ΠΑΓΚΥΠΡΙΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 2013 ΜΑΘΗΜΑ: ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΕΝΔΕΙΚΝΥΟΜΕΝΕΣ ΛΥΣΕΙΣ ΑΠΟ ΤΟ ΦΡΟΝΤΙΣΤΗΡΙΟ ΙΕΚ ΜΙΧΑΛΗ ΒΑΣΙΛΕΙΟΥ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ ΛΥΣΕΩΝ: ΦΡΥΝΗ ΣΟΛΩΝΟΣ ΒΙΟΛΟΓΟΣ, με πτυχίο Βιολογίας της Σχολής Θετικών και Τεχνολογικών Επιστημών, Πανεπιστημίου Κρήτης, μεταπτυχιακό τίτλο MSc in Educational Leadership and Management (with Distinction) του Cyprus International Institute of Management (CIIM) και σύντομα (Οκτώβριο 2013) με μεταπτυχιακό τίτλο στη Διοίκηση Επιχειρήσεων MBA του CIIM. ΜΕΡΟΣ Α : Αποτελείται από έξι (6) ερωτήσεις των πέντε (5) μονάδων η καθεμιά. 1. Δίδεται η εικόνα / δομή ενός φωσφορολιπιδίου, της λεκιθίνης. 1. Τα συστατικά μονομερή που σχηματίζουν το μόριο είναι: Α: Χολίνη (κάποιοι μαθητές ίσως χρησιμοποιήσουν τον όρο αλκοόλη όπως περιγράφεται σε άλλο παρόμοιο σχήμα του σχολικού βιβλίου), Β: Φωσφορική ομάδα, Γ: Γλυκερίνη, Δ: Λιπαρό οξύ (ή λιπαρά οξέα). (μονάδες 2) 2. Τρία (3) οργανίδια του φυτικού ή ζωικού κυττάρου, στη δομή των οποίων συμμετέχουν τα φωσφορολιπίδια: Τα φωσφορολιπίδια αποτελούν βασικό δομικό συστατικό των κυτταρικών μεμβρανών. Με βάση αυτό, οι μαθητές θα μπορούσαν να αναφερθούν στην κυτταρική μεμβράνη και σε κάποια από τα ακόλουθα οργανίδια: Α: Λυσοσώματα, Β: Πυρήνας, Γ: Μιτοχόνδρια, Δ: Χλωροπλάστες (ή πλαστίδια ως γενικότερο όρο), Ε: Ενδοπλασματικό Δίκτυο κ.ο.κ. (μονάδες 3)
2 2. Δίδονται δύο γραφικές παραστάσεις που περιγράφουν την επίδραση της θερμοκρασίας στην ταχύτητα αντίδρασης δύο ενζύμων. Το δεδομένο της ερώτησης είναι ότι το ένα ένζυμο προέρχεται από ανθρώπινο ιστό ενώ το άλλο από βακτήρια που ζουν σε θερμοπηγές. 1. Γραφική παράσταση Ε Α : Αντιπροσωπεύει το ανθρώπινο ένζυμο. Γραφική παράσταση Ε Β : Αντιπροσωπεύει το βακτηριακό ένζυμο. Ο λόγος είναι ότι τα περισσότερα ένζυμα του ανθρώπινου σώματος έχουν άριστη τιμή θερμοκρασίας μεταξύ 35 ο και 40 ο C, ενώ τα βακτήρια των θερμοπηγών έχουν πιο ανθεκτικά ένζυμα, των οποίων η άριστη τιμή θερμοκρασίας φτάνει τους 70 ο C. 2. Θερμοκρασία Θ Α : Αντιπροσωπεύει την άριστη τιμή θερμοκρασίας για το ένζυμο Α (ανθρώπινο). Θερμοκρασία Θ Β : Αντιπροσωπεύει την άριστη τιμή θερμοκρασίας για το ένζυμο Β (βακτηριακό). Ταχύτητα Τ Χ : Αντιπροσωπεύει τη μέγιστη ταχύτητα της αντίδρασης που αντιστοιχεί στην άριστη τιμή της θερμοκρασίας, αφού τότε μεγιστοποιείται η καταλυτική ικανότητα/δράση του ενζύμου/των ενζύμων. (μονάδες 3) 3. Στη θερμοκρασία Θ Χ η ταχύτητα μετατροπής των αντιδρώντων σε προϊόντα, του ενζύμου Ε Β, έχει πολύ μικρή τιμή επειδή κάτω από την άριστη τιμή, οι δεσμοί υδρογόνου και οι άλλες υδρόφοβες συνδέσεις που διαμορφώνουν τη στερεοχημική δομή του ενζύμου, δεν έχουν την απαιτούμενη ευελιξία για προσαρμογή του ενεργού κέντρου στο υπόστρωμα. Επομένως, η αντίδραση πραγματοποιείται με πολύ αργό ρυθμό. (Λόγω της εξειδίκευσης που παρουσιάζουν τα ένζυμα, δεν μπορούν να δράσουν αποτελεσματικά εκτός εάν γίνει πρόσδεση του υποστρώματος στο ενεργό κέντρο. Η πλήρης εφαρμογή του υποστρώματος στο ενεργό κέντρο θα οδηγήσει στη δημιουργία ενός προσωρινού συμπλόκου ενζύμου-υποστρώματος και το ένζυμο θα μπορεί με αυτό τον τρόπο να δράσει ως καταλύτης για την πραγματοποίηση της βιοχημικής αντίδρασης, μειώνοντας ταυτόχρονα την ενέργεια ενεργοποίησης που απαιτείται.)
