§ 23. ГЕНОМ ПРО- И ЭУКАРИОТОВ

Основные понятия и ключевые термины: ГЕНОМ. Оперон. Экзоны. Интроны.

Вспомните! Что такое гены?

Новости науки

Исследуя геном бактерии Mycoplasma mycoides, учёные обнаружили 901 ген, из которых полезными, по их мнению, является лишь 473. Это наименьшее известное необходимое количество для выполнения клеткой всех жизненно важных функций. Сконструировав геном и искусственную бактерию JCVI-syn3.0, не содержащих ни одного лишнего гена, учёные обнаружили, что без «избыточной ДНК» клетка не способна жить. Как вы думаете, почему?

СОДЕРЖАНИЕ

Как организован геном организмов?

ГЕНОМ - совокупность наследственной информации в клетках организма определённого вида. Геном объединяет основные компоненты, которыми являются структурные и регуляторные гены и нефункциональные (некодирующие) последовательности ДНК. Геномы клеточных организмов состоят из ДНК, и только отдельная группа вирусов имеет геномы, состоящие из РНК. Раздел биологии, изучающий геномы, называется геномикой.

Наследственная информация клеток содержится не только в нуклеоиде и ядре, но и в структурах цитоплазмы. У прокариотов - это плазмиды (малые молекулы ДНК в цитоплазме), в клетках эукариотов - митохондрии и хлоропласты, имеющие собственные ДНК. Поэтому в клетках эукариотов кроме ядерного генома различают ещё митохондриальный и пластидный геномы.

Размер генома имеет тенденцию к увеличению по мере усложнения организмов. Так, геном кишечной палочки насчитывает 4,6 млн, геном дрозофилы - 130 млн, а геном человека - 3,2 млрд пар нуклеотидов. Увеличение размеров генома сопровождается увеличением количества генов. Так, в кишечной палочке структурных генов около 1 000, у дрозофилы - до 10 тысяч, а у человека - 20-25 тысяч. Однако факты указывают на то, что размер генома не всегда соответствует эволюционной сложности организма.

Так, крупнейший геном обнаружен у растения вороний глаз (Paris japonica). В нём 149 млрд пар нуклеотидов (ил. 54). До этого открытия крупнейшим считался геном двоякодышащей рыбы протоптерус (Protopterus aethiopicus) - 130 млрд пар нуклеотидов.

Ил. 54. Вороний глаз - растение с наибольшим геномом

Кроме того, установлено, что геном состоит из последовательностей нуклеотидов, отличающихся своей уникальностью. Различают уникальные (представлены в геноме в единственном экземпляре или в нескольких копиях) и повторяющиеся (встречаются сотни и тысячи раз, а так называемые сателлитные ДНК - до 10 млн раз) последовательности.

Исследование различных клеток и организмов показало, что большую часть генома составляет избыточная, или нефункциональная, ДНК, не содержащая информации о синтезе белков. Так, в кишечной палочке доля такой ДНК составляет 15-20 %, у дрозофилы - 90-95 %, а у человека - до 95-98 %. Каково же значение этой ДНК в геноме? Оказалось, что она выполняет важную регуляторную функцию: имеет последовательности нуклеотидов для организации начала синтеза РНК, защиты конечных участков хромосом, правильного распределения хромосом при делении клеток и т. д.

Итак, геном образован функциональными и нефункциональными последовательностями ДНК и РНК, осуществляющими структурную и регуляторную функции.

Каковы особенности организации генов прокариотов?

У прокариотов генетический материал имеет оперонную организацию. Концепцию оперона предложили в 1961 г. французские учёные Франсуа Жакоб и Жак Моно, за что получили Нобелевскую премию (1965).

