Урок "Гени та геноми. Будова генів про- та еукаріотів."

 

 

 

 

 

 

Конспект уроку

З біології

У 9 класі

На тему:

Гени та геноми. Будова генів про- та еукаріотів.

 

 

 

 

 

 

Мета: показати взаємозв’язок структури і функцій генів у про- й еукаріотів,провести їх порівняльний аналіз; розвивати вміння порівнювати явища і процеси, виховувати  активну життєву позицію; розвиток логічного мислення, вмінь робити висновки, працювати з підручником та додатковою літературою, вмінь узагальнювати і систематизувати знання; продовжити формування наукового світогляду,переконаності в пізнавальності світу на основі вивчення будови гена; виховувати зацікавленість учнів біологією, формувати активну життєву позицію.

Базові поняття:ген, оперон, прокаріоти, еукаріоти, екзони, нітрони.

Тип уроку: засвоєння нових знань.

Методи і методичні прийоми: словесні: розповідь-пояснення, опис, бесіда, повідомлення учнів, робота з підручником; б) наочний: ілюстрація, демонстрація;  репродуктивний; проблемно- пошуковий: постановка проблемного питання;  візуальний: складання схем;

Матеріали та обладнання: схеми, малюнки,.

Хронометраж уроку:

     1. Організаційний момент (1 хв)

2. Мотивація навчально  - пізнавальної діяльності (3 хв)

3. Актуалізація теоретичних знань (4 хв)

4. Виклад учителем нового матеріалу (15 хв)

5. Узагальнення та закріплення нового матеріалу (13 хв)

6. Підсумок уроку (2 хв)

7. Виставлення оцінок та їх мотивація (2 хв)

8. Інструктаж з домашнього завдання (3 хв)

Структура уроку

І. Організаційний момент.

Привітання. Перевірка присутніх. Налаштування на робочий лад.

ІІ. Актуалізація опорних знань та чуттєвого досвіду учнів.

Фронтальна бесіда за питаннями:

Коли ви знайомилися з хімічним складом клітини, ви розглянули таку групу органічних речовин, як нуклеїнові кислоти. Які особливості будови притаманні цим речовинам?

Які функції в клітинах вони виконують?

Що вам відомо про хромосоми?

Що вивчає наука генетика?

ІІІ. Мотивація навчально-пізнавальної діяльності учнів.

 Повідомити тему, мету та завдання уроку.

Девіз уроку: «Світ навколо мене наповнений таємницями. Я їх буду відкривати все життя, тому що це найбільш цікава, захоплююча справа на світі».  В. Біанкі

Бесіда про клітини прокаріоти та еукаріоти, після якої вчитель задає питання проблемного характеру:

Якщо у клітин прокаріот немає ядра то де зберігається спадкова інформація?

Надіюсь, ви з хорошим настроєм прийшли на урок, і, з хорошим з нього підете.

Що таке щастя?

Від чого воно залежить?

Чи впливає на відчуття щастя оточення,настрій, погода за вікном?  

Зараз я вам пропоную обрати колір свого настрою:

Червоний – злий, зелений – спокійний, жовтий - щасливий

    Кожна людина уявляє щастя по-різному, але американські генетики, вивчаючи клітинні процеси, що відбуваються на клітинному рівні, доказали, що щастя людини на 50% залежить від генів. Чим цікаві ці унікальні структури, чи одинакові вони у всіх організмів? Відповісти на ці питання допоможе нам сьогоднішній урок.

 

ІV. Виклад учителем нового матеріалу.

Розповідь учителя

Чому діти схожі на батьків, а з насіння соняшника виростає соняшник, а не пшениця? Тому що організм нащадків будується за інформацією, яку він отримує від своїх батьків. Саме вона визначає розмір і форму організму, будову і функції його клітин та органів. Ця інформація також визначає, наприклад, як пшениця буде захищатися від паразитичних грибів та як кішка буде хапати мишу під час полювання. Цю інформацію називають спадковою або генетичною. Спадкова інформація в організмі людини:

Людина

 

Клітина

 

Ядро

 

Хромосома

 

ДНК

Історія розвитку вчення про ген.

