Гени та геноми

Перегляньте презентацію на відповідну тему "Гени та геноми" за посиланням:

https://drive.google.com/file/d/1sJQLmhKx3j77Fio0LS4G43cNuT43Ny4B/view?usp=sharing

ПОНЯТТЯ ПРО ГЕН

Новини науки

▪ Під час досліджень вченими було виявлено гени, які впливають на рівень інтелекту.

▪ Вчені знайшли групу генів, що дають змогу деяким людям виглядати на 10 років молодше за свій вік.

▪ Вчені виявили в організмі людини гени, що відповідають за регенерацію органів і тканин. Що ж таке гени?

Окрім інформації, яку клітина отримує із середовища, у неї є власна внутрішня спадкова інформація. Клітина її отримала від материнської клітини, і вона закодована у вигляді певної послідовності нуклеотидів у генах.

ГЕН (від грец. генос – рід, походження) – це ділянка ДНК, що містить інформацію про первинну структуру молекули білка або РНК і визначає можливість розвитку ознаки.

Карі очі людини, блакитний колір крові кальмара, товстий стовбур баобаба, отруйність мухомора зеленого – все це визначається властивостями закодованих білків, що синтезуються в клітинах.

Уже понад 150 років науковці вивчають гени, зроблені наукові відкриття, що пояснюють структуру, властивості, взаємодію генів, але пошуки відповідей на запитання «Що таке ген?» тривають.

Отже, спадкова інформація записана на ДНК у вигляді генів, гени – в хромосомах, хромосоми організовані у ядрі, а ядро завдяки цій генетичній інформації організовує життєдіяльність клітини.

Дайте відповіді на запитання

1. Що таке ген?

2. Де у клітинах прокаріотів зберігається спадкова інформація?

3. Як побудовані молекули ДНК? Що таке біополімери? Які функції виконують молекули ДНК та РНК?

4. Що таке хромосоми?

5. Що таке каріотип?

Будова гена.

Ген – це ділянка ДНК, у структурі якої закодовано інформацію про певну ознаку організму. Сукупність генів певного організму називається генотипом.

Кожен ген має певну будову. Основна частина, яка називається кодувальною, містить інформацію про структуру білка (або РНК). На початку гена розташована послідовність нуклеотидів, що називається промотором. Саме з нею зв’язуються білки, які зчитують інформацію. За кодувальною частиною розташована завершальна ділянка гена, яка називається термінатором.

Рис. Будова гена.

Мікрофотографія та схема будови однієї з хромосом людини. Числа відповідають мільйонам пар нуклеотидів. Показано три гени, кожен з яких містить промотор (П), кодувальну частину (К) і термінатор (Т). Гени розділено некодувальними ділянками ДНК (спейсерами). Світлі смужки відповідають ділянкам хромосоми, що містять багато генів, темні смужки – ділянкам, що майже не містять генів.

ТИПИ ГЕНІВ.

За функціями умовно виокремлюють структурні гени, які визначають певну ознаку (наприклад, кодують фермент, що каталізує певну хімічну реакцію), та регуляторні, основною функцією яких є регуляція активності інших генів.

Ген як одиниця спадковості забезпечує збереження спадкової інформації, бере участь у реалізації самоподвоєння інформації та регуляції метаболізму в клітині. Ці функції генів визначаються такими їхніми властивостями, як:

1. специфічність – ген містить спадкову інформацію лише про певний продукт або регулює синтез лише одного конкретного білка;

2. стабільність – гени здатні зберігати властивий їм порядок розташування нуклеотидів;

3. лабільність – гени здатні до змін і можуть мутувати;

4. взаємодія генів – гени здатні впливати один на одного за участі білків, що є продуктами реалізації закодованої у них спадкової інформації;

5. множинна дія генів – один ген може впливати на розвиток декількох ознак;

6. полімерна дія генів – декілька генів можуть впливати на формування однієї ознаки.

1. Яка хімічна сполука містить гени?

2. Основна частина гена, яка містить інформацію про структуру білка (або РНК) називається..... .

3. Послідовність нуклеотидів, розташована на початку гена, називається.....

4. Назвіть типи генів.

5. Назвіть основні функції генів.

6. Назвіть основні властивості генів.

ГЕНОМ.

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 (у прокаріотів) та ядрі (еукаріотів), 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. Вороняче око – рослина з найбільшим геномом

До цього відкриття найбільшим геномом вважався геном дводишної риби протоптеруса (Protopterus aethiopicus) – 130 млрд пар нуклеотидів.

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.

Оперон – 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

Наприклад, лактозний оперон кишкової палички містить спадкову інформацію про три білки, що беруть участь у поглинанні та розщепленні лактози.

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. 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

Які відмінності організації генів еукаріотів?

Гени еукаріотів мають складнішу будову. По-перше, в структурній частині генів є ділянки, що кодують спадкову інформацію – екзони, і ділянки, що її не кодують – інтрони. Кількість і розташування інтронів специфічні для кожного гена. Така будова структурних генів еукарітотів називається мозаїчною.

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.

В еукаріотичній клітині лінійні молекули ДНК зв’язані з білками й утворюють хроматин ядра. Конденсований хроматин утворює хромосоми, що мають Х-подібну форму. Вони стають помітними в полі зору мікроскопа лише під час клітинного поділу. В інший час хроматин переважно є деконденсованим.

Кількість і розміри хромосом (відповідно кількість і довжина молекул ДНК) у клітині є видовою ознакою, яка може суттєво змінюватися. Існують організми, клітини яких містять виключно хромосоми з унікальним, відмінним від інших, набором генів. Такі клітини називаються гаплоїдними.

Клітини інших організмів мають подвійний набір хромосом. Це означає, що в клітинах містяться пари хромосом, які характеризуються однаковим набором генів, розташованих в однаковій послідовності. Такі хромосоми називаються гомологічними, а клітини з подвійним набором – диплоїдними.

Геном - це сукупність молекул ДНК, притаманна гаплоїдному набору хромосом.

Завдання 1. Проаналізуйте твердження щодо наведеної в таблиці інформації.

1. Геном прокаріотичного організму містить меншу кількість генів, ніж еукаріотичного.

2. Лише 3 % ДНК людини містить інформацію про будову білків або РНК.

Які з них є правильними?

Завдання 2.

Дайте відповіді на запитання:

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.