τα βιβλία των επιτυχιών

Τα βιβλία των Εκδόσεων Πουκαμισάς συμπυκνώνουν την πολύχρονη διδακτική εμπειρία των συγγραφέων μας και αποτελούν το βασικό εκπαιδευτικό υλικό που χρησιμοποιούν οι μαθητές των φροντιστηρίων μας. Μέσα από τη διαρκή τους αξιοποίηση στις τάξεις μας διασφαλίζουμε τον εμπλουτισμό τους, τη συνεχή τους βελτίωση και την επιστημονική τους αρτιότητα, καθιστώντας τα βιβλία των Εκδόσεών μας εγγύηση για την επιτυχία των μαθητών. τα βιβλία των επιτυχιών

ΝΤΑ ΛΑΖΑΡΑΚ βιολογία β τόμος Γ ΛΥΚΕΙΥ ΣΠΥΔΩΝ ΥΓΕΙΑΣ

Σειρά: Γενικό Λύκειο Γ Λυκείου Σπουδών Υγείας Βιολογία Γ Λυκείου β τόμος Νότα Λαζαράκη ISBN: 978-618-5325-34-3 SΕΤ: 978-618-5325-29-9 Σχεδιασμός έκδοσης, σελιδοποίηση: Γεωργία Λαμπροπούλου Συμπληρωματική σελιδοποίηση: Μαλβίνα Κότο Προσαρμογή εξωφύλλου: ρώ Νικολάου Υπεύθυνη έκδοσης: Μαλβίνα Κότο opyright 2019 ΕΚΔΣΕΙΣ ΠΥΚΑΜΙΣΑΣ, Νότα Λαζαράκη για την ελληνική γλώσσα σε όλο τον κόσμο Κυκλοφορία έκδοσης: Ιούλιος 2019 Επικοινωνία με συγγραφέα: notalazaraki@outlook.com Απαγορεύεται η με οποιονδήποτε τρόπο, μέσο και μέθοδο αναδημοσίευση, αναπαραγωγή, μετάφραση, διασκευή, θέση σε κυκλοφορία, παρουσίαση, διανομή και η εν γένει πάσης φύσεως χρήση και εκμετάλλευση του παρόντος έργου στο σύνολό του ή τμηματικά, καθώς και της ολικής αισθητικής εμφάνισης του βιβλίου (στοιχειοθεσίας, σελιδοποίησης κ.λπ.) και του εξωφύλλου του, σύμφωνα με τις διατάξεις της υπάρχουσας νομοθεσίας περί προστασίας πνευματικής ιδιοκτησίας και των συγγενικών δικαιωμάτων περιλαμβανομένων και των σχετικών διεθνών συμβάσεων. Αριθμός έκδοσης: 1η Αριθμός αντιτύπων: 1000 Λ. Βουλιαγμένης 46 & Αλεξιουπόλεως, ΤΚ 164 52 Αργυρούπολη Τ. 210 4112507 www.ekdoseispoukamisas.gr info@ekdoseispoukamisas.gr

περιεχόμενα Κεφάλαιο 1 Το γενετικό υλικό...11 Κεφάλαιο 2 Αντιγραφή, έκφραση και ρύθμιση της γενετικής πληροφορίας... 67 Κεφάλαιο 3 Ιοί...135 Κεφάλαιο 4 Tεχνολογία του ανασυνδυασμένου DNA...143 Κεφάλαιο 5 Μενδελική κληρονομικότητα...187 Κεφάλαιο 6 Μεταλλάξεις...257 Κεφάλαιο 7 Αρχές και μεθοδολογία της Βιοτεχνολογίας............................. 329 Κεφάλαιο 8 Εφαρμογές της Βιοτεχνολογίας στην Ιατρική...345 Κεφάλαιο 9 Εφαρμογές της Βιοτεχνολογίας στη γεωργία και την κτηνοτροφία...369 Κεφάλαιο 10 Εφαρμογές της Βιοτεχνολογίας στη βιομηχανία...387 Κεφάλαιο 11 Εφαρμογές της Βιοτεχνολογίας στην προστασία του περιβάλλοντος....403 Συνδυαστικά θέματα Ασκήσεις με απάντηση...425 Ερωτήσεις με απάντηση...459 Γενετικός κώδικας...473 Απαντήσεις Απαντήσεις ασκήσεων............................................. 477 Απαντήσεις ασκήσεων σχολικού βιβλίου...509

1 κεφάλαιο το γενετικό υλικό

Το γενετικό υλικό Το DNA είναι το γενετικό υλικό Πρωτεΐνες Νουκλεϊκά οξέα ι ερευνητές του 20ού αιώνα θεωρούσαν ότι οι πρωτεΐνες είναι το γενετικό υλικό των οργανισμών, διότι οι πρωτεΐνες παρουσιάζουν μεγαλύτερη ποικιλομορφία από τα νουκλεϊκά οξέα. μεγάλη ποικιλία των πρωτεϊνών οφείλεται στον συνδυασμό των 20 διαφορετικών αμινοξέων που τις αποτελούν, ενώ τα νουκλεϊκά οξέα είναι συνδυασμός μόνο 4 νουκλεοτιδίων. Μερικοί αιρετικοί για την εποχή τους ερευνητές είχαν υποψιαστεί ότι οι πρωτεΐνες δεν αποτελούν γενετικό υλικό των οργανισμών Βιολογία όμως αποτελεί θετική επιστήμη και αυτό σημαίνει ότι μπορεί κάθε ερευνητής να διατυπώνει απόψεις, αλλά δεκτές γίνονται μόνο εκείνες που αποδεικνύονται με πειράματα και παρατηρήσεις. Χρειάστηκε συνεπώς να πραγματοποιηθούν αρκετά πειράματα, που αρχικά κλόνισαν την πεποίθηση ότι οι πρωτεΐνες είναι γενετικό υλικό και στην πορεία απέδειξαν με τρόπο αδιαμφισβήτητο ότι: το DNA αποτελεί το γενετικό υλικό των οργανισμών. Αποικία Αποικία ονομάζεται ένα σύνολο από μικροοργανισμούς που έχει προκύψει από τις διαδοχικές διαιρέσεις ενός κυττάρου, καθώς το τελευταίο αναπτύσσεται σε στερεό θρεπτικό υλικό. ι αποικίες είναι ορατές με γυμνό μάτι. Αποικία Μετά τη μεταφορά ενός μικροοργανισμού σε θρεπτικό υλικό ακολουθούν οι διαδοχικές διαιρέσεις του και η εμφάνιση ενός μεγάλου αριθμού νέων κυττάρων, τα οποία είναι όλα γενετικά αντίγραφα του αρχικού. Το σύνολο των πανομοιότυπων αυτών κυττάρων αποτελεί έναν κλώνο μικροοργανισμών, διότι ο όρος «κλώνος» χρησιμοποιείται από τη σύγχρονη επιστήμη για να περιγράψει ένα σύνολο πανομοιότυπων μορίων ή κυττάρων ή οργανισμών. Συνεπώς, κάθε αποικία αποτελεί έναν κλώνο πανομοιότυπων κυττάρων. 11

