Διαγώνισμα Βιολογίας στα Κεφάλαια 1 έως 4 ΚΥΡΙΑΚΗ 7 ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΥ 2014

Transcript

1 Διαγώνισμα Βιολογίας στα Κεφάλαια 1 έως 4 ΚΥΡΙΑΚΗ 7 ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΥ 2014 ΘΕΜΑ Α Α1. β Α2. β Α3. β Α4. β Α5. β ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΘΕΜΑ B B1. Ο όρος γονιδιακή έκφραση αναφέρεται συνήθως σε όλη τη διαδικασία με την οποία ένα γονίδιο ενεργοποιείται, για να παραγάγει μια πρωτεΐνη. Όμως σε κάθε κύτταρο δεν παράγονται όλες οι πρωτεΐνες σε κάθε χρονική στιγμή. Επιπλέον, επειδή το κύτταρο χρειάζεται κάθε πρωτεΐνη σε συγκεκριμένη ποσότητα, οι πρωτεΐνες ενός κυττάρου δεν παράγονται σε ίσες ποσότητες. Αν λοιπόν όλα τα γονίδια δούλευαν με τον ίδιο ρυθμό, ορισμένες πρωτεΐνες θα παράγονταν σε μεγάλες ποσότητες και άλλες σε ποσότητες που δε θα επαρκούσαν. Έτσι, είναι απαραίτητη η ύπαρξη και η λειτουργία ενός προγράμματος ρύθμισης της γονιδιακής έκφρασης, που παρέχει τις οδηγίες για το είδος και την ποσότητα των πρωτεϊνών οι οποίες πρέπει να παραχθούν σε κάθε συγκεκριμένη χρονική στιγμή. B2. Κατά την έναρξη της μετάφρασης το mrna προσδένεται, μέσω μιας αλληλουχίας που υπάρχει στην 5' αμετάφραση περιοχή του, με το ριβοσωμικό RNA της μικρής υπομονάδας του ριβοσώματος, σύμφωνα με τους κανόνες της συμπληρωματικότητας των βάσεων. Το σύμπλοκο που δημιουργείται μετά την πρόσδεση του mrna στη μικρή υπομονάδα του ριβοσώματος και του trna που μεταφέρει τη μεθειονίνη ονομάζεται σύμπλοκο έναρξης της πρωτεϊνοσύνθεσης.

2 Β3. Στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, ύστερα από ειδική επεξεργασία, τα ινίδια χρωματίνης μοιάζουν με κομπολόγια από χάντρες. Κάθε «χάντρα» ονομάζεται νουκλεόσωμα και αποτελεί τη βασική μονάδα οργάνωσης της χρωματίνης. Το νουκλεόσωμα αποτελείται από DNA μήκους 146 ζευγών βάσεων και από οκτώ μόρια πρωτεϊνών, που ονομάζονται ιστόνες. To DNA είναι τυλιγμένο γύρω από το οκταμερές των ιστονών. Τα νουκλεοσώματα αναδιπλώνονται με αποτέλεσμα το DNA να πακετάρεται σε μεγαλύτερο βαθμό, σχηματίζοντας τελικά τα ινίδια της χρωματίνης. Στην αναδίπλωση συμμετέχουν και άλλα είδη πρωτεϊνών. ΘΕΜΑ Γ Γ1. Τα βακτήρια Ε. coli χρησιμοποιούν ως πηγή άνθρακα το σάκχαρο γλυκόζη. Αν στο περιβάλλον αντί για γλυκόζη υπάρχει ο δισακχαρίτης λακτόζη, το βακτήριο έχει τη δυνατότητα να τον διασπάσει, ρυθμίζοντας την παραγωγή τριών κατάλληλων ενζύμων, που θα διασπάσουν τη λακτόζη σε γλυκόζη και γαλακτόζη. Τα γονίδια που κωδικοποιούν τα τρία αυτά ένζυμα βρίσκονται το ένα δίπλα στο άλλο πάνω στο γονιδίωμα του βακτηρίου και αποτελούν μια μονάδα, που την ονόμασαν οπερόνιο της λακτόζης. Σε αυτό περιλαμβάνονται εκτός από αυτά τα γονίδια, που ονομάζονται δομικά, και αλληλουχίες DNA που ρυθμίζουν τη μεταγραφή τους. Οι αλληλουχίες αυτές που βρίσκονται μπροστά από τα δομικά γονίδια είναι κατά σειρά ένα ρυθμιστικό γονίδιο, ο υποκινητής και ο χειριστής. Όταν στο θρεπτικό υλικό υπάρχει μόνο λακτόζη, τότε ο ίδιος ο δισακχαρίτης προσδένεται στον καταστολέα και δεν του επιτρέπει να προσδεθεί στο χειριστή. Τότε η RNA πολυμεράση είναι ελεύθερη να αρχίσει τη μεταγραφή. Δηλαδή η λακτόζη λειτουργεί ως επαγωγέας της μεταγραφής των γονιδίων του οπερονίου. Τότε τα γονίδια αρχίζουν να «εκφράζονται», δηλαδή να μεταγράφονται και να συνθέτουν τα ένζυμα. Τα τρία ένζυμα μεταφράζονται ταυτόχρονα από το ίδιο μόριο mrna το οποίο περιέχει κωδικόνιο έναρξης και

