Підручник Біологія 9 клас - В. І. Соболь - Абетка 2017

Тема 4. ЗБЕРЕЖЕННЯ ТА РЕАЛІЗАЦІЯ СПАДКОВОЇ ІНФОРМАЦІЇ

§ 23. ГЕНОМ ПРО- ТА ЕУКАРІОТІВ

Від мегавеликого синього кита до мікроскопічної бактерії і субмікроскопічного вірусу - в усіх інформація закодована в їхньому геномі.

Основи системної біології

Основні поняття й ключові терміни: ГЕНОМ. Оперон. Екзони. Інтрони.

Пригадайте! Що таке гени?

Новини науки

Досліджуючи геном бактерії Mycoplasma mycoides, вчені виявили 901 ген, з яких корисними, на їхню думку, є лише 473.

Така кількість є найменшою відомою необхідною кількістю для виконання клітиною всіх життєво важливих функцій. Сконструювавши геном й штучну бактерію JCVI-syn 3.0, що не містили жодного зайвого гена, вчені виявили, що без «надлишкової ДНК» клітина не спроможна жити. Як ви гадаєте, чому?

ЗМІСТ

Як організований геном організмів?

ГЕНОМ - сукупність спадкової інформації у клітинах організму певного виду. Геном поєднує основні компоненти, якими є структурні й регуляторні гени та нефункціональні (некодувальні) послідовності ДНК. Геноми клітинних організмів побудовані з ДНК, і лише окрема група вірусів мають геноми із РНК. Розділ біології, що вивчає геноми, називається геномікою.

Спадкова інформація клітин міститься не лише в нуклеоїді та ядрі, а й у структурах цитоплазми. У прокаріотів - це плазміди (малі молекули ДНК в цитоплазмі), в клітинах еукаріотів - мітохондрії й хлоропласти, що мають власні ДНК. Тому в клітинах еукаріотів окрім ядерного геному розрізняють ще мітохондріальний й пластидний геноми.

Розмір геному має тенденцію до збільшення в міру ускладнення організмів. Так, геном кишкової палички налічує 4,6 млн, геном дрозофіли - 130 млн, а геном людини - 3,2 млрд пар нуклеотидів. Зростання розмірів геному супроводжується збільшенням кількості генів. Так, в кишкової палички структурних генів близько 1 тисячі, у дрозофіли - до 10 тисяч, а в людини - 20 - 25 тисяч. Проте факти вказують на те, що розмір геному не завжди відповідає еволюційній складності організму. Так, найбільший геном виявлено в рослини вороняче око (Paris japonica).

У ньому 149 млрд пар нуклеотидів (іл. 54).

До цього відкриття найбільшим геномом вважався геном дводишної риби протоптеру- са (Protopterus aethiopicus) - 130 млрд пар нуклеотидів.

Іл. 54. Вороняче око - рослина з найбільшим геномом

Крім того, встановлено, що геном складається з послідовностей нуклеотидів, що різняться своєю унікальністю. Розрізняють унікальні (представлені в геномі в єдиному екземплярі або в кількох копіях) та повторювані (трапляються сотні й тисячі разів, а так звані сателітні ДНК - до 10 млн разів) послідовності.

Дослідження різних клітин й організмів показало, що більшу частину геному становить надлишкова, або нефункціональна, ДНК, що не містить інформації про синтез білків. Так, у кишкової палички частка такої ДНК становить 15 - 20 %, у дрозофіли - 90 - 95 %, а в людини - аж 95 - 98 %. Яке ж значення цієї ДНК у геномі? Виявилось, що вона виконує важливу регуляторну функцію: має послідовності нуклеотидів для організації початку синтезу РНК, захисту кінцевих ділянок хромосом, правильного розподілу хромосом під час поділу клітин тощо.

Отже, геном утворений функціональними й нефункціональними послідовностями ДНК і РНК, які здійснюють структурну й регуляторну функції.

Які особливості організації генів прокаріотів?

У прокаріотів генетичний матеріал має оперонну організацію.

Концепцію оперона запропонували в 1961 р. французькі вчені Франсуа Жакоб і Жак Моно, за що отримали Нобелівську премію (1965 р.).

Оперон (від лат. operor - працюю) - функціональна одиниця організації геному прокаріотів.

До складу оперона входять один або декілька структурних генів.

Ці гени відповідають за синтез білків, залучених до одного ланцюжка біохімічних перетворень (іл. 56). Так, лактозний оперон кишкової палички містить спадкову інформацію про три білки, що беруть участь у поглинанні та розщепленні лактози. Структурні гени прокаріотів не мають мозаїчної структури, тобто в їхньому складі немає розподілу на кодувальні (екзони) й некодувальні (інтрони) ділянки.