3 3. Η ερώτηση αναφέρεται σε δύο σχήματα που συνδέονται μεταξύ τους: μια πειραματική διάταξη και τμήμα τομής μιτοχονδρίου, σε φυτικό κύτταρο της επιφάνειας ενός φύλλου, από το φυτό της πειραματικής διάταξης. 1. Οι δομές στην εσωτερική μεμβράνη του μιτοχονδρίου αντιπροσωπεύουν: Α: Αντλία πρωτονίων / Η + (θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν και οι όροι Σύμπλοκο ΙΙΙ ή κυτταροχρωμική οξειδάση), Β: ΑΤΡ - συνθετάση. 2. Η κίνηση των πρωτονίων με τη βοήθεια της δομής Α γίνεται ενεργητικά, αφού τα σύμπλοκα χρησιμοποιούν την ενέργεια που απελευθερώνεται κατά την κίνηση των ηλεκτρονίων για να εξάγουν πρωτόνια από τη μήτρα στο μεσομεμβρανικό χώρο του μιτοχονδρίου. Η κίνηση των πρωτονίων με τη βοήθεια της δομής Β γίνεται παθητικά, αφού λόγω της μεγάλης συγκέντρωσής τους στο μεσομεμβρανικό χώρο σε σχέση με τη μήτρα, τείνουν να επιστρέψουν στο εσωτερικό του μιτοχονδρίου μέσω του καναλιού της ΑΤΡ συνθετάσης (με στόχο την αποκατάσταση της ισορροπίας στη συγκέντρωση). Η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά την κίνηση των πρωτονίων οδηγεί στη σύνθεση της ΑΤΡ. (μονάδες 2) 3. Οι μαθητές καλούνται να υποστηρίξουν την πιο κάτω δήλωση, με τη βοήθεια του σχήματος, δίνοντας λεπτομερή εξήγηση. «Αν σταματήσει η παροχή CO 2 στο φυτό θα σταματήσει και η παραγωγή ΑΤΡ στη μήτρα του μιτοχονδρίου». Το ζητούμενο της ερώτησης είναι να δείξουν οι μαθητές ότι κατανοούν το γεγονός ότι η φωτοσύνθεση και η κυτταρική αναπνοή είναι δύο διαδικασίες αλληλένδετες. Το διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) είναι ανόργανο υλικό πρώτη ύλη για ένα φυτό προκειμένου να μπορεί να φωτοσυνθέσει και να παράξει οργανικές ουσίες, αλλά και να απελευθερώσει οξυγόνο στην ατμόσφαιρα (το οποίο προέρχεται από τη φωτόλυση του νερού, που γίνεται κατά τη φωτεινή φάση της φωτοσύνθεσης, στο εσωτερικό των θυλακοειδών των χλωροπλαστών
4 των κυττάρων του φύλλου). Αν σταματήσει η παροχή του (CO 2 ) στο φυτό, τότε το φυτό δεν θα είναι σε θέση να φωτοσυνθέσει. Επομένως, από τη στιγμή που το φυτό δεν τροφοδοτείται με ατμοσφαιρικό οξυγόνο, αφού είναι σε αεροστεγή κλειστό θάλαμο και δεν είναι σε θέση να απελευθερώσει οξυγόνο, λόγω μη πραγματοποίησης της φωτοσύνθεσης, δεν θα μπορεί να πραγματοποιήσει ούτε κυτταρική (αερόβια) αναπνοή. Η διαδικασία αυτή πραγματοποιείται στο μιτοχόνδριο του κυττάρου. Τα μόρια ΑΤΡ παράγονται κατά την τελική οξείδωση, που γίνεται στη μήτρα του μιτοχονδρίου. Απαραίτητη προϋπόθεση είναι να υπάρχει οξυγόνο, το οποίο θα είναι και ο τελικός δέκτης των ηλεκτρονίων που μεταβιβάζονται από τα NADH και FADH 2. Εφόσον δεν υπάρχει διαθέσιμο οξυγόνο, τα NADH και FADH 2 δεν μπορούν να οξειδωθούν και να χάσουν τα υδρογόνα τους και άρα, παραμένουν σε ανηγμένη μορφή. Συνεπώς, δεν υπάρχει ούτε η απαιτούμενη ενέργεια που απελευθερώνεται κατά την κίνηση ηλεκτρονίων και πρωτονίων για να γίνει σύνθεση της ΑΤΡ, ούτε και ελευρώνονται συνένζυμα NAD + και FAD των οποίων η ύπαρξη διασφαλίζει τη συνέχιση των διαδικασιών/σταδίων της κυτταρικής αναπνοής. (μονάδες 2) 4. Το σχήμα παρουσιάζει εγκάρσια τομή τμήματος βλεννογόνου του λεπτού εντέρου. 1. Τα υπόλοιπα τρία είδη ιστών/χιτώνων από τα οποία αποτελείται το τοίχωμα του λεπτού εντέρου είναι, ξεκινώντας από τον Βλεννογόνο: (1) Υποβλεννογόνιος (2) Μυικός (3) Ορογόνος. (μονάδες 1,5) 2. Οι δομές που αντιπροσωπεύονται στο σχήμα από τα αντίστοιχα γράμματα είναι: Ζ: Μικρολάχνες, Χ: Επιθηλιακά κύτταρα, Ψ: Λάχνες, Υ: Τριχοειδή Αγγεία. (μονάδες 2) 3. Δύο θρεπτικές οργανικές ουσίες που μεταφέρονται με τη βοήθεια της δομής Υ είναι τα αμινοξέα και τα σάκχαρα. Μία ουσία που μεταφέρεται με τη βοήθεια του λεμφαγγείου είναι τα χυλομικρά. (μονάδες 1,5)
