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.

• 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.

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

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

Цей контент створено завдяки Міністерству освіти і науки України