ΗΜΟΚΡΙΤΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΡΑΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΑΓΡΟΤΙΚΗΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΓΕΝΕΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ & ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΙΩΑΝΝΗΣ Σ. ΤΟΚΑΤΛΙ ΗΣ

ΗΜΟΚΡΙΤΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΡΑΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΑΓΡΟΤΙΚΗΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΓΕΝΕΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ & ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΙΩΑΝΝΗΣ Σ. ΤΟΚΑΤΛΙ ΗΣ Ν. ΟΡΕΣΤΙΑ Α, 2007

1 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η Γενετική αποτελεί ένα από τους κλάδους της Βιολογίας και θεωρείται σαν µια ραγδαία εξελισσόµενη επιστήµη. Από τα πειράµατα του Mendel, που αποτέλεσαν τη βάση για τη ανάπτυξη της Γενετικής Επιστήµης, µέχρι σήµερα που η έρευνα πλέον γίνεται στο µοριακό επίπεδο, η ανάπτυξη της έγινε σε τέτοιο βαθµό που διακρίνεται σε τρείς επιµέρους κλάδους, την κλασική (Μενδελική) Γενετική, που βασίζεται στο φαινότυπο και για το λόγο αυτό προσεγγίζει έµµεσα τα γενετικά φαινόµενα, την Κυτογενετική, που ασχολείται µε το γενετικό υλικό στο επίπεδο του κυττάρου (χρωµοσώµατος) και την Μοριακή Γενετική, η οποία ασχολείται µε το γενετικό υλικό στο επίπεδο του γονιδίου. Οι βασικές γνώσεις Γενετικής αποτελούν αναγκαίο εφόδιο όχι µόνο αυτών που ασχολούνται µε τις βιολογικές επιστήµες, αλλά του καθένα, καθώς οι σύγχρονες ανάγκες το απαιτούν. Θέµατα σχετικά µε µοριακή γενετική τροποποίηση οργανισµών, αγροτικά προϊόντα που προέρχονται από τέτοιους οργανισµούς, ή η περιβόητη κλωνοποίηση αποτελούν καθηµερινά θέµατα που απασχολούν το κοινό. Η διαµόρφωση σαφούς και αντικειµενικής άποψης περί των θεµάτων αυτών απαιτεί βασικές γνώσεις Γενετικής. Στα πλαίσια του προπτυχιακού µαθήµατος «ΓΕΝΕΤΙΚΗ» και για τις ανάγκες των φοιτητών του τµήµατος Αγροτικής Ανάπτυξης έγινε η συγγραφή των σηµειώσεων αυτών. Η σωστή γνώση της Γενετικής αποτελεί βασική προϋπόθεση για την αρτιότερη κατάρτιση των αποφοίτων ενός τµήµατος Γεωπονίας σε θέµατα παραγωγής, διαχείρισης, ποιοτικού ελέγχου και βελτίωσης φυτικών και ζωικών αγροτικών προϊόντων. Ν. Ορεστιάδα, 2007 Ιωάννης Τοκατλίδης

2

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ 7 1. ΟΜΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΓΕΝΕΤΙΚΟΥ ΥΛΙΚΟΥ 11 1.1. ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ 11 1.2. ΝΟΥΚΛΕΪΚΑ ΟΞΕΑ 14 1.2.1. οµή των νουκλεοτιδίων 15 1.2.2. οµή του RNA 18 1.2.3. οµή του DNA 20 1.3. ΟΜΗ ΤΟΥ ΦΥΤΙΚΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ 22 1.4. ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΤΟΥ ΓΕΝΕΤΙΚΟΥ ΥΛΙΚΟΥ 25 1.5 ΙΑΙΡΕΣΗ ΤΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ 31 1.5.1. Μίτωση 34 1.5.2. Μείωση 38 1.6. ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΓΕΝΕΤΙΚΟΥ ΥΛΙΚΟΥ 41 1.6. 1. Αντιγραφή του DNA 42 1.6.2. Εκφραση του γενετικού υλικού 44 Μεταγραφή 46 Μετάφραση 47 1.7. ΓΟΝΙ ΙΑΚΕΣ ΜΕΤΑΛΛΑΞΕΙΣ 53 1.8. ΙΑΦΟΡΟΠΟΙΗΣΗ ΚΥΤΤΑΡΩΝ - ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΟΡΓΑΝΩΝ 55 ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ 56 2. ΤΑ ΑΛΛΗΛΟΜΟΡΦΑ ΓΟΝΙ ΙΑ 62 2.1. ΚΛΗΡΟΝΟΜΙΚΟΤΗΤΑ ΑΛΛΗΛΟΜΟΡΦΩΝ ΓΟΝΙ ΙΩΝ 62 2.2. ΓΑΜΕΤΟΓΕΝΕΣΗ ΣΤΑ ΦΥΤΑ 65 2.2.1. Γυρεογένεση 65 2.2.2. Σχηµατισµός εµβρυόσακκου 66 2.2.3. Γονιµοποίηση 67

4 2.3. ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΗ ΑΛΛΗΛΟΜΟΡΦΩΝ ΓΟΝΙ ΙΩΝ 71 2.3.1. Πλήρης κυριαρχία 72 2.3.2. Έλλειψη κυριαρχίας 74 2.4. ΠΟΛΛΑΠΛΑ ΑΛΛΗΛΟΜΟΡΦΑ 79 2.5. ΑΥΤΟΓΟΝΙΜΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΟΜΟΖΥΓΩΤΙΑ 82 ΑΣΚΗΣΕΙΣ 84 3. ΤΑ ΑΣΥΝ ΕΤΑ ΓΟΝΙ ΙΑ 92 3.1. ΑΥΤΟΓΟΝΙΜΟΠΟΙΗΣΗ ΥΒΡΙ ΙΟΥ 94 3.2. ΚΡΙΤΙΚΗ ΙΑΣΤΑΥΡΩΣΗ ΥΒΡΙ ΙΟΥ 101 3.3. ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΗ ΜΗ ΑΛΛΗΛΟΜΟΡΦΩΝ ΓΟΝΙ ΙΩΝ 103 3.3.1. Συνεπίσταση 104 3.3.2. Ηµιεπίσταση ή µερική επίσταση 104 3.3.3. Ισοεπίσταση 105 3.3.4. Επίσταση 106 ΑΣΚΗΣΕΙΣ 109 4. ΤΑ ΣΥΝ Ε ΕΜΕΝΑ ΓΟΝΙ ΙΑ 115 4.1. ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΣΥΝ ΕΣΗΣ 121 4.1.1. Κριτική διασταύρωση διυβριδίου 121 4.1.2. Αυτογονιµοποίηση διυβριδίου 124 4.1.3. Κριτική διασταύρωση τριυβριδίου 129 ΑΣΚΗΣΕΙΣ 138 5. ΦΥΛΟΚΑΘΟΡΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΓΟΝΙ ΙΑ ΠΟΥ ΣΧΕΤΙΖΟΝΤΑΙ ΜΕ ΤΟ ΦΥΛΟ 147 5.1. Ο ΚΑΘΟΡΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ΦΥΛΟΥ 148 5.2. ΤΑ ΓΟΝΙ ΙΑ ΤΩΝ ΦΥΛΕΤΙΚΏΝ ΧΡΩΜΟΣΩΜΑΤΩΝ 150 5.2.1. Τα φυλοσύνδετα γονίδια 150 5.2.2. Τα ολανδρικά γονίδια 153 5.2.3. Τα µερικώς φυλοσύνδετα γονίδια 153 5.3. ΑΛΛΕΣ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΓΟΝΙ ΙΩΝ 154 ΑΣΚΗΣΕΙΣ 156