5 5. Σύγχρονη αντίληψη για το «Κεντρικό Δόγμα της Μοριακής Βιολογίας». 1. Διαδικασίες που φαίνονται στο σχήμα: Α: Αυτοδιπλασιασμός Β: Μεταγραφή Γ: Αυτοδιπλασιασμός Δ: Μετάφραση (μονάδες 2) 2. Οργανίδιο R: Ριβόσωμα Ένζυμο Ε: Αντίστροφη μεταγραφάση 3. Οι μαθητές καλούνται να υποστηρίξουν την άποψη ότι: η ορθή έννοια είναι «ένα γονίδιο κωδικοποιεί για μια πολυπεπτιδική αλυσίδα» και όχι «ένα γονίδιο κωδικοποιεί για μια πρωτεΐνη». Κάθε γονίδιο αποτελεί τμήμα του DNA με συγκεκριμένη ακολουθία και μέσω της μεταγραφής και της μετάφρασης καθορίζει τη σειρά των αμινοξέων στην πολυπεπτιδική αλυσίδα. Κάθε φορά δηλαδή κατασκευάζεται ένα πολυπεπτίδιο, αφού η μετάφραση είναι το στάδιο κατά το οποίο γίνεται αντιστοίχιση των κωδικίων σε αμινοξέα και σύνδεση των αμινοξέων σε πολυπεπτιδική αλυσίδα. Η δεύτερη έννοια δεν μπορεί να γίνει αποδεκτή, αφού μια πρωτεΐνη μπορεί να αποτελείται από μία ή περισσότερες πολυπεπτιδικές αλυσίδες. Επομένως, στην περίπτωση που αποτελείται από περισσότερες, θα έπρεπε να εμπλακούν και περισσότερα γονίδια στη διαδικασία για την κωδικοποίησή τους. 4. Είναι δυνατόν να υπάρχουν πάνω από 200 διαφορετικοί τύποι σωματικών κυττάρων στον οργανισμό μας, που διαφέρουν μεταξύ τους δομικά και λειτουργικά, τη στιγμή που όλοι οι τύποι κυττάρων διαθέτουν τα ίδια γονίδια. Η δομική και λειτουργική εξειδίκευση των κυττάρων προκύπτει μετά από μια διαδικασία που λέγεται διαφοροποίηση. Κατά τη διάρκεια της διαφοροποίησης ένα κύτταρο επιλέγει τα γονίδια τα οποία θα ενεργοποιήσει και απενεργοποιεί τα υπόλοιπα. Με τον όρο ενεργοποίηση γονιδίων αναφερόμαστε στην έκφρασή τους μέσω της μεταγραφής και της μετάφρασης που οδηγούν στην παραγωγή πολυπεπτιδικών αλυσίδων. Ενώ λοιπόν ο γενετικός κώδικας είναι παγκόσμιος και τα κύτταρα διαθέτουν το ίδιο γενετικό υλικό, παρουσιάζουν διαφορές που αποδίδονται στη (διαφορετική) γονιδιακή έκφραση.
6 6. Ανθρώπινο ωοκύτταρο Β τάξης. 1. Το ωοκύτταρο Β τάξης βρίσκεται στο στάδιο της μετάφασης της δεύτερης μειωτικής διαίρεσης. 2. Το ωοκύτταρο Β τάξης παράγεται συγχρόνως με το 1 ο πολικό σωμάτιο, ως αποτέλεσμα της πρώτης μειωτικής διαίρεσης του ωογονίου. Η δεύτερη μειωτική διαίρεση συμπληρώνεται μόνο μετά τη γονιμοποίηση. Το ωοκύτταρο Β τάξης και το πολικό σωμάτιο περιβάλλονται από τη διαφανή ζώνη, που είναι ένα παχύ προστατευτικό στρώμα από γλυκοπρωτεΐνες. Κατά τη γονιμοποίηση του ωοκυττάρου Β τάξης από το σπερματοζωάριο, τα κοκκιώδη κυστίδια, που βρίσκονται στην περιφέρεια του κυτταροπλάσματος του ωοκυττάρου, κοντά στην κυτταρική μεμβράνη και περιέχουν ειδικά ένζυμα, παίζουν σημαντικό ρόλο στο σχηματισμό της μεμβράνης γονιμοποίησης, που δεν επιτρέπει σε δεύτερο σπερματοζωάριο να εισέλθει. Το πρώτο σπερματοζωάριο που διαπερνά τα κύτταρα του ωοθυλακίου αναγνωρίζεται από ένα είδος γλυκοπρωτεΐνης της διαφανούς ζώνης, που δρα ως υποδοχέας ενός συμπληρωματικού μορίου της κυτταρικής μεμβράνης στην κεφαλή του σπερματοζωαρίου και ενώνεται μαζί του. Με την ένωση διεγείρεται το ακρόσωμα του σπερματοζωαρίου που απελευθερώνει τα λυτικά του ένζυμα με εξωκυττάρωση. Επομένως, το σπερματοζωάριο διαπερνά τα στρώματα της διαφανούς ζώνης και προσεγγίζει το ωοκύτταρο. Έπειτα παρατηρείται ένωση της κυτταρικής μεμβράνης του ωοκυττάρου με την κυτταρική μεμβράνη της κεφαλής του σπερματοζωαρίου και το σπερματοζωάριο εισέρχεται στο ωοκύτταρο (με εξαίρεση τα μιτοχόνδρια), με τη βοήθεια κυτταροπλασματικών προεκβολών που δημιουργεί το ωοκύτταρο. (μονάδες 3) 3. Αν στην περιφέρεια του πιο πάνω κυττάρου υπήρχαν δύο ή τρία πολικά σωμάτια και στο κυτταρόπλασμά του δύο ξεχωριστοί πυρήνες με διαφορετικό γενετικό υλικό, το κύτταρο αυτό θα ονομαζόταν ωάριο. Αυτό μπορεί να δικαιολογηθεί από το γεγονός ότι το ωάριο σχηματίζεται μετά από συμπλήρωση της 2 ης μειωτικής διαίρεσης του ωοκυττάρου που γίνεται μετά τη γονιμοποίηση. Συνεπώς, αποχωρίζεται και το 2 ο πολικό σωμάτιο. Οι δύο ξεχωριστοί πυρήνες που βρίσκονται στο κυτταρόπλασμά του ανήκουν ο ένας στο ωάριο και ο άλλος στο σπερματοζωάριο. Πρόκειται για τους δύο απλοειδείς πυρήνες που θα ενωθούν προκειμένου να δημιουργήσουν το ζυγωτό