       Загадка спадковості – здатності живих організмів передавати нащадкам свої ознаки хвилювала людей у всі часи.  Яких тільки назв не давали факторам, що визначають спадковість!  Геммули, міцели, плазмоли, біофори, ідіосоми… Поки в 1909 році  датський вчений Вільгельм Йогансен не запропонував термін «ген» - той, що народжує. Напевне, назву терміна він запозичив від слова генетика, який раніше (1905 р) був запропонований Вільямом Бетсоном  (грецьк.genetikos). На той час хімічна природа гена залишалась повністю невідомою. Не дивлячись на те, що хромосоми  вже були описані (1910р, Томас Морган).

 Спочатку гени в хромосомах уявляли як нитку з намистинок, механічно зв’язаних одна з одною. Лише деякі тогочасні вчені розглядали хромосому як величезну молекулу, у якій гени були окремими ділянками. При цьому вони вважали ген чимось неподільним і, відтак, мутації такими, що стосувалися гена в цілому. У цей період ще ніхто не знав, що ДНК і є речовиною – носієм генетичної інформації.

  Тільки наприкінці 30-х років ХХ ст.. завдяки дослідженням Серебровського О.С. було доведено, що ген подільний.  Сьогодні вчені вважають, що ген – це спадковий фактор, функціональна  одиниця генетичного матеріалу у вигляді молекули ДНК чи РНК, що кодує первинну структуру поліпептиду, молекул  т-РНК чи р-РНК або взаємодіє з регуляторними білками.

Відповідно до місця розташування гени бувають:

• Ядерні
• Мітохондріальні
• Гени пластид
• Розповідь учителя й складання схеми на дошці

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Розповідь учителя

Геном — це сукупність генів гаплоїдного набору хромосом організмів певного виду.

У вірусів, залежно від їхньої величини та складності, розмір геному коливається від кількох тисяч до сотень пар нуклеотидів. Гени в геномах з такою простою будовою розташовані один за одним і займають до 100 % довжини відповідної нуклеїнової кислоти (ДНК або РНК).

У прокаріотів (бактерій) розмір геному значно більший (у кишкової палички єдина нитка ДНК — бактеріальна хромосома складається з пар нуклеотидів). Більше половини цієї кількості складається зі структурних генів (генів, що кодують певні білки). Іншу частину бактеріальної хромосоми становлять не здатні транскрибуватися нуклеотидні послідовності, функція яких не з’ясована. Переважна більшість бактеріальних генів представлена в геномі один раз.

В еукаріотів, особливо вищих, геном істотно перевищує за розмірами геном прокаріотів і досягає сотень мільйонів і мільярдів пар нуклеотидів. Зростання кількості структурних генів при цьому незначна.

Це цікаво

Кількості ДНК у геномі людини достатньо для утворення 2 млн структурних генів.

Для геному еукаріотів характерна надмірність генетичного коду.

Причину надмірності на сьогодні значною мірою з’ясовано: по-перше, деякі гени й послідовності нуклеотидів багаторазово повторюються; по-друге, у геномі наявно багато генетичних елементів, що мають регуляторну функцію; по-третє, частина ДНК взагалі не містить генів.

Розповідь учителя

Згідно із сучасними уявленнями, ген, що кодує синтез певного білка, в еукаріотів складається з кількох обов’язкових елементів. Насамперед це велика регуляторна зона, що істотно впливає на активність гена в тій чи іншій тканині організму на певній стадії його індивідуального розвитку. Далі розташований безпосередньо прилеглий до кодуючих елементів гена промотор — послідовність ДНК завдовжки до 80–100 пар нуклеотидів, відповідальна за зв’язування РНК-полімерази, що здійснює транскрипцію даного гена. Слідом за промотором перебуває структурна частина гена, що містить інформацію про первинну структуру відповідного білка. Ця ділянка для більшості генів еукаріотів істотно коротша за регуляторну зону, однак її довжина може вимірюватися тисячами пар нуклеотидів.