5 6. ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ ΤΩΝ ΧΡΩΜΟΣΩΜΑΤΩΝ 161 6.1. ΠΟΛΥΠΛΟΕΙ ΙΑ 161 6.1.1. Αυτοπολυπλοειδή 165 6.1.2. Αλλοπολυπλοειδή 167 6.1.3. Ανευπλοειδή 169 6.1.4. Ενδοπολυπλοειδία και πολυταινία 170 6.2. ΜΕΤΑΒΟΛΕΣ ΣΤΗ ΟΜΗ ΤΩΝ ΧΡΩΜΟΣΩΜΑΤΩΝ 171 6.2.1. Ελλείµµατα 173 6.2.2. ιπλασιασµοί 174 6.2.3. Αναστροφές 175 6.2.4. Μετατοπίσεις 178 ΑΣΚΗΣΕΙΣ 180 7. ΜΟΡΙΑΚΗ ΓΕΝΕΤΙΚΗ 184 7.1. ΤΑΥΤΟΠΟΙΗΣΗ ΓΕΝΕΤΙΚΟΥ ΥΛΙΚΟΥ 185 7.1.1. Ηλεκτροφόρηση πρωτεϊνών 185 7.1.2. Αποµόνωση και χειρισµός νουκλεϊκών οξέων 189 7.2. Η ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΟΥ ΑΝΑΣΥΝ ΥΑΣΜΕΝΟΥ DNA 202 7.2.1. Μοριακή κλωνοποίηση γονιδίων 202 7.2.2. Εισαγωγή του ανασυνδυασµένου DNA στο κύτταρο-ξενιστή 204 7.2.3. Επιλογή των µεταµορφωµένων βακτηρίων και κλωνοποίηση 204 7.3. Η ΓΕΝΕΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΣΤΑ ΦΥΤΑ 206 7.3.1. Μεταφορά γονιδίων στα φυτά 206 7.3.2. Εφαρµογές της Γενετικής Μηχανικής στα φυτά 209 ΑΣΚΗΣΕΙΣ 217 8. ΥΠΟ ΕΙΓΜΑΤΑ ΑΣΚΗΣΕΩΝ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

6

7 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Παρατηρώντας το σύνολο των οργανισµών στη φύση βλέπουµε σηµαντικές διαφορές ανάµεσα στα διάφορα είδη, η έκταση των οποίων εξαρτάται από τη συγγένεια τους όσο αφορά την καταγωγή και εξέλιξή τους (πχ οι διαφορές µεταξύ αλόγου και γαϊδάρου σαφώς είναι µικρότερες από τις διαφορές µεταξύ µηλιάς και προβάτου). Αλλά διαφορές παρατηρούµε και µέσα στο ίδιο είδος (πχ οι άνθρωποι, πολύ περισσότερο βέβαια όταν ανήκουν σε διαφορετική φυλή, έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά, όπως ύψος, χρώµα, διάπλαση κλπ). Το φαινόµενο της ύπαρξης διαφορών µέσα στο ίδιο είδος οργανισµού, για διάφορα µορφολογικά και φυσιολογικά γνωρίσµατα, το ονοµάζουµε παραλλακτικότητα. Η Γενετική ασχολείται µε την µεταβίβαση αυτών των γνωρισµάτων, από τους γονείς στους απογόνους, τόσο στους ευκαρυωτικούς (άνθρωπος, ζώα, φυτά, µύκητες κλπ), όσο και στους προκαρυωτικούς (βακτήρια) οργανισµούς, δηλαδή µε την κληρονοµικότητα. Φορείς, αλλά και µονάδες κληρονοµικότητας είναι τα γονίδια. Κάθε γονίδιο αποτελεί τµήµα της µακροµοριακής ένωσης DNA (δεσοξυ-ριβονουκλεϊκό οξύ), που βρίσκεται στον πυρήνα του κυττάρου. Με άλλα λόγια το DNA αποτελεί το γενετικό υλικό των οργανισµών, στο οποίο είναι κωδικοποιηµένες όλες οι πληροφορίες που αφορούν διάφορα γνωρίσµατα του ατόµου, µε τη µορφή των γονιδίων. Για την έκφραση των πληροφοριών αυτών επικουρικό ρόλο παίζουν το RNA και οι πρωτεΐνες. Υπάρχουν γνωρίσµατα των οποίων η έκφραση ελέγχεται και καθορίζεται από ένα µόνο γονίδιο (ή σωστότερα από µια γονιδιακή θέση) και τα γνωρίσµατα αυτά ονοµάζονται ποιοτικά γνωρίσµατα, ενώ από την άλλη άλλα γνωρίσµατα ελέγχονται από πολλά γονίδια οπότε αυτά ονοµάζονται ποσοτικά γνωρίσµατα. Η απόδοση για παράδειγµα µιας ποικιλίας από ένα

8 καλλιεργούµενο φυτό είναι ποσοτικό γνώρισµα, ενώ το χρώµα του άνθους είναι συνήθως ποιοτικό γνώρισµα. Με τον εγγενή τρόπο αναπαραγωγής, κατά τον οποίο γίνεται σύζευξη δύο φύλων, κάθε απόγονος παίρνει το µισό γενετικό του υλικό από τον πατέρα και το υπόλοιπο µισό από τη µητέρα. Το µοίρασµα του γενετικού υλικού στους γονείς προκύπτει από τη διαίρεση των κυττάρων µε µείωση, η οποία όπως θα φανεί από τα επόµενα κεφάλαια όχι µόνο µειώνει τον αριθµό των γονιδίων στα γαµετικά κύτταρα στο µισό, αλλά επιφέρει και ανασυνδυασµό των γονιδίων. Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα κάθε νέος απόγονος να έχει τον δικό του ιδιαίτερο συνδυασµό γονιδίων και έτσι να διαφέρει από τους υπόλοιπους. Με τον τρόπο αυτό εξηγείται η παραλλακτικότητα που παρατηρείται µέσα σε κάθε είδος, επειδή δε αυτή οφείλεται σε γενετικές διαφορές ονοµάζεται γενετική παραλλακτικότητα. Το σύνολο όµως των διαφορών που παρατηρούνται δεν οφείλονται αποκλειστικά σε γενετικές διαφορές, αλλά µπορεί να είναι αποτέλεσµα της δράσης και του περιβάλλοντος. Για παράδειγµα ενδέχεται δύο φυτά σε κάποιο στάδιο της ανάπτυξής τους να έχουν διαφορετικό ύψος, όχι γιατί έχουν διαφορετικά γονίδια, αλλά γιατί το ένα βρέθηκε στο σηµείο του χωραφιού όπου το έδαφος είναι λιγότερο γόνιµο, έχει λιγότερη υγρασία, ή είναι ιδιαίτερα συνεκτικό από τη δράση των γεωργικών µηχανηµάτων, µε αποτέλεσµα να είναι καχεκτικό. Στην περίπτωση αυτή η καχεξία του «άτυχου» φυτού δεν εξαρτάται από το γενετικό του υλικό αλλά είναι αποτέλεσµα της δράσης του περιβάλλοντος και χαρακτηρίζεται ως επίκτητο γνώρισµα. Αν το φυτό αυτό καταφέρει και δώσει νέους σπόρους τα φυτά που θα προκύψουν από τους σπόρους αυτούς δεν θα είναι υποχρεωτικά καχεκτικά. ηλαδή τα επίκτητα γνωρίσµατα, ακριβώς γιατί προκαλούνται από εξωγενείς παράγοντες, δεν κληρονοµούνται, αν και πολλές φορές η δράση του περιβάλλοντος οδηγεί σε κληρονοµήσιµες µεταβολές του γενετικού υλικού (πχ µεταλλάξεις). Έτσι ένα µέρος της συνολικής παραλλακτικότητας