3 λήξης για κάθε ένα γονίδιο που κωδικοποιεί το αντίστοιχο ένζυμο. Δηλαδή, η ίδια η λακτόζη ενεργοποιεί τη διαδικασία για την αποικοδόμησή της. Όταν η λακτόζη διασπαστεί πλήρως, τότε η πρωτεΐνη καταστολέας είναι ελεύθερη να προσδεθεί στο χειριστή και να καταστείλει τη λειτουργία των τριών γονιδίων. Γ2. Για να μπει ένα πλασμίδιο μέσα στο βακτήριο, τα τοιχώματα του βακτηρίου γίνονται παροδικά διαπερατά σε μακρομόρια μετά από κατάλληλη κατεργασία (μετασχηματισμός). Συνήθως χρησιμοποιούνται ως ξενιστές-βακτήρια που δεν έχουν πλασμίδιο και επομένως είναι ευαίσθητα σε κάποιο αντιβιοτικό. Η επιλογή των μετασχηματισμένων βακτηρίων (όσα δέχθηκαν κάποιο πλασμίδιο) από τα μη μετασχηματισμένα βακτήρια (αυτά που δεν δέχθηκαν κάποιο πλασμίδιο) στηρίζεται στην ικανότητα ανάπτυξης των μετασχηματισμένων βακτηρίων παρουσία αντιβιοτικού στο θρεπτικό υλικό μιας καλλιέργειας, επειδή το πλασμίδιο τους προσδίδει ανθεκτικότητα στο συγκεκριμένο αντιβιοτικό. Συνεπώς κάθε μετασχηματισμένο βακτήριο που προσέλαβε ένα πλασμίδιο πολλαπλασιάζεται και δίνει ένα κλώνο. Όσον αφορά τα μετασχηματισμένα βακτήρια, κάποια απ αυτά φέρουν πλασμίδιο με ανασυνδυασμένο DNA και κάποια φέρουν πλασμίδιο χωρίς ανασυνδυασμένο DNA. Δεδομένου ότι η αλληλουχία που αναγνωρίζεται από την περιοριστική ενδονουκλεάση βρίσκεται στο ένα από τα δύο γονίδια, συνεπώς τα μετασχηματισμένα βακτήρια που φέρουν ανασυνδυασμένο DNA δεν είναι ανθεκτικά στο συγκεκριμένο αντιβιοτικό με την προσθήκη του στο θρεπτικό υλικό καλλιέργειας. Έτσι, αφενός δεν επιζούν τα βακτήρια που δεν είναι μετασχηματισμένα και αφετέρου δεν επιζούν τα μεταχηματισμένα βακτήρια που φέρουν ανασυνδυασμένα πλασμίδια. Γ3. Για αρκετό καιρό οι ερευνητές πίστευαν ότι όλη η ροή της γενετικής πληροφορίας γινόταν προς τη μία μόνο κατεύθυνση, δηλαδή ότι το