Важливою особливістю еукаріотичних генів є їхня уривчастість. Це означає, що ділянка гена, яка кодує білок, складається з нуклеотидних послідовностей двох типів. Одні — екзони — це ділянки ДНК, які містять інформацію про будову білка і є складниками відповідних РНК та білка. Інші — інтрони — не кодують структуру білка і не є складниками зрілої молекули іРНК, хоча й транскрибуються.

Процес вирізання інтронів — «непотрібних ділянок» молекули РНК — і зрощування екзонів при утворенні іРНК здійснюється спеціальними ферментами й називається сплайсинг (зшивання, зрощування, поєднання). Екзони зазвичай поєднуються разом у тому самому порядку, в якому вони розташовані в ДНК. Однак не всі гени еукаріотів переривчасті. Деяким генам, подібно до бактеріальних, властива повна відповідність нуклеотидної послідовності первинній структурі кодованих ними білків.

Таким чином, ген еукаріотів багато в чому схожий на оперон прокаріотів, хоча й відрізняється від нього більш складною й довшою регуляторною зоною, а також тим, що він кодує зазвичай тільки один білок, а не кілька, як оперон у бактерій.

Схема (складається на дошці під час розповіді вчителя)

ДНК ________________________________________________________________

Кодуючий ланцюг	Регуляторна зона	Промотор	Екзон 1	Інтрон 1	Екзон 2	Інтрон 2	Екзон 3	Термінатор
		іРНК Зріла іРНК			Транскрипція
					Сплайсинг

 

Схема будови гена еукаріотів

Промотор — ділянка на молекулі ДНК на початку кожного гена, що запускає синтез іРНК.

Старт-кодон — триплет ТАЦ (на ДНК) та АУГ (на іРНК) на початку структурної частини гена, що запускає процес трансляції.

Стоп-кодон — триплети, розташовані на кінці структурної частини гена (АТТ, АТЦ, АЦТ на ДНК), (УАА, УГА, УАГ на іРНК), на яких закінчується синтез білка. Триплети, що не кодують амінокислоти.

Процесинг — пришивання до іРНК додаткових ділянок або видалення її частин.

Екзон — ділянка гена, що кодує амінокислоти.

Інтрон — ділянка гена, що не кодує амінокислоти.

Між геном та ознакою організму не існує простого співвідношення. Усі складні ознаки (наприклад, здатність чути) контролюються багатьма генами. Разом з тим один ген здатний впливати на розвиток одразу кількох ознак.

Розміри генів різні. Число пар нуклеотидів у структурному гені, очевидно, становить близько тисячі. Найкоротші відомі структурні гени — гени транспортних РНК — містять понад 190 нуклеотидних пар, а найбільші (наприклад, ген фібрину шовку шовковичного шовкопряда) досягає розміру понад 16 тис. пар нуклеотидів.

Сучасна теорія гена

1. Ген займає певний локус у хромосомі.

2. Ген (цистрон) — частина молекули ДНК; кількість нуклеотидів у гені різна.

3. Усередині гена може відбуватися рекомбінація та мутація.

4. Існують структурні й функціональні гени.

5. Структурні гени контролюють синтез поліпептидів (амінокислотних, тРНК, рРНК) і білків.

6. Функціональні гени контролюють діяльність структурних генів.

7. Розташування триплетів у структурних генах колінеарне послідовності амінокислот у поліпептиді.

8. Генотип, будучи дискретним, функціонує як єдине ціле.

6. Регуляція активності генів

Розповідь учителя

Під регуляцією розуміють контроль експресії гена (процес побудови матричної РНК по ділянці молекули ДНК). В еукаріотів розмір геному в сотні, а в ссавців у тисячу разів більший, ніж у прокаріотів, тому регулювати таку систему досить складно. У більшості еукаріотів регуляція активності генів здійснюється на стадії транскрипції. Для них характерні довгоживучі матриці іРНК.