9 οφείλεται σε επίκτητες διαφορές από τη δράση του περιβάλλοντος και ονοµάζεται περιβαλλοντική παραλλακτικότητα. Το τελικό αποτέλεσµα δηλαδή στην έκφραση ενός γνωρίσµατος είναι η συνδυασµένη επίδραση γονιδίων και περιβάλλοντος, ή διαφορετικά η αλληλεπίδραση γενοτύπουπεριβάλλοντος. Μάλιστα στα ποσοτικά γνωρίσµατα η επίδραση του περιβάλλοντος είναι πολύ µεγαλύτερη συγκριτικά µε την επίδραση στα ποιοτικά γνωρίσµατα. Ας αναλογιστούµε για λίγο τα παραδείγµατα του χρώµατος άνθους στα τριαντάφυλλα (ποιοτικό γνώρισµα) και την παραγωγικότητα µιας ποικιλίας σιταριού (ποσοτικό γνώρισµα). Τα τριαντάφυλλα θα έχουν πάντοτε κόκκινο ή ροζ ή λευκό χρώµα (ανάλογα µε την ποικιλία στην οποία ανήκουν), ανεξάρτητα από τη γονιµότητα του εδάφους, την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας, την επάρκεια υγρασίας κλπ. Αυτό γιατί το χρώµα καθορίζεται από ένα µόνο γονίδιο και η επίδραση του περιβάλλοντος, τουλάχιστο φαινοµενικά είναι µη ορατή. Αντίθετα µια ποικιλία σιταριού όσες φορές και αν καλλιεργηθεί, ακόµη και στην ίδια τοποθεσία πολλές χρονιές ή την ίδια χρονιά σε πολλές τοποθεσίες, κάθε φορά θα δίνει και διαφορετική σοδειά. Αυτό συµβαίνει γιατί η παραγωγικότητα είναι ένα πολυσύνθετο γνώρισµα, καθώς εξαρτάται από άλλα γνωρίσµατα της ποικιλίας (φωτοσυνθετική ικανότητα, θρέψη, αναπνοή, διαπνοή, κλπ), µε αποτέλεσµα να αποτελεί το αποτέλεσµα συνδυασµένης δράσης πολλών γονιδίων. Ακόµη και αν θεωρήσουµε ότι η επίδραση του περιβάλλοντος στη δράση ενός γονιδίου είναι µικρή, στην περίπτωση της παραγωγικότητας, αθροιστικά, θα είναι µεγάλη. Η Βελτίωση των Φυτών, βασιζόµενη στις αρχές της Κλασικής Γενετικής, µε ελεγχόµενες διασταυρώσεις δηµιουργεί και αξιοποιεί την παραλλακτικότητα που παρατηρείται στα φυτά, ώστε να προκύψουν νέες ποικιλίες µε καλύτερα γνωρίσµατα. Για να το πετύχει αυτό προσπαθεί να συγκεντρώσει ευνοϊκά γονίδια στη νέα ποικιλία και είναι ευνόητο ότι αν το

10 γνώρισµα για το οποίο ενδιαφέρεται είναι ποσοτικό (πχ απόδοση) η δυσκολία είναι µεγαλύτερη συγκριτικά µε τα ποιοτικά γνωρίσµατα (πχ ανθεκτικότητα σε κάποια ασθένεια), για δύο βασικούς λόγους (ποιους;). Τα γνωρίσµατα που κυρίως ενδιαφέρουν τη Βελτίωση των Φυτών είναι η απόδοση και η ποιότητα των παραγόµενων προϊόντων, η ανθεκτικότητα σε βιοτικές και αβιοτικές αντιξοότητες (ασθένειες, έντοµα, παγετοί, ξηρασία κλπ) και η προσαρµοστικότητα. Με ανάλογο τρόπο οι αρχές της Γενετικής εφαρµόζονται στη Βελτίωση των αγροτικών ζώων, ώστε να δηµιουργηθούν νέες φυλές µε βελτιωµένα γνωρίσµατα (πχ µεγαλύτερη γάλακτος και κρέατος, καλύτερη ποιότητα προϊόντων αναφορικά µε την περιεκτικότητα σε πρωτεϊνες και λίπη, κλπ). Η Μοριακή Γενετική δίνοντας την δυνατότητα άµεσης επέµβασης στο γενετικό υλικό των φυτών και των ζώων µπορεί να συµβάλει στη βελτίωση γνωρισµάτων (κυρίως ποιοτικών). Οι εφαρµογές της δε αποτελούν τον ιδιαίτερο κλάδο της Βελτίωσης που ονοµάζεται Βιοτεχνολογία.

11 1 ΟΜΗ ΚΑΙ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΓΕΝΕΤΙΚΟΥ ΥΛΙΚΟΥ Η κληρονοµικότητα καθορίζεται άµεσα ή έµµεσα από δύο κατηγορίες µακροµοριακών ενώσεων, τα νουκλεϊκά οξέα (DNA, RNA) και τις πρωτεΐνες. Στο κεφάλαιο αυτό αναλύεται η δοµή των ενώσεων αυτών και εξηγείται πως η λειτουργία τους σχετίζεται µε την έκφραση της γενετικής πληροφορίας. Επίσης γίνεται αναφορά στη δοµή και διαίρεση του κυττάρου, έτσι ώστε να γίνει κατανοητό τι είναι, που βρίσκεται, πως µεταβιβάζεται και πως εκφράζεται το γενετικό υλικό. 1.1 ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ Οι πρωτεΐνες είναι µακροµοριακές ενώσεις οι οποίες σχηµατίζονται από τη συνένωση απλούστερων χηµικών ενώσεων, των αµινοξέων. Τα αµινοξέα έχουν το γενικό τύπο: H H 2 N C COOH R δηλαδή αποτελούνται από ένα κεντρικό άτοµο άνθρακα, οι τέσσερις δεσµοί του οποίου είναι συνδεµένοι µε α) µια καρβοξυλική οµάδα (COOH), β) µια αµινο-οµάδα (ΝΗ 2 ), γ) ένα άτοµο υδρογόνου (Η) και δ) µια οµάδα R που ποικίλει από αµινοξύ σε αµινοξύ και µπορεί να είναι ένα άτοµο υδρογόνου (γλυκίνη) ή µια πολύπλοκη οµάδα. Στις πρωτεΐνες συναντάµε 20 διαφορετικά αµινοξέα µε 20 διαφορετικές οµάδες R. Εκείνο δηλαδή που διαφοροποιεί τα αµινοξέα µεταξύ τους είναι οι

12 Πίνακας 1. Τα 20 αµινοξέα που απαντώνται στη φύση.

13 οµάδες R. Στον πίνακα 1 δίνονται τα 20 αµινοξέα που απαντώνται στη φύση και παρατηρούµε ότι στο µόνο που διαφέρουν µεταξύ τους είναι η οµάδα R. Κατά τη σύνθεση των πρωτεϊνών τα αµινοξέα ενώνονται µεταξύ τους µε πεπτιδικούς δεσµούς, στους οποίους η καρβοξυλική οµάδα του ενός (COOH) αντιδρά µε την αµινοοµάδα (ΝΗ 2 ) του επόµενου, µε ταυτόχρονη απόσπαση ενός µορίου νερού (εικ. 1). H H H ----------------- H 2 N C CO-OH + H N C COOH ----------------- R 1 R 2 H Ο H H H 2 N C C N C COOH + H 2 Ο -------- R 1! R 2 (πεπτιδικός δεσµός) Εικ. 1. Συνένωση δύο αµινοξέων µε πεπτιδικό δεσµό για το σχηµατισµό ενός διπεπτιδίου. Με το σχηµατισµό ενός τέτοιου δεσµού ελευθερώνεται ένα µόριο νερού. Με τη συνένωση δύο αµινοξέων σχηµατίζεται ένα διπεπτίδιο, η προσθήκη ενός τρίτου αµινοξέος οδηγεί στο σχηµατισµό ενός τριπεπτίδιου κ.ο.κ. Η αλυσίδα που δηµιουργείται µε τη συνένωση των αµινοξέων ονοµάζεται πολυπεπτιδική αλυσίδα. Αν η πεπτιδική αλυσίδα που προκύπτει αποτελείται από µικρό αριθµό αµινοξέων, την ονοµάζουµε ολιγοπεπτίδιο, ενώ στην περίπτωση που περιέχει περισσότερα από 50-60 αµινοξέα την ονοµάζουµε πολυπεπτίδιο. Μια πρωτεΐνη αποτελείται από µια ή δύο ή και περισσότερες όµοιες ή διαφορετικές πολυπεπτιδικές αλυσίδες. Για παράδειγµα