4 DNA μεταγραφόταν σε RNA. Σήμερα είναι γνωστό ότι μερικοί ιοί έχουν RNA ως γενετικό υλικό. Ένα ένζυμο που υπάρχει στους ίδιους τους ιούς, η αντίστροφη μεταγραφάση, χρησιμοποιεί ως καλούπι το RNA, για να συνθέσει DNA. Επιπλέον, σε ορισμένους ιούς το RNA έχει την ικανότητα να αυτοδιπλασιάζεται. Έτσι σήμερα το κεντρικό δόγμα περιγράφεται ως εξής: Συνοψίζοντας, λοιπόν, διαπιστώνουμε ότι η αντιγραφή του DNA διαιωνίζει τη γενετική πληροφορία, ενώ η μετάφραση χρησιμοποιεί αυτή την πληροφορία, για να κατασκευάσει ένα πολυπεπτίδιο. Η μεταγραφή καθορίζει ποια γονίδια θα εκφραστούν, σε ποιους ιστούς (στους πολυκύτταρους ευκαρυωτικούς οργανισμούς), και σε ποια στάδια της ανάπτυξης. ΘΕΜΑ Δ Δείγμα I: Αλυσίδα Ι: ΚΩΔΙΚΗ DNA 3 CTTAAGAATGTGGACCCCCTTGTACTTAAG 5 πρόδρομο mrna: 3 CUUAAGAAUGUGGACCCCCUUGUACUUAAG 5 αμετάφραστη κωδικόνιο κωδικόνιο εσώνιο κωδικόνιο κωδικόνιο αμετάφραστη περιοχή λήξης val phe έναρξης περιοχή met ώριμο mrna: 3 CUUAAGAAUGUGCUUGUACUUAAG 5 αμετάφραστη κωδικόνιο κωδικόνιο κωδικόνιο κωδικόνιο αμετάφραστη περιοχή λήξης val phe έναρξης περιοχή met Αλυσίδα ΙΙ: ΜΗ ΚΩΔΙΚΗ DNA 5 GAATTCTTACACCTGGGGGAACATGAATTC 3

5 Δείγμα II: Αλυσίδα Ι: ΚΩΔΙΚΗ DNA 5 GAATTCATGTTTGTTTAAGAATTC 3 mrna: 5 GAAUUCAUGUUUGUUUAAGAAUUC 3 αμετάφραστη κωδικόνιο κωδικόνιο κωδικόνιο κωδικόνιο αμετάφραστη περιοχή έναρξης phe val λήξης περιοχή met Αλυσίδα ΙΙ: ΜΗ ΚΩΔΙΚΗ DNA 3 CTTAAGTACAAACAAATTCTTAAG 5 Δ1. Το δείγμα Ι προέρχεται από τον ευκαρυωτικό οργανισμό και το δείγμα ΙΙ από τον προκαρυωτικό οργανισμό. Τα περισσότερα γονίδια των ευκαρυωτικών οργανισμών (και των ιών που τους προσβάλλουν) είναι ασυνεχή ή διακεκομμένα. Δηλαδή οι αλληλουχίες που μεταφράζονται σε αμινοξέα (εξώνια) διακόπτονται από ενδιάμεσες αλληλουχίες οι οποίες δεν μεταφράζονται σε αμινοξέα (εσώνια). Όταν ένα γονίδιο που περιέχει εσώνια μεταγράφεται, δημιουργείται το πρόδρομο mrna που περιέχει και εξώνια και εσώνια. Το πρόδρομο mrna μετατρέπεται σε ώριμο mrna με τη διαδικασία της ωρίμανσης, κατά την οποία τα εσώνια κόβονται από μικρά ριβονουκλεοπρωτεινικά σωματίδια (αποτελούνται από snrna και πρωτεΐνες και λειτουργούν ως ένζυμα) και απομακρύνονται και συρράπτονται τα εξώνια μεταξύ τους. Δ2. Το μόριο mrna που συντίθεται είναι συμπληρωματικό και αντιπαράλληλο προς τη μια αλυσίδα της διπλής έλικας του DNA του γονιδίου. Η αλυσίδα αυτή είναι η μεταγραφόμενη και ονομάζεται μη κωδική. Η συμπληρωματική και αντιπαράλληλη αλυσίδα του DNA του γονιδίου ονομάζεται κωδική. Συνεπώς κωδική και mrna έχουν τα ίδια άκρα, την ίδια αλληλουχία βάσεων με τη διαφορά ότι η

