Біологія. 11 клас. Балан

Тема 7. Генотип як цілісна система

Під час вивчення теми ви дізнаєтесь про основні закономірності функціонування генів у про- і еукаріотів; про результати досліджень у галузі генетики людини; роль генотипу і середовища у формуванні фенотипу; закономірності диференціації клітин; генетичні основи селекції; химерні та трансгенні організми; основні напрями сучасної біотехнології. Ви також навчитеся обережному ставленню до вживання продуктів із використанням генетично модифікованих організмів; оцінювати можливі наслідки застосування сучасних біотехнологій.

§ 13. Основні особливості геному вірусів і прокаріотів

Аби краще засвоїти матеріал цього параграфа, слід пригадати: що таке ген, геном, генотип, регуляторні та структурні гени, екзони, інтрони? Які особливості організації та функціонування бактеріофагів? Що таке плазміди?

Дослідження організації геному неклітинних форм життя (віруси, віроїди тощо) та різних груп організмів, а також закономірностей функціонування генів має теоретичне та важливе практичне значення. Зокрема ці знання вчені з успіхом використовують у селекції організмів, біотехнології тощо.

Які особливості організації геному вірусів?

Досить детально вивчений геном одного з бактеріофагів - φХ-174. Його кільцева молекула ДНК містить лише 10 генів. Така незначна кількість генів компенсується тим, що спадкова інформація з одних і тих само генів може зчитуватись у різний спосіб. Наприклад:

АУГ_ГАЦ_ЦГУ_ААЦ_ЦГГ_УАА - один варіант зчитування спадкової інформації

А_УГГ_АЦЦ_ГУА_АЦЦ_ГГУ_АА - інший варіант зчитування спадкової інформації

Завдяки тому, що межі генів можуть перекриватись своїми кінцями, забезпечується компактність зберігання спадкової інформації. В еукаріотів це явище спостерігають дуже рідко.

Запам’ятайте: невелика кількість ДНК у вірусів забезпечує зберігання відносно істотної кількості спадкової інформації.

Гени вірусів кодують різні білки, зокрема ферменти, які забезпечують процеси подвоєння їхньої нуклеїнової кислоти. Серед білків є регуляторні білки, які впливають на процеси обміну речовин клітини-хазяїна, змушуючи її синтезувати вірусні білки та білки, що забезпечують розчинення оболонки клітини-хазяїна. У бактеріофага-β до складу молекули ДНК також входять гени, які впливають на процеси транскрипції. Вони пригнічують або стимулюють активність інших генів.

Чим характеризується спадковий матеріал прокаріотів?

Геном клітин прокаріотів містить значну кількість ДНК і, відповідно, більше генів порівняно з вірусами. Наприклад, у бактерії кишкової палички є понад 4100 генів, які кодують білкові молекули, та близько 120 генів, що кодують молекули РНК. Гени в ДНК розмежовані міжгенними ділянками. Значна частина структурних генів кишкової палички утворює групи. На кожній групі синтезується одна молекула іРНК, що кодує кілька білків. Ці білки беруть участь у спряжених біохімічних процесах (наприклад, забезпечують синтез певної сполуки). Крім того, ДНК кишкової палички містить велику кількість регуляторних генів, які впливають на активність структурних.

Запам’ятайте: серед структурних генів прокаріотів та еукаріотів є три основні групи. Гени першої кодують структуру молекул білків, другої - тРНК, третьої - рРНК. Молекули іРНК синтезуються лише на одному з ланцюгів молекули ДНК. При цьому послідовність нуклеотидів молекули іРНК комплементарна послідовності ланцюга ДНК, на якому вона синтезована, і збігається за послідовністю нуклеотидів з іншим ланцюгом, який називають кодуючим, або змістовним.

