ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ

Transcript

1 ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ Αναφερθείτε σε οµοιότητες και διαφορές του γενετικού υλικού µεταξύ προκαρυωτών και ευκαρυωτών. ΠΡΟΚΑΡΥΩΤΙΚΑ ΚΥΤΤΑΡΑ Μικρότερο µέγεθος Ένα µικρό κυκλικό δίκλωνο µόριο DNA στην πυρηνική περιοχή. Μήκος ξετυλιγµένο = 1mm, που πακετάρεται σε κύτταρο διαµέτρου 1µm Στην αναδίπλωση του συµµετέχουν πρωτείνες γενικά. ΕΥΚΑΡΥΩΤΙΚΑ ΚΥΤΤΑΡΑ Μεγαλύτερο µέγεθος Πολλά γραµµικά µόρια, η συµπύκνωση των οποίων ποικίλλει στις φάσεις ζωής του κυττάρου. /Ο αριθµός τους χαρακτηρίζει το κάθε είδος. Μήκος ανάλογο µε το είδος του οργανισµού (στον άνθρωπο ξετυλιγµένο =2m ή 3 χ 10 9 ζεύγη βάσεων) Σχηµατίζει ινίδια χρωµατίνης, θηλειές, θηλειές µε υπερέλικες, χρωµοσώµατα. Στη συµπύκνωση και αναδίπλωση συµµετέχουν ιστόνες και µη ιστόνες. Φέρουν πλασµίδια Πάντα απλοειδή κύτταρα Γενετικό υλικό στην πυρηνική περιοχή κυρίως και ελάχιστο σε πλασµίδια Συχνά διπλοειδή σωµατικά κύτταρα και απλοειδείς γαµέτες Γενετικό υλικό σε πυρήνα. Ελάχιστο σε µιτοχόνδρια και χλωροπλάστες. Αναφέρατε πειράµατα και βιοχηµικά δεδοµένα που να αποδεικνύουν ότι το DNA είναι το γενετικό υλικό.

2 Η απάντηση έχει 2 σκέλη όπως και η εκφώνηση της ερώτησης: Α. Αναφορά στα πειράµατα των : α. Griffith (1928) β. Avery, Mac Cleod & Mac Carthy (1944) γ. Hershey & Chase (1952) B. i) η ποσότητα του DNA για κάθε οργανισµό είναι σταθερή ii) η ποσότητα του DNA είναι ίδια σε όλα τα κύτταρα ενός οργανισµού του αυτού είδους που όµως βρίσκονται στην ίδια κυτταρική φάση (διαχωρίζοντας βέβαια γαµέτες από σωµατικά κύτταρα) iii) οι γαµέτες των ανώτερων οργανισµών είναι απλοειδείς µε τη µισή ποσότητα γενετικού υλικού σε σχέση µε τα σωµατικά κύτταρα iv) η αναλογία ( A+T / G+C ) που χαρακτηρίζει το γενετικό υλικό των κυττάρων, διαφοροποιείται έντονα µεταξύ οργανισµών που ανήκουν σε διαφορετικά είδη και είναι χαρακτηριστική, µε µικρές σχετικά αποκλίσεις, για κύτταρα ατόµων που ανήκουν στο ίδιο είδος ( α. η µικρή απόκλιση οφείλεται στη γενετική ποικιλοµορφία που χαρακτηρίζει τα άτοµα του είδους και εκδηλώνεται µέσω των αλληλοµόρφων γονιδίων β. ακόµα και σε µονοζυγωτικά δίδυµα, ενδεχόµενες διαφορετικές µεταλλάξεις που θα υποστούν τα άτοµα αυτά στη διάρκεια της ζωής τους, θα διαφοροποιήσουν µεταξύ τους την παραπάνω αναλογία ). iv) η ποσότητα του DNA είναι ανάλογη της πολυπλοκότητας του οργανισµού ( στην ακριβή διατύπωση του κάτι τέτοιο δεν ισχύει. Μάλιστα όπως εµφαίνεται