Ил. 55. Жак Моно (слева) и Франсуа Жакоб

Оперон (от лат. operor - работаю) - функциональная единица организации генома прокариотов. В состав оперона входят один или несколько структурных генов. Эти гены отвечают за синтез белков, вовлечённых в одну цепочку биохимических превращений (ил. 56). Так, лактозный оперон кишечной палочки содержит наследственную информацию о трёх белках, участвующих в поглощении и расщеплении лактозы. Структурные гены прокариоты не имеют мозаичной структуры, то есть в их составе нет деления на кодирующие (экзоны) и некодирующие (интроны) участки. Кроме структурных генов опероны имеют регуляторные участки (оператор, терминатор), за счёт которых обеспечивается активность оперона как целостной системы. На работу оперона влияет самостоятельный регуляторный ген (не путать с регуляторными участками), синтезирующий соответствующий регуляторный белок и не обязательно находящийся рядом с опероном. С появлением в окружающей среде лактозы её молекулы связывают этот регуляторный белок, препятствуя его присоединению к оператору. Структурные гены переходят в активное состояние и продуцируют одну молекулу иРНК для синтеза трёх белков. Таким образом, оперонная организация генома прокариотов обеспечивает упорядоченную и регулируемую активность генов в зависимости от условий среды и деятельности других генов.

Ил. 56. Организация лактозного оперона в кишечной палочке

Итак, для генов прокариотов свойственны оперонная организация и отсутствие мозаичного строения.

Каковы различия организации генов эукариотов?

Гены эукариотов имеют сложное строение (ил. 57). Во-первых, в структурной части генов есть участки, кодирующие наследственную информацию - экзоны (от англ. expression - выражение), и участки, её не кодирующие - интроны (от англ. intervening sequence - промежуточная последовательность). Количество и расположение интронов специфичны для каждого гена. Такое строение структурных генов эукариотов называется мозаичным. Учёные считают, это может быть механизмом, который ограничивает мутационный процесс. При этом интроны выполняют функцию «ловушек» мутаций.

Ил. 57. Организация генома эукариотов

Во-вторых, усложняются и становятся разнообразными регуляторные участки. Так, перед оператором могут располагаться участки ДНК, влияющие на уровень транскрипции (например, энхансеры).

И в-третьих, увеличиваются размеры участков ДНК, которые отделяют гены друг от друга (спейсеров). У прокариотов в состав спейсеров входило несколько пар нуклеотидов, а у эукариотов эти участки значительно больше, содержат повторяющиеся последовательности ДНК (сателлитная ДНК, «прыгающие гены» и т. п.) и занимают значительную часть геномной ДНК. Если элементы спейсеров оказываются в экзонах структурных генов или рядом с ними, то функции генов изменяются.

Итак, гены эукариотов отличаются большими размерами, наличием мозаичной структуры и усложнением регуляторных генов и элементов.

ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ

Задание на сопоставление

Примените свои знания и определите признаки, по которым сравнивают геномы кишечной палочки и человека. Сделайте вывод о взаимосвязи организации генома с уровнем сложности организмов.

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГЕНОМОВ ПРО- И ЭУКАРИОТОВ

Практическое упражнение

Молекула про-иРНК состоит из 1 800 нуклеотидов, из которых на интроны приходится 600 нуклеотидов. Определите длину и молекулярную массу зрелой иРНК.

ОТНОШЕНИЕ

Биология + Наука

Проект «Геном человека» (англ. Human Genome Project) - международный проект научных исследований для определения последовательностей ДНК, расположения генов человека в хромосомах и их функций. Проект начался в 1990 г. И только в 2006 г. геном был раскодирован практически полностью, хотя и сейчас ещё проводят дополнительный анализ некоторых его участков. Оцените практическое и научное значение проекта «Геном человека» и назовите области применения этих знаний.

РЕЗУЛЬТАТ

скачать dle 11.0фильмы бесплатно

 

Даний матеріал відноситься до підручника "Биология 9 класс Соболь (новая программа)", створено завдяки МІНІСТЕРСТУ ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ (МОН)