14 η ινσουλίνη αποτελείται από δύο διαφορετικές αλυσίδες, ενώ η αιµοσφαιρίνη από τέσσερις ανά δύο όµοιες αλυσίδες. Κάθε πρωτεϊνη µπορεί να περιέχει δεκάδες έως και χιλιάδες αµινοξέα (πχ ινσουλίνη µε 51, ουρεάση µε 4500), τα οποία συνδυάζονται µε ένα συγκεκριµένο τρόπο. ηλ. σε µια πρωτεϊνη υπάρχει µια συγκεκριµένη αλληλουχία αµινοξέων πάνω στην πολυπεπτιδική αλυσίδα. Αντικατάσταση ακόµη και ενός αµινοξέος σε µια θέση της πεπτιδικής αλυσίδας διαφοροποιεί την πρωτεϊνη πολλές φορές σε τέτοιο βαθµό που δεν µπορεί να επιτελέσει το ρόλο της. Χαρακτηριστικό παράδειγµα είναι η δρεπανοκυτταρική αναιµία στον άνθρωπο, όπου στην 6 η θέση της β-πεπτιδικής αλυσίδας της αιµοσφαιρίνης το γλουταµινικό οξύ έχει αντικατασταθεί από βαλίνη. Η αντικατάσταση αυτή έχει σαν συνέπεια η αιµοσφαιρίνη να αλλάζει σχήµα, να είναι δυσκίνητη και να µη είναι σε θέση να ανταλλάσσει O 2 και CO 2 µεταξύ των ιστών και των πνευµόνων, κατά την αναπνοή. Κάθε πεπτιδική αλυσίδα αποτελεί το προϊόν έκφρασης ενός γονιδίου. Αυτό σηµαίνει ότι πίσω από µια πρωτεϊνη "κρύβεται" πάντοτε ένα ή περισσότερα γονίδια, ανάλογα µε τη σύνθεσή της σε πεπτιδικές αλυσίδες. Με άλλα λόγια η κωδικοποιηµένη στο DNA γενετική πληροφορία αποκωδικοποιείται µε τη δόµηση της αντίστοιχης πρωτεϊνης. Από εκεί και πέρα η πρωτεϊνη έχει ένα συγκεκριµένο ρόλο να επιτελέσει µέσα στο κύτταρο. Ετσι υπάρχουν πρωτεΐνες µε δοµικό ρόλο (πχ πρωτεΐνες της κυτταρικής µεµβράνης), µε καταλυτικό ρόλο (ένζυµα), µε ρυθµιστικό ρόλο (ορµόνες), µε αποθηκευτικό ρόλο (πχ ζεϊνη καλαµποκιού, γλουτεϊνη σιταριού) κλπ. 1.2 ΝΟΥΚΛΕΪΚΑ ΟΞΕΑ Τα νουκλεϊκά οξέα είναι πολυµερείς ενώσεις που αποτελούνται από απλούστερες ενώσεις,τα νουκλεοτίδια. Υπάρχουν δύο είδη νουκλεϊκών οξέων, το DNA (δεσοξυ-ριβονουκλεϊκό οξύ) και το RNA (ριβονουκλεϊκό οξύ).

15 1.2.1 οµή των νουκλεοτιδίων Κάθε νουκλεοτίδιο αποτελείται από ένα έως τρία µόρια φωσφορικού οξέος, µια πεντόζη και µια αζωτούχο βάση (εικ. 2).. Η πεντόζη είναι ριβόζη ή δεσοξυριβόζη (εικ. 3) και µε βάση αυτή, όσα νουκλεοτίδια έχουν τη ριβόζη λέγονται ριβο-νουκλεοτίδια, ενώ όσα έχουν τη δεσοξυ-ριβόζη λέγονται δεσοξυ-ριβο-νουκλεοτίδια. Υπάρχουν δύο κατηγορίες αζωτούχων βάσεων που απαντώνται στα νουκλεοτίδια, οι πουρίνες και οι πυριµιδίνες. Στις πουρίνες ανήκουν η αδενίνη (Α) και η γουανίνη (G), ενώ στις πυριµιδίνες η κυτοσίνη (C), η θυµίνη (Τ) και η ουρακίλη (U) (εικ. 4). Εικ. 2. Σχηµατική παράσταση της δοµής ενός µονοφωσφορικού νουκλεοτιδίου. Σε κάθε νουκλεοτίδιο το φωσφορικό οξύ συνδέεται µε την πεντόζη στη θέση 5, ενώ η αζωτούχος βάση στη θέση 1 (εικ. 5). Στα ριβο-νουκλεοτίδια η πεντόζη είναι ριβόζη, ενώ η αζωτούχος βάση µια από τις πουρίνες ή µια από τις πυριµιδίνες µε εξαίρεση τη θυµίνη. Στα δεσοξυ-ριβο-νουκλεοτίδια η πεντόζη είναι δεσοξυ-ριβόζη, ενώ η αζωτούχος βάση µια από τις πουρίνες ή µια από τις πυριµιδίνες µε εξαίρεση τη ουρακίλη. HOCH 2 4 5 Ο OH C H H H C 2 C 3 OH ριβόζη OH C H 1 5 HOCH 2 O OH 4 C H H C 3 2 H C C H 1 OH H δεσοξυ-ριβόζη Εικ. 3. Η διαφορά µεταξύ ριβόζης και δεσοξυ-ριβόζης βρίσκεται στη θέση 2, όπου για την πρώτη υπάρχει ΟΗ και τη δεύτερη Η.

16 NH 2 O N C C N CH HC C N N H HN C C N CH H 2 N C C N N H Αδενίνη (Α) ΠΟΥΡΙΝΕΣ Γουανίνη (G) N O=C C CH N H NH 2 CH Κυτοσίνη (C) ΗN C C CH 3 O=C Ο N H CH Θυµίνη (Τ) ΠΥΡΙΜΙ ΙΝΕΣ ΗN O=C Ο C N H C CH H Ουρακίλη (U) Εικ. 4. Οι πέντε αζωτούχες βάσεις που διακρίνονται σε δύο κατηγορίες, τις πουρίνες µε διπλό δακτύλιο (αδενίνη και γουανίνη) και τις πυριµιδίνες µε µονό δακτύλιο (κυτοσίνη, θυµίνη και ουρακίλη). Η ονοµατολογία κάθε νουκλεοτιδίου βασίζεται κυρίως στην αζωτούχο βάση και δευτερευόντως στον αριθµό των φωσφορικών οξέων που έχει. Ένα ριβονουκλεοτίδιο που έχει αδενίνη λέγεται αδενοσίνη µονοφωσφορική (συµβολίζεται σαν AMP) ή αδενοσίνη διφωσφορική (ADP) ή αδενοσίνη τριφωσφορική (ATP) αν έχει ένα ή δύο ή τρία φωσφορικά οξέα αντίστοιχα (εικ. 5). Οι αντίστοιχες ονοµασίες ενός δεσοξυριβονουκλεοτιδίου µε αδενίνη είναι δεσοξυ-αδενοσίνη µονοφωσφορική (damp), δεσοξυ-αδενοσίνη διφωσφορική (dadp) και δεσοξυ-αδενοσίνη τριφωσφορική (datp). Με άλλα λόγια µε βάση την αζωτούχο βάση υπάρχουν τέσσερα ριβο-νουκλεοτίδια, οι αδενοσίνες, οι γουανοσίνες, οι κυτιδίνες και οι ουριδίνες και τέσσερα δεσοξυριβο-νουκλεοτίδια, οι δεσοξυ-αδενοσίνες, οι δεσοξυ-γουανοσίνες, οι δεσοξυ-

17 κυτιδίνες και οι δεσοξυ-θυµιδίνες. Ο συµβολισµός τους εξαρτάται από την αζωτούχο βάση, όπως δόθηκε για την αδενίνη (πχ η ουριδίνη τριφωσφορική συµβολίζεται σαν UTP και η δεσοξυ-γουανοσίνη διφωσφορική σαν dgdp). αδενίνη NH φωσφορικά οξέα N C C N CH HC C N N H C H C O H C C H O CH 2 O P O OH O P O OH O P OH OH OH OH ριβόζη αδενοσίνη αδενοσίνη µονοφωσφορική (ΑΜP) αδενοσίνη διφωσφορική (ΑDP) αδενοσίνη τριφωσφορική (ΑΤP) Εικ. 5. οµή ριβο-νουκλεοτιδίων µε βάση την αδενίνη και ένα, δύο ή τρία µόρια φωσφορικού οξέος. Μονοφωσφορικά νουκλεοτίδια αποτελούν τα δοµικά συστατικά των νουκλεϊκών οξέων (DNA και RNA). Επιπλέον επιτελούν ένα ακόµη σηµαντικό ρόλο στο κύτταρο, καθώς σε νουκλεοτίδια αποθηκεύεται ενέργεια, γιατί είναι ενώσεις που δεσµεύουν µεγάλα ποσά ενέργειας, η οποία εύκολα ελευθερώνεται για να αξιοποιηθεί για τις ενεργειακές ανάγκες του κυττάρου.