7 και να αποκαταστήσουν το διπλοειδή αριθμό των χρωματοσωμάτων (2n = 46, στον άνθρωπο). ΜΕΡΟΣ Β : Αποτελείται από τέσσερις (4) ερωτήσεις των δέκα (10) μονάδων η καθεμιά. 7. Κύκλος ζωής τυπικού σωματικού αδιαφοροποίητου κυττάρου. 1. Δύο δομικά χαρακτηριστικά κυττάρου, που βρίσκεται στο στάδιο της Μεσόφασης: Μπορούν να αναφερθούν 2 από τα ακόλουθα: ορατός πυρήνας που περιβάλλεται από πυρηνικό φάκελο, ορατός πυρηνίσκος, δύο κεντροσωμάτια ορατά, μη ορατά χρωματοσώματα βρίσκονται ακόμα σε μορφή νηματίων χρωματίνης. (μονάδες 2) 2. Δύο σημαντικά γεγονότα λειτουργίες που συμβαίνουν κατά τη Μεσόφαση και αποδεικνύουν ότι δεν είναι στάδιο ηρεμίας ανάπαυσης. Μπορούν να αναφερθούν τα εξής: (1) ανάπτυξη του κυττάρου με τη σύνθεση πρωτεϊνών και την παραγωγή κυτταροπλασματικών οργανιδίων, (2) αυτοδιπλασιασμός των χρωματοσωμάτων. (μονάδες 2) 3. Σωματικό αδιαφοροποίητο κύτταρο σε 3 διαφορετικά στάδια του κύκλου ζωής του. I. Στάδιο Α: Ανάφαση Στάδιο Β: Πρόφαση Στάδιο Γ: Μετάφαση (μονάδες 1,5) ΙΙ. Χ: Κεντροσωμάτιο Ψ: Μικροσωληνίσκοι (ινίδια) ατράκτου Ζ: Θραύσματα πυρηνικής μεμβράνης (μονάδες 1,5)
8 4. Ζεύγος ομόλογων χρωματοσωμάτων. I. Το φαινόμενο που παρουσιάζεται στο σημείο Ω ονομάζεται χιασματυπία (διασκελισμός / ανασυνδυασμός γενετικού υλικού). II. III. Η πυρηνική διαίρεση που γίνεται στο συγκεκριμένο κύτταρο είναι μείωση. Το κύτταρο βρίσκεται σε στάδιο πρόφασης 1 ης μειωτικής διαίρεσης. Η βιολογική σημασία του φαινομένου της χιασματυπίας είναι ότι αυξάνει την ποικιλομορφία που παρατηρείται στους οργανισμούς που αναπαράγονται με αμφιγονία, λόγω της ανταλλαγής χρωματοσωμικού υλικού μεταξύ μη αδερφών χρωματίδων. 8. Ερώτηση που αναφέρεται στο κεφάλαιο «DNA Ο Φορέας της Γενετικής Πληροφορίας». 1. Βιολογικό Μακρομόριο. I. Χ: DNA A: Φωσφορική ομάδα Δ: Δεσοξυριβόζη (πεντόζη) (μονάδες 1,5) II. Χημικοί δεσμοί Γ: Δεσμοί υδρογόνου Ζεύγος βάσεων Β: Ζεύγος C-G (κυτοσίνη γουανίνη: ενώνονται με 3 δεσμούς υδρογόνου) Ζεύγος βάσεων Ε: A-T (αδενίνη θυμίνη: ενώνονται με 2 δεσμούς υδρογόνου) (μονάδες 1,5) * Ισχύει ο κανόνας της συμπληρωματικότητας των βάσεων. III. Άκρο Υ: 3 Άκρο Ζ: 5 (Κατεύθυνση στη δεξιά πλευρά του μορίου: 3 5 )
9 2. Δίδεται τμήμα της μη μεταγραφόμενης αλυσίδας ενός γονιδίου. I. Μεταγραφόμενη αλυσίδα DNA: 3 GTT / ACA / TAC / AAA / ACC / CTA 5 II. III. IV. Τμήμα mrna: 5 CAA / UGU / AUG / UUU / UGG / GAU 3 Πρωτοταγής δομή τμήματος πολυπεπτιδικής αλυσίδας: Γλουταμίνη Κυστεΐνη Μεθειονίνη Φαινυλαλανίνη Τρυπτοφάνη Ασπαρτικό Οξύ Γονιδιακές μεταλλάξεις: (1) Ο γενετικός κώδικας είναι εκφυλισμένος. Με εξαίρεση δύο αμινοξέα, τα υπόλοιπα 18 κωδικοποιούνται από δύο μέχρι και έξι διαφορετικά κωδίκια. Επομένως, η μετάλλαξη μπορεί να χαρακτηριστεί και ως σιωπηλή αφού φαίνεται να οδηγεί στη δημιουργία συνώνυμων κωδικίων που δεν έχουν επίδραση στο φαινότυπο. Έτσι, η πρωτοταγής δομή δεν αλλάζει. (2) Ο γενετικός κώδικας είναι συνεχής, δηλαδή το mrna διαβάζεται συνεχώς ανά τρία νουκλεοτίδια χωρίς να παραλείπεται κάποιο νουκλεοτίδιο. Για να παρατηρείται αλλαγή σε μεγάλο αριθμό αμινοξέων πάει να πει ότι η μετάλλαξη τροποποίησε σημαντικά το πλαίσιο ανάγνωσης. Από το σημείο της μετάλλαξης και πέρα φαίνεται να αλλάζουν οι τριπλέτες. Συνεπώς, αλλάζει και η σειρά (αλληλουχία) με την οποία διαβάζονται οι τριάδες των νουκλεοτιδίων (κωδικίων) και κατ επέκταση τα αμινοξέα που κωδικοποιούνται. (3) Ο γενετικός κώδικας έχει κωδίκιο έναρξης και κωδίκια λήξης. Υπάρχουν τρία κωδίκια λήξης, η παρουσία των οποίων στο μόριο του mrna οδηγεί στον τερματισμό της σύνθεσης της πολυπεπτιδικής αλυσίδας. Επομένως, για να υπάρχει έλλειμμα στο καρβοξυτελικό άκρο της αλυσίδας, η μετάλλαξη οδήγησε στη δημιουργία του κωδικίου λήξης γεγονός που τερμάτισε τη σύνθεση της πολυπεπτιδικής αλυσίδας πρόωρα.