1 Τι έδειξαν τα πειράματα του Griffith Griffith δεν απέδειξε ότι το DNA είναι το γενετικό υλικό. Τα πειράματά του έδειξαν ότι ένας «ειδικός παράγοντας» που υπάρχει στα παθογόνα βακτήρια μετασχηματίζει τα μη παθογόνα σε παθογόνα, ακόμη κι αν τα παθογόνα έχουν νεκρωθεί λόγω της θέρμανσης. Δεδομένου ότι οι πρωτεΐνες των οργανισμών με τη θέρμανση μετουσιώνονται και η μετουσίωση είναι ένα μη αναστρέψιμο φαινόμενο, τα πειράματα αυτά οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι οι πρωτεΐνες δεν μπορούν να είναι το γενετικό υλικό. Πειράματα του Griffith Griffith χρησιμοποίησε δύο διαφορετικά στελέχη του βακτηρίου πνευμονιόκοκκος (Diplococcus pneumoniae), που ξεχωρίζουν μορφολογικά όταν καλλιεργηθούν σε θρεπτικό υλικό λόγω της παρουσίας ή μη ενός προστατευτικού καλύμματος. Το στέλεχος με το προστατευτικό κάλυμμα σχηματίζει λείες αποικίες και είναι παθογόνο, καθώς σκοτώνει τους ποντικούς που μολύνει, ενώ εκείνο που στερείται καλύμματος σχηματίζει αδρές αποικίες και δεν είναι παθογόνο. Griffith χρησιμοποίησε υψηλή θερμοκρασία για να σκοτώσει τα λεία βακτήρια και με αυτά μόλυνε ποντικούς, οι οποίοι παρέμειναν ζωντανοί. Όταν όμως ανέμειξε νεκρά λεία βακτήρια με ζωντανά αδρά και με το μείγμα μόλυνε ξανά ποντικούς, τότε αυτοί πέθαναν, ενώ στο αίμα τους ανιχνεύτηκαν ζωντανά λεία βακτήρια. Griffith συμπέρανε ότι μερικά αδρά βακτήρια «μετασχηματίστηκαν» σε λεία παθογόνα ύστερα από αλληλεπίδραση με τα νεκρά λεία βακτήρια, αλλά δεν μπόρεσε να δώσει ικανοποιητική απάντηση για το πώς συνέβη αυτό. Ένεση λείων βακτηρίων σε ποντικούς Ένεση αδρών βακτηρίων σε ποντικούς Ένεση νεκρών λείων βακτηρίων σε ποντικούς ι ποντικοί πεθαίνουν. ι ποντικοί επιβιώνουν. ι ποντικοί επιβιώνουν. Μείγμα λείων και αδρών βακτηρίων Ένεση λείων νεκρών ζωντανών αδρών βακτηρίων ι ποντικοί πεθαίνουν. Παρουσία λείων ζωντανών βακτηρίων 12

Το γενετικό υλικό Πειράματα των Avery, Mac-Leod και Mcarty Τα πειράματα των συγκεκριμένων ερευνητών αποτελούν την in vitro επανάληψη των πειραμάτων του Griffith. ι ερευνητές διαχώρισαν τα συστατικά των νεκρών λείων βακτηρίων (υδατάνθρακες, πρωτεΐνες, λιπίδια και νουκλεϊκά οξέα) και έλεγξαν ποιο από αυτά είχε την ικανότητα μετασχηματισμού. Με άλλα λόγια, οι ερευνητές μετέφεραν ένα προς ένα τα συστατικά των λείων σε ζωντανά αδρά βακτήρια, όπως φαίνεται στον πίνακα που ακολουθεί, και έλεγξαν σε κάθε περίπτωση εάν το κάθε συστατικό είχε τη δυνατότητα να μετασχηματίσει τα αδρά βακτήρια σε λεία. Βιολογικά μακρομόρια Θυμάστε πιθανόν από προηγούμενη τάξη ότι τα βιολογικά μακρομόρια που αποτελούν συστατικά όλων των κυττάρων κατατάσσονται σε τέσσερις μόνο κατηγορίες: πρωτεΐνες, νουκλεϊκά οξέα, πολυσακχαρίτες, λιπίδια. Zωντανά αδρά + Πρωτεΐνες λείου Τα αδρά βακτήρια δεν μετασχηματίζοντα σε λεία Zωντανά αδρά Zωντανά αδρά + Υδατάνθρακες λείου + Λιπίδια λείου Τα αδρά βακτήρια δεν μετασχηματίζοντα σε λεία Τα αδρά βακτήρια δεν μετασχηματίζοντα σε λεία Άρχισε να είσαι τώρα αυτό που θα γίνεις μετά. W. James Zωντανά αδρά + DNA λείου Τα αδρά βακτήρια μετασχηματίζοντα σε λεία Από τα πειράματα αυτά διαπιστώθηκε ότι το DNA έχει την ικανότητα να μετασχηματίζει τα αδρά στελέχη σε λεία. Βιοχημικά δεδομένα Βιοχημικά δεδομένα που υποστήριζαν ότι το DNA είναι το γενετικό υλικό των οργανισμών: ποσότητα του DNA σε κάθε οργανισμό είναι σταθερή και δεν μεταβάλλεται από αλλαγές στο περιβάλλον. Όλα τα κύτταρα του οργανισμού έχουν την ίδια ποσότητα DNA. ι γαμέτες έχουν τη μισή ποσότητα DNA (απλοειδείς) από τα σωματικά κύτταρα (διπλοειδή). ποσότητα του DNA είναι κατά κανόνα ανάλογη με την πολυπλοκότητα του οργανισμού. Όσο εξελικτικά ανώτερος είναι ένας οργανισμός τόσο περισσότερο DNA περιέχει σε κάθε κύτταρό του. αναλογία Α+Τ/G+ Βιοχημικό δεδομένο που υποδεικνύει ότι το DNA είναι το γενετικό υλικό αποτελεί επίσης η αναλογία A+T/G+, για την οποία θα μιλήσουμε σε επόμενη ενότητα. Σήμερα είναι γνωστό ότι η αναλογία A+T/G+ διαφέρει μεταξύ οργανισμών που προέρχονται από διαφορετικά είδη. In vitro σημαίνει ότι η βιολογική διαδικασία πραγματοποιείται στον δοκιμαστικό σωλήνα, ενώ in vivo σε ζωντανό οργανισμό. 13