18 Πχ το φυτικό κύτταρο κατά τη φωτοσύνθεση αρχικά δεσµεύει την ηλιακή ενέργεια σε µόρια ΑΤΡ και στη συνέχεια σε οργανικές ενώσεις, ενώ κατά την αναπνοή αποικοδοµεί οργανικές ενώσεις οπότε την ελευθερούµενη ενέργεια την αποθηκεύει πάλι σε ΑΤΡ. 1.2.2 οµή του RNA Το RNA είναι πολυµερές που αποτελείται από µια αλυσίδα µονοφωσφορικών ριβονουκλεοτιδίων και επειδή η αλυσίδα είναι µονή χαρακτηρίζεται σαν µονόκλωνο. Θυµηθείτε ότι τα ριβονουκλεοτίδια έχουν σαν βάση την αδενίνη ή την γουανίνη ή την κυτοσίνη ή την ουρακίλη. Σχηµατικά µπορούµε να παραστήσουµε το µόριο ενός υποθετικού RNA ως εξής: ηλαδή τα νουκλεοτίδια ενώνονται µεταξύ τους χάρη στους δεσµούς που σχηµατίζονται µεταξύ της φωσφορικής ρίζας του ενός µε τη ριβόζη του άλλου. Οι δεσµοί αυτοί ονοµάζονται 3-5 φωσφοδιεστερικοί δεσµοί. Σε κάθε τέτοιο δεσµό τα γειτονικά νουκλεοτίδια ενώνονται το ένα µε τη θέση 3 και το άλλο µε τη θέση 5 της ριβόζης. Από τη στιγµή που στη θέση 5 κάθε νουκλεοτιδίου βρίσκεται η φωσφορική ρίζα, ουσιαστικά στον

19 φωσφοδιεστερικό δεσµό ενώνονται ο 3 άνθρακας του ενός µε τη φωσφορική ρίζα του άλλου. Με τον τρόπο αυτό σχηµατίζεται µια 3-5 µονή αλυσίδα ριβο-νουκλεοτιδίων και για το λόγο αυτό το RNA χαρακτηρίζεται ως µονόκλωνο (εικ. 6). 5 άκρο Αδενίνη Κυτοσίνη Ουρακίλη Γουανίνη 3 άκρο Γουανίνη Εικ. 6. Τµήµα RNA µε τέσσερα ριβονουκλεοτίδια. Επειδή ουσιαστικά στα διαδοχικά νουκλεοτίδια του RNA εκείνο που τα διαφοροποιεί είναι οι βάσεις, η δοµή ενός µορίου µπορεί να απεικονιστεί µόνο από τις βάσεις, πχ: 5 UAAGCCUAAG..CCGGAUAG 3.

20 Το RNA παίζει βασικό ρόλο στη σύνθεση των πρωτεϊνών. Υπάρχουν τρία είδη RNA, το αγγελιαφόρο (messenger RNA ή mrna), που µεταφέρει τις γενετικές πληροφορίες από το DNA στα ριβοσώµατα, το µεταφορικό (transfer RNA ή trna), που µεταφέρει τα αµινοξέα στα ριβοσώµατα και το ριβοσωµικό (ribosomal RNA ή rrna), που αποτελεί βασικό δοµικό συστατικό των ριβοσωµάτων, πάνω στα οποία επιτελείται η διεργασία της πρωτεϊνοσύνθεσης. 1.2.3 οµή του DNA Με παρόµοιο τρόπο µε αυτό του RNA είναι δοµηµένο και το DNA. Υπάρχουν όµως τρεις βασικές διαφορές. Πρώτα τα νουκλεοτίδια που συµµετέχουν είναι µονοφωσφορικά δεσοξυ-ριβονουκλεοτίδια. εύτερο δεν απαντάται η βάση ουρακίλη, αλλά στη θέση της απαντάται η θυµίνη, και το αντίστοιχο νουκλεοτίδιο είναι η δεσοξυ-θυµιδίνη µονοφωσφορική (dtmp). Τρίτο το DNA είναι δίκλωνο, δηλαδή αποτελείται από δύο αλυσίδες δεσοξυ-ριβο-νουκλεοτιδίων, οι οποίες διατάσσονται αντιπαράλληλα (στο ένα άκρο η µια αλυσίδα µε το 3 άκρο της και η άλλη µε το 5 ) και συγκρατούνται µεταξύ τους µε δεσµούς υδρογόνου. Μάλιστα ισχύει ο νόµος της συµπληρωµατικότητας των βάσεων σύµφωνα µε τον οποίο στις συµπληρωµατικές αλυσίδες πάντοτε ζευγαρώνουν µια πουρίνη µε µια πυριµιδίνη, και συγκεκριµένα η αδενίνη µε τη θυµίνη (µε δύο δεσµούς Η) και η γουανίνη µε την κυτοσίνη (µε τρεις δεσµούς Η), όπως δείχνει η εικόνα 7. Όπως στην περίπτωση του RNA η απεικόνιση ενός τµήµατος DNA µπορεί να γίνει µόνο µε τα σύµβολα των βάσεών του. Πχ το DNA της εικόνας 7 µπορεί να γραφεί: 5 ΤΤCAG... 3 3 AAGTC... 5

ή ακόµη µόνο µε τις βάσεις της µιας αλυσίδας (5 ΤΤCAG... 3 ), αφού η άλλη αλυσίδα είναι συµπληρωµατική της. 21 5 3 Θυµίνη Αδενίνη Θυµίνη Αδενίνη Κυτοσίνη Γουανίνη Αδενίνη Θυµίνη 3 Γουανίνη Κυτοσίνη 5 Εικ. 7. Τµήµα DNA µε τα ζευγάρια των βάσεων των οποίων η διαδοχή και ο αριθµός διαφοροποιεί τα µόρια DNA.