10 9. Μη κυκλική φωτοφωσφορυλίωση 1. Δομή Α: Φωτοσύστημα ΙΙ Δομή Β: Φωτοσύστημα Ι Χλωροφύλλη 1: Χλωροφύλλη α Ρ680 Χλωροφύλλη 2: Χλωροφύλλη α Ρ700 (μονάδες 2) 2. Χ: ΑΤΡ Υ: NADPH (+ H + ) Ζ: O2 (μονάδες 1,5) 3. Χημειωσμωτική σύνθεση της ΑΤΡ: Για να σχηματιστεί η ΑΤΡ είναι απαραίτητη η παρουσία του ενζύμου ΑΤΡ συνθετάση, που είναι τοποθετημένο στη μεμβράνη του θυλακοειδούς του χλωροπλάστη μαζί με τα δύο φωτοσυστήματα, διάφορα κυτταροχρώματα και το ένζυμο NADP - αναγωγάση. Όταν γίνει πρόσπτωση φωτονίων στη χλωροφύλλη του φωτοσυστήματος ΙΙ κατά τη μη κυκλική φωτοφωσφορυλίωση, αποβάλλονται ηλεκτρόνια που περνούν μέσα από μια αλυσίδα μεταφορέων ηλεκτρονίων, που βρίσκονται στις μεμβράνες των θυλακοειδών. Τα ηλεκτρόνια παραλαμβάνονται αρχικά από τον πρωτογενή δέκτη (2) και από εκεί μεταφέρονται στην πλαστοκινόνη (3). Τα ηλεκτρόνια αυτά αποδίδουν την ενέργειά τους σε μια αντλία πρωτονίων, του συμπλόκου κυτταροχρωμάτων (4), η οποία μεταφέρει πρωτόνια από το στρώμα του χλωροπλάστη προς το εσωτερικό του θυλακοειδούς. Τα ηλεκτρόνια χάνουν την ενέργειά τους και φεύγοντας από την τελευταία ουσία της οξειδοαναγωγικής αλυσίδας, την πλαστοκυανίνη (5), δίνονται στο φωτοσύστημα Ι όπου και επαναφέρουν τη χλωροφύλλη α Ρ700 στη θεμελιώδη κατάσταση. Η χλωροφύλλη α Ρ680 του φωτοσυστήματος ΙΙ αποσπά ηλεκτρόνια από το νερό, με τη βοήθεια της πρωτεΐνης Ζ και επανέρχεται στη θεμελιώδη κατάσταση. Την ίδια στιγμή παράγεται οξυγόνο και ελευθερώνονται πρωτόνια (προϊόν W). Αυτά
11 πραγματοποιούνται στο πλαίσιο μιας αντίδρασης, που ενισχύεται από τη φωτεινή ενέργεια και λέγεται φωτόλυση του νερού. Το οξυγόνο που παράγεται απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα. Η αυξανόμενη συγκέντρωση πρωτονίων στο εσωτερικό του θυλακοειδούς από τη δράση των αντλίων πρωτονίων και τη φωτόλυση του νερού διαταράσσει την ισορροπία μεταξύ του εσωτερικού του θυλακοειδούς και του στρώματος. Λόγω της διαφοράς συγκέντρωσης, τα πρωτόνια κατευθύνονται από το εσωτερικό του θυλακοειδούς προς το στρώμα του χλωροπλάστη, με στόχο την αποκατάσταση της ισορροπίας. Η έξοδος των πρωτονίων γίνεται μέσω του ειδικού καναλιού της ΑΤΡ-συνθετάσης και η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά την κίνησή τους δεσμεύεται από μόρια ADP + Pi για το σχηματισμό ΑΤΡ. Η διαδικασία μοιάζει με φαινόμενα ώσμωσης και έτσι, λέγεται χημειωσμωτική. (μονάδες 4,5) 4. Κύκλος του Calvin I. Έλλειψη ΑΤΡ και αύξηση στη συγκέντρωση του NADPH θα είχε όντως δυσμενές αποτέλεσμα για τον κύκλο. Τα NADPH δίνουν υδρογόνα στα μόρια του διφωσφορογλυκερινικού οξέος, τα οποία μετά από αποφωσφορυλιώσεις δίνουν μόρια φωσφορογλυκεριναλδεΰδης. Μέρος της ουσίας αυτής θα σχηματίσει τη γλυκόζη, ενώ το υπόλοιπο θα χρησιμοποιηθεί για το σχηματισμό μονοφωσφορικής ριβουλόζης. Η οποία μονοφωσφορική ριβουλόζη χρειάζεται ενέργεια και φωσφορική ομάδα από την ΑΤΡ για να μετατραπεί σε διφωσφορική ριβουλόζη, που αποτελεί την πρώτη πολύ σημαντική ουσία με την οποία ξεκινά ο κύκλος. Έλλειψη ΑΤΡ θα έχει ως αποτέλεσμα έλλειψη και της διφωσφορικής ριβουλόζης, αφού τα μόρια της μονοφωσφορικής ριβουλόζης δε θα βρίσκουν διαθέσιμες φωσφορικές ομάδες για να φωσφορυλιωθούν. Επομένως, ο κύκλος θα σταματά και κατά συνέπεια θα επηρεάζεται όλη η διαδικασία της φωτοσύνθεσης, αφού χωρίς την ADP και το NADP +, που παράγονται κατά τη σκοτεινή φάση και μεταφέρονται πίσω στα θυλακοειδή των χλωροπλαστών, δεν μπορούν να παραχθούν η ΑΤΡ και το NADPH κατά τη φωτεινή φάση. II. Κυκλική κίνηση ηλεκτρονίων. (1) Μόρια μεταφορείς που εμπλέκονται στην κυκλική κίνηση: 6 7 8 4 5. (2) Ο κύκλος του Calvin θα επηρεαστεί σημαντικά, δεδομένου ότι κατά την κυκλική πορεία δεν παράγεται NADPH. Συνεπώς, τα