1 Ιχνηθέτηση ιχνηθέτηση: εφαρμόστηκε στο πείραμα των Hershey και hase, εφαρμόζεται στη μελέτη καρυότυπου, εφαρμόζεται στην αναζήτηση συγκεκριμένων αλληλουχιών στο γονιδίωμα των οργανισμών με τη βοήθεια ανιχνευτών, όπως θα δούμε σε επόμενο κεφάλαιο. ι Hershey και hase δεν θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν ραδιενεργό άζωτο για τα πειράματά τους διότι το άζωτο αποτελεί συστατικό τόσο των πρωτεϊνών όσο και του DNA, οπότε δεν θα ήταν δυνατή η ανίχνευση της καθεμίας κατηγορίας ουσιών. Παράδειγμα in vivo διαδικασίας αποτελεί η απόδειξη του ημισυντηρητικού μηχανισμού της αντιγραφής του DNA. Τα πειράματα του Griffith πραγματοποιήθηκαν επίσης in vivo. In vitro παράδειγμα αποτελεί η ανάλυση των ενζύμων που συμμετέχουν στην αντιγραφή του DNA καθώς και τα πειράματα των Avery κ.λπ. Ιχνηθέτηση είναι η σήμανση χημικών μορίων με τη χρήση ραδιενεργών ισοτόπων, φθοριζουσών ουσιών κ.λπ. ιχνηθέτηση είναι μία εξαιρετικά χρήσιμη τεχνική στις σύγχρονες εφαρμογές της Βιολογίας. Εκτός ύλης... αλλά απαραίτητα για την κατανόηση Βακτηριοφάγοι ή φάγοι είναι ιοί που μολύνουν βακτήρια. κατασκευή τους είναι περίπλοκη καθώς αποτελούνται από μία πρωτεϊνική συνήθως πολυεδρική κεφαλή, η οποία συνδέεται με μία ουρά και καταλήγει σε νημάτια. υρά και νημάτια είναι επίσης πρωτεϊνικής σύστασης. Στο εσωτερικό της κεφαλής εντοπίζεται το γενετικό υλικό του φάγου, ένα μόριο DNA, που σήμερα είναι γνωστό ότι φέρει όλες τις απαραίτητες πληροφορίες για τον πολλαπλασιασμό του. Λυτικός κύκλος και πείραμα των Herhey και hase Προκειμένου να πολλαπλασιαστεί ένας φάγος, προσκολλάται με τα νημάτια της ουράς του στο κυτταρικό τοίχωμα ενός βακτηρίου, το οποίο και διατρυπά με τη βοήθεια ενός ενζύμου που διαθέτει. Κατ' αυτό τον τρόπο το DNA του φάγου εισέρχεται στο κυτταρόπλασμα του βακτηρίου, όπου και αρχικά αντιγράφεται. Από την αντιγραφή προκύπτουν πολλά νέα και πανομοιότυπα ιικά μόρια DNA, τα οποία στη συνέχεια μεταγράφονται και μεταφράζονται, οπότε και σχηματίζονται οι πρωτεΐνες της κεφαλής, των νηματίων και της ουράς. Τα πρωτεϊνικά συστατικά συνδυάζονται με το DNA και προκύπτουν τελικά πολλοί νέοι φάγοι. ι φάγοι, όπως όλοι οι νέοι(!), είναι και φιλόδοξοι και λύουν (σπάζουν) το κύτταρο από το εσωτερικό και απελευθερώνονται στο περιβάλλον όπου και συναντούν νέα βακτήρια. 35 S και 32 P Για να κατανοήσετε το πείραμα των Hershey και hase, πρέπει να γνωρίζετε ότι: ένα ραδιενεργό στοιχείο ενσωματώνεται μόνο σε μόρια που φυσιολογικά περιέχουν το αντίστοιχο (μη ραδιενεργό) στοιχείο, οι πρωτεΐνες περιέχουν S, διότι μερικά αμινοξέα περιέχουν S στις πλευρικές τους ομάδες R, όπως η μεθειονίνη και η κυστεΐνη, αλλά οι πρωτεΐνες δεν περιέχουν Ρ, το DNA περιέχει Ρ στις φωσφορικές ομάδες των νουκλεοτιδίων του, ενώ το DNA δεν περιέχει S. 14