στην εικ. 1.1 σελ 17 του σχολ εγχειριδίου, το Zea mays (καλαµπόκι) έχει περισσότερο γενετικό υλικό συγκριτικά µε τον άνθρωπο. Πρόκειται δηλαδή για πολυπλοκότερο οργανισµό; Προφανώς όχι. Η πολυπλοκότητα ενός οργανισµού είναι πολυπαραγοντική έννοια. Ακόµα και αν προσπαθούσαµε να την συσχετίσουµε µε την ποσότητα του γενετικού υλικού, τη στιγµή που γνωρίζουµε ότι στους ευκαρυώτες το µεγαλύτερο τµήµα αυτού δεν εκφράζεται αλλά αποτελεί τον «γενετικό φόρτο», θα έπρεπε τουλάχιστον να προβούµε σε σύγκριση του γενετικού υλικού που εκφράζεται και όχι του συνολικού στα κύτταρα των οργανισµών που συγκρίνουµε. Ενδεικτικά αναφέρουµε πχ ότι η σαύρα έχει 10πλάσια ποσότητα γενετικού υλικού από τον άνθρωπο στα κύτταρα της αλλά όπως αποδείχτηκε λιγότερο λειτουργικό DNA τελικά ). Ποιος ο ρόλος των πλασµιδίων; Ο ρόλος των πλασµιδίων εκδηλώνεται µέσω των διαφόρων γονιδίων που φέρουν (αναφορά σε θεωρία 1 ου κεφαλαίου), και είναι: α) να προσδίδουν στα βακτήρια που τα φέρουν ανθεκτικότητα έναντι δεδοµένων αντιβιοτικών (γνωρίζουµε ότι τα αντιβιοτικά είναι προιόντα του µεταβολισµού διαφόρων βακτηρίων κ όχι µόνο, που τα παράγουν προκειµένου να αντιµετωπίσουν διάφορα άλλα βακτήρια εισβολείς)

3 β) να µεταφέρονται από βακτήριο σε βακτήριο αλλά και να ανταλλάσουν γενετικό υλικό µεταξύ τους αλλά και µε το κυρίως DNA του βακτηρίου, προσδίδοντας νέες ιδιότητες στους αποδέκτες τους και συµβάλλοντας µε αυτόν τον τρόπο στην ποικιλοµορφία. Η τελευταία ιδιότητα τους µπορεί να ερµηνεύσει και τα αποτελέσµατα των πειραµάτων του Griffith, ο οποίος ουσιαστικά συµπέρανε ότι µεταφέρθηκε γενετικό υλικό από ένα στέλεχος βακτηρίων σε ένα άλλο. Σηµείωση: Σε µια τέτοια ερώτηση συνολική εφ όλης της ύλης, θα πρέπει να αναφερθούµε και στο ρόλο του πλασµιδίου Ti του βακτηρίου Agrobacterium tumefaciens (κεφ. 9) Αναφερθείτε στη γονιδιακή ρύθµιση που διακρίνει το οπερόνιο της λακτόζης. Στη διαδικασία αυτή να εντάξεται στη σωστή σειρά τους παρακάτω όρους: Χειριστής / πρωτείνη καταστολέας / δοµικά γονίδια / ρυθµιστικό γονίδιο / υποκινητής / περµεάση / τρανσακετυλάση / γαλακτοσιδάση/ ρύθµιση σε επίπεδο µεταγραφής Συγκρίνατε µε τη γονιδιακή ρυθµιση όπως αυτή λαµβάνει χώρα στους ευκαρυώτες. Στους προκαρυωτικούς οργανισµούς η γονιδιακή ρύθµιση επιτελείται µέσω των οπερονίων. Τα οπερόνια είναι οµάδα γονιδίων που υπόκεινται σε κοινό έλεγχο της έκφρασης τους, και τα οποία παίρνουν συνήθως µέρος σε µια κοινή µεταβολική οδό. Για τους προκαρυώτες χαρακτηριστικό παράδειγµα