is made to respond to a safe dose of antigen; passive: you are injected with ready-made antibodies).
Русский
Иммунитет может быть активным или пассивным, а также естественным или искусственным.
активный иммунитет — собственная организм встречает антиген и вырабатывает собственные антитела и клетки памяти. Он медленно формируется, но действует долго.
пассивный иммунитет — готовые антитела поступают в организм извне. Он действует немедленно, но не持久的, так как не образуются клетки памяти.
естественный иммунитет — приобретается естественным путем (активный: после инфекции; пассивный: передачу от матери к ребенку).
A vaccine 疫苗 contains antigens — often a dead or weakened pathogen, or part of one. The antigens trigger a primary immune response and make memory cells, so you gain long-term immunity without becoming ill.
Vaccination 疫苗接种 programmes can control the spread of a disease across a population. If enough people are vaccinated, the pathogen cannot pass easily from person to person. This protects even the people who are not vaccinated, an effect called herd immunity 群体免疫.
Worked example. Classify each as active or passive, natural or artificial: (a) a baby receives antibodies in breast milk; (b) a child is vaccinated against measles; (c) someone recovers from chickenpox; (d) a patient bitten by a snake is given antivenom. Ask two questions each time. Did the person make the antibodies themselves? If yes it is active; if they were handed ready-made ones, it is passive. Did it happen by chance or deliberately? Naturally, or artificially. So (a) is natural passive - ready-made antibodies by a natural route; (b) is artificial active - the vaccine's antigens make the child produce their own; (c) is natural active - the infection made them produce their own; (d) is artificial passive - ready-made antibodies given deliberately. Only active immunity makes memory cells, which is exactly why passive immunity acts immediately but is short-lived.
Русский
Вакцина содержит антигены — часто мертвые или ослабленные патогены, или их части. Антигены вызывают первичный иммунный ответ и формирование клеток памяти, обеспечивая долгосрочный иммунитет без развития болезни.
Программы вакцинации могут контролировать распространение заболевания в популяции. Если достаточно людей вакцинированы, патоген не может легко передаваться от человека к человеку. Это защищает даже тех, кто не был вакцинирован, эффект называется популяционным (коллективным) иммунитетом.
Популяционный иммунитет: когда достаточно людей вакцинированы, патоген не достигает немногих, кто не вакцинирован
Разобранный пример. Отнесите каждый случай к активному или пассивному, естественному или искусственному: (a) младенец получает антитела с грудным молоком; (b) ребенок привит от кори; (c) кто-то выздоровел от ветряной оспы; (d) пациенту, укушенному змеей, ввели противоядие. Задавайте два вопроса каждый раз. Выработал ли сам человек антитела? Если да, то это активный; если ему дали готовые, то это пассивный. Это произошло случайно или преднамеренно? Естественным или искусственным образом. Таким образом, (a) — естественный пассивный — готовые антитела через естественный путь; (b) — искусственный активный — антигены вакцины заставляют ребенка выработать собственные; (c) — естественный активный — инфекция заставила выработать собственные; (d) — искусственный пассивный — готовые антитела введены преднамеренно. Только активный иммунитет образует клетки памяти, именно поэтому пассивный иммунитет действует немедленно, но является кратковременным.
Explore · Исследовать
How a vaccine works · Как работает вакцина
Step through it. A vaccine triggers a primary response and memory cells, so the real pathogen meets a fast, strong defence. · Пройдите по шагам. Вакцина вызывает первичный ответ и образование клеток памяти, так что настоящий патоген встречает быструю и сильную защиту.
Why living things need energy · Почему живым организмам нужна энергия
Syllabus · Программа
English
outline the need for energy in living organisms, as illustrated by active transport, movement and anabolic reactions, such as those occurring in DNA replication and protein synthesis
describe the features of ATP that make it suitable as the universal energy currency
state that ATP is synthesised by: • transfer of phosphate in substrate-linked reactions • chemiosmosis in membranes of mitochondria and chloroplasts
explain the relative energy values of carbohydrates, lipids and proteins as respiratory substrates
state that the respiratory quotient (RQ) is the ratio of the number of molecules of carbon dioxide produced to the number of molecules of oxygen taken in, as a result of respiration
calculate RQ values of different respiratory substrates from equations for respiration
describe and carry out investigations, using simple respirometers, to determine the RQ of germinating seeds or small invertebrates (e.g. blowfly larvae)
Русский
опишите необходимость энергии в живых организмах, проиллюстрированную активным транспортом, движением и анаболическими реакциями, такими как те, что происходят при репликации ДНК и синтезе белков
опишите особенности АТФ, делающие ее подходящей в качестве **универсальной энергетической валюты
укажите, что АТФ синтезируется путем: • переноса фосфата в реакциях, связанных с субстратом • хемиосмоса на мембранах митохондрий и хлоропластов
объясните относительные энергетические значения углеводов, липидов и белков как дыхательных субстратов
укажите, что дыхательный коэффициент (RQ) — это отношение количества молекул углекислого газа, выделенных в результате дыхания, к количеству молекул поглощенного кислорода
рассчитайте значения RQ различных дыхательных субстратов по уравнениям дыхания
опишите и проводите исследования с использованием простых респираториумов для определения RQ прорастающих семян или мелких беспозвоночных (например, личинок мясной мухи)
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Cells need a steady supply of energy 能量, which they get from respiration 呼吸作用. Energy is needed for:
active transport 主动运输 (moving substances against a gradient),
movement (for example muscle contraction),
anabolic 合成代谢 reactions — the building of large molecules, such as in DNA replication and protein synthesis.
Русский
Клеткам необходим постоянный приток энергии, который они получают из дыхания. Энергия требуется для:
активного транспорта (перемещение веществ против градиента концентрации),
движения (например, сокращение мышц),
анаболических реакций — синтеза крупных молекул, таких как при репликации ДНК и синтезе белков.
Во время упражнений мышцам нужен постоянный приток энергии, выделяемой в процессе дыхания
12.1
ATP — the energy currency · АТФ — энергетическая валюта
English
ATP is the molecule that carries energy to where it is needed. It is made from ADP and a phosphate group; when it loses that phosphate again, it releases a small, usable burst of energy. ATP suits this job well, so we call it the universal energy currency:
it releases energy quickly, in small amounts that match a cell's needs.
it is easily made and re-made, again and again.
it is small and soluble, so it moves easily around the cell.
ATP is made in two ways: by direct transfer of a phosphate group in phosphorylation 磷酸化 reactions, and by chemiosmosis 化学渗透 across the membranes of mitochondria 线粒体 and chloroplasts.
Русский
АТФ — это молекула, переносящая энергию туда, где она необходима. Она образуется из АДФ и остатка фосфорной кислоты; потеря этого остатка снова высвобождает небольшой, но полезный для клетки всплеск энергии. АТФ отлично подходит для этой роли, поэтому мы называем её универсальной энергетической валютой:
она быстро высвобождает энергию небольшими порциями, соответствующими потребностям клетки.
она легко синтезируется и восстанавливается снова и снова.
она мала и растворима, поэтому легко перемещается по клетке.
Дыхание присоединяет фосфат для образования АТФ; клетка отщепляет его снова, чтобы высвободить энергию
АТФ образуется двумя способами: путем прямого переноса остатка фосфорной кислоты в реакциях фосфорилирования и с помощью химиосмоса через мембраны митохондрий и хлоропластов.
Explore · Исследовать
The ATP cycle · Цикл АТФ
Step around the loop. ATP is split to release a small burst of energy, then rebuilt by respiration — over and over. · Шаг за шагом: АТФ расщепляется для высвобождения небольшого импульса энергии, затем восстанавливается путем дыхания — и так по кругу.
12.1
Respiratory substrates and RQ · Дыхательные субстраты и RQ
English
A respiratory substrate 呼吸底物 is a molecule that is broken down to release energy. Per gram, lipids release the most energy (they have the most hydrogen), proteins are next, and carbohydrates the least.
The respiratory quotient 呼吸商 (RQ) compares the gases exchanged:
$$\text{RQ} = \frac{\text{molecules of carbon dioxide produced}}{\text{molecules of oxygen taken in}}$$
You can work out the RQ from a respiration equation. Carbohydrates give an RQ of about 1.0, lipids about 0.7 and proteins about 0.9.
Worked example. Find the RQ for the aerobic respiration of glucose: $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2 \rightarrow 6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O}$.
This is why an RQ near $1.0$ suggests the organism is respiring carbohydrate; a lower RQ (about $0.7$) suggests it is using lipid, which needs more oxygen per molecule of $\text{CO}_2$.
A respirometer 呼吸计 measures the oxygen 氧气 taken in by living things, such as germinating 萌发 seeds or small invertebrates 无脊椎动物, and is used to find their RQ.
Русский
Дыхательный субстрат — это молекула, которая расщепляется для высвобождения энергии. На грамм липиды выделяют наибольшее количество энергии (в них больше всего водорода), за ними следуют белки, а углеводы дают наименьшее.
Липиды выделяют наибольшее количество энергии на грамм, затем белки, затем углеводы
Именно поэтому RQ, близкий к $1.0$, указывает на то, что организм дышит углеводами; более низкий RQ (около $0.7$) свидетельствует о том, что используются липиды, которым требуется больше кислорода на молекулу $\text{CO}_2$.
Респирометр измеряет поглощенный кислород живыми организмами, такими как прорастающие семена или мелкие беспозвоночные, и используется для определения их RQ.
Сода lime абсорбирует выделяющийся CO₂, поэтому объем газа уменьшается только за счет потребленного кислорода — и бусина смещается внутрь на эту величину
Explore · Исследовать
Respiratory quotient lab · Лабораторная работа по определению ОВД
RQ = CO2 produced / O2 used · RQ = CO2 выделенное / O2 потребленное
Change oxygen use and see how RQ compares fuels. · Измените потребление кислорода и сравните, какие субстраты используются.
electron transport chain/ɪˈlektrɒn ˈtrænspɔːt tʃeɪn/
дыхательной цепи
proton/ˈprəʊtɒn/
протон
ATP synthase/ˌeɪ tiː ˈpiː ˈsɪnθeɪs/
АТФ-синтаза
cristae/ˈkrɪstiː/
кристы
fermentation/fɜːmənˈteɪʃn/
брожение
lactate/ˈlækteɪt/
лактат
yeast/jiːst/
дрожжи
ethanol/ˈeθənɒl/
этанол
12.2
Aerobic respiration: the four stages · Аэробное дыхание: четыре этапа
Syllabus · Программа
English
State where each of the four stages in aerobic respiration occurs in eukaryotic cells: • glycolysis in the cytoplasm • link reaction in the mitochondrial matrix • Krebs cycle in the mitochondrial matrix • oxidative phosphorylation on the inner membrane of mitochondria
outline glycolysis as phosphorylation of glucose and the subsequent splitting of fructose 1,6-bisphosphate (6C) into two triose phosphate molecules (3C), which are then further oxidised to pyruvate (3C), with the production of ATP and reduced NAD
explain that, when oxygen is available, pyruvate enters mitochondria to take part in the link reaction
describe the link reaction, including the role of coenzyme A in the transfer of acetyl (2C) groups
outline the Krebs cycle, explaining that oxaloacetate (4C) acts as an acceptor of the 2C fragment from acetyl coenzyme A to form citrate (6C), which is converted back to oxaloacetate in a series of small steps
explain that reactions in the Krebs cycle involve decarboxylation and dehydrogenation and the reduction of the coenzymes NAD and FAD
describe the role of NAD and FAD in transferring hydrogen to carriers in the inner mitochondrial membrane
explain that during oxidative phosphorylation: • hydrogen atoms split into protons and energetic electrons • energetic electrons release energy as they pass through the electron transport chain (details of carriers are not expected) • the released energy is used to transfer protons across the inner mitochondrial membrane • protons return to the mitochondrial matrix by facilitated diffusion through ATP synthase, providing energy for ATP synthesis (details of ATP synthase are not expected) • oxygen acts as the final electron acceptor to form water
describe the relationship between the structure and function of mitochondria using diagrams and electron micrographs
outline respiration in anaerobic conditions in mammals (lactate fermentation) and in yeast cells (ethanol fermentation)
explain why the energy yield from respiration in aerobic conditions is much greater than the energy yield from respiration in anaerobic conditions (a detailed account of the total yield of ATP from the aerobic respiration of glucose is not expected)
explain how rice is adapted to grow with its roots submerged in water, limited to the development of aerenchyma in roots, ethanol fermentation in roots and faster growth of stems
describe and carry out investigations using redox indicators, including DCPIP and methylene blue, to determine the effects of temperature and substrate concentration on the rate of respiration of yeast
describe and carry out investigations using simple respirometers to determine the effect of temperature on the rate of respiration
Русский
Укажите, где в эукариотических клетках происходит каждый из четырех этапов аэробного дыхания: • гликолиз в цитоплазме • связующая реакция в матриксе митохондрий • цикл Кребса в матриксе митохондрий • окислительное фосфорилирование на внутренней мембране митохондрий
опишите гликолиз как фосфорилирование глюкозы и последующее расщепление фруктозо-1,6-бисфосфата (6C) на две молекулы триозофосфата (3C), которые затем окисляются до пирувата (3C) с образованием АТФ и восстановленного НАД
объясните, что при наличии кислорода пируват проникает в митохондрии для участия в связующей реакции
опишите связующую реакцию, включая роль кофермента А в переносе ацетильных (2C) групп
опишите цикл Кребса, объясняя, что оксалоацетат (4C) действует как акцептор 2C-фрагмента от ацетил-КоА для образования цитрата (6C), который затем преобразуется обратно в оксалоацетат в серии небольших шагов
объясните, что реакции в цикле Кребса включают декарбоксилирование и дегидрирование и восстановление коферментов НАД и ФАД
опишите роль НАД и ФАД в переносе водорода к носителям на внутренней мембране митохондрий
объяснить, что во время окислительного фосфорилирования: • атомы водорода расщепляются на протоны и энергичные электроны • энергичные электроны выделяют энергию при прохождении через электрон-транспортную цепь (детали переносчиков не требуются) • выделяемая энергия используется для переноса протонов через внутреннюю мембрану митохондрии • протоны возвращаются в матрикс митохондрии путем облегченной диффузии через АТФ-синтазу, обеспечивая энергию для синтеза АТФ (детали АТФ-синтазы не требуются) • кислород действует как конечный акцептор электронов для образования воды
описать взаимосвязь между строением и функцией митохондрий с использованием диаграмм и электронно-микроскопических изображений
изложить дыхание в анаэробных условиях у млекопитающих (лактатное брожение) и у дрожжевых клеток (спиртовое брожение)
объяснить, почему энергетический выход при дыхании в аэробных условиях значительно выше, чем при дыхании в анаэробных условиях (детальный расчет общего выхода АТФ при аэробном дыхании глюкозы не требуется)
объяснить, как рис адаптирован к росту с погруженными в воду корнями, ограничиваясь развитием аэренхимы в корнях, спиртовым брожением в корнях и более быстрым ростом стеблей
описать и провести исследования с использованием красок-индикаторов окисления-восстановления, включая DCPIP и метиленовый синий, для определения влияния температуры и концентрации субстрата на скорость дыхания дрожжей
описать и провести исследования с использованием простых респираторов для определения влияния температуры на скорость дыхания
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Aerobic 有氧 respiration (with oxygen) has four stages, each in a set place in the cell:
Stage
Where it happens
glycolysis 糖酵解
the cytoplasm 细胞质
link reaction 连接反应
the matrix 基质 of the mitochondria
Krebs cycle 克雷布斯循环
the matrix of the mitochondria
oxidative phosphorylation 氧化磷酸化
the inner membrane of the mitochondria
Glycolysis
Glucose 葡萄糖 (6 carbons) is first phosphorylated, using 2 ATP, to form fructose bisphosphate (6C). This 6C molecule is split into two triose phosphate molecules (3C each). These are then oxidised 氧化 to pyruvate 丙酮酸 (3C). Glycolysis makes a net gain of 2 ATP and some reduced 还原 NAD (NAD is a coenzyme 辅酶, a helper molecule).
The link reaction
When oxygen is available, pyruvate enters the mitochondria. There each pyruvate loses a carbon dioxide 二氧化碳 and is turned into a 2-carbon acetyl 乙酰基 group. This group is carried by coenzyme A 辅酶A to form acetyl coenzyme A. Some carbon dioxide is released and NAD is reduced.
The Krebs cycle
The 2C acetyl group joins a 4-carbon molecule, oxaloacetate 草酰乙酸, to make a 6-carbon molecule, citrate 柠檬酸. Citrate is then changed back to oxaloacetate in a series of small steps, ready to accept the next acetyl group. During these steps:
decarboxylation 脱羧 removes carbon as carbon dioxide.
dehydrogenation 脱氢 removes hydrogen, which reduces the coenzymes NAD and FAD.
The reduced NAD and FAD then carry the hydrogen to the carriers in the inner mitochondrial membrane.
Oxidative phosphorylation
This stage makes most of the ATP:
the hydrogen atoms split into protons 质子 and energetic electrons 电子.
the electrons pass along the electron transport chain 电子传递链, releasing energy as they go.
this energy is used to pump protons across the inner membrane.
the protons flow back into the matrix through a channel called ATP synthase ATP合酶. This flow provides the energy to make ATP (this is chemiosmosis).
oxygen is the final electron acceptor: it joins with electrons and protons to form water.
The structure of mitochondria
The inner membrane is folded into cristae 嵴, giving a large surface for the electron transport chain and ATP synthase. The matrix inside holds the substances and helpers for the link reaction and the Krebs cycle.
Русский
Аэробное дыхание (с участием кислорода) состоит из четырех этапов, каждый из которых протекает в определенном месте клетки:
Этап
Место протекания
гликолиз
цитоплазма
связывающая реакция
матрикс митохондрий
Цикл Кребса
матрикс митохондрий
окислительное фосфорилирование
внутренняя мембрана митохондрий
Четыре этапа и места их протекания; восстановленный NAD и FAD переносят водород к внутренней мембране, где синтезируется основная часть АТФ
Гликолиз
Глюкоза (6 атомов углерода) сначала фосфорилируется с использованием 2 АТФ, образуя фруктозобифосфат (6C). Эта 6C-молекула расщепляется на две молекулы триозофосфата (по 3C каждая). Затем они окисляются до пирувата (3C). Гликолиз обеспечивает чистый прирост 2 АТФ и некоторое количество восстановленного NAD (NAD является коферментом, вспомогательной молекулой).