12 μόρια του διφωσφορογλυκερινικού οξέος δε θα μετατρέπονται σε φωσφορογλυκεριναλδεΰδη και η συγκέντρωσή τους θα παρουσιάζει αύξηση. Η διαδικασία θα σταματά στο σημείο αυτό και έτσι, ούτε μόρια γλυκόζης θα μπορούν να παραχθούν, αλλά ούτε και μόρια μονοφωσφορικής ριβουλόζης, με όλα όσα αυτό συνεπάγεται έχει ήδη γίνει αναφορά πιο πάνω. 10. Τομή ανθρώπινης καρδίας 1. 1: Ανώνυμη αρτηρία 2: Μηνοειδείς βαλβίδες 3: Τριγλώχινη βαλβίδα 4: Δεξιά κοιλία 5: Αριστερή υποκλείδια αρτηρία 6: Αριστερός κόλπος 7: Διγλώχινη βαλβίδα 8: Τενόντιες χορδές 9: Θηλοειδής μυς 10: Αριστερή κοιλία (μονάδες 5) 2. Κατά τη συστολή των κοιλιών το αίμα κατευθύνεται προς τις μεγάλες αρτηρίες. Η μεν δεξιά κοιλία προωθεί το αίμα προς την πνευμονική αρτηρία από όπου και κατευθύνεται προς τους πνεύμονες, η δε αριστερή κοιλία προς την αορτή με στόχο να τροφοδοτήσει με οξυγόνο όλους τους ιστούς του οργανισμού. Για να γίνει αυτό κατορθωτό, πρέπει να παραμείνουν κλειστές η τριγλώχινη και η διγλώχινη βαλβίδα αντίστοιχα, για να μην γίνει παλινδρόμηση του αίματος από τις κοιλίες προς τους κόλπους. Επιπλέον, λόγω της αυξημένης πίεσης το αίματος, ανοίγουν οι μηνοειδείς βαλβίδες για προώθηση του αίματος στις αντίστοιχες αρτηρίες. Οι δομές 8 και 9 είναι εκείνες που κρατούν κλειστές την τριγλώχινη και τη διγλώχινη βαλβίδα, εμποδίζοντάς τις να γυρίσουν προς τους κόλπους, ενώ παράλληλα συγκρατούν τις μηνοειδείς βαλβίδες. Οι θηλοειδείς μύες ενώνονται με τις βαλβίδες μέσω των τενόντιων χορδών. Η συστολή των δομών αυτών αρχίζει λίγο πριν από τη συστολή των κοιλιών, κάτι που δρα ενισχυτικά στη διατήρηση της τάσης στην περιοχή και διασφαλίζει τη μονόδρομη ροή του αίματος από τους κόλπους προς τις κοιλίες. (μονάδες 2)
13 3. Πιέσεις του αίματος καρδιακός κύκλος σε νεαρό άνδρα. I. Δομή 2: Μηνοειδής βαλβίδα Στο αριστερό μέρος της καρδίας: είσοδος αορτής Σημείο Α: Έτοιμη για άνοιγμα Σημείο Β: Ανοικτή Σημείο Γ: Έτοιμη για Κλείσιμο Σημείο Δ: Κλειστή (μονάδες 2) II. Αρτηριακή πίεση είναι η πίεση του αίματος στις αρτηρίες της συστηματικής κυκλοφορίας. Όταν γίνεται σύσπαση των κοιλιών το αίμα προωθείται στις αρτηρίες και αναπτύσσεται η μέγιστη αρτηριακή πίεση συστολική πίεση. Όταν χαλαρώνουν οι κοιλίες η πίεση χαρακτηρίζεται ως διαστολική. Ένας νεαρός υγιής άνδρας θα έπρεπε να έχει πίεση 120 mmhg 80 mmhg. Όπως φαίνεται στο σχήμα, ο άνδρας έχει πίεση (περίπου) 150 mmhg 110 mmhg (υπολογίζεται από την πίεση του αίματος στην καμπύλη της αορτής). Επομένως, ο γιατρός δικαίως κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ο νεαρός άνδρας πάσχει από υπέρταση, αφού οι τιμές της αρτηριακής του πίεσης είναι μεγαλύτερες από τις φυσιολογικές. 11. Ανάπτυξη του ζυγωτού σε έμβρυο 1. Γ: Μορίδιο Δ: Βλαστίδιο