Незважаючи на те що в еукаріотів після введення субстрату синтез певних ферментів підсилюється, це посилення не настільки велике, як у мікроорганізмів, оскільки здійснюється на тлі вже працюючого гена.

Якщо в мікроорганізмів відбувається координована регуляція синтезу ферментів (оперонна система регуляції), то у тварин гени, які мали б єдину регуляторну зону, не встановлені. Кожний їхній ген регулюється окремо, і наявна послідовність у синтезі ферментів, так звана «каскадна» регуляція. Під впливом ефекторів багато генів можуть регулюватися одночасно і включати цілі групи диференціювання. Як ефектори можуть використовуватися низькомолекулярні речовини та білки. Гормони, наприклад, діють лише на окремі клітини — клітини-мішені, які, очевидно, містять рецептори, здатні приєднувати гормони, утворюючи з ними комплекси.

При «вмиканні» певної генетичної системи відбувається диференціювання клітин, після чого дія ефектора може бути усунута, але клітина продовжує працювати. Це так зване епігенетичне успадкування — один з найважливіших факторів розвитку та диференціювання організмів, система самопідтримання «увімкнених» програм.

Порівняння матричної активності хроматину з активністю очищеної ДНК показало її більш високу активність (у 10 разів). Унаслідок досліджень установлено, що основні білки хроматину (зокрема, гістони) обмежують транскрипцію, блокуючи гени. На відміну від багатьох ефекторів, гістони не можна розглядати як специфічні регулятори генної активності, тому що вони схожі в різних тканинах і організмах. Очевидно, вони необхідні для структурування молекул. Тим часом специфічність хроматину визначають кислі білки.

Хроматин еукаріотів, залежно від його функціонального стану, може існувати або в гетерохроматиновій, або в еухроматиновій формі (взаємооборотні фізичні стани хроматину).

Гетерохроматин залишається компактним, а отже, неактивним протягом інтерфази клітинного циклу. Тому молекулярні механізми, що лежать в основі гетерохроматинізації, контролюють ступінь конденсації або спіралізації хромосом, роблячи нитки ДНК недоступними для транскрипції РНК.

При активізації ділянок хроматину з багатьма повторами синтезується гігантський попередник (про-іРНК), що включає у функціональному відношенні інформативну (структурні гени) та неінформативну (акцепторну) зони. Відбувається розпад псевдо-іРНК, а іРНК (з невеликими надлишками на кінцях ланцюга) служить матрицею для синтезу специфічних білків.

7. Рівні структурно-функціональної організації спадкового матеріалу

Складання схеми

Рівні структурно-функціональної організації спадкового матеріалу

 

Генний	Хромосомний	Геномний
вивчається структура молекули ДНК, біосинтез білка тощо, завдяки відносній незалежності генів можливе дискретне (роздільне) і незалежне успадкування та зміна (мутації) окремих ознак	служить необхідною умовою зчеплення генів і перерозподілу генів батьків у нащадків при статевому розмноженні (кросинговер)	рівень організації пояснює взаємодію генів як в одній, так і в різних хромосомах

• V. Закріплення отриманих знань, формування практичних умінь

Особливість геному прокаріотів та еукаріотів

Характеристика генома	прокаріоти	еукаріоти
Наявність ядра	немає	є
Наявність нуклеоїду	є	немає
Наявність інтронів і екзонів	лише екзони	є і  інтрони і екзони
Наявність оперону	є, складається з кількох генів	є, складається з 1 гена
Набір генів	гаплоїдний, оскільки геном представлений 1 молекулою ДНК	диплоїдний
кластери	зустрічаються рідко	є

 

Тестовий контроль знань

1. Принцип прямого зв’язку в еукаріотів схематично має такий вигляд:

А ДНК — РНК — білок — ознака

Б ДНК — багато генів — багато білків — 1 ознака

В ДНК — РНК — білок

Укажіть правильні варіанти відповіді.