Гликолиз тратит 2 АТФ на старт, но производит 4, так что чистый прирост составляет 2 АТФ (плюс восстановленный NAD) — и он не требует кислорода
Переходная реакция
При наличии кислорода пируват попадает в митохондрии. Там каждый пируват теряет углекислый газ и превращается в ацетильную группу из 2 углерода. Эта группа переносится коферментом А для образования ацетилкоэнзима А. Часть углекислого газа выделяется, а NAD восстанавливается.
Цикл Кребса
Ацетильная группа из 2 C присоединяется к молекуле из 4 C, оксалоацетату, образуя молекулу из 6 C, цитрат. Затем цитрат снова превращается в оксалоацетат серией мелких стадий, готовый принять следующую ацетильную группу. Во время этих стадий:
декарбоксилирование удаляет углерод в виде углекислого газа.
дегидрирование удаляет водород, который восстанавливает коферменты NAD и FAD.
Затем восстановленные NAD и FAD переносят водород к переносчикам во внутренней мембране митохондрий.
Каждый оборот высвобождает углекислый газ (декарбоксилирование) и восстановленные NAD и FAD (дегидрирование)
Окислительное фосфорилирование
На этом этапе вырабатывается большая часть АТФ:
атомы водорода расщепляются на протоны и энергичные электроны.
электроны проходят по электронтранспортной цепи, выделяя энергию по пути.
эта энергия используется для перекачивания протонов через внутреннюю мембрану.
протоны стекают обратно в матрикс через канал, называемый АТФ-синтазой АТФ. Этот поток обеспечивает энергию для синтеза АТФ (это хемиосмос).
кислород является конечным акцептором электронов: он связывается с электронами и протонами, образуя воду.
Электроны перекачивают протоны (H⁺) в межмембранное пространство; они стекают обратно через АТФ-синтазу, синтезируя АТФ (хемиосмос)
Строение митохондрий
Внутренняя мембрана сложена в кристы, обеспечивая большую поверхность для электронтранспортной цепи и АТФ-синтазы. Матрикс внутри содержит вещества и вспомогательные факторы для переходной реакции и цикла Кребса.
Две реальные митохондрии, сфотографированные с помощью электронного микроскопа. Темные полосы, пересекающие внутреннее пространство, — это кристы — именно эти складки создают такую большую поверхность для электронтранспортной цепи
Explore · Исследовать
Glycolysis · Гликолиз
Step through it. Glucose is split in the cytoplasm into two pyruvate, for a small net gain of ATP and reduced NAD. · Разберем по шагам. Глюкоза расщепляется в цитоплазме на две молекулы пирувата с небольшим чистым приростом АТФ и восстановленного НАД.
Explore · Исследовать
The four stages of respiration · Четыре этапа дыхания
Step through where ATP comes from. Glucose is broken down in stages; most ATP is made at the last stage. · Пройдите по источнику АТФ. Глюкоза расщепляется поэтапно; большая часть АТФ вырабатывается на последнем этапе.
When there is no oxygen, only glycolysis can run. To keep glycolysis going, the cell must use up the reduced NAD. This happens by fermentation 发酵:
in mammals, pyruvate is turned into lactate 乳酸 (lactate fermentation). The lactate is later broken down when oxygen returns.
in yeast 酵母, pyruvate is turned into ethanol 乙醇 and carbon dioxide (ethanol fermentation).
Anaerobic 无氧 respiration gives far less energy than aerobic respiration. Aerobic respiration also runs the Krebs cycle and oxidative phosphorylation, which release a lot more ATP, while anaerobic respiration gains only the small amount from glycolysis.
Русский
Когда нет кислорода, может протекать только гликолиз. Чтобы поддерживать работу гликолиза, клетка должна использовать восстановленный NAD. Это происходит путем брожения:
у млекопитающих пируват превращается в лактат (лактатное брожение). Лактат позже расщепляется при возвращении кислорода.
у дрожжей пируват превращается в этанол и углекислый газ (спиртовое брожение).
Без кислорода пируват превращается в лактат (у млекопитающих) или этанол (у дрожжей); это регенерирует NAD для гликолиза
Анаэробное дыхание дает гораздо меньше энергии, чем аэробное. Аэробное дыхание также включает цикл Кребса и окислительное фосфорилирование, которые выделяют значительно больше АТФ, тогда как анаэробное обеспечивает лишь небольшое количество АТФ из гликолиза.
Explore · Исследовать
Why fermentation matters · Почему брожение имеет значение
Step through it. Without oxygen, fermentation regenerates NAD so glycolysis can keep making a little ATP. · Разберем по шагам. Без кислорода брожение регенерирует НАД, чтобы гликолиз мог продолжать производить немного АТФ.
Rice and waterlogged roots · Рис и затопленные корни
English
Rice can grow with its roots under water, where there is little oxygen. It is adapted in three ways: it develops aerenchyma 通气组织 (air-filled spaces) in the roots to carry air down; the roots use ethanol fermentation to keep making some ATP; and the stems grow faster to reach the air above the water.
Русский
Рис может расти с корнями под водой, где мало кислорода. Он адаптирован тремя способами: он развивает аэренхиму (воздухоносные полости) в корнях для доставки воздуха вниз; корни используют спиртовое брожение, чтобы продолжать вырабатывать некоторое количество АТФ; и стебли растут быстрее, чтобы достичь воздуха над водой.
Корень растения, растущего в воде, вид в поперечном срезе. Большие белые промежутки — это аэренхима, соединенные воздушные каналы, позволяющие кислороду диффундировать прямо до корней, находящихся в бедной кислородом грязи
Investigating the rate of respiration · Исследование скорости дыхания
English
A redox indicator 指示剂 such as DCPIP or methylene blue loses its colour when it gains hydrogen from respiring cells. The faster the colour is lost, the faster the yeast is respiring, so you can test the effect of temperature or substrate concentration. A respirometer can also be used to measure how temperature changes the rate of oxygen uptake.
Русский
Окислительно-восстановительный индикатор, такой как DCPIP или метиленовый синий, обесцвечивается, принимая водород от дышащих клеток. Чем быстрее теряется цвет, тем интенсивнее дышат дрожжи, поэтому можно исследовать влияние температуры или концентрации субстрата. Дыхательная камера (респиратор) также может использоваться для измерения того, как изменения температуры влияют на скорость поглощения кислорода.
12.2
Exam tips · Советы для экзамена
English
State where each stage happens and its ATP yield: glycolysis (cytoplasm), link reaction + Krebs (matrix), oxidative phosphorylation (inner membrane, most ATP).
Explain the roles of NAD/FAD (carry hydrogen to the electron transport chain) and of oxygen (the final electron acceptor).
RQ$=$ CO2 produced $\div$ O2 used ($\approx 1.0$ carbohydrate, $0.7$ lipid); know how a respirometer measures it.
Anaerobic respiration gives lactate (animals) or ethanol + CO2 (yeast/plants) and far less ATP (glycolysis only).
Русский
Укажите где происходит каждый этап и его выход АТФ: гликолиз (цитоплазма), связующая реакция + цикл Кребса (матрикс), окислительное фосфорилирование (внутренняя мембрана, наибольшее количество АТФ).
Объясните роль NAD/FAD (переносят водород к дыхательной цепи электронов) и роли кислорода (конечный акцептор электронов).
RQ$=$ CO2 выделено $\div$ O2 потреблено ($\approx 1.0$ углевод, $0.7$ липид); знать, как респирометр его измеряет.
Анаэробное дыхание даёт лактат (животные) или этанол + CO2 (дрожжи/растения) и значительно меньше АТФ (только гликолиз).
describe the relationship between the structure of chloroplasts, as shown in diagrams and electron micrographs, and their function
explain that energy transferred as ATP and reduced NADP from the light-dependent stage is used during the light-independent stage (Calvin cycle) of photosynthesis to produce complex organic molecules
state that within a chloroplast, the thylakoids (thylakoid membranes and thylakoid spaces), which occur in stacks called grana, are the site of the light-dependent stage and the stroma is the site of the light-independent stage
describe the role of chloroplast pigments (chlorophyll a, chlorophyll b, carotene and xanthophyll) in light absorption in thylakoids
interpret absorption spectra of chloroplast pigments and action spectra for photosynthesis
describe and use chromatography to separate and identify chloroplast pigments (reference should be made to $R_f$ values in identification of chloroplast pigments)
state that cyclic photophosphorylation and non-cyclic photophosphorylation occur during the light-dependent stage of photosynthesis
explain that in cyclic photophosphorylation: • only photosystem I (PSI) is involved • photoactivation of chlorophyll occurs • ATP is synthesised
explain that in non-cyclic photophosphorylation: • photosystem I (PSI) and photosystem II (PSII) are both involved • photoactivation of chlorophyll occurs • the oxygen-evolving complex catalyses the photolysis of water • ATP and reduced NADP are synthesised
explain that during photophosphorylation: • energetic electrons release energy as they pass through the electron transport chain (details of carriers are not expected) • the released energy is used to transfer protons across the thylakoid membrane • protons return to the stroma from the thylakoid space by facilitated diffusion through ATP synthase, providing energy for ATP synthesis (details of ATP synthase are not expected)
outline the three main stages of the Calvin cycle: • rubisco catalyses the fixation of carbon dioxide by combination with a molecule of ribulose bisphosphate (RuBP), a 5C compound, to yield two molecules of glycerate 3-phosphate (GP), a 3C compound • GP is reduced to triose phosphate (TP) in reactions involving reduced NADP and ATP • RuBP is regenerated from TP in reactions that use ATP
state that Calvin cycle intermediates are used to produce other molecules, limited to GP to produce some amino acids and TP to produce carbohydrates, lipids and amino acids
Русский
описать взаимосвязь между строением хлоропластов, показанным на диаграммах и электронно-микроскопических изображениях, и их функцией
объяснить, что энергия, передаваемая в виде АТФ и восстановленного НАДФ из светозависимой стадии, используется во время светонезависимой стадии (цикл Кальвина) фотосинтеза для синтеза сложных органических молекул
указать, что внутри хлоропласта тилакоиды (тилакоидные мембраны и тилакоидные пространства), расположенные в стопках, называемых гранами, являются местом светозависимой стадии, а стромa является местом светонезависимой стадии
описать роль пигментов хлоропластов (хлорофилл a, хлорофилл b, каротин и ксантофилл) в поглощении света в тилакоидах
интерпретировать спектры поглощения пигментов хлоропластов и спектра действия для фотосинтеза
описать и использовать хроматографию для разделения и идентификации пигментов хлоропластов (в идентификации пигментов хлоропластов следует ссылаться на значения $R_f$)
указать, что во время светозависимой стадии фотосинтеза происходят циклическая фотофосфорилирование и нециклическая фотофосфорилирование
объяснить, что при циклическом фотофосфорилировании: • участвует только фотосистема I (PSI) • происходит фотоактивация хлорофилла • синтезируется АТФ
объяснить, что при нециклическом фотофосфорилировании: • участвуют оба фотосистемы (фотосистема I (PSI) и фотосистема II (PSII)) • происходит фотоактивация хлорофилла • комплекс выделения кислорода катализирует фотолиз воды • синтезируются АТФ и восстановленный НАДФ
объяснить, что во время фотофосфорилирования: • энергичные электроны выделяют энергию при прохождении через электрон-транспортную цепь (детали переносчиков не требуются) • выделяемая энергия используется для переноса протонов через мембрану тилакоида • протоны возвращаются в строму из тилакоидного пространства путем облегченной диффузии через АТФ-синтазу, обеспечивая энергию для синтеза АТФ (детали АТФ-синтазы не требуются)
изложить три основных этапа цикла Кальвина: • рубиско катализирует фиксацию углекислого газа путем соединения с молекулой рибулозобисфосфата (RuBP), 5C-соединением, образуя две молекулы глицерат 3-фосфата (GP), 3C-соединение • GP восстанавливается до триозофосфата (TP) в реакциях с участием восстановленного НАДФ и АТФ • RuBP регенерируется из TP в реакциях, использующих АТФ
указать, что промежуточные продукты цикла Кальвина используются для синтеза других молекул, ограничиваясь тем, что GP используется для синтеза некоторых аминокислот, а TP — для синтеза углеводов, липидов и аминокислот
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Photosynthesis 光合作用 happens inside the chloroplast 叶绿体. Its structure suits its two stages:
inside are stacks of flat sacs called thylakoids 类囊体. A stack of thylakoids is a granum (plural grana 基粒). The thylakoid membranes hold the light-trapping pigments and are the site of the first stage.
the fluid around the thylakoids is the stroma 基质, the site of the second stage.
Русский
Фотосинтез происходит внутри хлоропласта. Его структура соответствует двум этапам:
Внутри находятся стопки плоских мешочков, называемых тилакоидами. Стопка тилакоидов называется граной (множественное число граны). Мембраны тилакоидов содержат светопоглощающие пигменты и являются местом первого этапа.
Жидкость вокруг тилакоидов называется stroma (строма), это место второго этапа.
Листья зеленые, потому что их хлоропласты насыщены пигментом хлорофилломТилакоиды упакованы в граны (здесь происходит первый этап); окружающая их строма — место второго этапаХлоропласты (маленькие зеленые диски) внутри клеток листа элодеи (водного растения), видимые под микроскопом
Explore · Исследовать
Explore the chloroplast · Изучите хлоропласт
Tap each part. The light-dependent stage runs on the thylakoid membranes (grana); the Calvin cycle runs in the stroma around them. · Нажмите на каждую часть. Светозависимая стадия протекает на тилакоидных мембранах (граны); цикл Кальвина протекает в строме вокруг них.
The two stages of photosynthesis · Два этапа фотосинтеза
English
Photosynthesis has two linked stages:
the light-dependent stage 光反应阶段 happens in the thylakoids. It uses light energy to make ATP and reduced 还原 NADP.
the light-independent stage 暗反应阶段, also called the Calvin cycle 卡尔文循环, happens in the stroma. It uses the ATP and reduced NADP from the first stage to build complex organic molecules from carbon dioxide 二氧化碳.
Русский
Фотосинтез состоит из двух взаимосвязанных этапов:
Зависимый от света этап происходит в тилакоидах. Он использует световую энергию для синтеза АТФ и восстановленного НАДФ.
Независимый от света этап, также называемый циклом Кальвина, происходит в строме. Он использует АТФ и восстановленный НАДФ из первого этапа для синтеза сложных органических молекул из углекислого газа.
Два этапа связаны: первый производит АТФ и восстановленный НАДФ, которые второй расходует для превращения CO₂ в сахара
13.1
Chloroplast pigments · Пигменты хлоропласта
English
A pigment 色素 is a coloured substance that absorbs light. The thylakoids hold several pigments that work together to trap as much light as possible:
chlorophyll 叶绿素 a and chlorophyll b (which absorb mainly red and blue light),
carotene 胡萝卜素 and xanthophyll 叶黄素 (which absorb other colours and pass the energy on).
We study them with two graphs. An absorption spectrum 吸收光谱 shows how much light each pigment absorbs at each wavelength. An action spectrum 作用光谱 shows how fast photosynthesis goes at each wavelength. The two graphs match closely, which shows the pigments drive photosynthesis.
You can separate the pigments by chromatography 色谱法: the pigments travel different distances up the paper. Each pigment is identified by its Rf value 比移值 (the distance the pigment moved divided by the distance the solvent moved).
Русский
Пигмент — это окрашенное вещество, поглощающее свет. Тилакоиды содержат несколько пигментов, которые работают совместно для улавливания максимально возможного количества света:
хлорофилл a и хлорофилл b (которые поглощают преимущественно красный и синий свет),
каротин и ксантофилл (которые поглощают другие цвета и передают энергию дальше).
Мы изучаем их с помощью двух графиков. Спектр поглощения показывает, сколько света поглощает каждый пигмент при каждой длине волны. Спектр действия показывает, насколько быстро идет фотосинтез при каждой длине волны. Эти два графика closely совпадают, что указывает на то, что именно пигменты обеспечивают фотосинтез.
Спектр поглощения и спектр действия совпадают: синий и красный свет используются наиболее активно, зеленый — наименее
Вы можете разделить пигменты методом хроматографии: пигменты проходят разные расстояния вверх по бумаге. Каждый пигмент идентифицируется по своему Rf значению (расстояние, пройденное пигментом, деленное на расстояние, пройденное растворителем).
Каждый пигмент проходит свое собственное расстояние вверх по бумаге; его Rf равен расстоянию до пятна, деленному на расстояние растворителя
electron transport chain/ɪˈlektrɒn ˈtrænspɔːt tʃeɪn/
дыхательной цепи
proton/ˈprəʊtɒn/
протон
ATP synthase/ˌeɪ tiː ˈpiː ˈsɪnθeɪs/
АТФ-синтаза
fixation/fɪkˈseɪʃn/
фиксация
enzyme/ˈenzaɪm/
фермент
regenerate/riːˈdʒenəreɪt/
восстанавливать
amino acid/əˈmiːnəʊ ˈæsɪd/
аминокислота
carbohydrate/ˌkɑːbəʊˈhaɪdreɪt/
углевод
lipid/ˈlɪpɪd/
липид
13.1
The light-dependent stage · Зависимый от света этап
English
In the thylakoids, light is used to make ATP. This is photophosphorylation 光合磷酸化, and it comes in two forms.
In cyclic photophosphorylation 循环光合磷酸化:
only photosystem 光系统 I (PSI) is used.
photoactivation 光激活 of chlorophyll occurs (light boosts its electrons 电子 to a higher energy).
only ATP is made.
In non-cyclic photophosphorylation 非循环光合磷酸化:
both photosystem I (PSI) and photosystem II (PSII) are used.
photoactivation of chlorophyll occurs.
the oxygen-evolving complex 放氧复合体 carries out the photolysis 光解 (splitting by light) of water, which releases oxygen 氧气.
both ATP and reduced NADP are made.
In both forms, energy is released in the same way:
energetic electrons pass along an electron transport chain 电子传递链, releasing energy as they go.
this energy is used to pump protons 质子 across the thylakoid membrane.
the protons flow back into the stroma through ATP synthase ATP合酶, and this flow provides the energy to make ATP.