22 Εικ. 8. Η διπλή έλικα του DNA. Η δοµή του DNA αποσαφηνίστηκε πλήρως από τους Watson και Crick (1953) οι οποίοι ανέπτυξαν το µοντέλο της διπλής αλυσίδας. Η διπλή αλυσίδα του DNA περιελίσσεται σχηµατίζοντας τη διπλή έλικα (εικ. 8). Το DNA αποτελεί το γενετικό και κληρονoµικό υλικό του οργανισµού. Ελέγχει τον τρόπο εκδήλωσης των γνωρισµάτων του οργανισµού, µορφολογικών και φυσιολογικών. Στο DNA είναι κωδικοποιηµένες οι γενετικές πληροφορίες, η αποκωδικοποίηση των οποίων οδηγεί στην εκδήλωση των γνωρισµάτων. Η έκφραση των γενετικών πληροφοριών ώστε να εκδηλωθούν τα αντίστοιχα γνωρίσµατα γίνεται µε τη σύνθεση πρωτεϊνών. 1.3 ΟΜΗ ΤΟΥ ΦΥΤΙΚΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ Τα κύτταρα των φυτικών (όπως και των ζωικών) οργανισµών, παρά το µικροσκο-πικό τους µέγεθος, έχουν πολύ υψηλό επίπεδο οργάνωσης και η δοµή τους είναι πολύ πολύπλοκη. Εξετάζοντας ένα τυπικό φυτικό κύτταρο διακρίνουµε εξωτερικά την διπλή κυτταρική µεµβράνη (ή πλάσµα µεµβράνη),

23 που περιβάλλεται από ένα εξωτερικό περίβληµα, το κυτταρικό τοίχωµα του κυττάρου. Το εσωτερικό του κυττάρου αποτελεί το κυτταρόπλασµα ή πρωτόπλασµα όπου βρίσκονται τα διάφορα όργανά του. Κεντρικό όργανο είναι ο πυρήνας που διαχωρίζεται από το υπόλοιπο µέρος του κυττάρου µε µια κυτταρική µεµβράνη χλωροπλάστης σύστηµα Golgi χυµοτόπια ενδοπλασµατικές µεµβράνες πυρήνας πυρηνίσκος χρωµοσώµατα ριβοσώµατα µιτοχόνδρια Εικ. 9. Σχηµατική παράσταση του φυτικού κυττάρου

24 διπλή µεµβράνη την πυρηνική µεµβράνη. Στο εσωτερικό του πυρήνα, το πυρηνόπλασµα, βρίσκεται διασκορπισµένη η χρωµατίνη (DNA ενωµένο µε πρωτεΐνες) και ο πυρηνίσκος. Στο κυτταρόπλασµα υπάρχει νερό µε διαλυµένα ανόργανα και οργανικά χηµικά µόρια και διασκορπισµένα οργανίδια όπως τα µιτοχόνδρια, οι χλωροπλάστες, το ενδοπλασµατικό δίκτυο, το σύµπλεγµα Golgi, τα ριβοσώµατα, τα χυµοτόπια, τα λυσοσώµατα, κλπ (εικ. 9). Το κυτταρικό τοίχωµα είναι αυτό που δίνει σχήµα και στήριξη στα κύτταρα, ενώ η κυτταρική µεµβράνη είναι υπεύθυνη για τη ρύθµιση της εισόδου και εξόδου των διάφορων ουσιών του κυττάρου. Η πυρηνική µεµβράνη είναι διάτρητη και οι πόροι χρησιµεύουν για την επικοινωνία του πυρήνα µε το κυτταρόπλασµα, µε την ανταλλαγή ουσιών. Ο πυρήνας αποτελεί το κεντρικό όργανο του κυττάρου γιατί στο εσωτερικό του, το πυρηνόπλασµα, βρίσκεται το γενετικό υλικό στο οποίο είναι κωδικοποιηµένες οι γενετικές πληροφορίες. Το γενετικό υλικό έχει τη µορφή χρωµατίνης που είναι σύµπλοκο DNA µε πρωτεΐνες και βρίσκεται στο πυρηνόπλασµα τελείως ακατάστατα. Μόνο όταν πρόκειται να γίνει κυτταρική διαίρεση, η χρωµατίνη συσπειρώνεται και συµπυκνώνεται, οπότε προκύπτουν συγκροτηµένοι σχηµατισµοί, τα χρωµοσώµατα. Ακόµη στο πυρηνόπλασµα υπάρχει ένα µικρό οργανίδιο, ο πυρηνίσκος που είναι δοµηµένος από σύµπλοκα ριβονουκλεοπρωτεϊνών (RNA µε πρωτεΐνες). Στον πυρηνίσκο βρίσκεται ένα τµήµα DNA στο οποίο είναι κωδικοποιηµένες οι πληροφορίες για τη σύνθεση του rrna, που µαζί µε πρωτεΐνες συµµετέχει στη δοµή των ριβοσωµάτων. ηλ. ο πυρήνας αποτελεί τον "εγκέφαλο" του κυττάρου αφού ελέγχει, µε το DNA, άµεσα ή έµµεσα όλες τις λειτουργίες του κυττάρου. Τα µιτοχόνδρια είναι επιµήκη, ωοειδή ή ραβδόµορφα οργανίδια και περιβάλλονται από διπλή µεµβράνη. Η εσωτερική µεµβράνη διπλώνεται και αναδιπλώνεται στο εσωτερικό του οργανιδίου µε αποτέλεσµα να σχηµατίζει

25 πτυχές πάνω στις οποίες βρίσκονται τα ένζυµα που καταλύουν την οξείδωση των οργανικών ουσιών για την παραγωγή ενέργειας (ΑΤΡ) κατά την κυτταρική αναπνοή, ενέργεια που είναι απαραίτητη για τη λειτουργία του κυττάρου. Οι χλωροπλάστες ανήκουν σε µια οµάδα κυτταρικών οργανιδίων, τα πλαστίδια, που βρίσκονται µόνο στα φυτά. Περιέχουν την πράσινη χρωστική χλωροφύλλη στην οποία οφείλεται το πράσινο χρώµα των φυτών. Το σχήµα τους είναι "φακοειδές" ή ωοειδές. Περιβάλλονται από διπλή µεµβράνη. Στο εσωτερικό τους υπάρχουν δίκτυα µεµβρανών όπου βρίσκεται η χλωροφύλλη στην οποία γίνεται η δέσµευση της ηλιακής ενέργειας, ενώ ένζυµα του εσωτερικού του χλωροπλάστη καταλύουν τη δέσµευση του CO 2. Με τη δέσµευση της ηλιακής ενέργειας και του CO 2 επιτελείται στους χλωροπλάστες η λειτουργία της φωτοσύνθεσης. Το ενδοπλασµατικό δίκτυο (Ε ) αποτελεί ένα δίκτυο µεµβρανών στο εξωτερικό των οποίων βρίσκονται προσκολληµένα τα ριβοσώµατα που είναι δοµηµένα από πρωτεΐνες και rrna. Ριβοσώµατα υπάρχουν και ελεύθερα στο κυτταρόπλασµα. Στα ριβοσώµατα γίνεται η σύνθεση των πρωτεϊνών. Τα χυµοτόπια περιβάλλονται από µια µεµβράνη, τον τονοπλάστη και καταλαµβάνουν µεγάλο µέρος του κυτταροπλάσµατος. Αποτελούν τις αποθήκες κυρίως νερού, γι'αυτό και συµβάλλουν στη σπαργή των κυττάρων, αλλά και αλάτων, σακχάρων, οξέων και διάφορων πολυµερών. Με την πάροδο του χρόνου εκεί συγκεντρώνονται και διάφορα προϊόντα του µεταβολισµού που είναι άχρηστα ή τοξικά για το κύτταρο. 1.4 ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΤΟΥ ΓΕΝΕΤΙΚΟΥ ΥΛΙΚΟΥ Το γενετικό υλικό είναι οργανωµένο σε τρία επίπεδα, το γονίδιο, το χρωµόσωµα και το γένωµα (εικ. 10). Η µικρότερη µονάδα κληρονοµικότητας

26 είναι το γονίδιο, που δεν είναι τίποτε άλλο παρά µια µικρή και συγκεκριµένη αλληλουχία βάσεων ενός µορίου DNA, ή διαφορετικά αποτελεί µια συγκεκριµένη γονιδιακή θέση πάνω στο µόριο DNA. Κάθε γονιδιακή θέση είναι υπεύθυνη για τον έλεγχο συγκεκριµένου γνωρίσµατος, είτε αυτοτελώς είτε σε συνεργασία µε άλλη ή άλλες γονιδιακές θέσεις (θυµηθείτε τα ποιοτικά και ποσοτικά γνωρίσµατα που αναφέρθηκαν στην εισαγωγή). Ο αριθµός των γονιδιακών θέσεων ποικίλει ανάλογα µε το είδος. Στον άνθρωπο υπολογίζεται ότι 40.000 είναι οι γονιδιακές θέσεις που ελέγχουν το σύνολο των γνωρισµάτων του, ενώ στους νηµατώδεις ο αντίστοιχος αριθµός είναι 18.000. γένωµα γονίδιo χρωµόσωµα α Β Γ ε Ζ απλοειδές κύτταρο (n=χ=3) Εικ. 10. Η οργάνωση του γενετικού υλικού σε τρία επίπεδα (γονίδιο - χρωµόσωµα - γένωµα). Το συγκεκριµένο κύτταρο ανήκει σε είδος του οποίου το γένωµα έχει βασικό αριθµό χρωµοσωµάτων Χ=3. Κύτταρα τα οποία έχουν ένα πλήρες γένωµα λέγονται απλοειδή. Ένα πλήρες µόριο DNA, µε το σύνολο των γενετικών πληροφοριών που φέρει (το σύνολο των γονιδίων) αποτελεί το δεύτερο επίπεδο οργάνωσης του γενετικού υλικού, το χρωµόσωµα. Για κάθε είδος οργανισµού υπάρχει ένας

27 βασικός αριθµός (Χ) χρωµοσωµάτων, έτσι ώστε να αντιπροσωπεύονται όλες οι γενετικές πληροφορίες που αφορούν το είδος αυτό. Το σύνολο των διαφορετικών αυτών χρωµοσωµάτων του είδους αυτού αποτελούν το γένωµα του. Για παράδειγµα ο βασικός αριθµός χρωµοσωµάτων στο γένωµα του ανθρώπου είναι Χ=23, ενώ στο γένωµα του καλαµποκιού είναι Χ=10 και της σίκαλης Χ=7. Αυτό σηµαίνει ότι για να υπάρχουν στον άνθρωπο όλες οι γενετικές πληροφορίες (δηλαδή να υπάρχει γενετική ισορροπία) απαιτούνται 23 διαφορετικά χρωµοσώµατα (23 διαφορετικά µόρια DΝΑ). Κύτταρα που αποτελούνται από ένα πλήρες γένωµα ονοµάζονται απλοειδή κύτταρα, και τέτοια είναι τα κύτταρα «γαµέτες» που προερχόµενα από τα δύο φύλα (αρσενικό θηλυκό) συγχωνεύονται κατά τη γονιµοποίηση ώστε να δώσουν το ζυγώτη, στη συνέχεια το έµβρυο και τέλος ένα νέο άτοµο. Με άλλα λόγια απλοειδή είναι το σπερµατοζωάριο και τα ωάριο που αποτελούν τον αρσενικό και θηλυκό γαµέτη αντίστοιχα στους ζωικούς οργανισµούς ή ο γυρεόκοκκος και το ωάριο που αποτελούν τον αρσενικό και θηλυκό γαµέτη αντίστοιχα στα φυτά. Ο αριθµός χρωµοσωµάτων ενός γαµέτη συµβολίζεται µε το γράµµα n, και φυσικά ισούται µε τον βασικό αριθµό χρωµοσωµάτων Χ (στον άνθρωπο ένα σπερµατοζωάριο θα έχει n=x=23 χρωµοσώµατα). Απόρροια όµως του εγγενούς πολλαπλασιασµού, της συγχώνευσης 2 γαµετών προερχόµενων από τη µητέρα και τον πατέρα, η πλειοψηφία των οργανισµών είναι διπλοειδείς, αποτελούνται δηλαδή από 2 παρόµοια γενώµατα (εικ. 11) που ονοµάζονται οµόλογα γενώµατα. Το σύνολο των κυττάρων ενός οργανισµού, τα οποία ονοµάζονται σωµατικά κύτταρα, είναι διπλοειδή, αποτελούµενα από 2 οµόλογα γενώµατα που το ένα έχει κληρονοµηθεί από τη µητέρα και το άλλο από τον πατέρα. Εξαίρεση αποτελούν τα κύτταρα που είναι υπεύθυνα για την αναπαραγωγή (γαµέτες) και τα οποία είναι απλοειδή όπως αναφέρθηκε παραπάνω. Κατά συνέπεια ο αριθµός χρωµοσωµάτων ενός διπλοειδούς οργανισµού ισούται µε 2n=2X (πχ στον

28 αλληλόµορφα γονίδια µη οµόλογα χρωµοσώµατα Α α Γ γ Ε ε Β Β δ Ζ Ζ συνδεδεµένα γονίδια οµόλογα χρωµοσώµατα ασύνδετα γονίδια διπλοειδές κύτταρο 2n=2X=6 Εικ. 11. Η συγχώνευση δύο γαµετών κατά τη γονιµοποίηση οδηγεί στη δηµιουργία σωµατικών κυττάρων που είναι διπλοειδή. Τα διπλοειδή άτοµα αποτελούνται από σωµατικά κύτταρα που περιέχουν 2 οµόλογα γενώµατα, προερχόµενα το ένα από τη µητέρα και το άλλο από τον πατέρα. άνθρωπο 2n=2X=46, στο καλαµπόκι 2n=2X=20). Ο τρόπος µε τον οποίο ένα άτοµο αποκτά το σύνολο των διπλοειδών σωµατικών του κυττάρων (τρισεκατοµµύρια σωµατικά κύτταρα), ή ο τρόπος µε τον οποίο παράγονται οι απλοειδείς γαµέτες σχετίζονται µε τους δύο τρόπους διαίρεσης του κυττάρου, της µίτωσης και µείωσης αντίστοιχα, όπως θα δούµε αµέσως παρακάτω. Με άλλα λόγια τα σωµατικά κύτταρα των διπλοειδών οργανισµών αποτελούνται από ζευγάρια οµόλογων χρωµοσωµάτων (εικ. 11). Τα οµόλογα χρωµοσώµατα στην ουσία αποτελούν διαφορετικές µορφές του ίδιου χρωµοσώµατος, για το

29 λόγο αυτό έχουν κοινά χαρακτηριστικά, όπως ίδια µορφολογία, ίδιο µέγεθος και κοινά γονίδια. Εξαίρεση για τη µορφολογία, το µέγεθος και τη γονιδιακή σύσταση αποτελούν τα οµόλογα φυλετικά χρωµοσώµατα Χ και Υ, όπως θα δούµε στο κεφάλαιο για τον καθορισµό του φύλου. Το σύνολο των χρωµοσωµάτων ενός είδους ονοµάζεται καρυότυπος. Στην εικόνα 12 δίνεται ο καρυότυπος της γυναίκας µε τα 23 ζευγάρια οµόλογων χρωµοσωµάτων. Εικ. 12. Τα 23 ζευγάρια οµόλογων χρωµοσωµάτων στα σωµατικά κύτταρα µιας γυναίκας. Κάθε χρωµόσωµα, που στην ουσία είναι ένα µόριο DNA, έχει κατά µήκος του διάφορα γονίδια. Κάθε γονίδιο αποτελείται από συγκεκριµένο τµήµα του DNA, µε καθορισµένη αλληλουχία βάσεων (δεσοξυριβονουκλεοτιδίων) και είναι υπεύθυνο για τη σύνθεση συγκεκριµένης πρωτεϊνης και κατ'επέκταση για τον έλεγχο ενός γνωρίσµατος. Τα γονίδια που βρίσκονται στις αντίστοιχες γονιδιακές θέσεις των οµολόγων χρωµοσωµάτων ελέγχουν πάντοτε το ίδιο γνώρισµα (όχι απαραίτητα µε τον ίδιο τρόπο) και ονοµάζονται αλληλόµορφα γονίδια. Έτσι σύµφωνα µε την εικόνα 11 αλληλόµορφα είναι το Α µε το α, το Γ µε το γ κλπ και µάλιστα στη θέση που βλέπουµε το γονίδιο Α θα µπορούσε να ήταν το α και αντίστροφα. Στην πραγµατικότητα τα αλληλόµορφα γονίδια είναι διαφορετικές µορφές του ίδιου