14 2. Το ζυγωτό εντοπίζεται στον ωαγωγό, ενώ το έμβρυο εντοπίζεται στη μήτρα (ενδομήτριο). 3. Η δομή Δ, το βλαστίδιο, προσεγγίζει το ενδομήτριο ενώ παράλληλα, ορισμένα από τα κύτταρα της εξωτερικής του στιβάδας σχηματίζουν την τροφοβλάστη με την οποία θα εξασφαλίσει τη σύνδεσή του με το ενδομήτριο. Μια βδομάδα μετά τη γονιμοποίηση, το βλαστίδιο είναι έτοιμο να εμφυτευθεί στο ενδομήτριο. Επομένως, τα κύτταρα της τροφοβλάστης εκκρίνουν πρωτεολυτικά ένζυμα και εισχωρούν στο ενδομήτριο, σχηματίζοντας προεκβολές με τις οποίες το έμβρυο εμφυτεύεται στο ενδομήτριο. Οι προεκβολές αυτές αργότερα θα σχηματίσουν το χόριο, μια διπλή εξωεμβρυϊκή μεμβράνη που περιβάλλει το έμβρυο και χρησιμεύει για την τροφοδοσία του με θρεπτικά υλικά από το ενδομήτριο. Από τη στιγμή της εμφύτευσης, το έμβρυο αρχίζει να τρέφεται από το ενδομήτριο. (μονάδες 4) 4. Γυναίκα με καθυστέρηση στην έλευση της έμμηνης ρύσης κάνει τεστ εγκυμοσύνης. I. Σε περίπτωση θετικού αποτελέσματος στο κλασικό τεστ εγκυμοσύνης, ανιχνεύεται η ορμόνη χοριονική γοναδοτροπίνη. Η ορμόνη είναι παρούσα στα ούρα της εγκύου από τη στιγμή της εμφύτευσης του εμβρύου. (μονάδες 1) II. Η χοριονική γοναδοτροπίνη εκκρίνεται από την τροφοβλάστη. Η ορμόνη αυτή διατηρεί το ωχρό σωμάτιο σε πλήρη λειτουργία, ώστε η έκκριση των ορμονών του, προγεστερόνης και οιστραδιόλης να είναι συνεχής, με αποτέλεσμα να συντηρείται και να αναπτύσσεται το ενδομήτριο για 16 εβδομάδες και να αναστέλλεται η έμμηνη ρύση. Ο λόγος αναστολής της έμμηνης ρύσης είναι γιατί οι αυξημένες συγκεντρώσεις της οιστραδιόλης και της προγεστερόνης στο αίμα, επιδρούν στον υποθάλαμο και την αδενοϋπόφυση και προκαλούν αναστολή της έκκρισης των γοναδοτρόπων ορμονών από την αδενοϋπόφυση αυτό είναι γνωστό και ως αρνητική ανάδραση. (μονάδες 4) 5. Η γυναίκα εμφάνισε τελικά έμμηνη ρύση και υπολόγισε ότι ο τελευταίος της κύκλος διήρκησε 40 μέρες. I. Δύο πιθανοί λόγοι για την εμφάνιση του κύκλου 40 ημερών είναι: ψυχολογικοί, παρενέργειες φαρμάκων ή κάποια ασθένεια (θα έπρεπε να αναφερθούν οι 2)
15 II. Ο κύκλος είχε διάρκεια 40 ημερών. Η ωοθυλακιορρηξία υπολογίζεται ότι συμβαίνει 14 ημέρες πριν από το τέλος του κύκλου και άρα, την 26 η μέρα. Θα μπορούσε όμως να συμβεί την 25 η ή την 27 η μέρα. Ένα ωοκύτταρο Β τάξης μπορεί να επιβιώσει μέσα στον ωαγωγό μέχρι 24 ώρες περίπου, μετά την ωοθυλακιορρηξία, ενώ τα σπερματοζωάρια μπορούν να επιβιώσουν στο γεννητικό σύστημα της γυναίκας το πολύ μέχρι 72 ώρες. Επομένως, κρίσιμη περίοδος θεωρείται το διάστημα εκείνο κατά το οποίο θα μπορούσε να μείνει έγκυος η γυναίκα, μετά από σεξουαλική επαφή. Με αυτά τα δεδομένα, η κρίσιμη περίοδος της συγκεκριμένης γυναίκας εκτείνεται από την 23 η μέχρι την 28 η μέρα του κύκλου της. (μονάδες 3) 12. Α = υγιές, α = αλφισμός, Θ = υγιές, θ = β-μεσογειακή αναιμία 1. Άνδρας με αλφισμό και ερυθρά αιμοσφαίρια με φυσιολογική εικόνα. Γυναίκα με κανονικό χρώμα δέρματος, αιμοσφαιρίνη Α ελαφρά χαμηλότερη από την κανονική και μικρό αριθμό ερυθρών αιμοσφαιρίων με ακανόνιστο σχήμα. I. Γονότυπος άνδρα: ααθθ Ο άνδρας πάσχει από αλφισμό, ο οποίος οφείλεται σε αυτοσωματικό υπολειπόμενο γονίδιο και άρα, χρειάζονται δύο αντίγραφα του γονιδίου προκειμένου να εκφραστεί (πρέπει να βρεθεί σε ομόζυγη κατάσταση). Τα ερυθρά του αιμοσφαίρια παρουσιάζουν φυσιολογική εικόνα και επομένως, δεν υπάρχουν λόγοι για να θεωρεί φορέας έστω, του γονιδίου της β-μεσογειακής αναιμίας. Γονότυπος γυναίκας: ΑαΘθ Ο πατέρας της πάσχει από β- μεσογειακή αναιμία και η μητέρα της είναι αλφική. Επομένως, παίρνει ένα αντίγραφο του υπολειπόμενου γονιδίου της μεσογειακής αναιμίας από τον πατέρα της και ένα αντίγραφο του υπολειπόμενου γονιδίου του αλφισμού από τη μητέρα της. Ο άντρας είναι ομόζυγος ως προς και τους δύο χαρακτήρες, ενώ η γυναίκα είναι ετερόζυγη. (μονάδες 4)