Русский
В тилакоидах свет используется для синтеза АТФ. Это фотофосфорилирование, которое бывает двух видов.
При циклическом фотофосфорилировании:
используется только фотосистема I (PSI).
происходит фотоактивация хлорофилла (свет повышает энергию его электронов до более высокого уровня).
производится только АТФ.
При нециклической фотофосфорилировании:
используются оба фотосистемы: фотосистема I (ФС I) и фотосистема II (ФС II).
происходит фотоактивация хлорофилла.
комплекс, выделяющий кислород, осуществляет фотолиз (расщепление под действием света) воды, в результате чего выделяется кислород.
образуются как АТФ, так и восстановленный НАДФ.
При нециклическом фотофосфорилировании фотолиз расщепляет воду; электроны движутся от ФС II → ФС I, образуя АТФ и восстановленный НАДФ
В обоих случаях энергия выделяется одинаково:
Энергичные электроны проходят по цепи переноса электронов, высвобождая энергию по мере движения.
Эта энергия используется для перекачивания протонов через мембрану тилакоида.
Протоны возвращаются в строму через АТФ-синтетазу; этот поток обеспечивает энергию для синтеза АТФ.
Explore · Исследовать
The light-dependent stage · Светозависимая стадия
Step through it. Light excites electrons and splits water; the result is ATP, reduced NADP and oxygen. · Пройдите по шагам. Свет возбуждает электроны и расщепляет воду; результатом является АТФ, восстановленный НАДФ и кислород.
13.1
The Calvin cycle · Цикл Кальвина
English
The light-independent stage builds sugars in three main steps:
fixation 固定 — the enzyme 酶 rubisco joins carbon dioxide to a 5-carbon molecule, RuBP (ribulose bisphosphate). This makes two molecules of a 3-carbon compound, GP (glycerate 3-phosphate).
reduction — GP is reduced to TP (triose phosphate) using reduced NADP and ATP from the light-dependent stage.
regeneration — most of the TP is used to regenerate 再生 the RuBP (using more ATP), so the cycle can keep running.
Some TP leaves the cycle to make useful molecules. GP can be used to make some amino acids 氨基酸, and TP can be used to make carbohydrates 碳水化合物, lipids 脂质 and amino acids.
Русский
Светонезависимая фаза синтезирует сахара в три основных этапа:
фиксация — фермент рубиско присоединяет углекислый газ к 5-углеродной молекуле РубП (рибулозобисфосфат). При этом образуются две молекулы 3-углеродного соединения ГП (глицерат-3-фосфат).
восстановление — ГП восстанавливается до ТФ (триозофосфат) с использованием восстановленного НАДФ и АТФ из светозависимой фазы.
возобновление — большая часть ТФ используется для регенерации РубП (с затратой дополнительного АТФ), чтобы цикл мог продолжаться.
Фиксация добавляет CO₂ к РубП; восстановление образует ТФ с использованием АТФ и восстановленного НАДФ; регенерация восстанавливает РубП; часть ТФ превращается в сахара
Некоторая часть ТФ покидает цикл для образования полезных веществ. Из ГП можно синтезировать некоторые аминокислоты, а из ТФ — углеводы, липиды и аминокислоты.
Explore · Исследовать
The Calvin cycle · Цикл Кальвина
Step around the cycle. CO₂ is fixed onto RuBP, reduced to sugar using the light-stage's ATP and NADP, and RuBP is regenerated. · Шаг вокруг цикла. CO₂ фиксируется на РубП, восстанавливается до сахара с использованием АТФ и НДФ, полученных на световой стадии, и РубП регенерируется.
state that light intensity, carbon dioxide concentration and temperature are examples of limiting factors of photosynthesis
explain the effects of changes in light intensity, carbon dioxide concentration and temperature on the rate of photosynthesis
describe and carry out investigations using redox indicators, including DCPIP and methylene blue, and a suspension of chloroplasts to determine the effects of light intensity and light wavelength on the rate of photosynthesis
describe and carry out investigations using whole plants, including aquatic plants, to determine the effects of light intensity, carbon dioxide concentration and temperature on the rate of photosynthesis
Русский
указать, что интенсивность освещения, концентрация углекислого газа и температура являются примерами лимитирующих факторов фотосинтеза
объяснить влияние изменений интенсивности освещения, концентрации углекислого газа и температуры на скорость фотосинтеза
описать и провести исследования с использованием красок-индикаторов окисления-восстановления, включая DCPIP и метиленовый синий, и суспензии хлоропластов для определения влияния интенсивности освещения и длины волны света на скорость фотосинтеза
описать и провести исследования с использованием целых растений, включая водные растения, для определения влияния интенсивности освещения, концентрации углекислого газа и температуры на скорость фотосинтеза
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
A limiting factor 限制因素 is the one in shortest supply that holds back the rate of photosynthesis. The three main ones are light intensity 光照强度, carbon dioxideconcentration 浓度, and temperature 温度.
raising light intensity speeds up photosynthesis, until some other factor becomes limiting.
raising carbon dioxide concentration speeds it up, until some other factor becomes limiting.
raising temperature speeds it up, but only to an optimum; too high and the enzymes denature.
You can measure the rate of the light-dependent stage with a redox indicator 指示剂 such as DCPIP or methylene blue and a suspension of chloroplasts: the dye loses its colour as the chloroplasts work, and you can test different light intensities or light wavelengths 波长. With a whole aquatic plant 水生植物 you can count the bubbles of oxygen given off to compare rates under different conditions.
Worked example. A plant photosynthesising steadily is suddenly deprived of carbon dioxide. What happens to the levels of GP and RuBP? Follow the cycle one step at a time. Carbon dioxide is fixed when RuBP combines with it, catalysed by rubisco, to make GP. Remove the carbon dioxide and that reaction stops, so GP is no longer being made - yet GP continues to be used up, reduced to TP using ATP and reduced NADP. So GP falls. Meanwhile RuBP is still being regenerated from TP but is no longer being consumed, so RuBP rises. The method never changes: find the reaction that stops, then ask of each substance whether it is still being made and still being used. Removing the light instead gives the mirror image: with no ATP or reduced NADP, GP cannot be reduced, so GP rises and RuBP falls.
Русский
Ограничивающий фактор — это тот, которого меньше всего и который сдерживает скорость фотосинтеза. Три основных фактора: световая интенсивность, концентрация углекислого газа и температура.
повышение световой интенсивности ускоряет фотосинтез, пока другой фактор не станет ограничивающим.
повышение концентрации углекислого газа ускоряет процесс, пока другой фактор не станет ограничивающим.
повышение температуры ускоряет процесс, но только до оптимума; при слишком высокой температуре ферменты денатурируют.
Пока скорость растет, ограничивающим фактором является свет; там, где кривая выходит на плато, процесс лимитируется другим фактором (CO₂ или температурой)
Скорость светозависимой фазы можно измерить с помощью красок-редокс-индикаторов, таких как DCPIP или метиленовый синий, и суспензии хлоропластов: краситель обесцвечивается по мере работы хлоропластов, что позволяет тестировать различные световые интенсивности или длины волн света. С целым водным растением можно подсчитывать пузырьки выделяемого кислорода для сравнения скоростей при разных условиях.
Разобранный пример. Растение, фотосинтезирующее с постоянной скоростью, внезапно лишают углекислого газа. Что произойдет с уровнями ГП и РубП? Проследите за циклом шаг за шагом. Углекислый газ фиксируется, когда РубП связывается с ним, катализируемое рубиско, образуя ГП. Удалите углекислый газ, и эта реакция остановится, поэтому ГП больше не образуется — тем временем ГП продолжает расходоватьсь, восстанавливаясь до ТФ с использованием АТФ и восстановленного НАДФ. Следовательно, уровень ГП снижается. В то же время РубП все еще регенерируется из ТФ, но больше не расходуется, поэтому уровень РубП повышается. Метод всегда одинаков: найдите реакцию, которая останавливается, затем спросите себя для каждого вещества, продолжается ли его образование и потребление. Если вместо этого убрать свет, картина обратная: без АТФ и восстановленного НАДФ ГП не может восстановиться, поэтому уровень ГП повышается, а РубП снижается.
Explore · Исследовать
What limits photosynthesis · Что ограничивает фотосинтез
Change light and CO₂. The rate is set by whichever factor is in shortest supply — raising the others won't help. · Изменяйте свет и CO₂. Скорость определяется фактором, которого меньше всего — повышение других не поможет.
Separate the two stages: light-dependent (thylakoid — photolysis, ATP, reduced NADP, O2) and the Calvin cycle (stroma — CO2 fixed by rubisco, GP → TP).
Read limiting-factor graphs: the plateau is where a different factor (light, CO2 or temperature) limits the rate.
Interpret chromatography with the $R_f$ value to identify pigments.
Link chloroplast structure to function (thylakoid stacks for the light reactions; stroma for the Calvin cycle).
Русский
Разделяйте две стадии: светозависимая (тилакоид — фотолиз, АТФ, восстановленный НАДФ, O2) и цикл Кальвина (стромa — фиксация CO2 рубиско, ГР → ТР).
Читайте графики лимитирующих факторов: плато — это место, где другой фактор (свет, CO2 или температура) ограничивает скорость.
Интерпретируйте хроматографию со значением $R_f$ для идентификации пигментов.
Связывайте строение хлоропласта с его функцией (стопки тилакоидов для световых реакций; строма для цикла Кальвина).
explain what is meant by homeostasis and the importance of homeostasis in mammals
explain the principles of homeostasis in terms of internal and external stimuli, receptors, coordination systems (nervous system and endocrine system), effectors (muscles and glands) and negative feedback
state that urea is produced in the liver from the deamination of excess amino acids
describe the structure of the human kidney, limited to: • fibrous capsule • cortex • medulla • renal pelvis • ureter • branches of the renal artery and renal vein
Identify, in diagrams, photomicrographs and electron micrographs, the parts of a nephron and its associated blood vessels and structures, limited to: • glomerulus • Bowman’s capsule • proximal convoluted tubule • loop of Henle • distal convoluted tubule • collecting duct
describe and explain the formation of urine in the nephron, limited to: • the formation of glomerular filtrate by ultrafiltration in the Bowman’s capsule • selective reabsorption in the proximal convoluted tubule
relate the detailed structure of the Bowman’s capsule and proximal convoluted tubule to their functions in the formation of urine
describe the roles of the hypothalamus, posterior pituitary gland, antidiuretic hormone (ADH), aquaporins and collecting ducts in osmoregulation
describe the principles of cell signalling using the example of the control of blood glucose concentration by glucagon, limited to: • binding of hormone to cell surface receptor causing conformational change • activation of G-protein leading to stimulation of adenylyl cyclase • formation of the second messenger, cyclic AMP (cAMP) • activation of protein kinase A by cAMP leading to initiation of an enzyme cascade • amplification of the signal through the enzyme cascade as a result of activation of more and more enzymes by phosphorylation • cellular response in which the final enzyme in the pathway is activated, catalysing the breakdown of glycogen
explain how negative feedback control mechanisms regulate blood glucose concentration, with reference to the effects of insulin on muscle cells and liver cells and the effect of glucagon on liver cells
explain the principles of operation of test strips and biosensors for measuring the concentration of glucose in blood and urine, with reference to glucose oxidase and peroxidase enzymes
Русский
объяснить значение термина гомеостаз и его важность для млекопитающих
объяснить принципы гомеостаза с точки зрения внутренних и внешних стимулов, рецепторов, координирующих систем (нервная система и эндокринная система), эффекторов (мышцы и железы) и отрицательной обратной связи
указать, что мочевина образуется в печени из деаминирования избытка аминокислот
Определить на диаграммах, фото- и электронномикроскопических снимках части нефрона и связанные с ним кровеносные сосуды и структуры в следующем объеме: • glomerulus (клубочек) • Bowman’s capsule (капсула Боумена) • proximal convoluted tubule (проксимальный извитой канальец) • loop of Henle (петля Генле) • distal convoluted tubule (дистальный извитой канальец) • collecting duct (собирательная трубочка)
Описать и объяснить образование мочи в нефроне в следующем объеме: • образование glomerular filtrate (клубочкового фильтра) путем ultrafiltration (суперфильтрации) в капсуле Боумена • selective reabsorption (селективная реабсорбция) в проксимальном извитом канальце
Связать детальное строение капсулы Боумена и проксимального извитого канальца с их функциями в образовании мочи
Описать роль hypothalamus (гипоталамуса), posterior pituitary gland (задней доли гипофиза), antidiuretic hormone (ADH) (антидиуретического гормона), aquaporins (аквапорин) и собирательных трубочек в osmoregulation (осморегуляции)
Описать принципы cell signalling (клеточной сигнализации) на примере регуляции концентрации blood glucose (глюкозы крови) glucagon (глюкагоном) в следующем объеме: • связывание гормона с рецептором клеточной поверхности, вызывающее изменение конформации • активация G-белка, приводящая к стимуляции аденилатциклазы • образование second messenger (вторичного посредника), cyclic AMP (cAMP) (циклического АМФ) • активация протеинкиназы A под действием cAMP, инициирующая ферментативную каскадную реакцию • усиление сигнала через ферментативный каскад в результате активации все большего числа ферментов путем фосфорилирования • клеточный ответ, при котором активируется конечный фермент пути, катализирующий расщепление гликогена
Объяснить, как механизмы отрицательной обратной связи регулируют концентрацию глюкозы в крови, со ссылкой на эффекты инсулина на мышечные и печеночные клетки и эффект глюкагона на печеночные клетки
Объяснить принципы работы тест-полосок и biosensors (биосенсоров) для измерения концентрации глюкозы в крови и моче, со ссылкой на ферменты glucose oxidase (глюкозооксидазу) и peroxidase (пероксидазу)
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Negative feedback: blood glucose
Homeostasis 稳态 means keeping the conditions inside the body steady, even when the outside changes. Keeping things like temperature, water and blood glucose steady lets enzymes and cells work properly all the time.
The principles of homeostasis
Most homeostasis follows the same plan:
a change (an internal or external stimulus 刺激) is detected by a receptor 受体.
a coordination system carries the message — either the nervous system 神经系统 (using nerve signals) or the endocrine system 内分泌系统 (using hormones 激素).
an effector 效应器 (a muscle or a gland 腺体) makes a response that corrects the change.
This works by negative feedback 负反馈: a change away from the normal level triggers a response that pushes it back towards normal.
Русский
Отрицательная обратная связь: глюкоза крови
Гомеостаз означает поддержание стабильных условий внутри организма, даже если внешние условия меняются. Стабильность таких параметров, как температура, вода и уровень глюкозы в крови, позволяет ферментам и клеткам работать правильно постоянно.
Глюкометр: гомеостаз поддерживает уровень глюкозы в крови в узких пределах
Принципы гомеостаза
Большинство процессов гомеостаза следуют одной схеме:
изменение (внутренний или внешний стимул) обнаруживается рецептором.
координирующая система передает сообщение — либо нервная система (с помощью нервных импульсов), либо эндокринная система (с помощью гормонов).
эффектор (мышца или железа) выполняет ответную реакцию, устраняющую изменение.
Потение охлаждает тело — часть терморегуляции (гомеостаза температуры), где эффектором выступает кожа
Это происходит благодаря отрицательной обратной связи: отклонение от нормального уровня запускает ответную реакцию, возвращающую его к норме.
Отрицательная обратная связь: рецептор обнаруживает изменение, а эффектор устраняет его, возвращая систему к норме
Explore · Исследовать
Homeostasis · Гомеостаз
negative feedback to a set point · отрицательная обратная связь к установочному значению
Drag the disturbance. A change is corrected back to the set point — the basis of all homeostasis. · Перетажите возмущение. Изменение возвращается обратно к установочному значению — основа любого гомеостаза.
The body cannot store extra amino acids. In the liver 肝脏, the process of deamination 脱氨基作用 removes the amino group from excess amino acids 氨基酸, and this is turned into urea 尿素. The urea is carried in the blood to the kidneys to be removed.
Русский
Организм не может запасать избыток аминокислот. В печени процесс деаминирования удаляет аминогруппу от избыточных аминокислот, превращая её в мочевину. Мочевина переносится кровью к почкам для выведения.
14.1
The kidney · Почка
English
The kidney 肾脏 cleans the blood and controls its water content. Its parts are:
an outer fibrous capsule,
an outer region, the cortex 皮质,
an inner region, the medulla 髓质,
a central space, the renal pelvis 肾盂, which collects urine,
the ureter 输尿管, which carries urine to the bladder,
branches of the renal artery (bringing blood in) and renal vein (taking blood out).
The nephron
Each kidney holds about a million tiny tubes called nephrons 肾单位. Along a nephron are: the glomerulus 肾小球 (a knot of capillaries), the Bowman's capsule 鲍曼囊 around it, the proximal convoluted tubule 近曲小管, the loop of Henle 亨利环, the distal convoluted tubule 远曲小管, and the collecting duct 集合管.
Making urine
Ultrafiltration 超滤 happens in the Bowman's capsule. The blood in the glomerulus is under high pressure, so water and small molecules (glucose 葡萄糖, ions 离子, urea) are pushed out into the capsule, forming the filtrate 滤液. Blood cells and large proteins are too big to pass, so they stay in the blood.
Selective reabsorption 选择性重吸收 happens in the proximal convoluted tubule. Useful substances are taken back into the blood. All the glucose and much of the water and ions are reabsorbed here. The tubule wall is well suited to this: its cells have microvilli 微绒毛 to give a large surface area, and many mitochondria 线粒体 to power active transport 主动运输.
Русский
Почка очищает кровь и регулирует её водное содержание. Её части:
ветви почечной артерии (принесение крови) и почечной вены (выведение крови).
Разрез почки: кровь очищается в коре и мозговом веществе, а моча собирается в почечной лоханке перед выходом через мочеточник
Нефрон
В каждой почке находится около миллиона крошечных трубок, называемых нефронами. Вдоль нефрона расположены: glomerulus (клубочок капилляров), окружающая его капсула Боумена, проксимальный извитой канальец, петля Генле, дистальный извитой канальец и собирательный проток.
