Підручник з Біології і екології. 10 клас. Соболь - Нова програма

Краще вивчити зайве, аніж нічого не вивчити.

Сенека Старший

§ 38. ОРГАНІЗАЦІЯ СПАДКОВОГО МАТЕРІАЛУ ЕУКАРІОТИЧНОЇ КЛІТИНИ ТА ЙОГО РЕАЛІЗАЦІЯ

Основні поняття й ключові терміни: ГЕНОМ. ЕКСПРЕСІЯ ГЕНІВ.

Пригадайте! Що таке еукаріотична клітина?

Поміркуйте!

Найбільший геном виявлено в рослини вороняче око (Paris japonica). Він містить 149 млрд пар нуклеотидів. До цього відкриття найбільшим геномом вважався геном дводишної риби протоптеруса (Protopterus aethiopicus) — 130 млрд пар нуклеотидів. Геном людини складається з 3,2 млрд пар нуклеотидів. Чому ж тоді в людини організація будови, життєдіяльності й поведінки є складнішою?

ЗМІСТ

Які особливості організації спадкового матеріалу еукаріотичних клітин?

ГЕНОМ — сукупність спадкової інформації у клітинах організму певного виду. Геном поєднує основні компоненти, якими є гени та нефункціональні послідовності ДНК. Найхарактерніші особливості організації спадкового матеріалу еукаріотів такі.

ГЕНОМ еукаріотичних клітин

Функціональний компонент

Нефункціональний компонент

Структурна частина

1. Структурні гени з інтронами й екзонами

2. Родини генів (кластери)

Псевдогени, тандемні повтори, генетичні мобільні елементи, спейсери та ін.

Регуляторна частина

1. Регуляторні гени

2. Регуляторні елементи

• Наявність в еукаріотичних клітинах таких видів геному, як ядерний, мітохондріальний і пластидний. Характерною особливістю ядерного геному є зв'язок ДНК з білками-гістонами й утворення дезоксирибонуклеопротеїнових комплексів — хромосом.

• Розмір геному еукаріотичних клітин 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.

• Основними компонентами еукаріотичних геномів є функціональні послідовності нуклеотидів ДНК.

• У складі функціональної й нефункціональної частин геному еукаріотичних клітин є унікальні послідовності (представлені в геномі однією копією) й повторювані послідовності (представлені декількома або багатьма копіями).

• Для структурної частини геному еукаріотів характерний мозаїчний принцип будови. Структурні гени мають ділянки, що кодують спадкову інформацію, — екзони, і ділянки, що її не кодують, — інтрони.

• У геномі еукаріотів відбуваються ускладнення й урізноманітнення ділянок регуляторної частини (наприклад, енхансери і сайленсери, що посилюють або послаблюють транскрипцію). Ключову роль в еволюції еукаріотів відіграє не поява нових кодувальних послідовностей, а нові комбінації старих і поява нових регуляторних ділянок. При цьому у формуванні нових регуляторних послідовностей значну роль відіграють мобільні генетичні елементи.

• Більшу частину еукаріотичного геному становить надлишкова (нефункціональна) ДНК, що не містить інформації про синтез функціональних продуктів. Так, у кишкової палички частка такої ДНК становить 15—20 %, у дрозофіли — 90—95 %, а в людини — аж 95—98 %.

• В еукаріотичному геномі спостерігається збільшення розмірів спейсерів — ділянок ДНК, що відокремлюють гени один від одного. У прокаріотів спейсер складається з декількох пар нуклеотидів, а в еукаріотів ці ділянки значно більші (іл. 92).

Іл. 92. Особливості організації генотипу еукаріотичної клітини

• Геном переважної більшості еукаріотів завдяки статевому розмноженню отримує два набори алельних генів від двох батьків різної статі.

Отже, геном еукаріотів відрізняється особливостями організації функціональної й нефункціональної частин, серед яких виокремимо збільшення розмірів, наявність мозаїчної структури, надлишковість та ускладнення регуляторних послідовностей.

Які особливості реалізації спадкового матеріалу еукаріотичної клітини?

ЕКСПРЕСІЯ ГЕНІВ — процеси використання спадкової інформації генів для синтезу функціональних продуктів — молекул РНК і білків. Якщо кінцевим продуктом експресії генів є білок, то процес експресії називається біосинтезом білків, а ген — білковим. Інформація з таких генів переписується на іРНК, що переносить її до рибосом — органел синтезу білків. Якщо на генах ДНК відбувається синтез транспортних РНК, то це гени тРНК; якщо синтез рибосомальних РНК, то це гени рРНК. Біосинтез РНК називається транскрипцією. Таким чином, завдяки експресії генів у клітинах з'являються білки, іРНК, тРНК і рРНК.