АУГ_ГЦГ_АУЦ_ЦГГ - ділянка молекули іРНК

ТАЦ_ЦГЦ_ТАГ_ГЦЦ - ділянка молекули ДНК, на якій здійснюється процес транскрипції

АТГ_ГЦГ_АТЦ_ЦГГ - другий ланцюг молекули ДНК - кодуючий, або змістовний

У багатьох видів прокаріотів геном представлений єдиною молекулою ДНК, яка зосереджена у ядерній зоні клітини - нуклеоїді. Тому їм притаманний гаплоїдний набір генів і рецесивні алелі можуть проявлятися у фенотипі. Крім того, у цитоплазмі бактеріальних клітин є плазміди, або позахромосомні фактори спадковості. Це невеликі кільцеві молекули ДНК, до складу яких входять кілька генів.

Як здійснюється регуляція експресії генів?

Структурні гени не можуть бути постійно в активному стані, тому їхня діяльність то активується, то пригнічується. Але у прокаріотів, в яких високий рівень активності обміну речовин, більшість генів постійно активні: на них синтезуються молекули іРНК, або РНК інших типів. Це дає змогу прокаріотичній клітині швидко реагувати на зміни в навколишньому середовищі.

Процес, за якого спадкова інформація, закодована у вигляді послідовності нуклеотидів молекули ДНК, втілюється у функціональний продукт - молекулу білка або РНК певного типу, називається експресія (від лат. експресів - вираження) генів.

Експресія генів може регулюватись під час транскрипції, трансляції або остаточних змін у структурі білка чи РНК, завдяки чому ці молекули стають функціонально активні.

Клітини прокаріотів та еукаріотів здатні ефективно регулювати експресію генів. Так, за певних умов деякі гени залишаються неактивними, тоді як активність інших зростає або зменшується. Зміни умов середовища можуть спричинити активацію неактивних та пригнічення активних генів.

Механізми регуляції активності генів різноманітні. Насамперед вони можуть реалізуватися на рівні синтезу молекул РНК. Зокрема, така регуляція може здійснюватись або за допомогою білків, одні з яких пригнічують транскрипцію, тоді як інші необхідні для початку цього процесу. У першому випадку процеси транскрипції розпочинаються лише тоді, коли свої властивості втрачає білок-пригнічувач (депресор). В іншому - процеси транскрипції тривають, доки не втрачають своєї активності білки-активатори.

Білкові молекули, які здатні впливати на експресію генів, спочатку зв’язуються з промотором (від англ. премоуте — той, який просуває, сприяє) - послідовністю нуклеотидів, розташованою перед кодуючою частиною гена. Кожний ген або група генів може мати один або кілька промоторів, регуляція кожного з яких здійснюється окремо.

На малюнку 13.1 зображено ділянку бактеріальної ДНК. До її складу входять три структурні гени (позначені літерами А, Б, В). Вони кодують структуру ферментів, що беруть участь у процесах розщеплення молочного цукру - лактози (пригадайте, до якого класу вуглеводів належить ця сполука). Ця функціонально єдина група генів має один спільний промотор (Г), який оточують дві регуляторні ділянки нуклеотидів (Д, Е). У разі відсутності молочного цукру за участі цих двох ділянок нуклеотидів та особливого регуляторного білка утворюється петля ДНК (Ж). Структурні гени стають неактивними, оскільки з промотором, що опинився всередині петлі, не можуть зв’язатися ферменти, які забезпечують синтез іРНК. Після того як концентрація молочного цукру зростає, регуляторний білок втрачає зв’язок з ДНК, петля зникає і промотор активується - структурні гени знову набувають здатності забезпечувати синтез ферментів.

Мал. 13.1. Регуляція активності генів у кишкової палички

Запам’ятайте: важливу роль у регуляції експресії генів у прокаріотів відіграють взаємодії регулюючих білків з відповідними послідовностями нуклеотидів молекули ДНК.

Нові терміни та поняття. Експресія генів.

Запитання для повторення: 1. Чим досягається компактність кодування генетичної інформації у вірусів? 2. Які характерні риси геному прокаріотів? 3. Що таке промотор? 4. Які механізми експресії генів у прокаріотів? 5. Як зовнішні чинники можуть впливати на експресію генів прокаріотів?

Проблемне завдання. Поміркуйте, про що може свідчити здатність спадкової інформації вірусів-бактеріофагів вбудовуватись у ДНК бактеріальної клітини.