Το γενετικό υλικό Πείραμα των Hershey και hase Το πείραμα αυτό αποτέλεσε την οριστική επιβεβαίωση ότι το DNA είναι το γενετικό υλικό των οργανισμών. ι ερευνητές μελέτησαν τον κύκλο του βακτηριοφάγου Τ 2, ενώ είχαν ιχνηθετήσει τις πρωτεΐνες των φάγων με ραδιενεργό θείο ( 35 S) και το DNA τους με ραδιενεργό ( 32 P). φώσφορος ενσωματώνεται στο DNA αλλά όχι στις πρωτεΐνες, ενώ το S ενσωματώνεται στις πρωτεΐνες αλλά όχι στο DNA. Με τους ραδιενεργούς φάγους μόλυναν τα βακτήρια. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι μόνο το DNA των φάγων εισέρχεται στα βακτηριακά κύτταρα και είναι ικανό να δώσει τις απαραίτητες εντολές για να πολλαπλασιαστούν και να παραχθούν νέοι φάγοι. Βακτηριοφάγος Ιχνηθετημένες πρωτεΐνες με ραδιενεργό S Ιχνηθετημένo DNA με ραδιενεργό P Μόλυνση Είσοδος γενετικού υλικού To ραδιενεργό S δεν ανιχνεύεται στο εσωτερικό των βακτηρίων. ραδιενεργός P ανιχνεύεται στο εσωτερικό των βακτηρίων. 15

1 Το DNA αποτελείται από νουκλεοτίδια που ενώνονται με φωσφοδιεστερικό δεσμό Χημική σύσταση του DNA και του RNA Το DNA όπως και το RNA είναι νουκλεϊκά οξέα, δηλαδή είναι μακρομόρια τα οποία αποτελούνται από νουκλεοτίδια. Τα νουκλεοτίδια διακρίνονται σε δεοξυριβονουκλεοτίδια και ριβονουκλεοτίδια. Τα δεοξυριβονουκλεοτίδια αποτελούν τα συστατικά του DNA, ενώ τα ριβονουκλεοτίδια του RNA. Δομή των δεοξυριβονουκλεοτιδίων ι αζωτούχες βάσεις A και G ανήκουν στις πουρίνες, ενώ οι βάσεις T και ανήκουν στις πυριμιδίνες. Αυτό θα σας χρειαστεί στο 8ο κεφάλαιο Φωσφορική ομάδα Αζωτούχος βάση P 5 H 2 4 Πεντόζη 3 1 2 Κάθε νουκλεοτίδιο του DNA αποτελείται από: Μία πεντόζη (σάκχαρο με 5 άτομα άνθρακα), η οποία ονομάζεται δεοξυριβόζη. Μία φωσφορική ομάδα, η οποία συνδέεται με τον 5 άνθρακα της δεοξυριβόζης. Μία αζωτούχο βάση, η οποία συνδέεται με τον 1 άνθρακα της δεοξυριβόζης και μπορεί να είναι μία από τις: αδενίνη (Α), θυμίνη (Τ), γουανίνη (G), κυτοσίνη (). O N Ν O 16

Το γενετικό υλικό Σχηματισμός πολυνουκλεοτιδικής αλυσίδας Μία πολυνουκλεοτιδική αλυσίδα σχηματίζεται από την ένωση πολλών νουκλεοτιδίων με φωσφοδιεστερικό δεσμό. δεσμός αυτός είναι ομοιοπολικός και δημιουργείται μεταξύ του υδροξυλίου του 3 άνθρακα της πεντόζης του πρώτου νουκλεοτιδίου και της φωσφορικής ομάδας (η οποία είναι συνδεδεμένη με τον 5 άνθρακα της πεντόζης) του επόμενου νουκλεοτιδίου. Για τον λόγο αυτό, ο δεσμός ονομάζεται 3 5 φωσφοδιεστερικός δεσμός. OH P 5 H 2 N Ν N N N 5 G A G T 3 3 5 φωσφοδιεστερικός δεσμός Όλοι οι δεσμοί μεταξύ των νουκλεοτιδίων είναι πάντα 3 5 φωσφοδιεστερικοί δεσμοί, είτε αναπτύσσονται μεταξύ δεοξυριβονουκλεοτιδίων είτε μεταξύ ριβονουκελοτιδίων ή και ακόμη ενός δεοξυριβονουκλεοτιδίου και ενός ριβονουκλεοτιδίου. Όπως θα μελετήσουμε ακολούθως, αυτό μπορεί μερικές φορές να συμβαίνει, διότι οι φωσφοδιεστερικοί δεσμοί επιτυγχάνονται με τη βοήθεια ειδικών ενζύμων και τα ένζυμα που υπάρχουν στα κύτταρα μπορούν να συνδέσουν νουκλεοτίδια μόνο με 3 5 φωσφοδιεστερικό δεσμό. 3-5 φωσφοδιεστερικός δεσμός 3 OH P 5 H 2 3 N Ν N N N 3 T T A G A A G A A T A 5 T T T 2 Κατά τον σχηματισμό ενός φωσφοδιεστερικού δεσμού παράγεται ένα μόριο 2, ενώ η διάσπαση ενός φωσφοδιεστερικού δεσμού είναι υδρόλυση και συνεπώς απαιτεί ένα μόριο 2. Ανεξάρτητα από τον αριθμό των νουκλεοτιδίων από τα οποία αποτελείται η πολυνουκλεοτιδική αλυσίδα, το πρώτο της νουκλεοτίδιο έχει πάντα ελεύθερη φωσφορική ομάδα συνδεδεμένη στον 5 άνθρακα της πεντόζης του και το τελευταίο νουκλεοτίδιό της έχει ελεύθερο το υδροξύλιο του 3 άνθρακα της πεντόζης του. Για τον λόγο αυτό, αναφέρεται ότι ο προσανατολισμός της πολυνουκλεοτιδικής αλυσίδας είναι 5 3. 17