16 II. Πατρική γενιά - Ρ. ααθθ x ΑαΘθ Γαμέτες: αθ / ΑΘ ή Αθ ή αθ ή αθ Απόγονοι F 1 : ΑαΘΘ, ΑαΘθ, ααθθ, ααθθ Η πιθανότητα να αποκτήσουν αλφικό παιδί που να πάσχει από β-μεσογειακή αναιμία είναι 0%, έχουν όμως 25% πιθανότητα να αποκτήσουν αλφικό παιδί που να φέρει το υπολειπόμενο γονίδιο της β-μεσογειακής αναιμίας. (μονάδες 4) 2. Τα άτομα που πάσχουν από β-μεσογειακή αναιμία δεν παρουσιάζουν κανένα πρόβλημα κατά την εμβρυική ζωή, γιατί το έμβρυο διαθέτει εμβρυική αιμοσφαιρίνη F και όχι την αιμοσφαιρίνη που διαθέτουν τα άτομα μετά τη γέννησή τους. Το μόριο της αιμοσφαιρίνης που αντικαθιστά την εμβρυική αιμοσφαιρίνη είναι μια πρωτεΐνη που αποτελείται από 4 πολυπεπτιδικές αλυσίδες. Τα άτομα που πάσχουν από β-μεσογειακή αναιμία εμφανίζουν μεταλλάξεις στα χρωματοσώματά τους, με αποτέλεσμα τη μειωμένη παραγωγή αλυσίδων β. Επομένως, μπορούμε να πούμε ότι τα έμβρυα δεν αντιμετωπίζουν πρόβλημα με κάποιου είδους μετάλλαξη, σε αντίθεση με τα άτομα μετά τη γέννησή τους όπου, καθώς τα γονίδια προσπαθούν να κωδικοποιήσουν την αιμοσφαιρίνη υπόκεινται σε αλλαγές που δημιουργούν προβλήματα στους οργανισμούς. Άρα, κατά την εμβρυική ηλικία δεν υπάρχει πρόβλημα με τη γονιδιακή έκφραση, αφού η αιμοσφαιρίνη σχηματίζεται κανονικά, ενώ αργότερα, λόγω μετάλλαξης, υπάρχει πρόβλημα στη γονιδιακή έκφραση. Λόγω των μεταλλάξεων αλλάζει το πλαίσιο ανάγνωσης και αυτό έχει άμεση επίδραση στο φαινότυπο δηλαδή, μειωμένη παραγωγή συγκεκριμένων αλυσίδων και δημιουργία άλλου τύπου αιμοσφαιρίνης. (μονάδες 2) 3. Παιδιά που πάσχουν από β-μεσογειακή αναιμία και δεν έχουν τύχει ποτέ περίθαλψης, παρουσιάζουν τα πιο κάτω συμπτώματα: I. Δύο ιατρικές ενέργειες για αντιμετώπιση είναι: Μεταγγίσεις αίματος συχνά, απομάκρυνση σιδήρου από τον οργανισμό με τη βοήθεια φαρμάκων. (μονάδες 2)
17 II. Η εμφάνιση περιορισμένης μυϊκής δύναμης σε αυτά τα άτομα μπορεί να εξηγηθεί από το γεγονός ότι λόγω της ποσοτικής βλάβης που παρουσιάζεται στην αιμοσφαιρίνη τους, δεν μπορούν να μεταφέρουν αρκετό οξυγόνο στα κύτταρα. Μειωμένη τροφοδοσία των κυττάρων με οξυγόνο σημαίνει κατ επέκταση και μειωμένη ικανότητα για κυτταρική αναπνοή. Επομένως, οι οργανισμοί δεν μπορούν να καλύψουν τις ενεργειακές ανάγκες των κυττάρων τους / των μυών τους και επέρχεται η κόπωση πολύ πιο γρήγορα. Φυσικό επακόλουθο είναι η ανικανότητα των ατόμων αυτών να κάνουν βαριά άσκηση γιατί τότε οι μύες θα είχαν ακόμα μεγαλύτερες ενεργειακές ανάγκες (άρα μεγαλύτερη ζήτηση για οξυγόνο) και ο οργανισμός θα ήταν ακόμα πιο αποδυναμωμένος. Η κατάσταση είναι ακόμα χειρότερη όταν τα άτομα δεν λαμβάνουν ιατρική βοήθεια γιατί εκτός της μη αποδοτικής δέσμευσης και μεταφοράς οξυγόνου, συσσωρεύονται και ποσότητες σιδήρου στον οργανισμό τους οι οποίες σταδιακά θα δημιουργήσουν προβλήματα στην καρδία, στο συκώτι και σε άλλους αδένες. (μονάδες 3)