Ультрафильтрация происходит в капсуле Боумена; селективная реабсорбция — в проксимальном извитом канальце
Образование мочи
Ультрафильтрация происходит в капсуле Боумена. Кровь в клубочке находится под высоким давлением, поэтому вода и мелкие молекулы (глюкоза, ионы, мочевина) выдавливаются в капсулу, образуя фильтрат. Клетки крови и крупные белки слишком велики, чтобы пройти, поэтому остаются в крови.
Селективная реабсорбция происходит в проксимальном извитом канальце. Полезные вещества возвращаются в кровь. Вся глюкоза и значительная часть воды и ионов реабсорбируются здесь. Стенка канальца хорошо приспособлена для этого: её клетки имеют микроворсинки для увеличения площади поверхности и множество митохондрий для обеспечения активного транспорта.
Ультрафильтрация удерживает кровяные клетки и белки в крови
Explore · Исследовать
Explore the nephron · Исследуйте строение нефрона
Tap each part. Filtration happens at the top; the long tubule then reabsorbs what the body needs, leaving urine. · Нажмите на каждую часть. Фильтрация происходит в верхней части; длинная трубка затем реабсорбирует необходимые организму вещества, оставляя мочу.
Osmoregulation 渗透调节 controls the water content of the blood. It is run by the brain:
the hypothalamus 下丘脑 detects the water potential 水势 of the blood.
when the blood is too concentrated, the pituitary gland 垂体 releases antidiuretic hormone 抗利尿激素 (ADH).
ADH makes the collecting ducts more permeable to water by adding water channels called aquaporins 水通道蛋白.
more water is then reabsorbed back into the blood, so less, more concentrated urine is made. This is negative feedback.
Русский
Осморегуляция контролирует водное содержание крови. Им управляет мозг:
гипоталамус определяет водный потенциал крови.
при высокой концентрации крови гипофиз выделяет антидиуретический гормон (АДГ).
АДГ повышает проницаемость собирательных протоков для воды за счет добавления водных каналов, называемых аквапоринами.
затем больше воды реабсорбируется обратно в кровь, поэтому образуется меньший объем более концентрированной мочи. Это отрицательная обратная связь.
АДГ заставляет собирательные протоки реабсорбировать больше воды, восстанавливая водный состав крови посредством отрицательной обратной связи
Explore · Исследовать
The ADH pathway · Путь действия АДГ
Step through it. When the blood gets too concentrated, ADH makes the kidney save water — classic negative feedback. · Разберите его пошагово. Когда кровь становится слишком концентрированной, АДГ заставляет почку сохранять воду — классическая отрицательная обратная связь.
14.1
Controlling blood glucose by cell signalling · Регуляция уровня глюкозы в крови с помощью клеточной сигнализации
English
When blood glucose falls, the hormone glucagon 胰高血糖素 is released. It shows how a hormone passes its message into a cell — cell signalling 细胞信号传递:
glucagon binds to a receptor on the liver cell surface, causing a conformational change 构象变化 (a change in the receptor's shape).
this activates a G-protein G蛋白, which switches on the enzyme adenylyl cyclase 腺苷酸环化酶.
adenylyl cyclase makes a second messenger 第二信使 inside the cell, called cyclic AMP 环腺苷酸 (cAMP).
cAMP activates protein kinase A 蛋白激酶A, which starts an enzyme cascade 酶级联反应 — one enzyme 酶 switches on the next, by phosphorylation 磷酸化.
because each enzyme switches on many of the next, the signal is greatly amplified 放大.
the final enzyme breaks down glycogen 糖原 into glucose, which raises the blood glucose level.
Negative feedback and blood glucose
Blood glucose is held steady by two hormones working against each other:
when glucose is high, insulin 胰岛素 makes muscle and liver cells take in glucose and store it as glycogen, lowering the level.
when glucose is low, glucagon makes liver cells break glycogen back into glucose, raising the level.
Measuring glucose
Test strips 试纸 and biosensors 生物传感器 measure glucose in blood or urine. They use the enzymes glucose oxidase 葡萄糖氧化酶 and peroxidase 过氧化物酶, which react with glucose to give a colour change (or an electric signal in a biosensor) that shows how much glucose is present.
Worked example. A person drinks a large volume of water. Trace the homeostatic response. The blood's water potential rises (becomes less negative). Osmoreceptors in the hypothalamus detect this, so the posterior pituitary releases less ADH. With less ADH, fewer aquaporins are inserted into the collecting duct's membranes, so the duct becomes less permeable to water. Less water is reabsorbed, so a large volume of dilute urine is produced and the blood's water potential falls back towards normal. That return to the set point is what makes it negative feedback - the response reverses the original change. Name the receptor, the hormone, the effector and the correction: an answer that jumps from "drinks water" straight to "more urine" skips every marking point in between.
Русский
При снижении уровня глюкозы в крови выделяется гормон глюкагон. Это демонстрирует, как гормон передает сигнал в клетку — клеточная сигнализация:
Глюкагон связывается с рецептором на поверхности клетки печени, вызывая конформационное изменение (изменение формы рецептора).
это активирует G-белок G, который включает фермент аденилатциклазу.
аденилатциклаза образует вторичный посредник внутри клетки, называемый циклическим АМФ (цАМФ).
цАМФ активирует протеинкиназу A, которая запускает ферментативную каскадную реакцию — один фермент включает следующий путем фосфорилирования.
поскольку каждый фермент активирует множество следующих, сигнал значительно усиливается.
конечный фермент расщепляет гликоген на глюкозу, что повышает уровень глюкозы в крови.
Сигнал передается через вторичного посредника (цАМФ) и ферментативную каскадную реакцию — каждый этап активирует множество последующих, поэтому сигнал усиливается
Отрицательная обратная связь и глюкоза в крови
Уровень глюкозы в крови поддерживается стабильным двумя гормонами, действующими навстречу друг другу:
когда глюкоза высокая, инсулин заставляет клетки мышц и печени поглощать глюкозу и запасать её в виде гликогена, снижая уровень.
когда глюкоза низкая, глюкагон заставляет клетки печени расщеплять гликоген обратно в глюкозу, повышая уровень.
Инсулин и глюкагон действуют навстречу друг другу, поддерживая стабильный уровень глюкозы в крови
Измерение глюкозы
Тест-полоски и биосенсоры измеряют глюкозу в крови или моче. Они используют ферменты глюкозооксидазу и пероксидазу, которые реагируют с глюкозой, вызывая изменение цвета (или электрический сигнал у биосенсора), что указывает на количество присутствующей глюкозы.
Разобранный пример. Человек выпивает большое количество воды. Опишите гомеостатический ответ. Водный потенциал крови повышается (становится менее отрицательным). Осморепцепторы в гипоталамусе фиксируют это, поэтому задняя доля гипофиза выделяет меньше АДГ. При меньшем количестве АДГ в мембраны собирательных протоков вставляется меньше аквапоринов, поэтому проток становится менее проницаемым для воды. Меньше воды реабсорбируется, поэтому вырабатывается большой объем разбавленной мочи, а водный потенциал крови возвращается к норме. Именно этот возврат к установленному значению делает процесс отрицательной обратной связью — реакция反向 изменяет исходное отклонение. Назовите рецептор, гормон, эффектор и коррекцию: ответ, который сразу переходит от «выпил воду» к «больше мочи», пропускает все промежуточные балльные пункты.
Explore · Исследовать
Controlling blood glucose · Контроль уровня глюкозы в крови
Push blood glucose away from its set point, then watch negative feedback bring it back: insulin lowers a high level, glucagon raises a low one. · Сдвиньте уровень глюкозы в крови от его установочного значения, затем наблюдайте, как отрицательная обратная связь вернёт его обратно: инсулин снижает высокий уровень, а глюкагон повышает низкий.
Homeostasis in plants: the stomata · Гомеостаз у растений: устьица
Syllabus · Программа
English
explain that stomata respond to changes in environmental conditions by opening and closing and that regulation of stomatal aperture balances the need for carbon dioxide uptake by diffusion with the need to minimise water loss by transpiration
explain that stomata have daily rhythms of opening and closing
describe the structure and function of guard cells and explain the mechanism by which they open and close stomata
describe the role of abscisic acid in the closure of stomata during times of water stress, including the role of calcium ions as a second messenger
Русский
Объяснить, что stomata (усточки) реагируют на изменения условий окружающей среды открыванием и закрыванием, а регуляция stomatal aperture (размера устьиц) балансирует потребность в поглощении углекислого газа диффузией с необходимостью минимизировать потерю воды через transpiration (транспирацию)
Объяснить, что устьица имеют суточные ритмы открывания и закрывания
Описать строение и функцию guard cells (защитных клеток) и объяснить механизм, с помощью которого они открывают и закрывают устьица
Описать роль abscisic acid (абсцизовой кислоты) в закрытии устьиц во время водного стресса, включая роль calcium ions (ионов кальция) как second messenger (вторичного посредника)
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Stomata 气孔 are pores in a leaf. The plant opens and closes them to balance two needs: letting in carbon dioxide 二氧化碳 for photosynthesis 光合作用, and limiting water loss by transpiration 蒸腾作用. Stomata usually open by day and close at night, following a daily rhythm.
Each stoma is opened and closed by two guard cells 保卫细胞 around it:
to open: the guard cells pump in ions, so their water potential falls and water enters by osmosis 渗透. They swell and bend apart, opening the pore.
to close: ions leave, water follows out, the guard cells go floppy, and the pore closes.
When the plant is short of water (water stress 水分胁迫), the hormone abscisic acid 脱落酸 is released. It makes the guard cells lose ions and water so the stomata close, saving water. In this signalling, calcium ions 钙离子 act as a second messenger inside the guard cells.
Русский
Устьица — это поры в листе. Растение открывает и закрывает их, чтобы балансировать две потребности: пропускать углекислый газ для фотосинтеза и ограничивать потерю воды через транспирацию. Устьица обычно открываются днем и закрываются ночью, следуя суточному ритму.
Каждое устьице открывается и закрывается двумя охранительными клетками вокруг него:
чтобы открыться: охранительные клетки перекачивают ионы внутрь, их водный потенциал снижается, и вода поступает путем осмоса. Они набухают и расходятся, открывая пору.
чтобы закрыться: ионы покидают клетки, вода следует за ними наружу, охранительные клетки становятся дряблыми, и пора закрывается.
Охранительные клетки открывают устьице, поглощая воду и становясь тургорными; закрывают его, теряя воду и становясь дряблыми
Когда растению не хватает воды (водный стресс), выделяется гормон абсцизиновая кислота. Она заставляет охранительные клетки терять ионы и воду, так что устьица закрываются, экономя воду. В этом сигнальном пути ионы кальция выступают в роли вторичного посредника внутри охранительных клеток.
Explore · Исследовать
How a stoma opens · Как открывается устьице
Step through it. Guard cells pump in ions, draw in water by osmosis, swell turgid and bend apart — opening the pore. · Проходите шаги. Охранительные клетки перекачивают ионы, затягивают воду осмосом, набухают тургорно и расходятся, открывая пору.
describe the features of the endocrine system with reference to the hormones ADH, glucagon and insulin (see 14.1.8, 14.1.9 and 14.1.10)
compare the features of the nervous system and the endocrine system
describe the structure and function of a sensory neurone and a motor neurone and state that intermediate neurones connect sensory neurones and motor neurones
outline the role of sensory receptor cells in detecting stimuli and stimulating the transmission of impulses in sensory neurones
describe the sequence of events that results in an action potential in a sensory neurone, using a chemoreceptor cell in a human taste bud as an example
describe and explain changes to the membrane potential of neurones, including: • how the resting potential is maintained • the events that occur during an action potential • how the resting potential is restored during the refractory period
describe and explain the rapid transmission of an impulse in a myelinated neurone with reference to saltatory conduction
explain the importance of the refractory period in determining the frequency of impulses
describe the structure of a cholinergic synapse and explain how it functions, including the role of calcium ions
describe the roles of neuromuscular junctions, the T-tubule system and sarcoplasmic reticulum in stimulating contraction in striated muscle
describe the ultrastructure of striated muscle with reference to sarcomere structure using electron micrographs and diagrams
explain the sliding filament model of muscular contraction including the roles of troponin, tropomyosin, calcium ions and ATP
Русский
Описать особенности endocrine system (эндокринной системы) со ссылкой на гормоны ADH, глюкагон и инсулин (см. 14.1.8, 14.1.9 и 14.1.10)
Сравнить особенности нервной и эндокринной систем
Описать строение и функцию sensory neurone (сенсорного нейрона) и motor neurone (моторного нейрона) и указать, что intermediate neurones (вставочные нейроны) соединяют сенсорные и моторные нейроны
Кратко описать роль sensory receptor cells (сенсорных рецепторных клеток) в обнаружении stimuli (стимулов) и стимулировании передачи импульсов в сенсорных нейронах
Описать последовательность событий, приводящих к возникновению action potential (потенциала действия) в сенсорном нейроне, используя пример клетки chemoreceptor (хемотрептора) в вкусовых сосочках человека
Описать и объяснить изменения membrane potential (потенциала мембраны) нейронов, включая: • поддержание resting potential (покоячного потенциала) • события, происходящие во время потенциала действия • восстановление покоянного потенциала в течение refractory period (рефрактерного периода)
Описать и объяснить быструю передачу импульса в myelinated neurone (миелинизированном нейроне) со ссылкой на saltatory conduction (скачкообразную проводимость)
Объяснить важность рефрактерного периода для определения частоты импульсов
Описать строение cholinergic synapse (холинергического синапса) и объяснить принцип его функционирования, включая роль calcium ions (ионов кальция)
Описать роли neuromuscular junctions (нейромускулярных синапсов), системы T-tubule (Т-канальцев) и sarcoplasmic reticulum (саркоплазматической сети) в стимуляции сокращения striated muscle (поперечно-полосатой мышцы)
Описать ультраструктуру поперечно-полосатой мышцы со ссылкой на строение саркомеры, используя электронные микроскопические снимки и диаграммы
Объяснить sliding filament model (скользяще-нитевой модель) мышечного сокращения, включая роли troponin (тропонина), tropomyosin (тропомозина), ионов кальция и АТФ
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
The body has two coordination systems. The endocrine system 内分泌系统 sends chemical hormones 激素 (such as ADH, glucagon and insulin) in the blood. The nervous system 神经系统 sends fast electrical signals along nerve cells.
Feature
Nervous system
Endocrine system
signal
electrical impulse 冲动
chemical hormone
transport
along nerve cells
in the blood
speed
very fast
slower
how long it lasts
short
longer
Русский
В организме две системы координации. Эндокринная система переносит химические гормоны (такие как АДГ, глюкагон и инсулин) по крови. Нервная система передает быстрые электрические сигналы по нервным клеткам.
Нервный контроль быстрый и электрический; гормональный контроль медленный и химическийСнимок человеческого мозга, центр управления нервной системой
Признак
Нервная система
Эндокринная система
Сигнал
электрический импульс
химический гормон
транспорт
по нервным клеткам
в крови
скорость
очень быстрая
медленнее
Продолжительность действия
короткая
более длительная
15.1
Neurones · Нейроны
English
A neurone 神经元 is a nerve cell. There are three kinds:
a sensory neurone 感觉神经元 carries impulses from a receptor towards the brain or spinal cord.
a motor neurone 运动神经元 carries impulses out to an effector, such as a muscle 肌肉.
intermediate neurones 中间神经元 connect sensory neurones to motor neurones.
A neurone has a long fibre (the axon) along which the impulse travels.
This is what real neurones look like in a stained slice of brain tissue:
Русский
Нейрон — это нервная клетка. Существует три вида:
чувствительный нейрон переносит импульсы от рецептора к головному или спинному мозгу.
двигательный нейрон переносит импульсы к эффектору, такому как мышца.
промежуточные нейроны соединяют чувствительные нейроны с двигательными.
Нейрон имеет длинное волокно (аксон), по которому проходит импульс.
Двигательный нейрон: импульс бежит по аксону, прыгая между промежутками (узлами Ранье) в миелиновой оболочке
Так выглядят настоящие нейроны на окрашенном срезе ткани мозга:
Настоящие нейроны, окрашенные в коричневый цвет: видны тела клеток и тонкие отростки, передающие сигналы к каждой клетке и от нее
Explore · Исследовать
Explore a motor neurone · Изучите двигательный нейрон
Tap each part. The impulse travels from the cell body down the long axon to the terminals, jumping between the myelin gaps. · Нажмите на каждую часть. Импульс проходит от тела клетки вниз по длинному аксону к терминалям, перепрыгивая между разрывами миелиновой оболочки.
A sensory receptor 感受器 cell detects a stimulus 刺激 and starts an impulse in a sensory neurone. For example, a chemoreceptor 化学感受器 cell in a taste bud 味蕾 detects chemicals in food, and this triggers an action potential 动作电位 in the sensory neurone.
Русский
Клетка-чувствительный рецептор обнаруживает стимул и запускает импульс в чувствительном нейроне. Например, клетка химорецептора в вкусовой почечке обнаруживает вещества в пище, что вызывает потенциал действия в чувствительном нейроне.
The impulse is a change in the voltage across the neurone's membrane.
resting potential 静息电位 — when no impulse passes, the inside is negative compared to the outside. This is maintained by a pump that moves sodium ions out and potassium ions in, and by the membrane being more permeable to potassium.
action potential — a stimulus makes sodium channels open, so sodium ions rush in and the inside briefly becomes positive (depolarisation). Then potassium channels open, potassium ions leave, and the membrane potential 膜电位 returns to negative (repolarisation).
refractory period 不应期 — just after an action potential, the sodium channels cannot open again for a short time. This restores the resting potential and sets a limit on how often impulses can be sent (their frequency).
Faster impulses: myelin
Some neurones are wrapped in a fatty myelin sheath 髓鞘. The impulse cannot cross the sheath, so it jumps from one gap to the next. This jumping, called saltatory conduction 跳跃式传导, makes the impulse travel much faster.
Русский
Импульс — это изменение напряжения через мембрану нейрона.
потенциал покоя — когда импульс не проходит, внутренняя среда отрицательна по сравнению с внешней. Это поддерживается насосом, перекачивающим ионы натрия наружу и ионы калия внутрь, а также тем, что мембрана более проницаема для калия.
потенциал действия — стимул открывает натриевые каналы, ионы натрия устремляются внутрь, и внутренняя среда временно становится положительной (деполяризация). Затем открываются калиевые каналы, ионы калия выходят, и потенциал мембраны возвращается к отрицательному значению (реполяризация).