ЕКСПРЕСІЯ ГЕНІВ в еукаріотичних клітинах

РНК-гени

Білкові гени

Транскрипція

Біосинтез білків

Основні стадії

1. Ініціація

2. Елонгація

3. Термінація

Результат: утворення тРНК і рРНК

Основні етапи

1. Транскрипція з утворенням про-іРНК

2. Процесинг із сплайсингом та експорт іРНК

3. Трансляція

4. Післятрансляційна модифікація

Результат: утворення білків

Особливості: 1) відокремленість транскрипції й біосинтезу білків; 2) наявність процесингу із сплайсингом; 3) активна й складна регуляція активності генів

Які ж особливості експресії генів в еукаріотичних клітинах?

1. На відміну від прокаріотів еукаріотична іРНК синтезується у клітинному ядрі (транскрипція іРНК), звідки транспортується до цитоплазми (експорт іРНК) для синтезу білків. Таким чином, транскрипція й біосинтез білків є окремими, відділеними у просторі й часі, етапами експресії генів.

2. Інша відмінність полягає в мозаїчній будові генів, що мають інтрони та екзони. Спочатку інформація з білкових генів переписується на попередника іРНК (про-іРНК), а потім неінформативні інтронні ділянки вирізаються (сплайсинг) й первинний транскрипт перетворюється на зрілу іРНК (процесинг). Тому процесинг еукаріотичної іРНК є невід’ємною частиною транскрипції.

3. Для еукаріотів характерна диференціальна експресія генів у різних клітинах організму, тому багатоклітинні організми мають різноманітні диференційовані клітини. Хоча в усіх клітинах містяться однакові гени, їхня експресія відбувається неоднаково. Регуляція клітинної диференціації здійснюється за допомогою специфічних білків — транскрипційних чинників. На реалізацію спадкової інформації впливають як внутрішні (гормони, білкові транскрипційні чинники, білки-індуктори, білки хроматину, маленькі ядерні РНК), так і зовнішні (температура, випромінювання, антибіотики, токсини). Таким чином, експресія еукаріотичних генів активно регулюється і є основою росту, розвитку й диференціації клітин та їхньої адаптації до умов навколишнього середовища (іл. 93).

Іл. 93. Основні етапи експресії білкових генів: 1 — транскрипція; 2 — процесинг із сплайсингом; 3 — експорт іРНК; 4 — трансляція; 5 — посттрансляційна модифікація

Отже, експресія генів є реалізацією спадкової інформації клітин з утворенням РНК і білків, яка в еукаріотичних клітинах відбувається з певними особливостями.

ДІЯЛЬНІСТЬ

Самостійна робота з таблицею

За допомогою таблиці визначте особливості організації спадкового матеріалу еукаріотичних клітин. Заповніть у робочому зошиті таблицю та зробіть загальний висновок про відмінності геному еукаріотів від геному архей та бактерій.

Таблиця. ХАРАКТЕРИСТИКА ГЕНОМУ ЕУКАРІОТИЧНИХ КЛІТИН

Ознака

Характеристика

Види геному

Розміри геному

Особливості ядерного геному

Компоненти геному

Склад функціонального компонента

Склад нефункціонального компонента

Особливості будови структурної частини

Особливості регуляторної частини

Біологія + Антропологія. Особливості геному людини

В журналі Nature міжнародний науковий консорціум опублікував результати дослідження геному шимпанзе — тварини, яка найбільш схожа з Homo sapiens. Шимпанзе став четвертим ссавцем, геном якого повністю розшифрували вчені після геномів миші, щура та людини. Що таке геном людини? У чому полягають його особливості порівняно з геномом шимпанзе?

СТАВЛЕННЯ

Біологія + Електроніка. Біочіпи

Біочіп (англ. biochip) — матриця з нанесеними молекулами білків або нуклеїнових кислот для одночасного виконання великої кількості аналізів. Основна частка сучасних біочіпів припадає на ДНК-чіпи. ДНК-біочіпами називають також технології для ідентифікації молекул ДНК та аналізу експресії генів. ДНК-біочіпи створено аналогічно з електронними мікросхемами-чіпами, тобто в них різне походження й подібні функції. Яке ж призначення чіпів? В яких галузях біочіпи мають найширше застосування?

РЕЗУЛЬТАТ

Оцінка

Завдання для самоконтролю

1—6

1. Що таке геном? 2. Назвіть компоненти геному еукаріотичних клітин. 3. Наведіть приклади особливостей геному еукаріотичних клітин. 4. Що таке експресія? 5. Що є функціональними продуктами експресії генів? 6. Назвіть основні етапи експресії білкових генів.

7—9

7. Які особливості організації спадкового матеріалу еукаріотичних клітин? 8. Які особливості реалізації спадкового матеріалу еукаріотичної клітини? 9. Чим експресія РНК-генів відрізняється від експресії білкових генів?

10—12

10. У чому полягають відмінності геному еукаріотів від геному архей та бактерій?