6 κωδική έχει Θυμίνη (Τ) και το mrna έχει στις αντίστοιχες θέσεις Ουρακίλη (U). Επιπλέον πρέπει να υπάρχει: κωδικόνιο έναρξης, βήμα τριπλέτας, συνεχή και μη επικαλυπτόμενα, χωρίς να παραλείπεται κάποιο νουκλεοτίδιο στη μεταφραζόμενη περιοχή έτσι ώστε κάθε νουκλεοτίδιο να ανήκει σ ένα μόνο κωδικόνιο, και κωδικόνιο λήξης. Δ3. Ο γενετικός κώδικας χαρακτηρίζεται ως εκφυλισμένος. Με εξαίρεση δύο αμινοξέα (μεθειονίνη και τρυπτοφάνη) τα υπόλοιπα 18 κωδικοποιούνται από δύο μέχρι και έξι διαφορετικά κωδικόνια. Και αυτό γιατί οι συνδυασμοί των τεσσάρων νουκλεοτιδίων ανά τρία (4 3 =64) είναι πολύ περισσότεροι από τα 20 διαφορετικά αμινοξέα που συγκροτούν τις πρωτεΐνες. Δ4. Αν θέλουμε να κλωνοποιήσουμε μόνο γονίδια που εκφράζονται σε συγκεκριμένα κύτταρα τότε κατασκευάζουμε τις cdna βιβλιοθήκες. Οι cdna βιβλιοθήκες περιέχουν αντίγραφα των mrna όλων των γονιδίων που εκφράζονται στα κύτταρα αυτά και έχουν το πλεονέκτημα απομόνωσης μόνο των αλληλουχιών των γονιδίων που μεταφράζονται σε αμινοξέα, δηλαδή των εξωνίων. Συνεπώς, η κατάλληλη αλληλουχία είναι του ώριμου mrna: 3 CUUAAGAAUGUGCUUGUACUUAG 5 Για να κατασκευαστεί μια cdna βιβλιοθήκη, απομονώνεται το ολικό ώριμο mrna από κύτταρα που εκφράζουν το συγκεκριμένο γονίδιο. Το mrna χρησιμοποιείται σαν καλούπι για τη σύνθεση μιας συμπληρωματικής αλυσίδας DNA (cdna). H σύνθεση του cdna γίνεται με το ένζυμο αντίστροφη μεταγραφάση. Παράγονται έτσι υβριδικά μόρια cdna-mrna. ώριμο nrrna: 3 CUUAAGAAUGUGCUUGUACUUAG 5 cdna: 5 GAATTCTTACACGAACATGAATC 3

7 Το mrna διασπάται με κατάλληλες χημικές ουσίες ή αποδιατάσσεται με θέρμανση και το cdna χρησιμεύει σαν καλούπι για τη σύνθεση μιας συμπληρωματικής αλυσίδας DNA. Το αποτέλεσμα είναι η δημιουργία δίκλωνων μορίων DNA. cdna: 5 GAATTCTTACACGAACATGAATC 3 DNA: 3 CTTAAGAATGTGCTTGTACTTAG 5 Με την περιοριστική ενδονουκλεάση EcoRI γίνεται απομόνωση της περιοχής του DNA που περιέχει το γονίδιο δεδομένου ότι υπάρχει η αλληλουχία: 5 GAATTC 3. 3 CTTAAG 5 που αναγνωρίζει και κόβει μεταξύ G και Α με προσανατολισμό 5 3. cdna: DNA: 5 GAATTCTTACACGAACATGAATC 3 3 CTTAAGAATGTGCTTGTACTTAG 5 Τα δίκλωνα μόρια DNA εισάγονται σε πλασμίδια ή βακτηριοφάγους, γίνεται μετασχηματισμός βακτηρίων τα οποία στη συνέχεια κλωνοποιούνται. Δ5. Με τη μέθοδο της αλυσιδωτής αντίδρασης πολυμεράσης (PCR). ΔΗΜΗΤΡΗΣ ΚΟΤΡΟΠΟΥΛΟΣ ΒΙΟΛΟΓΟΣ SCIENCE PRESS