рефрактерный период — сразу после потенциала действия натриевые каналы не могут открыться снова в течение короткого времени. Это восстанавливает потенциал покоя и устанавливает предел частоты, с которой могут передаваться импульсы.
Потенциал действия: вход натрия вызывает деполяризацию; выход калия вызывает реполяризацию; затем следует рефрактерный период
Более быстрые импульсы: миелиновая оболочка
Некоторые нейроны обернуты жирной миелиновой оболочкой. Импульс не может穿过 оболочку, поэтому он перепрыгивает от одного промежутка к следующему. Это перепрыгивание, называемое сальтаторным проводником, делает передачу импульса значительно быстрее.
*Импульс перепрыгивает от узла к узлу — сальтаторное проведение — благодаря этому миелинизированный нейрон проводит сигнал гораздо быстрее
Explore · Исследовать
The action potential · Потенциал действия
Step through one nerve impulse: a rapid depolarisation as Na⁺ enters, then repolarisation as K⁺ leaves, then recovery. · Пройдите один нервный импульс: быстрая деполяризация при входе Na⁺, затем реполяризация при выходе K⁺, после чего восстановление.
A synapse 突触 is a tiny gap between two neurones. A cholinergic synapse 胆碱能突触 passes the signal like this:
the impulse arrives and makes calcium ions 钙离子 enter the first neurone.
this makes vesicles release a neurotransmitter 神经递质 called acetylcholine 乙酰胆碱.
the acetylcholine diffuses across the gap and binds to receptors on the next neurone.
this starts a new impulse in the next neurone.
Русский
Синапс — это крошечный зазор между двумя нейронами. Холинергический синапс передает сигнал следующим образом:
импульс приходит и вызывает вход ионов кальция в первый нейрон.
это заставляет везикулы высвобождать нейромедиатор под названием ацетилхолин.
ацетилхолин диффундирует через зазор и связывается с рецепторами на следующем нейроне.
это запускает новый импульс в следующем нейроне.
*На синапсе ацетилхолин диффундирует через щель и связывается с рецепторами, чтобы запустить новый импульс в следующем нейроне
Explore · Исследовать
Across a synapse · Через синапс
Step through it. The electrical impulse becomes a chemical one — neurotransmitter carries the signal across the gap. · Пройдите через него. Электрический импульс становится химическим — нейромедиатор переносит сигнал через щель.
Muscles and how they contract · Мышцы и их сокращение
English
A neuromuscular junction 神经肌肉接头 is like a synapse, but between a motor neurone and a muscle.
Striated muscle 横纹肌 is made of long fibres. Each fibre is divided into repeating units called sarcomeres 肌节. Inside are two kinds of filament 肌丝: thick ones (myosin) and thin ones (actin). The T-tubule T小管 system carries the impulse deep into the fibre, and the sarcoplasmic reticulum 肌质网 stores and releases calcium ions.
The sliding filament model 肌丝滑动模型 explains contraction:
an impulse causes the sarcoplasmic reticulum to release calcium ions.
the calcium ions bind to troponin 肌钙蛋白, which makes tropomyosin 原肌球蛋白 move and uncover the binding sites on the actin.
the myosin heads attach to the actin and pull it inwards, using energy from ATP.
the thin filaments slide over the thick ones, so each sarcomere gets shorter and the muscle contracts.
Русский
Нейромускулярный синapsis похож на синапс, но расположен между двигательным нейроном и мышцей.
Полосатая мышца состоит из длинных волокон. Каждое волокно разделено на повторяющиеся единицы, называемые саркомерами. Внутри находятся два вида филаментов: толстые (миозин) и тонкие (актин). Т-трубочки (T-система) переносят импульс глубоко внутрь волокна, а саркоплазматический ретикулум хранит и высвобождает ионы кальция.
Отсюда происходит название «полосатая». Каждый повторяющийся темно-светлый блок — это один саркомер; полосы образованы перекрывающимися толстыми и тонкими филаментами в разной степени. При сокращении мышцы филаменты скользят друг относительно друга, и каждый саркомер становится короче.
Модель скользящих филаментов объясняет сокращение:
импульс вызывает высвобождение ионов кальция из саркоплазматического ретикулума.
ионы кальция связываются с тропонином, что заставляет тропомизин сместиться и обнажить места связывания на актине.
головки миозина прикрепляются к актину и тянут его внутрь, используя энергию АТФ.
тонкие филаменты скользят поверх толстых, поэтому каждый саркомер становится короче, и мышца сокращается.
Модель скользящих филаментов: тонкий актин скользит по толстому миозину, поэтому саркомер укорачивается
Explore · Исследовать
How a muscle contracts · Как сокращается мышца
Step through the sliding filament model — calcium uncovers the binding sites, then myosin pulls the actin inwards. · Пройдите по модели скользящих филаментов — кальций обнажает места связывания, затем миозин тянет актин внутрь.
Control and coordination in plants · Регуляция и координация у растений
Syllabus · Программа
English
describe the rapid response of the Venus fly trap to stimulation of hairs on the lobes of modified leaves and explain how the closure of the trap is achieved
explain the role of auxin in elongation growth by stimulating proton pumping to acidify cell walls
describe the role of gibberellin in the germination of barley (see 16.3.4)
Русский
Описать быстрый отклик Venus fly trap (венериной мухоловки) на раздражение волосков на долях видоизмененных листьев и объяснить, как происходит захлопывание ловушки
Объяснить роль auxin (ауксина) в удлинении роста путем стимуляции proton pumping (протонного насоса) для закисления клеточных стенок
Описать роль gibberellin (гибереллина) в прорастании ячменя (см. 16.3.4)
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
The Venus fly trap
The Venus fly trap 捕蝇草 has tiny hairs on its trap-like leaves. When an insect touches the hairs, a fast electrical signal spreads, the cells quickly lose water and change shape, and the trap snaps shut to catch the insect.
Auxin and growth
Auxin 生长素 is a plant hormone that makes cells grow longer (elongation 伸长 growth). It does this by making the cell pump protons 质子 (hydrogen ions) into the cell wall 细胞壁. This acidifies 酸化 the wall, which loosens it, so the cell can stretch as water enters.
Gibberellin and germination
Gibberellin 赤霉素 controls the germination 萌发 of barley 大麦 seeds. It switches on the genes that make amylase, which then breaks down stored starch into sugars to feed the growing seedling.
Worked example. Explain why a nerve impulse crosses a synapse in one direction only, and why myelination speeds it up along an axon. At a synapse the vesicles of neurotransmitter are found only in the presynaptic neurone, and the receptors only on the postsynaptic membrane - so transmitter can only ever cross one way, which makes the synapse a one-way valve. Along a myelinated axon the myelin sheath insulates the membrane, so ions can only cross at the nodes of Ranvier; the impulse therefore jumps from node to node (saltatory conduction) instead of depolarising every part of the membrane in turn, which is far faster and uses less ATP. Locate the structure responsible for each effect: vesicles and receptors give the direction, insulation and nodes give the speed.
Русский
Растение-ловушка мухоловка
У мухоловки на листьях-ловушках есть маленькие волоски. Когда насекомое касается этих волосков, быстро распространяется электрический сигнал, клетки быстро теряют воду и меняют форму, и ловушка захлопывается, чтобы поймать насекомое.
Открытая ловушка. Длинные шипы вокруг края лишь запирают насекомое внутри — именно несколько коротких жестких триггерных волосков, стоящих на красной поверхности, должны быть задеты, чтобы вызвать сигнал
Ауксин и рост
Ауксин — это растительный гормон, который заставляет клетки расти длиннее (элонгационный рост). Он делает это, заставляя клетку перекачивать протоны (ионы водорода) в клеточную стенку. Это закисляет стенку, разрыхляя её, так что клетка может растянуться, когда входит вода.
«Кислотный рост» ауксина: H⁺, перекачиваемые в стенку, разрыхляют её, поэтому клетка вытягивается дальше по мере поступления воды
Гиббереллин и прорастание
Гиббереллин контролирует прорастание семян ячменя. Он активирует гены, отвечающие за синтез амилазы, которая затем расщепляет запасной крахмал на сахара для питания растущего проростка.
Разобраный пример. Объясните, почему нервный импульс проходит через синапс только в одном направлении и почему миелинизация ускоряет его движение вдоль аксона. На синапсе везикулы с нейромедиатором находятся только в пресинаптическом нейроне, а рецепторы — только на постсинаптической мембране — поэтому медиатор может перемещаться только в одну сторону, что превращает синапс в односторонний клапан. Вдоль миелинизированного аксона миелиновая оболочка изолирует мембрану, поэтому ионы могут проходить только через узлы Ранвье; следовательно, импульс перепрыгивает от узла к узлу (сальтаторное проведение), вместо того чтобы последовательно деполяризовывать каждую часть мембраны, что намного быстрее и требует меньше АТФ. Найдите структуру, ответственную за каждый эффект: везикулы и рецепторы обеспечивают направление, изоляция и узлы обеспечивают скорость.
Explore · Исследовать
Phototropism: bending to the light · Фототропизм: изгибание к свету
Step through it. Auxin gathers on the shaded side, makes those cells grow longer, and the shoot bends towards the light. · Пройдите по процессу. Ауксин скапливается на затененной стороне, заставляет эти клетки расти длиннее, и побег изгибается к свету.
Explain the resting potential (Na+/K+ pump; more negative inside) then the action potential (depolarisation → repolarisation) as all-or-nothing.
Saltatory conduction (myelin, nodes of Ranvier) speeds the impulse; the refractory period makes it one-way and discrete.
Describe the synapse in order: Ca2+ enters → vesicles fuse → neurotransmitter → receptors → new impulse.
Muscle contraction follows the sliding-filament model (actin, myosin, ATP, Ca2+).
Русский
Объясните потенциал покоя (Na+/K+ насос; более отрицательный внутри), а затем потенциал действия (деполяризация → реполяризация) как принцип «все или ничего».
Соленатная проводимость (миелин, узлы Ранвье) ускоряет импульс; рефрактерный период делает его однонаправленным и дискретным.
Опишите синапс в порядке: Ca2+ входит → слияние везикул → нейромедиатор → рецепторы → новый импульс.
Мышечное сокращение следует модели скользящих нитей (актин, миозин, АТФ, Ca2+).
Meiosis and how it creates variation · Мейоз и образование генетического разнообразия
Syllabus · Программа
English
explain the meanings of the terms haploid (n) and diploid (2n)
explain what is meant by homologous pairs of chromosomes
explain the need for a reduction division during meiosis in the production of gametes
describe the behaviour of chromosomes in plant and animal cells during meiosis and the associated behaviour of the nuclear envelope, the cell surface membrane and the spindle (names of the main stages of meiosis, but not the sub-divisions of prophase I, are expected: prophase I, metaphase I, anaphase I, telophase I, prophase II, metaphase II, anaphase II and telophase II)
interpret photomicrographs and diagrams of cells in different stages of meiosis and identify the main stages of meiosis
explain that crossing over and random orientation (independent assortment) of pairs of homologous chromosomes and sister chromatids during meiosis produces genetically different gametes
explain that the random fusion of gametes at fertilisation produces genetically different individuals
Русский
Объяснить значения терминов haploid (n) (гаплоидный) и diploid (2n) (диплоидный)
Объяснить, что означает термин homologous pairs (гомологичные пары) хромосом
Объяснить необходимость reduction division (редукционного деления) во время meiosis (мейоза) при образовании gametes (гамет)
Описать поведение хромосом в растительных и животных клетках во время мейоза и связанное с этим поведение ядерной оболочки, клеточной мембраны и веретена деления (ожидается знание названий основных стадий мейоза, но не подразделений профазы I: профаза I, метафаза I, анафаза I, телофаза I, профаза II, метафаза II, анафаза II и телофаза II)
Интерпретировать фото- и электронномикроскопические снимки клеток на различных стадиях мейоза и определять основные стадии мейоза
объяснить, что кроссинговер и случайная ориентация (независимое расхождение) пар гомологичных хромосом и сестринских хроматид во время мейоза приводит к образованию генетически различных гамет
объяснить, что случайное слияние гамет при оплодотворении приводит к образованию генетически различных особей
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
A diploid 二倍体 cell (2n) has two full sets of chromosomes 染色体 — one set from each parent. A haploid 单倍体 cell (n) has just one set.
Chromosomes come in homologous chromosomes 同源染色体 pairs: the two chromosomes in a pair are the same length and carry the same genes 基因 (though they may carry different versions of them).
Gametes 配子 (sex cells) must be haploid. If they were diploid, the chromosome number would double at every generation. So gametes are made by a special division, meiosis 减数分裂, which halves the chromosome number.
Meiosis has two divisions, one after the other, so there are eight named stages: prophase I, metaphase I, anaphase I and telophase I, then prophase II, metaphase II, anaphase II and telophase II. As in mitosis, the nuclear envelope 核膜 breaks down, a spindle 纺锤体 forms, and the chromosomes are moved by the spindle.
Meiosis makes the gametes genetically different from each other in two ways:
crossing over 交叉互换 — homologous chromosomes swap matching pieces, mixing the alleles.
independent assortment 自由组合 — the pairs line up in a random order, so each gamete gets a random mix of the parent's chromosomes.
Then at fertilisation 受精, any gamete can fuse with any other. This random fusion makes every new individual genetically different.
Русский
Диплоидная клетка (2n) имеет два полных набора хромосом — по одному набору от каждого родителя. Гаплоидная клетка (n) имеет только один набор.
Яйцеклетка человека (овоцит) — гаплоидный гамета, образующийся в результате мейоза
Хромосомы существуют парами гомологичных хромосом: две хромосомы в паре одинаковой длины и несут одни и те же гены (хотя они могут иметь разные их варианты).
Картиотип человека: 46 хромосом, упорядоченных в 23 гомологичные пары (последняя пара X и Y указывает на мужской пол)Гомологичная пара несет одни и те же гены на одних и тех же локусах, но аллели (варианты) могут отличаться
Гаметы (половые клетки) должны быть гаплоидными. Если бы они были диплоидными, число хромосом удваивалось бы при каждом поколении. Поэтому гаметы образуются посредством специального деления — мейоза, который уменьшает число хромосом вдвое.
Мейоз включает два деления, одно за другим, поэтому существует восемь названных стадий: профаза I, метафаза I, анафаза I и телофаза I, затем профаза II, метафаза II, анафаза II и телофаза II. Как и при митозе, ядерная оболочка разрушается, формируется веретено деления, и хромосомы перемещаются с помощью веретена.
Два деления уменьшают число хромосом вдвое: мейоз I разделяет гомологичную пару, мейоз II разделяет хроматиды — давая четыре гаплоидные гаметы
Мейоз делает гаметы генетически отличными друг от друга двумя способами:
Кроссинговер: парные хромосомы обмениваются одинаковыми сегментами в хиазме, создавая новые комбинации аллелей
независимое наследование — пары выстраиваются в случайном порядке, поэтому каждая гамета получает случайную смесь родительских хромосом.
Независимое наследование: пары хромосом выстраиваются в случайном порядке, поэтому гаметы получают множество различных комбинаций
Затем на стадии оплодотворения любая гамета может слиться с любой другой. Это случайное слияние делает каждого нового индивида генетически отличным.
Explore · Исследовать
Meiosis · Мейоз
Step through it. Two divisions halve the chromosome number and shuffle the alleles, giving four unique gametes. · Проанализируйте процесс. Два деления уменьшают число хромосом вдвое и перемешивают аллели, образуя четыре уникальных гаметы.
Link each genetics word to the real feature it names. · Сопоставьте каждое слово генетики с реальным признаком, который оно обозначает.
16.1
Genetic diagrams and crosses · Генетические диаграммы и скрещивания
English
You show a cross with a genetic diagram, often using a Punnett square 庞纳特方格 — a grid that shows all the ways the gametes can combine.
a monohybrid cross 单基因杂交 follows one gene; a dihybrid cross 双基因杂交 follows two genes at once.
some genes have multiple alleles 复等位基因 (more than two versions in the population), such as the alleles for human blood groups.
in sex linkage 伴性遗传, the gene is on the X chromosome, so the result is different for males and females.
in linkage 连锁, genes on the same autosome 常染色体 (a non-sex chromosome) tend to be inherited together.
in epistasis 上位性, one gene affects how another gene is shown.
Русский
Скрещивание показывают с помощью генетической диаграммы, часто используя таблицу Пеннета — сетку, показывающую все возможные способы объединения гамет.
Таблица Пеннета для Tt × Tt: потомство составляет 3 высоких : 1 низкая (T — доминантный)
моногибридное скрещивание прослеживает один ген; дигибридное скрещивание прослеживает два гена одновременно.
у некоторых генов есть множественные аллели (более двух вариантов в популяции), например, аллели групп крови человека.
при половой связи ген находится на X-хромосоме, поэтому результат различается у самцов и самок.
при сцепленном наследовании гены на одной аутосоме (неполовой хромосоме) имеют тенденцию наследоваться вместе.
при эпистазе один ген влияет на проявление другого гена.
Поскольку ген находится на X-хромосоме, сыновья матери-носительницы могут быть дальтониками, тогда как ее дочери являются лишь носителями — разный результат по полу
Explore · Исследовать
A monohybrid cross · Моногибридное скрещивание
Set each parent's genotype and read off the offspring. Crossing two heterozygotes (Aa × Aa) gives the classic 3 : 1 ratio. · Установите генотипы каждого родителя и прочитайте потомство. Скрещивание двух гетерозигот (Aa × Aa) даёт классическое соотношение 3 : 1.
The chi-squared test 卡方检验 compares the results you actually counted (the observed numbers, $O$) with the results you expected from the genetic diagram (the expected numbers, $E$). It tells you whether the difference is small enough to be due to chance, or large enough to mean something else is going on.
You add up, for every group, the squared difference between observed and expected, divided by the expected:
$$\chi^2 = \sum \frac{(O - E)^2}{E}$$
Then you compare this $\chi^2$ value with a critical value from a table. The row you use is set by the degrees of freedom (the number of groups minus 1). If $\chi^2$ is less than the critical value, the difference is not significant — the results fit the expected ratio, and any difference is just chance. If $\chi^2$ is greater than the critical value, the difference is significant, so some other factor is involved.