Іл. 55. Жак Моно (ліворуч) та Франсуа Жакоб

Іл. 56. Організація лактозного оперона в кишкової палички

Крім структурних генів оперони мають регуляторні ділянки (оператор, термінатор), за рахунок яких забезпечується активність оперона як цілісної системи. На роботу оперона впливає самостійний регуляторний ген (не плутати з регуляторними ділянками), що синтезує відповідний регуляторний білок і не обов’язково розташовується поруч з опероном. З появою в навколишньому середовищі лактози її молекули зв’язують цей регуляторний білок, перешкоджаючи його приєднанню до оператора. Структурні гени переходять до активного стану й продукують одну молекулу іРНК для синтезу трьох білків. Таким чином, оперонна організація геному прокаріотів забезпечує упорядковану й регульовану активність генів залежно від умов середовища та діяльності інших генів.

Отже, для генів прокаріотів властива оперонна організація та відсутність мозаїчної будови.

Які відмінності організації генів еукаріотів?

Гени еукаріотів мають складнішу будову (іл. 57). По-перше, в структурній частині генів є ділянки, що кодують спадкову інформацію - екзони (від англ. expression - вираження), і ділянки, що її не кодують - інтрони (від англ. intervening sequence - проміжна послідовність). Кількість і розташування інтронів специфічні для кожного гена. Така будова структурних генів еукарітотів називається мозаїчною. Науковці вважають, це може бути механізмом, який обмежує мутаційний процес. При цьому інтрони виконують функцію «пасток» мутацій.

Іл. 57. Організація геному еукаріотів

По-друге, відбувається ускладнення й урізноманітнення регуляторних ділянок. Так, перед оператором можуть розташовуватися ділянки ДНК, що впливають на рівень транскрипції (наприклад, енхансери).

І по-третє, збільшуються розміри ділянок ДНК, що відокремлюють гени один від одного (спейсерів). У прокаріотів до складу спейсерів входило декілька пар нуклеотидів, а у еукаріотів ці ділянки значно більші, містять повторювані послідовності ДНК (сателітна ДНК, «стрибаючі гени» тощо) й займають значну частину геномної ДНК. Якщо елементи спейсерів опиняються в екзонах структурних генів або поруч із ними, то функції генів змінюються.

Отже, гени еукаріотів відрізняються більшими розмірами, наявністю мозаїчної структури та ускладненням регуляторних генів і елементів.

ДІЯЛЬНІСТЬ

Завдання на порівняння

Застосуйте свої знання і визначте ознаки, за якими порівнюють геноми кишкової палички та людини. Зробіть висновок про взаємозв’язок організації геному із рівнем складності організмів.

ПОРІВНЯЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ГЕНОМІВ ПРО- ТА ЕУКАРІОТІВ

Ознака

Геном прокаріотів (на прикладі кишкової палички)

Геном еукаріотів (на прикладі людини розумної)

У вигляді нуклеоїда та плазмід

В ядрі та мітохондріях

Як правило, одна, має вигляд кільця

46, кожна з яких має вигляд лінійної структури й утворює одну хромосому

Близько 1 000

20 - 25 000

4,6 млн пар нуклеотидів

3,2 млрд пар нуклеотидів

15 - 20 %

95 - 98 %

Оперонна організація, відсутність мозаїчності структурних генів

Відсутність оперонної організації, мозаїчна будова структурних генів, ускладнення регуляторних генів, збільшення спейсерів

Практична вправа

Молекула про-іРНК складається з 1 800 нуклеотидів, з яких на інтрони припадає 600 нуклеотидів. Визначте довжину і молекулярну масу зрілої іРНК.

СТАВЛЕННЯ

Біологія + Наука

Проект «Геном людини» (англ. Human Genome Project) - міжнародний проект наукових досліджень для визначення послідовностей ДНК, розташування генів людини в хромосомах та їх функцій.

Проект розпочався в 1990 р. і лише у 2006 р. геном був розкодований практично повністю, хоча й нині ще здійснюють додатковий аналіз деяких його ділянок. Оцініть практичне й наукове значення проекту «Геном людини» та назвіть галузі застосування цих знань.

РЕЗУЛЬТАТ

Оцінка

Завдання для самоконтролю

1 - 6

1. Що таке геном? 2. Які функції геному? 3. Що таке оперон? 4. Назвіть особливості організації генів прокаріотів. 5. Що таке екзони та інтрони? 6. Назвіть особливості генів еукаріотів.

7 - 9

7. Як організований геном організмів? 8. Які особливості організації генів прокаріотів? 9. Які відмінності організації генів еукаріотів?

10 - 12

10. В чому полягає визначна роль геному клітини?






Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити