15 Ιουνίου 2016 ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΟΜΑΔΑΣ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΘΕΤΙΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ Απαντήσεις Θεμάτων Επαναληπτικών Πανελλαδικών Εξετάσεων Εσπερινών Γενικών Λυκείων (Νέο & Παλιό Σύστημα) ΘΕΜΑ Α Α.1 β Α.2 γ Α.3 δ Α.4 α Α.5 δ ΘΕΜΑ B B.1 Τα πλασμίδια είναι μικρά κυκλικά μόρια DNA που συναντώνται μόνο στους προκαρυωτικούς οργανισμούς (βακτήρια). Έτσι δεν αναμένουμε να υπάρχουν στα φυτικά κύτταρα. Παρόλα αυτά, μπορεί να συναντήσουμε πλασμίδιο σε κάποιο φυτικό κύτταρο που: Α) Έχει μολυνθεί φυσικά από κάποιο βακτήριο, το οποίο μεταφέρει σε αυτό το πλασμίδιο του. Ένα τέτοιο παράδειγμα αποτελεί το βακτήριο Agrobacterium tumefaciens, το οποίο ζει στο έδαφος, διαθέτει τη φυσική ικανότητα να μολύνει φυτικά κύτταρα μεταφέροντας σ' αυτά ένα πλασμίδιο που ονομάζεται Ti (Ti = tumor inducing factor). Το πλασμίδιο Ti ενσωματώνεται στο γενετικό υλικό των φυτικών κυττάρων, και δημιουργεί εξογκώματα (όγκους) στο σώμα των φυτών. Β) Να πρόκειται για ένα γενετικά τροποποιημένο, διαγονιδιακό φυτό. Για τη μεταφορά ξένου γενετικού υλικού σε ένα κύτταρο χρειάζεται ένας κατάλληλος φορέας (ιός ή πλασμίδιο συνήθως). Πράγματι, για τη δημιουργία γενετικά τροποποιημένων φυτών, χρησιμοποιείται ως φορέας το πλασμίδιο Ti, αφού το πλασμίδιο απομονωθεί από το βακτήριο, απενεργοποιηθούν τα γονίδια που δημιουργούν τους όγκους και τοποθετηθεί στο πλασμίδιο το ξένο τμήμα DNA που θα προσδώσει στο φυτό την επιθυμητή ιδιότητα. Μία τέτοια τροποποίηση οδηγεί τελικά για παράδειγμα στη δημιουργία φυτών τα οποία παράγουν τοξίνες (όπως η εντομοκτόνος 1
τοξίνη του βακτηρίου Bacillus thurigiensis) που τα καθιστούν ανθεκτικά στα έντομα και τα παράσιτα ή να έχουν αυξημένη αποδοτικότητα στην παραγωγή. B.2 Η θερμοκρασία είναι ένας από τους πιο σημαντικούς παράγοντες που καθορίζουν το ρυθμό ανάπτυξης των μικροοργανισμών. Οι περισσότεροι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται άριστα σε θερμοκρασία 20-45 C. Για παράδειγμα, η Escherichia coli, που χρησιμοποιείται σε πειράματα Μοριακής Βιολογίας, αναπτύσσεται άριστα σε θερμοκρασία 37 C. Υπάρχουν όμως ορισμένοι που για την ανάπτυξή τους απαιτούν θερμοκρασία μεγαλύτερη από 45 C, όπως αυτοί που αναπτύσσονται κοντά σε θερμοπηγές (θερμόφιλα), και άλλοι που αναπτύσσονται σε θερμοκρασία μικρότερη των 20 C (ψυχρόφιλα). B.3 α. Μετασχηματισμός βακτηρίων ονομάζεται η εισαγωγή ενός ξένου μορίου DNA σε ένα βακτηριακό κύτταρο-ξενιστή, η οποία του προσδίδει νέες ιδιότητες. β. Γονιδιωματική βιβλιοθήκη ονομάζεται ένα σύνολο ανασυνδυασμένων βακτηριακών κλώνων, οι οποίοι περιέχουν το σύνολο της γενετική πληροφορίας του γονιδιώματος ενός οργανισμού, σε τμήματα DNA τα οποία έχουν προκύψει από τη δράση κάποιας περιοριστικής ενδονουκλεάσης. γ. Φορέας κλωνοποίησης ονομάζεται ένα μόριο DNA, π.χ. πλασμίδιο ή DNA ιού, το οποίο μπορεί να αυτοδιπλασιάζεται ανεξάρτητα μέσα σε ένα κύτταρο-ξενιστή όπως ένα βακτήριο ή ένα ευκαρυωτικό κύτταρο και το οποίο χρησιμοποιείται μετά από τον ανασυνδυασμό του, για τη μεταφορά ενός τμήματος ξένου DNA στο κύτταρο-ξενιστή. B.4 α. Σωστό β. Λάθος γ. Λάθος δ. Λάθος ε. Σωστό ΘΕΜΑ Γ Γ.1 Η σωστή απάντηση είναι η Δ. Τα σωματικά κύτταρα του ανθρώπου (άρα και του κουνελιού), είναι διπλοειδή, περιέχουν δηλαδή δύο αντίγραφα του γονιδιώματός τους, ένα πατρικής και ένα μητρικής προέλευσης. Αντίθετα, οι γαμέτες είναι απλοειδείς (περιέχουν ένα μόνο αντίγραφο του γονιδιώματός τους) 2
άρα θα περιέχουν τη μισή ποσότητα γενετικού υλικού από ότι ένα σωματικό κύτταρο στη μεσόφαση, πριν την αντιγραφή του γενετικού υλικού. Επιπλέον ένα σωματικό κύτταρο στη μετάφαση έχει ήδη πραγματοποιήσει αντιγραφή του γενετικού του υλικού, χωρίς να έχει διαιρεθεί ακόμα ο πυρήνας του, άρα θα περιέχει διπλάσιο DNA από ότι ένα αντίστοιχο κύτταρο στη μεσόφαση, πριν την αντιγραφή του DNA. Έτσι, τελικά ο γαμέτης θα περιέχει το ¼ του γενετικού υλικού, από ότι το σωματικό κύτταρο στη μετάφαση. Στο σημείο αυτό όμως θα πρέπει να ληφθεί υπόψιν ότι το γενετικό υλικό συσπειρώνεται πριν τη μίτωση και τα χρωμοσώματα λαμβάνουν μάλιστα το μέγιστο βαθμό συσπείρωσής τους κατά τη μετάφαση της μίτωσης. Αντίθετα, το γενετικό υλικό στο στάδιο της μεσόφασης, καθώς και στους γαμέτες είναι πολύ λιγότερο συσπειρωμένο και άρα θα έχει μεγαλύτερο μήκος. Με βάση όλα τα παραπάνω προκύπτει ότι το γενετικό υλικό ενός γαμέτη θα έχει μήκος λίγο μεγαλύτερο από το ¼ του σωματικού κυττάρου στη μετάφαση της μίτωσης, δηλαδή, στην προκειμένη περίπτωση λίγο μεγαλύτερο από 0,4m. Γ.2 Το φύλο στον άνθρωπο και άρα και στο κουνέλι, καθορίζεται ως εξής: Το 23ο ζεύγος στα θηλυκά άτομα αποτελείται από δύο Χ χρωμοσώματα, ενώ στα αρσενικά από ένα Χ και ένα Υ χρωμόσωμα. Το Υ χρωμόσωμα είναι μικρότερο σε μέγεθος από το Χ. Τα χρωμοσώματα αυτά ονομάζονται φυλετικά και σε πολλούς οργανισμούς, συμπεριλαμβανομένου του κουνελιού και του ανθρώπου, καθορίζουν το φύλο. Στον άνθρωπο η παρουσία του Υ χρωμοσώματος καθορίζει το αρσενικό άτομο, ενώ η απουσία του το θηλυκό άτομο. Έτσι, ένα φυσιολογικό αρσενικό άτομο έχει ένα ζεύγος φυλετικών χρωμοσωμάτων ΧΥ πέραν των αυτοσωμικών, ενώ ένα φυσιολογικό θηλυκό ένα ζεύγος XX. Τα δύο φυλετικά χρωμοσώματα διαχωρίζονται κατά την 1 η μειωτική διαίρεση, κατά την δημιουργία των γαμετών, με τρόπο τυχαίο, με αποτέλεσμα τελικά τα θηλυκά άτομα να παράγουν φυσιολογικούς γαμέτες με ένα Χ χρωμόσωμα, ενώ τα αρσενικά άτομα να παράγουν κατά 50% γαμέτες που περιέχουν ένα Χ χρωμόσωμα και κατά 50% γαμέτες που περιέχουν ένα Υ χρωμόσωμα. Επειδή το Υ χρωμόσωμα είναι μικρότερο του Χ, οι τελευταίοι γαμέτες θα έχουν μικρότερο μήκος DNA από ότι οι γαμέτες που περιέχουν Χ χρωμόσωμα. Έτσι, αναμένεται το συνολικό μήκος DNA των γαμετών του αρσενικού κουνελιού (που περιέχουν κατά 50% Χ και κατά 50% Υ χρωμόσωμα) να είναι μικρότερο του συνολικού μήκους DNA που περιέχουν οι γαμέτες του θηλυκού κουνελιού (που περιέχουν κατά 100% ένα Χ χρωμόσωμα). 3
Γ.3 i) Εφόσον το τμήμα που δίνεται κωδικοποιεί το σύνολο της γενετικής πληροφορίας του γονιδίου, θα πρέπει, διαβάζοντας τον κωδικό κλώνο με κατεύθυνση 5-3 να ανιχνεύουμε την τριπλέτα 5 -ΑTG-3 απέναντι από την αντίστοιχη τριπλέτα 3 -ΤΑC-5 μεταγραφόμενου κλώνου η οποία θα μεταγραφεί στο κωδικόνιο έναρξης 5 -ΑUG-3 του ώριμου mrna που κωδικοποιεί το αμινοξύ μεθειονίνη. Eπιπλέον, με βήμα τριπλέτας από την τριπλέτα 5 -ΑTG- 3, θα πρέπει να συναντούμε και κάποια από τις τριπλέτες 5 -ΤGA-3, 5 -TAG-3, 5 -TAA-3, απέναντι από τις συμπληρωματικές τους 3 -ΑCT-5, 5 -ATC-3, 5 -ATT-3, στο μεταγραφόμενο, μη κωδικό κλώνο, οι οποίες θα μεταγραφούν σε ένα από τα κωδικόνια λήξης της μετάφρασης 5 -UGA-3. 5 -UAG-3 ή 5 -UAA-3 αντίστοιχα. Επειδή δεν γνωρίζουμε τα άκρα της αλληλουχίας, θα πρέπει να ψάξουμε για τις αλληλουχίες αυτές και τις δύο αλυσίδες και με τις δύο πιθανές φορές, ώστε να βρούμε σε ποια περίπτωση άκρων ανιχνεύονται οι κωδικές αλληλουχίες και των δύο γονιδίων. Έτσι προκύπτει ότι οι κωδικές αλυσίδες των δυο γονιδίων θα είναι: 1: 5 -ΑΤΑCGTTACC-ATG-TGG-GTA-TAT-ACC-TCA-TGG-TCG-TAA-GAACC-3 και 2: 5 -GGTTCTTACGACC-ATG-AGG-TAT-ATA-CCC-ACA-TGG-TAA-CGTAT-3 Η 5 αμετάφραστη περιοχή της κωδικής αλυσίδας του κάθε γονιδίου θα αποτελεί την αλληλουχία από το 5 -άκρο της κωδικής αλυσίδας, μέχρι αμέσως πριν την τριπλέτα 5 -ΑΤG- 3 που αντιστοιχεί στο mrna στο κωδικόνιο έναρξης 5 -ΑUG-3 και σηματοδοτεί την αρχή της κωδικής περιοχής, των εξωνίων δηλαδή του ώριμου mrna. Έτσι για το κάθε γονίδιο θα είναι: Γονίδιο 1: 5 -ΑΤΑCGTTACC-3 Γονίδιο 2: 5 - GGTTCTTACGACC-3 ii) H RNA πολυμεράση πραγματοποιεί την μεταγραφή του μεταγραφόμενου, μη κωδικού κλώνου του γονιδίου με κατεύθυνση 5-3 στο παραγόμενα mrna. Εφόσον το mrna είναι συμπληρωματικό και αντιπαράλληλο με τον μεταγραφόμενο κλώνο, η RNA πολυμεράση προσδένεται με τη βοήθεια μεταγραφικών παραγόντων στον υποκινητή του γονιδίου ο οποίος εντοπίζεται στο 3 άκρο του μεταγραφόμενου κλώνου. Με βάση τις κωδικές αλυσίδες που ταυτοποιήθηκαν και γράφηκαν παραπάνω, τα άκρα της δοθείσας αλληλουχίας θα είναι: 3 -TATGCAATGGTA CCAGCATTCTTGG-5 (Κλώνος1) 5 -ATACGTTACC GTCGTAAGAACC-3 (Κλώνος 2) 4
Ο κλώνος 2 θα είναι ο κωδικός κλώνος του γονιδίου 1, ενώ ο κλώνος 1, ο κωδικός κλώνος του γονιδίου 2. Αντίστοιχα, ο κλώνος 1 θα είναι ο μεταγραφόμενος κλώνος του γονιδίου 1 και ο κλώνος 2 ο μεταγραφόμενος κλώνος του γονιδίου 2. Έτσι, για τη μεταγραφή του γονιδίου 1 η RNA πολυμεράση θα πρέπει να προσδεθεί στο 3 άκρο του κλώνου 1, δηλαδή στη θέση Γ, ενώ για τη μεταγραφή του γονιδίου 2 στο 3 άκρο του κλώνου 2 δηλαδή στη θέση Δ. Γ.4 Τα βακτήρια του γένους Mycobacterium ανήκουν στους υποχρεωτικά αερόβιους μικροοργανισμούς, οι οποίοι για την ανάπτυξή τους απαιτούν υψηλή συγκέντρωση Ο2, το οποίο είναι κρίσιμο για την επιβίωσή τους. Οι μύκητες που χρησιμοποιούνται στην αρτοβιομηχανία, ανήκουν στην κατηγορία των μικροοργανισμών που αναπτύσσονται παρουσία Ο2 με ταχύτερο ρυθμό απ' ότι απουσία Ο2, χωρίς όμως το O2 να είναι κρίσιμο για την επιβίωση και την ανάπτυξή τους, είναι δηλαδή προαιρετικά αερόβιοι μικροοργανισμοί. Τέλος, τα για βακτήρια του γένους Clostridium το Ο2 είναι τοξικό, είναι δηλαδή υποχρεωτικά αναερόβιοι μικροοργανισμοί. Στην καμπύλη γ παρατηρούμε ότι σε υψηλές συγκεντρώσεις Ο2 οι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται ταχέως, ενώ μόλις η συγκέντρωση του Ο2 πέσει, οι μικροοργανισμοί εξαφανίζονται (πεθαίνουν) και δεν ανακάμπτουν μετά την επαναφορά του οξυγόνου σε υψηλά επίπεδα. Άρα πρόκειται για υποχρεωτικά αερόβιους μικροοργανισμούς, άρα για τα βακτήρια γένους Mycobacterium. Στην καμπύλη β παρατηρούμε ότι ο αριθμός των μικροοργανισμών είναι πολύ χαμηλός (σχεδόν μηδενικός) σε συνθήκες υψηλής συγκέντρωσης οξυγόνου, αρχίζουν να αναπτύσσονται όταν η συγκέντρωση οξυγόνου πέφτει, ενώ ο αριθμός τους μειώνεται δραματικά (πεθαίνουν) όταν η συγκέντρωση του οξυγόνου ανεβαίνει και πάλι. Άρα το οξυγόνο είναι τοξικό για αυτά, οπότε συμπεραίνουμε ότι πρόκειται για υποχρεωτικά αναερόβια βακτήρια, άρα για τα βακτήρια γένους Clostridium. Τέλος, στην καμπύλη α παρατηρούμε ότι οι μικροοργανισμοί εμφανίζουν μεγάλο ρυθμό ανάπτυξης σε συνθήκες υψηλής συγκέντρωσης οξυγόνου, χωρίς όμως ο αριθμός τους να μειώνεται σημαντικά στη φάση χαμηλής συγκέντρωσης οξυγόνου. Άρα πρόκειται για δυνητικά αερόβιους οργανισμούς, δηλαδή τους μύκητες που χρησιμοποιούνται στην αρτοβιομηχανία. 5
ΘΕΜΑ Δ Δ.1 Ένζυμο Ι: DNA πολυμεράση Ένζυμο ΙΙ: DNA δεσμάση Η DNA πολυμεράση καταλύει την αντιγραφή με κατεύθυνση 5-3 στο σχηματιζόμενο κλώνο, αφού χρειάζεται για την προσθήκη νουκλεοτιδίου, ένα ελεύθερο 3 άκρο. Έτσι στο σημείο Χ θα πρέπει να υπάρχει 3 άκρο ώστε η DNA πολυμεράση να μπορεί με κατεύθυνση 5-3 να «γεμίσει» το κενό αφήνοντας ένα ελεύθερο 3 άκρο αμέσως πριν τη θέση Υ. Η DNA δεσμάση θα ενώσει το ελεύθερο 3 άκρο με τη φωσφορική ομάδα του ελεύθερου 5 άκρου που θα υπάρχει στη θέση Υ δημιουργώντας 3-5 φωσφοδιεστερικό δεσμό. Άρα αφού στη θέση Χ έχουμε 3 άκρο και στη θέση Υ 5 άκρο, και με δεδομένο ότι οι δύο κλώνοι του DNA είναι αντιπαράλληλοι μεταξύ τους, το δοθέν τμήμα θα έχει τα άκρα: 5 Χ--------- Υ 3 3 5 Δ.2 Στη μητρική αλυσίδα 4 υποδεικνύεται υδροξύλιο ΟΗ που αντιστοιχεί στο 3 άκρο της αλυσίδας. Με βάση το άκρο αυτό τοποθετούνται τα υπόλοιπα όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα. Η αντιγραφή πραγματοποιείται από τη DNA πολυμεράση πάντοτε με κατεύθυνση 5-3 στο νεοσυντιθεμένο κλώνο και με φορά από τη θέση έναρξης της αντιγραφής προς τα δύο άκρα της διχάλας, όπως υποδεικνύεται από τα βέλη της Εικόνας 3. Ο νεοσυντιθεμένος κλώνος θα είναι δε αντιπαράλληλος του μητρικού. Με βάση τα παραπάνω, οι κλώνοι που μπορούν να αντιγραφούν με τρόπο συνεχή, θα είναι η μητρική αλυσίδα 2 και η μητρική αλυσίδα 3, αφού έχουν 3 άκρο στην θέση έναρξης της αντιγραφής, απέναντι από το οποίο θα βρίσκεται το 5 άκρο του νεοσυντιθεμένου κλώνου. Το πρωταρχικό τμήμα θα τοποθετηθεί στις θέσεις έναρξης της αντιγραφής με τρόπο συμπληρωματικό και αντιπαράλληλο, άρα το 5 άκρο του θα τοποθετηθεί απέναντι από το 3 άκρο των αλυσίδων που αντιγράφονται συνεχώς, όπως φαίνεται στο παραπάνω σχήμα. Το ελεύθερο 3 άκρο του θα χρησιμοποιηθεί στη συνέχεια από τη DNA πολυμεράση για να αρχίσει η αντιγραφή του μητρικού κλώνου. 6
Δ.3 Το τμήμα 5 -GCUGUAA-3 είναι ένα ευθύγραμμο μονόκλωνο τμήμα RNA το οποίο αποτελείται από 7 ριβονουκλεοτίδια. Οι φωσφοδιεστερικοί δεσμοί που τα συγκρατούν μεταξύ τους θα είναι κατά συνέπεια ν-1, όπου ν ο αριθμός των ριβονουκλεοτιδίων, άρα 6 φωσφοδιεστερικοί δεσμοί. Κάθε φωσφοδιεστερικός δεσμός είναι ομοιοπολικός δεσμός που φτιάχνεται με αποβολή ενός μορίου νερού, μεταξύ της 3 υδροξύλιο του ενός νουκλεοτιδίου και της 5 φωσφορικής ομάδας του επόμενου. Έτσι, αφού το τμήμα έχει 6 φωσφοδιεστερικούς δεσμούς, θα συμμετέχουν στη δημιουργία τους αντίστοιχα 6 υδροξύλια. Δ.4 Όπως αναλύθηκε και στο υποερώτημα Γ3i, δεδομένου ότι δε γνωρίζουμε τα άκρα της αλληλουχίας, ούτε τον κωδικό κλώνο, ψάχνουμε και τους δύο κλώνους και με τις δύο κατεύθυνσης για την τριπλέτα του κωδικού κλώνου 5 -ΑTG-3 που αντιστοιχεί στο κωδικόνιο έναρξης 5 -ΑUG-3 που κωδικοποιεί το αμινοξύ μεθειονίνη, καθώς και την εύρεση κάποιας από τις τριπλέτες 5 -TGA-3, 5 -TAA-3 ή 5 -ΤΑG-3 που αντιστοιχούν σε κωδικόνιο λήξης, στην όγδοη τριπλέτα που θα συναντήσουμε μετά το 5 -ΑΤG-3, αφού κωδικοποιείται πεπτίδιο 8 αμινοξέων. Με βάση αυτά, ο κωδικός κλώνος θα είναι ο: 5 - CTTGATT-ATG-GAT-GAG-CCT-GTA-AAC-TGG-CGC-TAA-CATGGT-3 και τα άκρα του θα είναι όπως απεικονίζονται παραπάνω. 7