Worked example. A $\text{Tt} \times \text{Tt}$ cross gives $160$ offspring: $114$ tall and $46$ short. Test whether this fits the expected $3:1$ ratio.
The expected numbers are $\tfrac{3}{4} \times 160 = 120$ tall and $\tfrac{1}{4} \times 160 = 40$ short. Then:
There are $2$ groups, so degrees of freedom $= 2 - 1 = 1$. The critical value at $p = 0.05$ is $3.84$. Because $1.20 < 3.84$, the difference is not significant: the results fit a $3:1$ ratio, and the small difference is due to chance.
Русский
Критерий хи-квадрат сравнивает результаты, которые вы фактически подсчитали (числа наблюдаемых значений, $O$), с результатами, которые вы ожидали из генетической диаграммы (числа ожидаемых значений, $E$). Он показывает, является ли разница достаточно малой, чтобы быть случайной, или достаточно большой, чтобы означать присутствие другого фактора.
Для каждой группы суммируют квадрат разности между наблюдаемым и ожидаемым, деленный на ожидаемое:
$$\chi^2 = \sum \frac{(O - E)^2}{E}$$
Затем сравните это значение $\chi^2$ с критическим значением из таблицы. Строка, которую вы используете, определяется по числу степеней свободы (количество групп минус 1). Если $\chi^2$меньше критического значения, разница несущественна — результаты соответствуют ожидаемому соотношению, и любое расхождение объясняется случайностью. Если $\chi^2$больше критического значения, разница существенна, значит, в игру вступает какой-то другой фактор.
Разбор примера. При скрещивании $\text{Tt} \times \text{Tt}$ получается $160$ потомков: $114$ высоких и $46$ низких. Проверьте, соответствует ли это ожидаемому соотношению $3:1$.
Ожидаемые числа составляют $\tfrac{3}{4} \times 160 = 120$ высоких и $\tfrac{1}{4} \times 160 = 40$ низких. Затем:
Есть $2$ групп, поэтому число степеней свободы $= 2 - 1 = 1$. Критическое значение при $p = 0.05$ равно $3.84$. Поскольку $1.20 < 3.84$, разница несущественна: результаты соответствуют соотношению $3:1$, а небольшое расхождение вызвано случайностью.
Explore · Исследовать
Test a genetic ratio with chi-squared · Проверьте генетическое соотношение с помощью хи-квадрат
This is the worked example on the page. The cross gives $\chi^2 = 1.20$ with $1$ degree of freedom, and the widget shows the critical value $3.84$ — set the statistic to $1.20$ and it falls well short of the shaded region, so the results fit the $3:1$ ratio. Drag it past $3.84$ to see what a significant departure would look like. · Это пример решения на странице. Скрещивание даёт $\chi^2 = 1.20$ со $1$ степенью свободы, а виджет показывает критическое значение $3.84$ — установите статистику на $1.20$, и она окажется далеко за пределами заштрихованной области, поэтому результаты соответствуют$3:1$ соотношению. Перетащите её за $3.84$, чтобы увидеть, как выглядело бы значимое отклонение.
16.2
From genes to proteins to phenotype · От генов к белкам и фенотипу
Syllabus · Программа
English
explain the terms gene, locus, allele, dominant, recessive, codominant, linkage, test cross, F1, F2, phenotype, genotype, homozygous and heterozygous
interpret and construct genetic diagrams, including Punnett squares, to explain and predict the results of monohybrid crosses and dihybrid crosses that involve dominance, codominance, multiple alleles and sex linkage
interpret and construct genetic diagrams, including Punnett squares, to explain and predict the results of dihybrid crosses that involve autosomal linkage and epistasis (knowledge of the expected ratios for different types of epistasis is not expected)
interpret and construct genetic diagrams, including Punnett squares, to explain and predict the results of test crosses
use the chi-squared test to test the significance of differences between observed and expected results (the formula for the chi-squared test will be provided, as shown in the Mathematical requirements)
explain the relationship between genes, proteins and phenotype with respect to the: • TYR gene, tyrosinase and albinism • HBB gene, haemoglobin and sickle cell anaemia • F8 gene, factor VIII and haemophilia • HTT gene, huntingtin and Huntington’s disease
explain the role of gibberellin in stem elongation including the role of the dominant allele, Le, that codes for a functional enzyme in the gibberellin synthesis pathway, and the recessive allele, le, that codes for a non-functional enzyme
интерпретировать и составлять генетические диаграммы, включая таблицы Пеннета, для объяснения и прогнозирования результатов моногибридного и дигибридного скрещиваний, включающих доминирование, кодоминирование, множественные аллели и половую наследственность
интерпретировать и составлять генетические диаграммы, включая таблицы Пеннета, для объяснения и прогнозирования результатов дигибридных скрещиваний, включающих аутосомное сцепление и эпистаз (знание ожидаемых соотношений для различных типов эпистаза не требуется)
интерпретировать и составлять генетические диаграммы, включая таблицы Пеннета, для объяснения и прогнозирования результатов пробных скрещиваний
использовать критерий хи-квадрат для проверки значимости различий между наблюдаемыми и ожидаемыми результатами (формула критерия хи-квадрат будет предоставлена, как показано в Математических требованиях)
объяснять связь между генами, белками и фенотипом в отношении: • гена TYR, тирозиназы и альбинизма • гена HBB, гемоглобина и серповидноклеточной анемии • гена F8, фактора VIII и гемофилии • гена HTT, хунтингтина и болезни Гuntingтона
объяснять роль гибереллина в удлинении стебля, включая роль доминантного аллеля Le, кодирующего функциональный фермент в пути синтеза гибереллина, и рецессивного аллеля le, кодирующего нефункциональный фермент
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
A gene codes for a protein, and that protein affects the phenotype. If the gene is faulty, the protein is faulty, and the phenotype changes:
Gene
Protein
Effect of a faulty allele
TYR
the enzyme 酶 tyrosinase
albinism 白化病 (no pigment made)
HBB
haemoglobin 血红蛋白
sickle cell anaemia 镰状细胞贫血
F8
factor VIII (helps blood clot)
haemophilia 血友病
HTT
huntingtin
Huntington's disease 亨廷顿病
Gibberellin and stem height
In pea plants, the dominant allele Le codes for a working enzyme that makes gibberellin 赤霉素, so the plant grows tall by stem elongation 伸长. The recessive allele le codes for a broken enzyme, so little gibberellin is made and the plant is short.
Русский
Ген кодирует белок, который влияет на фенотип. Если ген дефектен, белок тоже дефектен, и фенотип меняется:
Ген
Белок
Влияние дефектного аллеля
TYR
фермент тирозиназа
альбинизм (пигмент не вырабатывается)
HBB
гемоглобин
серповидноклеточная анемия
F8
фактор VIII (участвует в свертывании крови)
гемофилия
HTT
хантингтин
болезнь Хантингтона
Гиббереллин и высота стебля
У горошка доминантный аллель Le кодирует работающий фермент, синтезирующий гиббереллин, благодаря чему растение растет высоким за счет удлинения стебля. Рецессивный аллель le кодирует нерабочий фермент, поэтому гиббереллина вырабатывается мало, и растение остается низким.
Explore · Исследовать
From gene to phenotype · От гена к фенотипу
Step through it. A gene makes a protein that does a job — so a faulty allele makes a faulty protein and a changed feature. · Проходите по шагам. Ген производит белок, выполняющий функцию — так поврежденный аллель производит поврежденный белок и измененную черту.
describe the differences between structural genes and regulatory genes and the differences between repressible enzymes and inducible enzymes
explain genetic control of protein production in a prokaryote using the lac operon (knowledge of the role of cAMP is not expected)
state that transcription factors are proteins that bind to DNA and are involved in the control of gene expression in eukaryotes by decreasing or increasing the rate of transcription
explain how gibberellin activates genes by causing the breakdown of DELLA protein repressors, which normally inhibit factors that promote transcription
Русский
описывать различия между структурными генами и регуляторными генами, а также различия между репрессируемыми ферментами и индуцируемыми ферментами
объяснять генетический контроль синтеза белка у прокариот с использованием lac-оперона (знание роли цАМФ не требуется)
указывать, что транскрипционные факторы — это белки, связывающиеся с ДНК и участвующие в контроле экспрессии генов у эукариот путем снижения или повышения скорости транскрипции
объяснять, как гибереллин активирует гены, вызывая разрушение белков-репрессоров DELLA, которые обычно ингибируют факторы, способствующие транскрипции
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Not all genes are switched on all the time. Cells control which proteins they make.
structural genes 结构基因 code for useful proteins such as enzymes; regulatory genes 调节基因 control whether other genes are switched on.
an inducible enzyme 可诱导酶 is made only when it is needed; a repressible enzyme 可抑制酶 is normally made but can be switched off.
The lac operon
In a prokaryote 原核生物 such as a bacterium, a group of genes called the lac operon 乳糖操纵子 controls the digestion of lactose:
when there is no lactose, a repressor 阻遏物 protein binds to the operator (a short control sequence within the operon) and blocks transcription 转录, so the lactose-digesting enzymes are not made.
when lactose is present, it binds to the repressor and pulls it off. Transcription can now happen, and the enzymes are made. The enzymes are therefore inducible.
Control in eukaryotes
In eukaryotes, transcription factors 转录因子 are proteins that bind to DNA and control gene expression 基因表达, by increasing or decreasing the rate of transcription.
Gibberellin switches genes on in this way: it causes the breakdown of DELLA protein repressors. These DELLA proteins normally block the factors that turn on transcription, so removing them lets those genes be expressed.
Русский
Не все гены активны постоянно. Клетки контролируют, какие белки они синтезируют.
структурные гены кодируют полезные белки, такие как ферменты; регуляторные гены управляют тем, будут ли другие гены активированы.
индуцируемый фермент синтезируется только тогда, когда он нужен; репрессируемый фермент обычно синтезируется, но может быть выключен.
Лактозный оперон
У прокариота, например у бактерии, группа генов под названием лактозный оперон регулирует переваривание лактозы:
когда нет лактозы, репрессор связывается с оператором (короткой управляющей последовательностью внутри оперона) и блокирует транскрипцию, поэтому ферменты для переваривания лактозы не образуются.
когда лактоза присутствует, она связывается с репрессором и отрывает его. Транскрипция теперь возможна, и ферменты синтезируются. Следовательно, эти ферменты являются индуцируемыми.
Лактозный оперон: репрессор блокирует гены, пока лактоза не отрывает его, поэтому ферменты являются индуцируемыми
Регуляция у эукариот
У эукариот факторы транскрипции — это белки, которые связываются с ДНК и регулируют экспрессию генов, увеличивая или уменьшая скорость транскрипции.
Гиббереллин активирует гены таким образом: он вызывает разрушение репрессоров типа DELLA. Эти белки DELLA обычно блокируют факторы, запускающие транскрипцию, поэтому их удаление позволяет экспрессии этих генов происходить.
Explore · Исследовать
The lac operon · Лак-оперон
Step through the switch. With no lactose the genes are blocked; lactose pulls the repressor off and switches them on. · Проходите по переключателю. При отсутствии лактозы гены заблокированы; лактоза снимает репрессор и включает их.
Set out a cross fully: parental genotypes → gametes (in circles) → Punnett square → offspring ratio and phenotypes.
Use the chi-squared test to compare observed with expected; degrees of freedom $=$ classes $- 1$, compare with $3.84$ at $p = 0.05$.
Recognise codominance, multiple alleles, sex linkage, epistasis and linkage — each alters the expected ratio.
Meiosis creates variation by crossing over and independent assortment — state both.
Русский
Полностью опишите схему скрещивания: родительские генотипы → гаметы (в кружках) → таблица Пеннета → соотношение потомства и фенотипы.
Используйте тест хи-квадрат для сравнения наблюдаемых и ожидаемых значений; число степеней свободы $=$ количество классов $- 1$, сравните со $3.84$ при $p = 0.05$.
Распознавайте кодоминирование, множественные аллели, половую связь, эпистаз и сцепление — каждое из них изменяет ожидаемое соотношение.
Мейоз создает разнообразие благодаря кроссинговеру и независимому расхождению хромосом — назовите оба механизма.
explain, with examples, that phenotypic variation is due to genetic factors or environmental factors or a combination of genetic and environmental factors
explain what is meant by discontinuous variation and continuous variation
explain the genetic basis of discontinuous variation and continuous variation
use the t-test to compare the means of two different samples (the formula for the t-test will be provided, as shown in the Mathematical requirements)
Русский
объяснять (с примерами), что фенотипическая изменчивость обусловлена генетическими факторами или факторами среды или их сочетанием
объяснять, что понимается под непрерывной изменчивостью и дискретной изменчивостью
объяснять генетическую основу непрерывной и дискретной изменчивости
использовать t-критерий Стьюдента для сравнения средних двух различных выборок (формула t-критерия будет предоставлена, как показано в Математических требованиях)
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Variation 变异 means the differences between individuals. It has three possible causes:
genetic factors only — set by the alleles 等位基因 you inherit (for example human blood group).
environmental factors 环境因素 only — set by your surroundings (for example a scar, or the language you speak).
a combination of both — most features, such as height and body mass, depend on genes and on diet and lifestyle.
There are two patterns of variation:
discontinuous variation 不连续变异 — clear, separate groups with nothing in between (for example blood group A, B, AB or O). It is usually controlled by one or a few genes 基因, with little effect from the environment.
continuous variation 连续变异 — a smooth range from one extreme to the other (for example height). It is controlled by many genes together, plus the environment.
To compare the means of two samples (for example the heights of plants in sun and in shade), you use the t-test, which tells you whether the difference is large enough to be real, or just due to chance.
Русский
Изменчивость означает различия между особями. У нее три возможные причины:
только генетические факторы — определяются аллелями, которые вы унаследовали (например, группа крови человека).
только средовые факторы — определяются окружающей средой (например, шрам или язык, на котором вы говорите).
сочетание обоих факторов — большинство признаков, таких как рост и масса тела, зависят от генов и от питания и образа жизни.
непрерывная изменчивость — четкие, отдельные группы без промежуточных форм (например, группы крови A, B, AB или O). Обычно она контролируется одним или несколькими генами, почти не зависит от среды.
непрерывная изменчивость — плавный диапазон от одного крайнего значения до другого (например, рост). Она контролируется множеством генов вместе со средой.
Дискретная изменчивость распадается на отдельные группы; непрерывная изменчивость представляет собой плавный диапазон
Для сравнения средних значений двух выборок (например, высоты растений на солнце и в тени) используется t-критерий Стьюдента, который показывает, является ли разница достаточно большой, чтобы считаться реальной, или же она обусловлена случайностью.
Explore · Исследовать
The t-distribution behind the t-test · t-распределение, лежащее в основе t-теста
The t-test compares two sample means against a critical value you look up in a t-table. This is that table made live: the value depends on the degrees of freedom (here $n_1+n_2-2$). Drag df and watch the critical value change — small samples have heavier tails, so they need a larger difference to count as real. · t-тест сравнивает средние значения двух выборок с критическим значением, которое вы находите в таблице t. Это таблица в действии: значение зависит от степени свободы (здесь $n_1+n_2-2$). Перетаскивайте df и наблюдайте, как меняется критическое значение — малые выборки имеют более тяжёлые хвосты, поэтому для признания различия реальным требуется большая разница.
Explore · Исследовать
Variation type lab · Лабораторная работа по изменчивости
Classify examples by the source and pattern of variation. · Классифицируйте примеры по источнику и типу изменчивости.
explain that natural selection occurs because populations have the capacity to produce many offspring that compete for resources; in the ‘struggle for existence’, individuals that are best adapted are most likely to survive to reproduce and pass on their alleles to the next generation
explain how environmental factors can act as stabilising, disruptive and directional forces of natural selection
explain how selection, the founder effect and genetic drift, including the bottleneck effect, may affect allele frequencies in populations
outline how bacteria become resistant to antibiotics as an example of natural selection
use the Hardy–Weinberg principle to calculate allele and genotype frequencies in populations and state the conditions when this principle can be applied (the two equations for the Hardy–Weinberg principle will be provided, as shown in the Mathematical requirements)
describe the principles of selective breeding (artificial selection)
outline the following examples of selective breeding: • the introduction of disease resistance to varieties of wheat and rice • inbreeding and hybridisation to produce vigorous, uniform varieties of maize • improving the milk yield of dairy cattle
Русский
объяснять, что естественный отбор происходит потому, что популяции способны производить много потомства, конкурирующего за ресурсы; в «борьбе за существование» особи, лучше всего адаптированные, наиболее вероятно выживут для размножения и передадут свои аллели следующему поколению
объяснять, как экологические факторы могут действовать как стабилизирующие, разрывающие и направленные силы естественного отбора
объяснять, как отбор, эффект основателя и генетический дрейф, включая эффект бутылочного горлышка, могут влиять на частоту аллелей в популяциях
описывать, как бактерии становятся устойчивыми к антибиотикам как пример естественного отбора
использовать принцип Харди–Вайнберга для расчета частот аллелей и генотипов в популяциях и указывать условия применения этого принципа (два уравнения принципа Харди–Вайнберга будут предоставлены, как показано в Математических требованиях)
описывать следующие примеры селективного разведения: • внедрение устойчивости к болезням сортов пшеницы и риса • инбридинг и гибридизация для получения энергичных, однородных сортов кукурузы • повышение молочной продуктивности молочного скота
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Natural selection: the peppered moth
A population 种群 produces far more offspring 后代 than can survive, so the offspring must compete 竞争 for resources such as food and space. This is the "struggle for existence". The individuals that are best adapted 适应 are most likely to survive, reproduce 繁殖, and pass on their alleles to the next generation. Over many generations, the helpful alleles become more common in the population. This is natural selection 自然选择.
Environmental conditions can push selection in three ways:
stabilising selection 稳定选择 favours the average and removes the extremes (the population stays the same).
directional selection 定向选择 favours one extreme, so the mean shifts that way.
disruptive selection 分裂选择 favours both extremes and removes the average.
Allele frequencies can also change in other ways:
the founder effect 奠基者效应 — a few individuals start a new population, so they carry only some of the alleles of the original group.
genetic drift 遗传漂变 — in a small population, allele frequencies change by chance from generation to generation.
the bottleneck effect 瓶颈效应 — a sudden fall in population size leaves few survivors, reducing the variety of alleles.
Antibiotic resistance as natural selection
A chance mutation 突变 makes a few bacteria resistant to an antibiotic 抗生素. When the antibiotic is used, the non-resistant bacteria die, but the resistant ones survive and reproduce. Over time the resistance 耐药性 spreads through the population. This is natural selection in action.
Русский
Естественный отбор: березовая пяденица
Одна популяция производит гораздо больше потомства, чем может выжить, поэтому потомство должно конкурировать за ресурсы, такие как пища и пространство. Это называется «борьбой за существование». Те особи, которые лучше всего адаптированы, с наибольшей вероятностью выживут, размножатся и передадут свои аллели следующему поколению. На протяжении многих поколений полезные аллели становятся более распространенными в популяции. Это естественный отбор.
Бабочка-пяденица демонстрирует естественный отбор: темная форма маскируется на темной, засыпанной сажей коре, а светлая крапчатая форма — на светлом лишайнике; птицы поедают тех, кто выделяется
Условия окружающей среды могут способствовать отбору тремя способами:
стабилизирующий отбор благоприятствует средним значениям признака и устраняет крайние варианты (популяция остается неизменной).
направленный отбор благоприятствует одному из крайних вариантов, поэтому среднее значение смещается в эту сторону.
разрывающий отбор благоприятствует обоим крайним вариантам и устраняет средние значения.
Стабилизирующий сужает диапазон, направленный смещает среднее, разрывающий делит его на две части
Частоты аллелей также могут изменяться другими способами:
эффект основателя — несколько особей начинают новую популяцию, поэтому они несут лишь часть аллелей исходной группы.
генетический дрейф — в небольшой популяции частоты аллелей меняются случайно от поколения к поколению.
эффект бутылочного горлышка — резкое сокращение численности популяции оставляет немногих выживших, снижая разнообразие аллелей.
Эффект бутылочного горлышка: после катастрофы выживают лишь единицы, поэтому восстановленная популяция обладает меньшим генетическим разнообразием
Устойчивость к антибиотикам как пример естественного отбора
Случайная мутация делает некоторые бактерии устойчивыми к антибиотику. При применении антибиотика неустойчивые бактерии погибают, но устойчивые выживают и размножаются. Со временем устойчивость распространяется по всей популяции. Это естественный отбор в действии.
Explore · Исследовать
Natural selection · Естественный отбор
Step through Darwin's idea: variation + a selection pressure means the best-adapted survive and pass on their alleles. · Разберите идею Дарвина: изменчивость + фактор отбора означают, что наиболее приспособленные выживают и передают свои аллели.
The Hardy–Weinberg principle · Принцип Харди–Вайнберга
English
The Hardy–Weinberg principle 哈迪-温伯格原理 lets you calculate the allele frequencies 等位基因频率 and genotype 基因型 frequencies in a population. It only holds true when there is a large population, mating is random, and there is no mutation, no migration and no natural selection.
Call the frequency of the dominant allele $p$ and the frequency of the recessive allele $q$. There are only two alleles, so:
$$p + q = 1.$$
The genotype frequencies then add up to 1, where $p^2$ is homozygous dominant, $2pq$ is heterozygous (the carriers), and $q^2$ is homozygous recessive:
$$p^2 + 2pq + q^2 = 1.$$
Worked example. A recessive condition affects $1$ in every $100$ people. Find the frequency of carriers.
Only the homozygous recessive genotype ($q^2$) shows the condition, so $q^2 = \tfrac{1}{100} = 0.01$, giving $q = \sqrt{0.01} = 0.1$. Then $p = 1 - q = 0.9$. The carriers are the heterozygotes:
$$2pq = 2 \times 0.9 \times 0.1 = 0.18.$$
So about $18\%$ of the population are carriers — far more than the $1\%$ who show the condition.
Русский
Принцип Харди–Вайнберга позволяет рассчитать частоты аллелей и частоты генотипов в популяции. Он справедлив только при наличии большой популяции, случайном скрещивании, а также отсутствии мутаций, миграции и естественного отбора.
Обозначим частоту доминантного аллеля $p$, а частоту рецессивного аллеля $q$. Так как аллелей всего два, то:
$$p + q = 1.$$
Тогда частоты генотипов в сумме дают 1, где $p^2$ — гомозиготный доминантный, $2pq$ — гетерозиготный (носители), а $q^2$ — гомозиготный рецессивный:
$$p^2 + 2pq + q^2 = 1.$$
Разобранный пример. Рецессивное заболевание встречается у $1$ на каждые $100$ человек. Найдите частоту носителей.
Только гомозиготный рецессивный генотип ($q^2$) проявляет заболевание, значит $q^2 = \tfrac{1}{100} = 0.01$, что дает $q = \sqrt{0.01} = 0.1$. Затем $p = 1 - q = 0.9$. Носителями являются гетерозиготы:
$$2pq = 2 \times 0.9 \times 0.1 = 0.18.$$
Таким образом, носителями являются примерно $18\%$ части популяции — значительно больше, чем $1\%$ человек, у которых проявляется это состояние.
Харди–Вайнберг: частоты аллелей p и q дают частоты генотипов p², 2pq, q²
In selective breeding 选择育种, also called artificial selection 人工选择, humans (not nature) choose which organisms breed, so that useful features are passed on. Examples:
breeding disease resistance 抗病性 into varieties of wheat and rice.
using inbreeding 近交 and hybridisation 杂交 (crossing different lines) to make vigorous, uniform maize.
breeding dairy cattle to improve their milk yield 产量.
Русский
При селекции, также называемой искусственным отбором, люди (а не природа) выбирают организмы для размножения, чтобы полезные признаки передавались дальше. Примеры:
создание устойчивости к болезням у сортов пшеницы и риса.
использование инбридинга и гибридизации (скрещивания разных линий) для получения жизнерадостной, однородной кукурузы.
селекция молочного скота для повышения надоев.
Селекция: выбор лучших для размножения в каждом поколении делает нужный признак все более распространенным
Explore · Исследовать
Selective breeding · Селекция
Step through it. Humans take the role of the environment — choosing the breeders, generation after generation. · Проходите шаги. Люди берут на себя роль среды — выбирая производителей из поколения в поколение.
outline the theory of evolution as a process leading to the formation of new species from pre-existing species over time, as a result of changes to gene pools from generation to generation
discuss how DNA sequence data can show evolutionary relationships between species
explain how speciation may occur as a result of genetic isolation by: • geographical separation (allopatric speciation) • ecological and behavioural separation (sympatric speciation)
Русский
излагать теорию эволюции как процесс, приводящий к образованию новых видов из существующих видов со временем в результате изменений в генофондах от поколения к поколению
обсуждать, как данные последовательностей ДНК могут показывать эволюционные связи между видами
объяснять, как видообразование может происходить в результате генетической изоляции посредством: • географического разделения (аллопатрическое видообразование) • экологической и поведенческой изоляции (симпатрическое видообразование)
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
Evolution 进化 is the slow formation of new species 物种 from earlier ones, as the gene pool 基因库 (all the alleles in a population) changes from generation to generation.
DNA sequence 序列 data can show how closely related two species are: the more similar their DNA sequences, the more recently they shared a common ancestor.
Speciation 物种形成 happens when two populations become genetically separated, so they can no longer breed together. This genetic isolation 隔离 can come about in two ways:
allopatric speciation 异域物种形成 — the populations are kept apart by a geographical separation 地理隔离, such as a sea or a mountain range.
sympatric speciation 同域物种形成 — the populations live in the same area but are separated by differences in behaviour or way of life.
Русский
Эволюция — это медленное образование новых видов из предыдущих, поскольку генный пул (все аллели в популяции) меняется от поколения к поколению.
Данные о последовательности ДНК могут показать степень родства двух видов: чем больше похожи их последовательности ДНК, тем ближе был общий предок.
Специация происходит, когда две популяции генетически изолируются, так что больше не могут скрещиваться вместе. Эта генетическая изоляция может возникнуть двумя путями:
аллопатрическая специация — популяции разделены географической изоляцией, такой как море или горная цепь.
симпатрическая специация — популяции живут в одном регионе, но разделены различиями в поведении или образе жизни.
Аллопатрическая специация требует физического барьера; симпатрическая специация происходит в том же регионе
Step through it. A barrier splits one population; the two halves diverge until they can no longer interbreed. · Пройдите по этапам. Барьер разделяет одну популяцию; две половины расходятся, пока не перестанут скрещиваться.
Explain natural selection as a sequence: variation → selection pressure → the better-adapted survive and reproduce → allele frequency changes.
Use the Hardy–Weinberg equations ($p+q=1$, $p^2+2pq+q^2=1$); $q^2$ is the recessive-phenotype frequency — a common calculation.
Distinguish stabilising, directional and disruptive selection with an example of each.
Distinguish allopatric vs sympatric speciation (geographic vs reproductive isolation).
Русский
Объясните естественный отбор как последовательность: вариация → давление отбора → лучше адаптированные выживают и размножаются → изменение частоты аллелей.
Используйте уравнения Харди–Вайнберга ($p+q=1$, $p^2+2pq+q^2=1$); $q^2$ — частота рецессивного фенотипа, что является типичным расчетом.
Различайте стабилизирующий, направленный и разрывающий отбор, приведя пример каждого.
Различать аллопатрическую и симпатрическую видообразование (географическая vs репродуктивная изоляция).
18
Classification, biodiversity and conservation · Классификация, биоразнообразие и охрана природы
Classifying living things · Классификация живых организмов
Syllabus · Программа
English
discuss the meaning of the term species, limited to the biological species concept, morphological species concept and ecological species concept
describe the classification of organisms into three domains: Archaea, Bacteria and Eukarya
state that Archaea and Bacteria are prokaryotes and that there are differences between them, limited to differences in membrane lipids, ribosomal RNA and composition of cell walls
describe the classification of organisms in the Eukarya domain into the taxonomic hierarchy of kingdom, phylum, class, order, family, genus and species
outline the characteristic features of the kingdoms Protoctista, Fungi, Plantae and Animalia
outline how viruses are classified, limited to the type of nucleic acid (RNA or DNA) and whether this is single stranded or double stranded
Русский
обсуждать значение термина вид, ограничиваясь биологическим понятием вида, морфологическим понятием вида и экологическим понятием вида
описывать классификацию организмов на три домена: Археи, Бактерии и Эукариоты
указывать, что Археи и Бактерии являются прокариотами и что между ними существуют различия, ограниченные различиями в мембранных липидах, рибосомальной РНК и составе клеточных стенок
описывать классификацию организмов в домене Эукариоты по таксономической иерархии: царство, тип, класс, отряд, семейство, род и вид
изложите характерные черты царств Protoctista, Fungi, Plantae и Animalia
изложите, как классифицируются вирусы, ограничиваясь типом нуклеиновой кислоты (РНК или ДНК) и её одноцепочечностью или двухцепочечностью
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
A species 物种 can be defined in more than one way:
the biological species concept — a group whose members can breed together to produce fertile offspring.
the morphological species concept — a group whose members look alike.
the ecological species concept — a group that fills the same role in its surroundings.
The three domains
The largest groups in classification 分类 are three domains 域:
Archaea 古菌 and Bacteria 细菌 — both are prokaryotes 原核生物 (no nucleus). They look similar but differ in their membrane lipids, their ribosomal RNA, and the make-up of their cell walls 细胞壁.
Eukarya 真核生物 — all organisms whose cells have a nucleus.
The taxonomic hierarchy
Inside the Eukarya domain, organisms are sorted into a taxonomic hierarchy 分类层级 — a set of smaller and smaller groups: kingdom 界, phylum 门, class 纲, order 目, family 科, genus 属 and species.
The Eukarya are split into four kingdoms:
Protoctista 原生生物界 — mostly single-celled (such as Amoeba).
Fungi 真菌界 — feed by absorbing food; have cell walls of chitin.
Plantae 植物界 — make their own food by photosynthesis.
Animalia 动物界 — feed on other organisms.
Viruses are not placed in these groups. They are classified by the type of nucleic acid 核酸 they contain (DNA or RNA) and whether it is single-stranded 单链 or double-stranded 双链.
Русский
Вид можно определить несколькими способами:
биологическое понятие вида — группа, чьи члены способны скрещиваться для получения плодовитого потомства.
морфологическое понятие вида — группа, чьи представители внешне похожи друг на друга.
экологическое понятие вида — группа, занимающая одинаковую роль в окружающей среде.
Коллекция насекомых музея: классификация объединяет организмы по их общим признакам
Три домена
Самые крупные группы в классификации — это три домена:
Археи и Бактерии — оба являются прокариотами (без ядра). Они выглядят схоже, но различаются липидами мембран, рибосомальной РНК и составом своих клеточных стенок.
Эукариота — все организмы, чьи клетки имеют ядро.
Каждое цветное кольцо вокруг этого кипящего источника представляет собой сообщество микроорганизмов, живущих при разной температуре. Археи, подобные этим — процветающие там, где почти ничего больше не может выжить, — стали ключом к тому, что они образуют отдельный домен, обособленный от обычных бактерий
Таксономическая иерархия
Внутри домена Эукариота организмы распределены по таксономической иерархии — набору все более мелких групп: царство, тип, класс, отряд, семейство, род и вид.
Каждый уровень таксономической иерархии представляет собой меньшую группу с более близким родством, заканчивающуюся одним видом
Эукариоты делятся на четыре царства:
Протисты — преимущественно одноклеточные (например, Амеба).
Грибы — питаются путем всасывания пищи; имеют клеточные стенки из хитина.
Растения — производят собственную пищу посредством фотосинтеза.
Животные — питаются другими организмами.
Три домена: Археи и Бактерии — прокариоты; Эукариоты делятся на четыре царства
Вирусы не включаются в эти группы. Они классифицируются по типу нуклеиновой кислоты, которую они содержат (ДНК или РНК), и является ли она одиночной или двойной цепью.
Explore · Исследовать
Species and domains lab · Лабораторная работа: Виды и домены
Classify organisms and definitions by the level they describe. · Классифицируйте организмы и определения по уровню, который они описывают.
Explore · Исследовать
The taxonomic hierarchy · Таксономическая иерархия
Step down the levels for one species — humans — from the broadest domain to the most specific species. · Опуститесь по уровням для одного вида — человека — от самого широкого домена до самого конкретного вида.
explain that biodiversity can be assessed at different levels, including: the number and range of different ecosystems and habitats, the number of species and their relative abundance, the genetic variation within each species
explain the importance of random sampling in determining the biodiversity of an area
describe and use suitable methods to assess the distribution and abundance of organisms in an area, limited to frame quadrats, line transects, belt transects and mark-release-recapture using the Lincoln index (the formula for the Lincoln index will be provided, as shown in the Mathematical requirements)
use Spearman’s rank correlation and Pearson’s linear correlation to analyse the relationships between two variables, including how biotic and abiotic factors affect the distribution and abundance of species (the formulae for these correlations will be provided, as shown in the Mathematical requirements)
use Simpson’s index of diversity (D) to calculate the biodiversity of an area, and state the significance of different values of D (the formula for Simpson’s index of diversity will be provided, as shown in the Mathematical requirements)
Русский
определите термины экосистема и ниша
объясните, что биоразнообразие можно оценивать на разных уровнях, включая: количество и разнообразие различных экосистем и мест обитания, число видов и их относительную численность, генетическое разнообразие внутри каждого вида
объясните важность случайного отбора проб при определении биоразнообразия территории
опишите и используйте подходящие методы для оценки распространения и численности организмов на местности, ограничиваясь квадратными рамками (frame quadrats), линейными трансектами (line transects), ленточными трансектами (belt transects) и методом пометки-повторного улова (mark-release-recapture) с использованием индекса Линкольна (формула индекса Линкольна будет предоставлена, как указано в Математических требованиях)
используйте ранговый коэффициент корреляции Спирмена и линейный коэффициент корреляции Пирсона для анализа взаимосвязей между двумя переменными, включая то, как биотические и абиотические факторы влияют на распространение и численность видов (формулы этих корреляций будут предоставлены, как указано в Математических требованиях)
используйте индекс разнообразия Симпсона (D) для расчёта биоразнообразия местности и укажите значение различных значений D (формула индекса разнообразия Симпсона будет предоставлена, как указано в Математических требованиях)
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
An ecosystem 生态系统 is all the living things in an area together with their non-living surroundings. A niche 生态位 is the particular role and place of a species within it.
A coral reef is a good picture of high biodiversity — many different corals, fish and other species living together:
Biodiversity 生物多样性 can be measured at three levels:
the number and range of different ecosystems and habitats 栖息地.
the number of species and their relative abundance 丰度 (how common each one is).
the genetic variation within each species.
Sampling an area
You cannot count every organism, so you take samples. Random sampling 随机取样 (choosing positions by chance) avoids bias and gives a fair picture. Useful methods are:
quadrats 样方 — square frames placed to count or estimate the species inside them.
transects 样带 — counting along a line across the area (a line transect records what touches the line; a belt transect counts within a strip).
mark-release-recapture 标志重捕法 — for moving animals: catch, mark and release some, then later see what fraction of a new catch is marked (the Lincoln index).
To link the spread of a species to biotic factors 生物因素 (living) or abiotic factors 非生物因素 (non-living), you can use Spearman's rank or Pearson's correlation 相关性. To measure the diversity of an area as a single number, you use Simpson's index of diversity 辛普森多样性指数: a higher value means more diverse and usually more stable.
Worked example. 60 snails are caught, marked and released. Later, 80 snails are caught, of which 15 are marked. Estimate the population. The Lincoln index assumes the marked animals have mixed back in evenly, so the fraction marked in the second sample equals the fraction marked in the whole population:
$$N = \frac{\text{first sample} \times \text{second sample}}{\text{number marked in the second}} = \frac{60 \times 80}{15} = 320$$
So there are about 320 snails. The estimate is only as good as its assumptions, so state them: no births, deaths or migration between the two catches; the marks neither rub off nor make the animal easier for a predator to spot; and enough time is allowed for mixing. Break one and the estimate breaks with it - a mark that attracts predators lowers the recapture count and therefore overestimates the population.
Русский
Экосистема — это все живые организмы в определенном районе вместе с их неживой средой. Ниша — это особая роль и место вида в ней.