αποτελεί το οπερόνιο της λακτόζης. Αυτό χαρακτηρίζει πολλούς προκαρυώτες οι οποίοι ενώ φυσιολογικά καταβολίζουν γλυκόζη που υπάρχει στο θρεπτικό τους υπόστρωµα, ελλείψη αυτής και παρουσίας λακτόζης αντ αυτής, µόνο τότε ενεργοποιείται το οπερόνιο της λακτόζης προς καταβολισµό της λακτόζης προκειµένου τα βακτήρια αυτά να εξασφαλίσουν την απαραίτητη ενέργεια για την επιβίωση τους. Οι αλληλουχίες DNA που φέρει το οπερόνιο της λακτόζης είναι: - αυτή που αντιστοιχεί στο ρυθµιστικό γονίδιο το οποίο κωδικοποιεί για την δηµιουργία της ρυθµιστικής πρωτείνης καταστολέα. - Αυτή που αντιστοιχεί στον υποκινητή, ο οποίος σε αντίθεση µε τους ευκαρυώτες, εδώ είναι κοινός και για τα τρία δοµικά γονίδια. - Αυτή που αντιστοιχεί στον χειριστή, στον οποίο προσδένεται η ρυθµιστική πρωτείνη καταστολέας. - αυτές που αντιστοιχούν στα τρία δοµικά γονίδια του οπερονίου, τα οποία κωδικοποιούν για την παραγωγή τριών ενζύµων που συµµετέχουν στη διαδικασία καταβολισµού της λακτόζης. Τα ένζυµα αυτά είναι η περµεάση, η τρανσακετυλάση και η γαλακτοσιδάση. Φυσιολογικά, αν και εφόσον απουσιάζει η λακτόζη από το θρεπτικό υπόστρωµα, ο καταστολέας προσδένεται στον χειριστή και έτσι δεν επιτρέπει την επιτέλεση της

4 διαδικασίας της µεταγραφής από την RNA πολυµεράση η οποία προσδένεται στον υποκινητή, όπως γνωρίζουµε από τη διαδικασία της µεταγραφής. Αν όµως υπάρχει λακτόζη στο υπόστρωµα, τότε ενεργοποιείται το οπερόνιο της λακτόζης που επάγει τον καταβολισµό αυτής. Συγκεκριµένα το µόριο της λακτόζης προσδένεται στον καταστολέα, καθιστώντας τον έτσι ανίκανο να προσδεθεί στον χειριστή, οπότε η RNA πολυµεράση που είναι προσδεδεµένη στον υποκινητή, µπορεί να επιτελέσει απρόσκοπτα τη διαδικασία της µεταγραφής. Προκύπτει ένα µεγάλο µόριο mrna το οποίο φέρει για κάθε δοµικό γονίδιο διαφορετικό κωδικόνιο έναρξης και λήξης, ενώ όλα µοιράζονται τον ίδιο κοινό υποκινητή. Όπως προκύπτει από τα παραπάνω, η γονιδιακή ρύθµιση στους προκαρυώτες γίνεται αποκλειστικά στο επίπεδο της µεταγραφής µέσω των οπερονίων. Στους ευκαρυώτες, Η γονιδιακή ρύθµιση επιτελείται στα επίπεδα: µεταγραφής, µετά την µεταγραφή, µετάφρασης, µετά την µετάφραση. - Σε επίπεδο µεταγραφής: κάθε γονίδιο φέρει τον δικό του υποκινητή και µεταγράφεται ανεξάρτητα. εν υπάρχουν οπερόνια Η RNA πολυµεράση προσδένεται και εδώ στον υποκινητή και εκδηλώνει τη δράση της µε τη βοήθεια των µεταγραφικών παραγόντων γενικά, µόνο αν και εφόσον προσδεθεί ο συγκεκριµένος συνδυασµός µεταγραφικών