1 ανακάλυψη της διπλής έλικας του DNA είναι η μεγαλύτερη βιολογική ανακάλυψη του 20ού αιώνα αναλογία Α+Τ/G+ Τι σημαίνει ότι η αναλογία A+T/G+ διαφέρει μεταξύ οργανισμών που προέρχονται από διαφορετικά είδη; Λόγου χάρη, η αναλογία αυτών των βάσεων του DNA ενός κυττάρου σας είναι πολύ διαφορετική από την αντίστοιχη ενός κατοικίδιου που πιθανόν φροντίζετε στο σπίτι σας. Αντίθετα, η δική σας αναλογία A+T/G+ και η αντίστοιχη ενός φίλου σας είναι πολύ κοινή και χαρακτηριστική για όλα τα μέλη του ανθρώπινου είδους. ομοιότητα στην αναλογία απορρέει από τον ρόλο του DNA ως γενετικό υλικό, καθώς εσείς, ο φίλος σας και εντέλει όλοι οι άνθρωποι μοιραζόμαστε μεγάλο ποσοστό όμοιας γενετικής πληροφορίας. ελάχιστη απόκλιση που πιθανόν παρουσιάζει η αναλογία σας από του φίλου σας οφείλεται στην παρουσία ορισμένων διαφορετικών γονιδίων, τα οποία καθιστούν καθέναν από εσάς άτομα μοναδικά! Βιοχημικά και πειραματικά δεδομένα για τη διατύπωση του μοντέλου της διπλής έλικας Με τα πειράματα που αναφέρθηκαν κατέστησαν σαφείς οι ιδιότητες του DNA, ενώ ήταν γνωστή και η χημική του σύσταση. Όμως, μέχρι το 1953 δεν υπήρχε αποδεκτή πρόταση για τη δομή του DNA στον χώρο. Ζεύγη βάσεων Αδενίνη Γουανίνη Σκελετός πεντοζών φωσφορικών ομάδων Θυμίνη Κυτοσίνη ανακάλυψη της διπλής έλικας του μορίου στον χώρο ήταν το αποτέλεσμα της ερευνητικής εργασίας δύο ομάδων επιστημόνων, των Wilkins και Franklin, καθώς και των Watson και rick και αποτέλεσε τη μεγαλύτερη βιολογική ανακάλυψη του 20ού αιώνα. ι ερευνητές οδηγήθηκαν στη συγκεκριμένη ανακάλυψη στηριζόμενοι σε ορισμένα βιοχημικά και πειραματικά δεδομένα, όπως: Δεδομένα από την ανάλυση του ποσοστού των βάσεων σε διαφορετικούς οργανισμούς δείχνουν ότι σε κάθε μόριο DNA ο αριθμός των νουκλεοτιδίων που έχουν ως αζωτούχο βάση την αδενίνη είναι ίσος με τον αριθμό των νουκλεοτιδίων που έχουν ως αζωτούχο βάση τη θυμίνη. Το ίδιο συμβαίνει και μεταξύ των νουκλεοτιδίων που έχουν κυτοσίνη με εκείνα που έχουν γουανίνη. 18

Το γενετικό υλικό αναλογία των βάσεων (A+T)/(G+) διαφέρει από είδος σε είδος και σχετίζεται με το είδος του οργανισμού. Με τη χρήση ακτίνων Χ προέκυψαν αποτελέσματα που αφορούσαν την απεικόνιση του μορίου του DNA, τα οποία βοήθησαν στη διατύπωση του μοντέλου της διπλής έλικας. Μοντέλο της διπλής έλικας Το DNA αποτελείται από δύο πολυνουκλεοτιδικές αλυσίδες, που σχηματίζουν στον χώρο μία δεξιόστροφη διπλή έλικα: διπλή έλικα έχει έναν σκελετό που αποτελείται από επαναλαμβανόμενα μόρια φωσφορικής ομάδας δεοξυριβόζης, τα οποία ενώνονται με φωσφοδιεστερικό δεσμό. σκελετός αυτός είναι υδρόφιλος και βρίσκεται στο εξωτερικό του μορίου, σε αντίθεση με τις υδρόφοβες αζωτούχες βάσεις, οι οποίες βρίσκονται προς το εσωτερικό του μορίου. P P P 5 άκρο P 3 άκρο T Δεσμοί υδρογόνου G Βάσεις G A G 3 άκρο 5 άκρο P P P Σάκχαρο P Φωσφοδιεστερικός δεσμός Υδρόφιλες και υδρόφοβες ομάδες, εμφάνιση και εξέλιξη της ζωής Θυμάστε ότι οι υδρόφοβες και οι υδρόφιλες ομάδες των φωσφολιπιδίων συμβάλλουν στη συγκρότηση της διπλοστιβάδας, που συμμετέχει στον σχηματισμό και τη λειτουργία της κυτταρικής μεμβράνης. ι εξελικτικοί βιολόγοι διατείνονται ότι εξαιτίας αυτής της διπλής φύσης των φωσφολιπιδίων σχηματίστηκαν οι πρώτες μεμβράνες, πριν από δισεκατομμύρια χρόνια, και συνέβαλαν στον σχηματισμό των αρχέγονων κυττάρων. Στη συνέχεια, στο εσωτερικό των κυττάρων αυτών νουκλεοτιδικές αλυσίδες σχημάτισαν δίκλωνα μόρια, τα μόρια DNA, πάλι εξαιτίας υδρόφιλων και υδρόφοβων ομάδων, τα οποία ως ασφαλείς φορείς της γενετικής πληροφορίας συνέβαλαν στην εμφάνιση της αυτο-οργάνωσης και αυτο-αναπαραγωγής των κυττάρων! ι αζωτούχες βάσεις της μίας αλυσίδας συνδέονται με δεσμούς υδρογόνου με τις αζωτούχες βάσεις της απέναντι αλυσίδας, σύμφωνα με τον κανόνα της συμπληρωματικότητας. αδενίνη συνδέεται μόνο με τη θυμίνη και η γουανίνη μόνο 19