Коралловый риф — отличная иллюстрация высокого биоразнообразия — множество различных кораллов, рыб и других видов, живущих вместе:
Коралловый риф — один из самых биоразнообразных обитателей на Земле: многие виды кораллов и рыб делят одну небольшую территорию
Биоразнообразие можно измерить на трех уровнях:
количество и разнообразие различных экосистем и сред обитания.
количество видов и их относительная численность (насколько часто встречается каждый из них).
генетическое разнообразие внутри каждого вида.
Биоразнообразие измеряется на трех уровнях: разнообразие экосистем, количество видов и генетическое разнообразие внутри вида
Отбор проб в районе
Вы не можете посчитать каждый организм, поэтому берете пробы. Случайный отбор (выбор позиций наугад) избегает предвзятости и дает объективную картину. Полезны следующие методы:
квадраты — квадратные рамки, размещаемые для подсчета или оценки видов внутри них.
трансекты — подсчет вдоль линии через район (линейный трансект фиксирует то, что касается линии; ленточный трансект считает организмы в пределах полосы).
метод «поймай-пометь-выпусти-перехвати» — для подвижных животных: поймать, отметить и выпустить часть, а позже посмотреть, какая доля нового улова будет помечена (индекс Линкольна).
Квадраты и трансекты используются для отбора неподвижных растений; метод «поймай-пометь-выпусти-перехвати» оценивает численность подвижных животных
Чтобы связать распространение вида с биотическими факторами (живыми) или абиотическими факторами (неживыми), можно использовать ранговую корреляцию Спирмена или Пирсона. Для измерения разнообразия района в виде одного числа используется индекс Сипсона: более высокое значение означает большее разнообразие и обычно большую стабильность.
Разобранный пример. Поймано 60 улиток, помечено и выпущено. Позднее поймано 80 улиток, из которых 15 были помечены. Оцените численность популяции. Индекс Линкольна предполагает, что помеченные животные равномерно смешались обратно, поэтому доля помеченных во второй выборке равна доле помеченных во всей популяции:
$$N = \frac{\text{first sample} \times \text{second sample}}{\text{number marked in the second}} = \frac{60 \times 80}{15} = 320$$
Итак, насчитывается около 320 улиток. Точность оценки зависит только от её допущений, поэтому их следует сформулировать: между двумя отловами не было рождений, смертей или миграции; метки не стираются и не делают животное более заметным для хищника; и достаточно времени предоставлено для перемешивания. Если разбить одну улитку, оценка рухнет вместе с ней — метка, привлекающая хищников, снижает повторный отлов и поэтому занижает численность популяции.
Explore · Исследовать
Biodiversity sampling lab · Лаборатория по выборке биоразнообразия
Choose the sampling method or index that matches the field question. · Выберите метод выборки или индекс, который соответствует полевому вопросу.
explain why populations and species can become extinct as a result of: • climate change • competition • hunting by humans • degradation and loss of habitats
outline reasons for the need to maintain biodiversity
outline the roles of zoos, botanic gardens, conserved areas (including national parks and marine parks), ‘frozen zoos’ and seed banks, in the conservation of endangered species
describe methods of assisted reproduction used in the conservation of endangered mammals, limited to IVF, embryo transfer and surrogacy
explain reasons for controlling invasive alien species
outline the role in conservation of the International Union for Conservation of Nature (IUCN) and the Convention on International Trade in Endangered Species of Wild Fauna and Flora (CITES)
Русский
объясните, почему популяции и виды могут стать вымершими в результате: • изменения климата • конкуренции • охоты со стороны человека • деградации и потери мест обитания
изложите причины необходимости сохранения биоразнообразия
изложите роль зоопарков, ботанических садов, охраняемых территорий (включая национальные парки и морские заповедники), «замороженных зоопарков» и банков семян в сохранении исчезающих видов
опишите методы вспомогательного воспроизводства, используемые в охране исчезающих млекопитающих, ограничиваясь ЭКО (体外受精), переносом эмбрионов и суррогатным материнством
объясните причины контроля над инвазивными чужеродными видами
изложите роль в охране природы Международного союза охраны природы (МСОП) и Конвенции о международной торговле редкими видами дикой фауны и флоры (CITES)
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
English
A species can become extinct 灭绝 (die out completely) because of climate change 气候变化, competition (often from new species), hunting by humans, or the damage and loss of its habitats.
We try to protect biodiversity because other species give us food, medicines and materials, help keep ecosystems stable, and have value in themselves.
Ways to conserve species
zoos 动物园 and botanic gardens 植物园 keep and breed endangered species 濒危物种.
protected conservation 保护 areas, such as national parks and marine parks, keep habitats safe.
'frozen zoos' store frozen cells, eggs and sperm, and seed banks 种子库 store seeds for the future.
For rare mammals, assisted reproduction can boost numbers: in vitro fertilisation 体外受精 (IVF), embryo transfer 胚胎移植, and surrogacy 代孕 (another female carries the young).
Conservationists also control invasive species 入侵物种, which are brought in from elsewhere and out-compete native species.
Two organisations help worldwide: the IUCN, which lists how threatened each species is, and CITES, which controls the international trade in endangered animals and plants.
Русский
Вид может стать исчезающим (полностью вымереть) из-за изменения климата, конкуренции (часто со стороны новых видов), охоты со стороны человека или разрушения и потери его местообитаний.
Мы стремимся охранять биоразнообразие, потому что другие виды обеспечивают нас пищей, лекарствами и материалами, помогают поддерживать стабильность экосистем и представляют ценность сами по себе.
Способы сохранения видов
зоопарки и ботанические сады содержат и размножают исчезающие виды.
защищённые охраняемые территории, такие как национальные парки и морские парки, сохраняют местообитания в безопасности.
«замороженные зоопарки» хранят замороженные клетки, яйца и сперматозоиды, а банки семян хранят семена на будущее.
Сохранение либо ин-ситу (охрана видов в их естественной среде обитания), либо экз-ситу (содержание и разведение вне дикой природы)
Для редких млекопитающих ассистированное воспроизводство может увеличить их численность: экстракорпоральное оплодотворение (ЭКО), перенос эмбрионов и суррогатное материнство (другая самка вынашивает потомство).
Охранители также контролируют инвазивные виды, которые завозятся из других мест и вытесняют местные виды в борьбе за ресурсы.
Две организации помогают во всём мире: IUCN, которая составляет список степени угрозы для каждого вида, и CITES, который регулирует международную торговлю исчезающими животными и растениями.
Explore · Исследовать
Conservation action lab · Лаборатория по охране природы
Follow how conservation moves from threat to protected population. · Следите за тем, как охрана природы переходит от угрозы к защищенной популяции.
Learn the taxonomic hierarchy (domain → kingdom → … → species) and the three domains; a species interbreeds to give fertile offspring.
Measure biodiversity with Simpson's index (a higher value = more diverse) and explain why high biodiversity aids stability.
Give in-situ vs ex-situ conservation methods with the advantage of each.
Русский
Выучите таксономическую иерархию (домен → царство → … → вид) и три домена; вид скрещивается для получения плодородного потомства.
Оцените биоразнообразие с помощью индекса Симпсона (более высокое значение = больше разнообразие) и объясните, почему высокое биоразнообразие способствует стабильности.
Приведите методы in-situ vs ex-situ сохранения с преимуществом каждого.
explain that genetic engineering is the deliberate manipulation of genetic material to modify specific characteristics of an organism and that this may involve transferring a gene into an organism so that the gene is expressed
explain that genes to be transferred into an organism may be: • extracted from the DNA of a donor organism • synthesised from the mRNA of a donor organism • synthesised chemically from nucleotides
explain the roles of restriction endonucleases, DNA ligase, plasmids, DNA polymerase and reverse transcriptase in the transfer of a gene into an organism
explain why a promoter may have to be transferred into an organism as well as the desired gene
explain how gene expression may be confirmed by the use of marker genes coding for fluorescent products
explain that gene editing is a form of genetic engineering involving the insertion, deletion or replacement of DNA at specific sites in the genome
describe and explain the steps involved in the polymerase chain reaction (PCR) to clone and amplify DNA, including the role of Taq polymerase
describe and explain how gel electrophoresis is used to separate DNA fragments of different lengths
outline how microarrays are used in the analysis of genomes and in detecting mRNA in studies of gene expression
outline the benefits of using databases that provide information about nucleotide sequences of genes and genomes, and amino acid sequences of proteins and protein structures
Русский
определите термин рекомбинантная ДНК
объясните, что генная инженерия — это преднамеренное манипулирование генетическим материалом для изменения конкретных характеристик организма, и что это может включать перенос гена в организм так, чтобы он экспрессировался
объясните, что гены, которые могут быть перенесены в организм, могут быть: • выделены из ДНК организма-донора • синтезированы из мРНК организма-донора • химически синтезированы из нуклеотидов
объясните роли ** рестрикционных эндонуклеаз**, ДНК-лигазы, плазмид, ДНК-полимеразы и обратной транскриптазы в переносе гена в организм
объясните, почему промотор может быть необходим для переноса в организм вместе с целевым геном
объясните, как подтверждение экспрессии гена может быть достигнуто с помощью маркерных генов, кодирующих флуоресцентные продукты
объясните, что редактирование генов — это форма генной инженерии, включающая вставку, удаление или замену ДНК в определенных участках генома
опишите и объясните этапы полимеразной цепной реакции (ПЦР) для клонирования и амплификации ДНК, включая роль Таq-полимеразы
опишите и объясните, как гель-электрофорез используется для разделения фрагментов ДНК различной длины
изложите, как микромассивы используются в анализе геномов и обнаружении мРНК в исследованиях экспрессии генов
изложите преимущества использования баз данных, предоставляющих информацию о нуклеотидных последовательностях генов и геномов, а также аминокислотных последовательностях белков и структурах белков
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
Recombinant 重组 DNA is DNA that has been made by joining together DNA from two different sources. Genetic engineering 基因工程 is the deliberate changing of an organism's genetic material — often by transferring a gene 基因 into an organism so that the gene is expressed (switched on to make its protein 蛋白质).
A thermal cycler (PCR machine) makes many copies of a DNA sample
The gene to be transferred can be obtained in three ways:
cut out of the DNA of a donor 供体 organism,
made from the donor's mRNA, using the enzyme reverse transcriptase 逆转录酶,
built chemically from nucleotides 核苷酸.
The tools
Tool
Role
restriction endonuclease 限制性内切酶
cuts DNA at a specific base sequence, leaving "sticky ends"
DNA ligase 连接酶
joins pieces of DNA together
plasmid 质粒
a small ring of bacterial DNA used as a cloning vector 载体 to carry the gene into a cell
DNA polymerase 聚合酶
copies DNA
reverse transcriptase
makes DNA from an mRNA template
A restriction endonuclease leaves matching sticky ends; DNA ligase joins a gene to the cut DNA
A promoter 启动子 often has to be transferred along with the gene. The promoter is the "switch" that lets the gene be transcribed in its new organism, so without it the gene would stay silent.
To check the gene has gone in and is working, scientists add a marker gene 标记基因 next to it — for example one that codes for a fluorescent 荧光 (glowing) product. If the cells glow, the transfer worked.
A plasmid acts as a cloning vector: the gene is joined into it, and the recombinant plasmid is taken up by a bacterium
Gene editing
Gene editing 基因编辑 is a precise form of genetic engineering. It inserts, deletes or replaces DNA at an exact site in the genome 基因组.
Copying and sorting DNA
the polymerase chain reaction 聚合酶链式反应 (PCR) is used to clone 克隆 and amplify 扩增 DNA — to make millions of copies. It repeats cycles of heating and cooling, using a heat-stable enzyme called Taq polymerase.
PCR repeats heat-and-cool cycles; each cycle doubles the DNA, making millions of copies
gel electrophoresis 凝胶电泳 separates DNA fragments 片段 by length. The fragments move through a gel in an electric field, and shorter fragments move further, so the lengths spread out into bands.
Gel electrophoresis: DNA moves towards the + end, and shorter fragments travel further, sorting them by lengthA real gel under UV light: the left lane is a DNA ladder, and the glowing bands show how the fragments have separated by length
microarrays 微阵列 are used to study whole genomes and to detect which genes are switched on, by picking up their mRNA.
databases 数据库 store the nucleotide sequences of genes and the amino acid 氨基酸 sequences of proteins, so scientists anywhere can compare them.
Explore · Исследовать
The tools of genetic technology · Инструменты генетических технологий
Genetic engineering moves a useful gene into another organism so it makes a desired protein. · Генная инженерия переносит полезный ген в другой организм, чтобы он производил желаемый белок.
explain the advantages of using recombinant human proteins to treat disease, using the examples insulin, factor VIII and adenosine deaminase
outline the advantages of genetic screening, using the examples of breast cancer (BRCA1 and BRCA2), Huntington’s disease and cystic fibrosis
outline how genetic diseases can be treated with gene therapy, using the examples severe combined immunodeficiency (SCID) and inherited eye diseases
discuss the social and ethical considerations of using genetic screening and gene therapy in medicine
Русский
объясните преимущества использования рекомбинантных человеческих белков для лечения заболеваний, используя примеры инсулина, фактора VIII и аденозиндезаминазы
изложите преимущества генетического скрининга, используя примеры рак молочной железы (BRCA1 и BRCA2), болезни Хантингтона и муковисцидоза
изложите, как генетические заболевания могут лечиться с помощью генной терапии, используя примеры тяжелого комбинированного иммунодефицита (SCID) и наследственных заболеваний глаз
обсудите социальные и этические аспекты применения генетического скрининга и генной терапии в медицине
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
Recombinant human proteins
A human gene can be put into bacteria or other cells so that they make a recombinant human protein — an exact copy of the human one. This is safer and never in short supply, and it avoids using proteins taken from animals or donors. Examples are insulin 胰岛素 (for diabetes 糖尿病), factor VIII (for haemophilia) and adenosine deaminase (for a faulty immune system).
The same tools make a human protein: the insulin gene goes into bacteria, which become living factories — so the insulin is an exact human copy and never in short supply
Genetic screening
Genetic screening 基因筛查 tests a person's DNA for disease alleles before symptoms appear. Examples are the BRCA1 and BRCA2 alleles (which raise the risk of breast cancer 乳腺癌), Huntington's disease 亨廷顿病, and cystic fibrosis 囊性纤维化. Knowing the result helps people make informed choices about treatment and family.
Gene therapy
Gene therapy 基因治疗 treats a genetic disease by putting a working copy of a gene into the patient's cells. It has been used for SCID (a disease in which the immune system fails) and for some inherited eye diseases.
Social and ethical questions
Genetic screening and gene therapy raise concerns: who should see your genetic results, whether insurers or employers could misuse them, whether changes are safe and permanent, and who decides. These ethical 伦理 and social questions must be weighed against the benefits.
Explore · Исследовать
Making human insulin with GM bacteria · Получение человеческого инсулина с помощью ГМ-бактерий
Step through it. The human insulin gene goes into bacteria, which then churn out exact human insulin in fermenters. · Пройдите шаги. Ген человеческого инсулина вводится в бактерии, которые затем производят точный человеческий инсулин в ферментерах.
explain that genetic engineering may help to solve the global demand for food by improving the quality and productivity of farmed animals and crop plants, using the examples of GM salmon, herbicide resistance in soybean and insect resistance in cotton
discuss the ethical and social implications of using genetically modified organisms (GMOs) in food production
Русский
объясните, что генная инженерия может помочь решить глобальную потребность в пище за счет улучшения качества и продуктивности сельскохозяйственных животных и культурных растений, используя примеры ГМ-лосося, устойчивости к гербицидам у сои и устойчивости к насекомым у хлопка
обсудите этические и социальные последствия использования генетически модифицированных организмов (ГМО) в производстве продуктов питания
Source: Cambridge International syllabus · Источник: Программа Cambridge International
Genetic engineering can help feed a growing world by improving farmed animals and crops. Examples of genetically modified organisms 转基因生物 (GMOs) are:
GM salmon 鲑鱼 that grow to size faster.
soybean 大豆 made resistant to a herbicide 除草剂, so weeds can be sprayed without harming the crop.
cotton 棉花 made resistant to insect pests 害虫, because it makes a protein that kills the insects.
Both plants faced the same insects. The insect-resistant GM cotton on the left is barely touched; the ordinary cotton on the right has been stripped — because the GM plant makes a protein that kills the pests as they feed
GMOs also raise ethical and social questions: whether they are safe to eat, what effect they have on the environment and wild species, whether the engineered genes might spread, and whether a few large companies should control the food supply.
Worked example. A tiny DNA sample from a crime scene must be amplified and then compared with a suspect's. Outline the two techniques and what each achieves. PCR copies the DNA in repeated cycles: denaturation at about $95\ °\text{C}$ separates the strands, annealing at about $55\ °\text{C}$ lets primers bind at each end of the target, and extension at about $72\ °\text{C}$ has Taq polymerase build the new strands. Each cycle doubles the amount, so $n$ cycles give $2^n$ copies - 30 cycles turn one molecule into roughly a billion. Gel electrophoresis then separates the fragments: DNA is negatively charged because of its phosphate groups, so it moves towards the anode, and shorter fragments travel further through the gel. Matching band patterns point to the same source. Taq polymerase is used because it is thermostable - an ordinary polymerase would denature at $95\ °\text{C}$ in the very first cycle.
Explore · Исследовать
How a GMO is made · Как создается ГМО
Step through it — the same recombinant-DNA toolkit, now used to give a crop or microbe a brand-new useful gene. · Пройдите шаги — тот же набор инструментов рекомбинантной ДНК, теперь используемый для придания культуре или микроорганизму совершенно нового полезного гена.
Pick one and the site follows you — notes, papers, videos and practice all open on it. · Выберите один, и сайт будет вести вас — конспекты, работы, видео и практика откроются там.
Type to search notes, lessons, code, vocabulary and past-paper questions across every subject. · Введите запрос для поиска заметок, уроков, кода, словаря и вопросов с реальных экзаменов по всем предметам.
Обобщенный вирус: нуклеиновая кислота внутри белкового капсида, с липидной оболочкой у некоторых вирусов.
*Импульс перепрыгивает от узла к узлу — сальтаторное проведение — благодаря этому миелинизированный нейрон проводит сигнал гораздо быстрее