παραγόντων στον υποκινητή (σηµειωτέον ότι υπάρχει τεράστια ποικιλία µεταγραφικών παραγόντων στους ευκαρυώτες ). - Σε επίπεδο µετά τη µεταγραφή: δρουν οι µηχανισµοί ωρίµανσης του mrna, που ποικίλλουν για τους διάφορους τύπους κυττάρων ενός πολυκύτταρου οργανισµού, και αυτό διότι σε κάθε διαφορετικό τύπο κυττάρων διαφέρουν ο συνδυασµός εξωνίων και εσωνίων. Επίσης ποικίλλει η ταχύτητα εισόδου του ώριµου πλέον mrna από τον πυρήνα στο κυτταρόπλασµα, για διαφορετικά µόρια mrna. - Σε επίπεδο µετάφρασης : η διάρκεια ζωής για διαφορετικά µόρια mrna στο κυτταρόπλασµα ποικίλλει, καθώς διαφέρει ο χρόνος αποικοδόµησης για αυτά. Επίσης ποικίλλει η ευκολία πρόσδεσης στα ριβοσώµατα για διαφορετικά µόρια mrna. - Σε επίπεδο µετά τη µετάφραση: πολλές πρωτείνες ευκαρυωτικών κυττάρων προκειµένου να καταστούν βιολογικά λειτουργικές, υφίστανται τροποποιήσεις, τέτοιες όπως διάσπαση τους σε µικρότερα κοµµάτια ή αφαίρεση αµινοξέων από το αµινικό άκρο τους ή σύνδεση τους µε κάποιο µέταλλο κ. α. Ποια είναι τα στάδια µεταφοράς γενετικού υλικού από έναν οργανισµό σε έναν άλλο ή αλλιώς τα στάδια τεχνολογίας του ανασυν/νου DNA (ονοµαστικά); Στάδια Τεχνολογίας Ανασυνδυασµένου DNA: 1. κατασκευή ανασυνδυασµένου DNA (χρήση ενδονουκλεασών περιορισµού / φορέας κλωνοποίησης (συνήθως πλασµίδιο ή DNA φάγων) [ Συγκεκριµένα το ολικό DNA από έναν οργανισµό δότη αποµονώνεται και κόβεται ενζυµατικά από τις ενδονουκλεάσες περιορισµού σε πολλά σηµεία και συν τοις άλλοις προκύπτει και τµήµα που περιλαµβάνει την αλληλουχία βάσεων που θέλουµε να κλωνοποιήσουµε. Συγχρόνως µε το ίδιο ένζυµο

5 κόβεται και ο φορέας κλωνοποίησης σε 1 µόνο σηµείο. Ανάµειξη των παραπάνω και εφαρµόζοντας συγκεκριµένες συνθήκες, µπορεί να οδηγήσει και στη δηµιουργία µορίων ανασυνδυασµένου DNA, µε κάποια από αυτά να φέρουν το συγκεκριµένο τµήµα που θέλουµε να κλωνοποιήσουµε ]. 2. Μεταφορά του ανασυνδυασµένου DNA σε κύτταρο ξενιστή: ονοµάζεται µετασχηµατισµός και απαιτεί τη µετατροπή των τοιχωµάτων των βακτηρίων σε παροδικά διαπερατά σε µακροµόρια άρα και πλασµίδια µε κατάλληλη διαδικασία. Μόνο µικρό ποσοστό βακτηρίων δέχεται τα πλασµίδια. Το ανασυνδυασµένο πλασµίδιο (δηλαδή αυτό που φέρει το ανασυνδυασµένο DNA) µπορεί να αυτοδιπλασιάζεται ανεξάρτητα µέσα στο βακτήριο ξενιστή. 3. Επιλογή και αποµόνωση κυττάρων ξενιστών και δηµιουργία από τα κύτταρα αυτά που συνήθως είναι βακτήρια αποικιών που αποτελούνται από κλώνους ενός αρχικού βακτηρίου. Παράγονται έτσι χιλιάδες κλώνοι που ο καθένας περιέχει ένα ανασυνδυασµένο µόριο DNA διαφορετικό από τους υπόλοιπους κλώνους. 