2. Регуляція дії генів здійснюється за допомогою:

А структурних генів

Б акцепторних (регуляторних)

В оперона

3. Ген у сучасному розумінні — це ділянка молекули:

А ДНК

Б білка

В РНК

4. Властивості гена:

А може змінюватися, ділитися, брати участь у рекомбінації, мати довжину

Б мутувати, рекомбінувати

В не залежить від організму й навколишнього середовища.

5. Гени:

А мають постійну локалізацію в хромосомах

Б не мають постійної локалізації

В локалізовані в тРНК

6. МГЕ, ДТЕ — це:

А «стрибучі» гени

Б гени, які не мають постійної локалізації та зумовлюють мутаційну мінливість

В структурні гени повтори-тандеми

7. Ген складається:

А з екзонів та інтронів

Б тільки з екзонів

В тільки з інтронів

8. Учення про множинний алелізм змінило уявлення Т. Моргана:

А про неподільність гена

Б про те, що ген — це остання одиниця мутації

В про те, що ген ділиться

Перевірка виконання тестового завдання

Висновок

• Спадкова інформація передається у напрямку ДНК — РНК — білок (або один ген — одна молекула білка).

• Регуляція активності генів — контроль експресії гена (процес побудови матричної РНК по ділянці молекули ДНК).

• Молекулами-регуляторами є білки-ферменти, або речовини, які, зв’язуючись із білками-регуляторами, можуть активувати або інгібувати обмінні процеси в клітині.

• Рівні структурно-функціональної організації спадкового матеріалу: генний, хромосомний, геномний.

VІ. Підведення підсумків уроку.

Хочеться надіятись, що ви одержали не тільки знання, а й задоволення від роботи на  уроці.

А зараз ми повернемось до початку нашого уроку.  Чи не щаслива людина від результатів своєї роботи?

     Адже, увесь урок наш пройшов  у розгадці  таємничого, невпізнаного і попереду у вас - безліч незвіданих доріг, задач, які ви будете з наполегливістю  розв’язувати

VІІ. Надання та пояснення домашнього завдання.

Опрацювати параграф 19 і 20

Чому геноми різних організмів є різними за розмірами?

Тестовий контроль знань

1. Принцип прямого зв’язку в еукаріотів схематично має такий вигляд:

А ДНК — РНК — білок — ознака

Б ДНК — багато генів — багато білків — 1 ознака

В ДНК — РНК — білок

Укажіть правильні варіанти відповіді.

2. Регуляція дії генів здійснюється за допомогою:

А структурних генів

Б акцепторних (регуляторних)

В оперона

3. Ген у сучасному розумінні — це ділянка молекули:

А ДНК

Б білка

В РНК

4. Властивості гена:

А може змінюватися, ділитися, брати участь у рекомбінації, мати довжину

Б мутувати, рекомбінувати

В не залежить від організму й навколишнього середовища.

5. Гени:

А мають постійну локалізацію в хромосомах

Б не мають постійної локалізації

В локалізовані в тРНК

6.  Ген складається:

А з екзонів та інтронів

Б тільки з екзонів

В тільки з інтронів

Тестовий контроль знань

1. Принцип прямого зв’язку в еукаріотів схематично має такий вигляд:

А ДНК — РНК — білок — ознака

Б ДНК — багато генів — багато білків — 1 ознака

В ДНК — РНК — білок

Укажіть правильні варіанти відповіді.

2. Регуляція дії генів здійснюється за допомогою:

А структурних генів

Б акцепторних (регуляторних)

В оперона

3. Ген у сучасному розумінні — це ділянка молекули:

А ДНК

Б білка

В РНК

4. Властивості гена:

А може змінюватися, ділитися, брати участь у рекомбінації, мати довжину

Б мутувати, рекомбінувати

В не залежить від організму й навколишнього середовища.

5. Гени:

А мають постійну локалізацію в хромосомах

Б не мають постійної локалізації

В локалізовані в тРНК

6.  Ген складається:

А з екзонів та інтронів

Б тільки з екзонів

В тільки з інтронів