1 Είναι σημαντικό να κατανοήσετε ότι οι φωσφοδιεστερικοί δεσμοί δημιουργούν τον σταθερό σκελετό του μορίου DNA, ενώ οι δεσμοί υδρογόνου σταθεροποιούν τη δευτεροταγή δομή του. με την κυτοσίνη. ι δεσμοί υδρογόνου που αναπτύσσονται μεταξύ των βάσεων σταθεροποιούν τη δευτεροταγή δομή του μορίου. Ανάμεσα στην αδενίνη και τη θυμίνη σχηματίζονται δύο δεσμοί υδρογόνου, ενώ ανάμεσα στη γουανίνη και την κυτοσίνη τρεις. ι δύο αλυσίδες ενός μορίου είναι συμπληρωματικές, γεγονός που υποδηλώνει ότι η αλληλουχία της μίας αλυσίδας καθορίζει την αλληλουχία της άλλης. συμπληρωματικότητα παίζει σημαντικό ρόλο στην αντιγραφή του DNA. Κάθε αλυσίδα χρησιμοποιείται ως καλούπι για τη σύνθεση μίας συμπληρωματικής, με αποτέλεσμα τη δημιουργία δύο δίκλωνων μορίων DNA πανομοιότυπων με το αρχικό. ι δύο αλυσίδες είναι αντιπαράλληλες, δηλαδή απέναντι από το 3 άκρο της μίας βρίσκεται το 5 άκρο της άλλης. μισυντηρητικός τρόπος αντιγραφής Κάθε αλυσίδα του DNA χρησιμοποιείται ως καλούπι για τη σύνθεση μίας συμπληρωματικής, ώστε από ένα αρχικό μόριο DNA προκύπτουν δύο πανομοιότυπα μεταξύ τους μόρια, αλλά και με το αρχικό, καθένα από τα οποία αποτελείται από μία μητρική και μία θυγατρική αλυσίδα. μηχανισμός, όπως θα δούμε σε επόμενο κεφάλαιο, ονομάζεται ημισυντηρητικός τρόπος αντιγραφής του DNA. Εκτός ύλης Rosalind Franklin ανακάλυψη της δομής του DNA πραγματοποιήθηκε από γυναίκα, τη Rosalind Franklin. ι Watson και rick στηρίχθηκαν στην έρευνα της Franklin, καθώς: 1. Αντιλήφθηκαν τη δομή του μορίου από μία φωτογραφία του DNA που ο Wilkins είχε πάρει από το γραφείο της Franklin και την έδειξε στον Watson. Εκείνος κατανόησε τότε τη δομή της διπλής έλικας, και τη συμπεριέλαβε στις έρευνές του. 2. rick είδε σε μία μη δημόσια έκθεση τις μετρήσεις της Franklin για το κυτταρικό DNA, και αντιλήφθηκε ότι οι δύο αλυσίδες του μορίου είναι αντιπαράλληλες. Franklin πέθανε σε μικρή ηλικία από καρκίνο των ωοθηκών λόγω των ραδιενεργών υλικών που χρησιμοποιούσε στις έρευνές της, και η προσφορά της αναγνωρίστηκε μετά τον θάνατό της. Στο ανδροκρατούμενο πανεπιστημιακό κατεστημένο της εποχής της, η επιστήμονας έδωσε μάχες προκειμένου να ακολουθήσει την καριέρα που επιθυμούσε. Το γεγονός αυτό, σε συνδυασμό με την υποκλοπή των αποτελεσμάτων των ερευνών της και τον πρόωρο θάνατό της, την κατέστησαν σύμβολο του φεμινιστικού κινήματος. Αξίζει να αναφερθεί ότι συχνά η Franklin αναφέρεται και ως η «Σταχτοπούτα στο παραμύθι για την ανακάλυψη του DNA». 20

Το γενετικό υλικό Το γενετικό υλικό ελέγχει όλες τις λειτουργίες του κυττάρου Λειτουργίες του γενετικού υλικού Λειτουργίες του γενετικού υλικού των οργανισμών: Αποθήκευση της γενετικής πληροφορίας. Στο γενετικό υλικό κάθε οργανισμού περιέχονται οι πληροφορίες που καθορίζουν τα χαρακτηριστικά του οργανισμού αυτού. ι πληροφορίες αυτές οργανώνονται σε λειτουργικές μονάδες που ονομάζονται γονίδια. Διατήρηση και μετάβαση της γενετικής πληροφορίας από κύτταρο σε κύτταρο και από οργανισμό σε οργανισμό, ρόλοι οι οποίοι εξασφαλίζονται με την αντιγραφή του DNA. Έκφραση των γενετικών πληροφοριών, που επιτυγχάνεται με τη σύνθεση των πρωτεϊνών. ρισμοί και επισημάνσεις Γονιδίωμα είναι το γενετικό υλικό ενός κυττάρου. Στα ευκαρυωτικά κύτταρα, ο όρος αναφέρεται κυρίως στο γενετικό υλικό που βρίσκεται στον πυρήνα. Το μόριο του DNA είναι δίκλωνο, γι' αυτό αναφερόμαστε συχνά στο μήκος του χρησιμοποιώντας τη φράση «ζεύγη βάσεων». Τα διπλοειδή κύτταρα και οι διπλοειδείς οργανισμοί είναι τα κύτταρα ή οι οργανισμοί που φέρουν δύο αντίγραφα του γονιδιώματός τους. Διπλοειδή κύτταρα είναι τα σωματικά των ανώτερων οργανισμών. Τα απλοειδή κύτταρα και οι απλοειδείς οργανισμοί είναι τα κύτταρα ή οι οργανισμοί που φέρουν ένα αντίγραφο του γονιδιώματός τους. Απλοειδή κύτταρα είναι τα βακτήρια και οι γαμέτες. Αποθήκευση της γενετικής πληροφορίας γενετική ταυτότητα κάθε ατόμου ανώτερων ειδών σχηματίζεται όταν ένα ωάριο γονιμοποιείται από ένα σπερματοζωάριο και σχηματίζεται το ζυγωτό. Το ζυγωτό διαιρείται πολλές φορές, αλλά κάθε κύτταρο που προκύπτει από αυτό περιέχει ακριβώς την ίδια γενετική πληροφορία με το ζυγωτό. Στο μόριο του DNA των κυττάρων μας αποθηκεύεται διά βίου η γενετική πληροφορία που μας έδωσαν οι γονείς μας. Στην πραγματικότητα, στο DNA αποθηκεύεται η γενετική πληροφορία του ατόμου ακόμη και πολύ μετά τον θάνατό του, καθώς σε υπολείμματα οργανισμών που έζησαν πολλά χρόνια πριν είναι δυνατό να ανιχνεύονται μόρια DNA, η ανάλυση των οποίων μαρτυρά τη γενετική τους ταυτότητα. Απλοειδή και διπλοειδή Πιθανόν είναι ορθότερη η διατύπωση των ορισμών ως ακολούθως: Τα απλοειδή κύτταρα, και συνεπώς οι απλοειδείς οργανισμοί, φέρουν μία πληροφορία για κάθε τους ιδιότητα. Τα διπλοειδή κύτταρα και οι διπλοειδείς οργανισμοί φέρουν δύο πληροφορίες για κάθε ιδιότητα, μία μητρικής και μία πατρικής προέλευσης. (Για κάθε μόριο DNA που περιέχουν υπάρχει ένα ακόμη ιδίου μεγέθους που φέρει αντίστοιχες γενετικές πληροφορίες.) Αυτό διότι η λέξη «αντίγραφο» παραπέμπει σε απόλυτη ομοιότητα, κάτι που δεν ισχύει για τη μητρικής και πατρικής προέλευσης γενετική μας πληροφορία. 21