4. Επιλογή βακτηριακού κλώνου που περιέχει το επιθυµητό τµήµα DNA (µε τη βοήθεια ειδικών µορίων ανιχνευτών συνήθως ιχνηθετηµένων συµπληρωµατικών αλληλουχιών ή και µε τη χρήση αντιβιοτικών ουσιών, έχοντας εξασφαλίσει εκ των προτέρων ότι το επιθυµητό προς κλωνοποίηση τµήµα φέρει πλην του γονιδίου που θέλουµε να κλωνοποιήσουµε, και γονίδιο που προσδίδει ανθεκτικότητα σε συγκεκριµένο αντιβιοτικό ). Ερωτήσεις προς απάντηση και ασκήσεις προς λύση: Τι ονοµάζουµε µετάλλαξη; Να κατηγοριοποιήσετε τις µεταλλάξεις ανάλογα µε την έκταση της αλλαγής τους, ανάλογα µε τον τύπο των κυττάρων που µπορούν να λάβουν χώρα, ανάλογα µε την αξιολόγηση των επιπτώσεων που επιφέρουν, ανάλογα µε το αποτέλεσµα τους στο φαινότυπο, ανάλογα µε το αίτιο τους. ιασταυρώνουµε δυο άτοµα οµόζυγα του φυτού µοσχοµπίζελου όπου το πρώτο έχει αξονική θέση άνθεων λευκού χρώµατος ενώ το δεύτερο ακραία θέση άνθεων ιώδους χρώµατος. Τα άτοµα της F1 διασταυρώνονται µεταξύ τους. Να βρείτε τη γονοτυπική και φαινοτυπική αναλογία των ατόµων της F2. Από τους απογόνους της F2 πως θα ξεχωρίσουµε τα αµιγή στελέχη µε ιώδες χρώµα άνθεων κα αξονική θέση Επαναληπτική Άσκηση στα κεφάλαια 2, 4, 6.

6 Εστω το παρακάτω τµήµα του γονιδίου της αλυσίδας β ανθρώπινης αιµοσφαιρίνης Α σε πρόδροµα ερυθροκύτταρα. Το τµήµα αυτό κατά τη διαδικασία κυτταρικής διαφοροποίησης και δηµιουργίας των πρόδροµων ερυθροκυττάρων, υπέστη µετάλλαξη που οδήγησε σε γνωστή αιµοσφαιρινοπάθεια. ACGTAGAGCCACATTCCACGTATAGTGTTC TGCATCT CGGTGTAAGGTGCATATCAGAAG Προκειµένου να διαγνώσουµε την µετάλλαξη χρησιµοποιούµε ένζυµο περιορισµού που κόβει στην αλληλουχία G TGA T C ACT A έτσι ώστε το συγκεκριµένο γονίδιο να κοπεί σε δεδοµένη θέση και να παραχθεί µικρό τµήµα που ανιχνεύεται µε ειδικές τεχνικές (πχ ηλεκτροφόρηση ) και το οποίο είναι χαρακτηριστικό σε άτοµα µε τη δεδοµένη αιµοσφαιρινοπάθεια. Να εξηγήσετε πως ακριβώς θα συµβεί κάτι τέτοιο στο παραπάνω τµήµα DNA Να γράψετε το mrna που προκύπτει από τη µετάφραση αυτού του τµήµατος γονιδίου (θεωρώντας ότι η έναρξη του ξεκινάει από το κατάλληλο κωδικόνιο έναρξης που θα εντοπίσετε ) και τα αντίστοιχα αντικωδικόνια και αµινοξέα που φέρουν αυτά. Σε όλες τις περιπτώσεις να καταδείξετε τα άκρα των αλληλουχιών. (θεωρήσετε ότι από το γονίδιο προκύπτει απευθείας ώριµο mrna). Αν θέλαµε να εκφραστεί το συγκεκριµένο τµήµα DNA σε µεγάλες ποσότητες ποια διαδικασία θα ακολουθούσαµε ;