1 αναδίπλωση του DNA των βακτηρίων είναι απαραίτητη, καθώς η διάμετρος ενός βακτηρίου είναι κατά κανόνα 5-10μm. Ωστόσο, υπάρχουν και ορισμένα εξαιρετικά μικρά βακτήρια, όπως αυτά του γένους Mycoplasma με διάμετρο 0,3μm. Βακτήρια υπάρχουν και υπήρχαν πάντα και παντού Βαθιά μέσα στις σπηλιές, στους πάγους, στον πυθμένα των ωκεανών, το έντερο των ζώων, τις θερμές πηγές υπάρχει μία εξαιρετική ποικιλομορφία βακτηρίων. ι βιολόγοι όσο περισσότερο μελετούν τα βακτήρια τόσο εκπλήσσονται από την ικανότητά τους να αναπτύσσονται σε ακραίες περιβαλλοντικές συνθήκες και να εκμεταλλεύονται κάθε σπιθαμή της βιόσφαιρας με αποτελεσματικούς τρόπους και πρόσφορα μέσα. σταθερή παρουσία τους στη Γη επί δισεκατομμύρια χρόνια υποδεικνύει την υψηλή προσαρμοστικότητά τους και τους καθιστά τους πλέον επιτυχημένους κατοίκους του πλανήτη. Ti Σε επόμενο κεφάλαιο θα μελετήσουμε το πλασμίδιο Ti, στο οποίο περιλαμβάνονται και γονίδια που προκαλούν όγκους σε φυτά! Το γενετικό υλικό των προκαρυωτικών είναι ένα κυκλικό μόριο DNA Ως προκαρυωτικά χαρακτηρίζονται τα κύτταρα που δεν έχουν οργανωμένο πυρήνα και μεμβρανώδη οργανίδια. Προκαρυωτικά κύτταρα είναι τα βακτήρια. Κύριο γενετικό υλικό των προκαρυωτικών οργανισμών Το κύριο γενετικό υλικό των προκαρυωτικών κυττάρων είναι ένα δίκλωνο, κυκλικό μόριο DNA (μήκους 1mm), που αναδιπλώνεται και πακετάρεται με τη βοήθεια πρωτεϊνών με αποτέλεσμα το τελικό του μήκος να είναι 1μm. Τα προκαρυωτικά κύτταρα περιέχουν ένα μόνο αντίγραφο του γονιδιώματός τους (απλοειδή). Πλασμίδια Τα πλασμίδια είναι δίκλωνα, κυκλικά μόρια DNA, το μέγεθος των οποίων ποικίλλει, που εντοπίζονται σε πολλά βακτήρια και περιέχουν μικρό ποσοστό της γενετικής πληροφορίας του κυττάρου (1-2%). Ένα βακτήριο μπορεί να μην περιέχει πλασμίδια, είτε να περιέχει ένα ή και περισσότερα πλασμίδια. Τα πλασμίδια αντιγράφονται ανεξάρτητα από το κύριο μόριο DNA του βακτηρίου και περιέχουν διάφορα γονίδια. Μεταξύ των γονιδίων που περιέχονται στα πλασμίδια είναι: γονίδια ανθεκτικότητας σε διάφορα αντιβιοτικά, γονίδια που σχετίζονται με τη μεταφορά γενετικού υλικού. Επιπλέον, τα πλασμίδια έχουν τη δυνατότητα να ανταλλάσουν γενετικό υλικό τόσο μεταξύ τους όσο και με το κύριο DNA του κυττάρου, καθώς και να μεταφέρονται από ένα βακτήριο σε άλλο. 22

Το γενετικό υλικό Το γενετικό υλικό των ευκαρυωτικών οργανισμών έχει πολύπλοκη οργάνωση Ευκαρυωτικά ονομάζονται τα κύτταρα που περιέχουν οργανωμένο πυρήνα και μεμβρανώδη οργανίδια. Τα ευκαρυωτικά κύτταρα φέρουν το γενετικό τους υλικό συγκεντρωμένο κυρίως στον πυρήνα, ενώ ένα πολύ μικρό ποσοστό του DNA των κυττάρων αυτών βρίσκεται στα μιτοχόνδρια και τους χλωροπλάστες (για τα φυτικά κύτταρα). ι ανώτεροι οργανισμοί αποτελούνται από ευκαρυωτικά κύτταρα. Όμως και πολλοί μονοκύτταροι οργανισμοί είναι ευκαρυωτικοί, όπως τα πρωτόζωα, οι μύκητες και τα μονοκύτταρα φύκη. Πυρήνας ευκαρυωτικών κυττάρων Το γενετικό υλικό των ευκαρυωτικών κυττάρων αποτελείται από πολλά, γραμμικά μόρια DNA. Το γενετικό υλικό των ευκαρυωτικών κυττάρων έχει πολύ μεγάλο μήκος. Μεγαλύτερο από αυτό των προκαρυωτικών κυττάρων. Το γενετικό υλικό του ανθρώπου αποτελείται από 46 μόρια DNA, συνολικού μήκους 2 μέτρων! πυρήνας έχει διάμετρο 10 5 m. αριθμός και το μήκος των μορίων του DNA ενός ευκαρυωτικού κυττάρου είναι χαρακτηριστικά για τα διαφορετικά είδη οργανισμών. Το γονιδίωμα των ευκαρυωτικών κυττάρων υπάρχει συνήθως σε δύο αντίγραφα, δηλαδή τα ευκαρυωτικά κύτταρα είναι διπλοειδή. Ευκαρυωτικά κύτταρα καλά σχηματισμένος και οργανωμένος πυρήνας των ευκαρυωτικών κυττάρων περιβάλλεται από πυρηνική μεμβράνη που τον διαχωρίζει από το υπόλοιπο κυτταρόπλασμα. Όμως, στο κυτταρόπλασμα των ευκαρυωτικών κυττάρων υπάρχουν και άλλα μεμβρανώδη οργανίδια, όπως μιτοχόνδρια, λυσοσώματα κ.ά. Ευκαρυωτικά κύτταρα είναι τα πρωτόζωα, οι μύκητες, τα φύκη και τα σωματικά κύτταρα των ανώτερων οργανισμών. Εκτός ύλης... αλλά απαραίτητα για την κατανόηση Αριθμός μορίων DNA στον πυρήνα αριθμός των μορίων DNA που υπάρχουν στον πυρήνα ενός κυττάρου εξαρτάται από το είδος του οργανισμού και, στην πραγματικότητα, ισούται με τον αριθμό των χρωμοσωμάτων που χαρακτηρίζει το είδος ή είναι διπλάσιος αυτού κατά τη χρονική στιγμή που το κύτταρο έχει διπλασιάσει το DNA του προκειμένου να διαιρεθεί. Παραδείγματα: 23

1 Είδος οργανισμού Μόρια DNA Αριθμός χρωμοσωμάτων Άνθρωπος 46 ή 92 46 Γάτα 38 ή 76 38 Πολική αρκούδα 74 ή 148 74 Αστακός 200 ή 400 200 Σημαντικό! Μη συσχετίσετε τον αριθμό των χρωμοσωμάτων με την πολυπλοκότητα των οργανισμών! Κριτήριο της πολυπλοκότητας ενός είδους αποτελεί ο αριθμός των βάσεων (κατά κανόνα). Ένα είδος μπορεί, συνεπώς, να χαρακτηρίζεται από μεγάλο αριθμό χρωμοσωμάτων, όπως ο αστακός, στα οποία να εντοπίζεται σχετικά μικρός αριθμός βάσεων. Επίπεδα οργάνωσης του ευκαρυωτικού DNA 1ο επίπεδο οργάνωσης: διπλή έλικα του DNA συνδέεται με τις ιστόνες (πρωτεΐνες), σχηματίζοντας τα νουκλεοσώματα. 2ο επίπεδο οργάνωσης: 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. 3ο επίπεδο οργάνωσης: Κατά την κυτταρική διαίρεση, τα ινίδια χρωματίνης συσπειρώνονται και σχηματίζουν τα μεταφασικά χρωμοσώματα. Νουκλεόσωμα λέξη αποτελεί σύνθεση του λατινικού όρου «nucleus» (πυρήνας) και του ελληνικού «σώμα», ακριβώς διότι τα νουκελοσώματα είναι σωματίδια που παρατηρούνται στον πυρήνα των ευκαρυωτικών κυττάρων. Νουκλεόσωμα Το νουκλεόσωμα αποτελεί τη βασική μονάδα οργάνωσης της χρωματίνης. Κάθε νουκλεόσωμα αποτελείται από 8 μόρια πρωτεϊνών που ονομάζονται ιστόνες (οκταμερές ιστονών), γύρω από τις οποίες τυλίγεται τμήμα DNA μήκους 146 ζευγών βάσεων. 24

Το γενετικό υλικό 146 ζεύγη βάσεων DNA Ιστόνες Κυτταρικός κύκλος κυτταρικός κύκλος είναι η πορεία της ζωής ενός κυττάρου, από τη στιγμή της δημιουργίας του από ένα προϋπάρχον κύτταρο μέχρι τη στιγμή που θα διαιρεθεί και πάλι προκειμένου να σχηματιστούν δύο θυγατρικά κύτταρα. Διακρίνεται στη μεσόφαση και τη μίτωση. Κατά τη μεσόφαση συντίθενται τα απαραίτητα συστατικά για την επιτέλεση των κυτταρικών λειτουργιών, ενώ πραγματοποιείται και η αντιγραφή του γενετικού υλικού. Κατά τη μίτωση πραγματοποιείται η διαίρεση του κυττάρου. Όλα τα κύτταρα διαιρούνται; Σχεδόν Εξαίρεση από τον κανόνα αποτελούν ορισμένα πολύ εξειδικευμένα κύτταρα, όπως τα νευρικά, που δεν διαιρούνται παρά μόνο λίγους μήνες μετά τη γέννηση του ατόμου. Τα υπόλοιπα διαιρούνται καθόλη τη ζωή του, αλλά με συχνότητες που διαφέρουν ανάλογα με το είδος του κυττάρου! Τα κύτταρα των οστών σας διαιρούνται κάθε 7 έτη, ενώ τα κύτταρα του επιθηλίου του εντέρου σας σχεδόν κάθε 24 ώρες! ΚΥΤΤΑΡΙΚΣ ΚΥΚΛΣ G1 Κυτταρική διαίρεση Μίτωση Διαχωρισμός χρωματίδων G2 Διπλασιασμένα χρωμοσώματα S Αντιγραφή του DNA Δεδομένων όσων συμβαίνουν κατά τη διάρκεια του κυτταρικού κύκλου, είναι εύκολο να κατανοήσετε ότι ένα ανθρώπινο κύτταρο στην αρχή της μεσόφασης έχει 46 μόρια DNA στον πυρήνα του, δηλαδή 46 χρωμοσώματα. Μετά την αντιγραφή έχει 92 μόρια DNA, που όμως συγκροτούν 46 χρωμοσώματα. Το ίδιο συμβαίνει μέχρι και τη μετάφαση της μίτωσης, ενώ κατά το τέλος της κυτταρικής διαίρεσης προκύπτουν δύο κύτταρα, καθένα εκ των οποίων έχει 46 μόρια DNA, δηλαδή 46 χρωμοσώματα. 25