30 γονιδίου. Μεταλλάξεις ενός αρχικού γονιδίου «πρόγονος» οδήγησαν στη δηµιουργία των αλληλόµορφων γονιδίων της ίδιας γονδιακής θέσης. Έστω ότι στη γονιδιακή θέση έψιλον το αρχικό γονίδιο ήταν το Ε και µια µετάλλαξη το διαφοροποίησε σε ε, µε αποτέλεσµα να προκύψουν δύο µορφές του γονιδίου, τα αλληλόµορφα Ε και ε. Συνεπώς και τα οµόλογα χρωµοσώµατα αποτελούν διαφορετικές µορφές του ίδιου χρωµοσώµατος, και η δηµιουργία των αλληλόµορφων γονιδίων οδήγησε στη δηµιουργία των οµόλογων χρωµοσωµάτων. Τα αλληλόµορφα γονίδια συνήθως συµβολίζονται µε το ίδιο γράµµα (κεφαλαίο και µικρό) ή µε το ίδιο γράµµα και δείκτες ή εκθέτες (πχ α 1, α 2 κλπ ή α b, α c κλπ). Αν τα αλληλόµορφα είναι περισσότερα από δύο λέγονται πολλαπλά, αλλά στα σωµατικά κύτταρα ενός διπλοειδούς ατόµου βρίσκονται το πολύ δύο από αυτά (γιατί;). Ετσι αν για τη γονιδιακή θέση Α τα αλληλόµορφα είναι πολλαπλά (Α, α, α 1, α 2 ), στη θέση που βλέπουµε στην εικόνα το Α ή το α, θα µπορούσε να είναι ένα από τα α 1 ή α 2. Γονιδιακές θέσεις που βρίσκονται στο ίδιο χρωµόσωµα λέγονται συνδεδεµένες και τα γονίδια που µπορεί να βρίσκονται σ αυτές συνδεδεµένα. Ετσι συνδεδεµένες είναι η Α µε τη Β θέση, ή η Ε µε τη Ζ, οπότε οποιοδήποτε αλληλόµορφο γονίδιο µπορεί να βρεθεί σε µια από αυτές θεωρείται συνδεδεµένο µε οποιοδήποτε αλληλόµορφο γονίδιο µπορεί να βρεθεί στην άλλη συνδεδεµένη θέση (πχ συνδεδεµένες είναι οι γονιδιακές θέσεις γάµα και δέλτα, άρα συνδεδεµένο είναι το γονίδιο Γ µε το δ). Αντίθετα γονιδιακές θέσεις που βρίσκονται σε διαφορετικά και µη οµόλογα χρωµοσώµατα λέγονται ασύνδετες και τα αντίστοιχα γονίδια ασύνδετα (πχ ασύνδετες είναι οι γονιδιακές θέσεις άλφα και δέλτα άρα το γονίδιο α θεωρείται ασύνδετο µε το δ, οµοίως ασύνδετα είναι τα γονίδια γ µε Ζ). Η γονιδιακή σύσταση ενός ατόµου ονοµάζεται γενότυπος. ηλαδή το άτοµο της εικόνας 11 έχει γενότυπο ΑαΒΒΓγ δεεζζ. Ο πλήρης γενότυπος ενός ατόµου περιλαµβάνει µεγάλο αριθµό γονιδίων, οπότε στο γενότυπο

31 περιλαµβάνουµε µόνο τα γονίδια που βρίσκονται στις θέσεις που ελέγχουν το υπό µελέτη γνώρισµα ή γνωρίσµατα. Αν µας ενδιαφέρουν οι θέσεις Α και Ζ ο γενότυπος είναι ΑαΖΖ, ενώ αν µας ενδιαφέρει µόνο η θέση Α ο γενότυπος είναι Αα. Αν για µια γονιδιακή θέση και στα δύο οµόλογα χρωµοσώµατα βρίσκεται το ίδιο αλληλόµορφο (πχ ΒΒ ή ΖΖ), η θέση λέγεται οµόζυγη ή οµοζύγωτη, ενώ αν βρίσκονται διαφορετικά αλληλόµορφα (πχ Αα ή Γγ) η θέση λέγεται ετερόζυγη ή ετεροζύγωτη. Κατ επέκταση οµόζυγο είναι ένα γνώρισµα σ ένα άτοµο όταν τα αλληλόµορφα γονίδια που το ελέγχουν βρίσκονται σε οµόζυγη κατάσταση και ετερόζυγο είναι ένα γνώρισµα αν τα αλληλόµορφα γονίδια που το ελέγχουν είναι σε ετερόζυγη κατάσταση. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω τα γαµετικά κύτταρα είναι απλοειδή, δηλ. περιέχουν µόνο ένα γένωµα ή διαφορετικά µόνο ένα από κάθε ζευγάρι οµόλογων χρωµοσωµάτων. Αυτό σηµαίνει ότι στους γαµέτες βρίσκεται µόνο ένα από κάθε ζευγάρι αλληλόµορφων γονιδίων, έτσι γαµέτες που µπορεί να προκύψουν από το κύτταρο της εικόνας 11 είναι ο αβγδεζ ή ΑΓ ή µόνο Α, ανάλογα µε το ποιες θέσεις µελετάµε. Το αποτέλεσµα της έκφρασης του γενότυπου δηλ. ο τρόπος µε τον οποίο εκδηλώνονται τα ελεγχόµενα γνωρίσµατα ώστε να είναι φαινοµενικά αντιληπτά λέγεται φαινότυπος (πχ πράσινα σπέρµατα, καστανά µάτια, µεγάλο ύψος, κλπ). Αν για παράδειγµα σε ένα φυτό το αποτέλεσµα έκφρασης του γενοτύπου Αα (των αλληλόµορφων Α και α) είναι η παραγωγή τέτοιων πρωτεϊνών ώστε να δηµιουργείται ροζ άνθος, ο φαινότυπος του γενοτύπου Αα είναι «ροζ άνθος». 1.5 ΙΑΙΡΕΣΗ ΤΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥ ύο είναι οι τρόποι διαίρεσης των κυττάρων, η µίτωση και η µείωση. Με µίτωση διαιρούνται όλα τα σωµατικά κύτταρα κατά την αύξηση και ανά-

32 πτυξη του οργανισµού, ενώ µε µείωση εκείνα τα κύτταρα στα αναπαραγωγικά όργανα που εξελίσσονται σε γαµέτες. µίτωση διπλασιασµός DNA 2n 2n 2n 2n µείωση διπλασιασµός DNA n n n n Εικ. 13. Με τη µίτωση από ένα διπλοειδές κύτταρο παράγονται δύο διπλοειδή θυγατρικά και µε τη µείωση τέσσερα απλοειδή θυγατρικά κύτταρα. Κατά τη µιτωτική διαίρεση, από ένα µητρικό κύτταρο προκύπτουν δύο θυγατρικά κύτταρα, τα οποία έχουν τα ίδια ακριβώς χρωµοσώµατα µε το µητρικό, γίνεται δηλ. πιστή αντιγραφή του αρχικού κυττάρου (εικ. 13). Ο ρόλος της µίτωσης είναι να συµβάλει στην αύξηση του αριθµού των κυττάρων του ατόµου. Το αρχικό διπλοειδές κύτταρο που προκύπτει κατά τη γονιµοποίηση, ο ζυγώτης, διαιρείται µε µίτωση δίνοντας δύο νέα κύτταρα ακριβώς όµοια µεταξύ τους και µε το αρχικό. Αυτά µε νέες µιτώσεις θα δώσουν τέσσερα κύτταρα κ.ο.κ., οπότε τελικά θα προκύψει το έµβρυο στο οποίο όλα τα κύτταρα είναι διπλοειδή και όµοια γενετικά µε τον αρχικό ζυγώτη (εικ. 14). Με τις συνεχείς µιτώσεις το έµβρυο εξελίσσεται σε κανονικό άτοµο στο οποίο τα σωµατικά κύτταρα αποκτούν εξειδικευµένη λειτουργία ανάλογα µε τον ιστό και το όργανο στο οποίο ανήκουν (πχ κύτταρα του φύλλου, της ρίζας, των πετάλων στα άνθη), δηλ. διαφοροποιούνται µορφολογικά και λειτουργικά. Παρά όµως τη διαφοροποίησή τους αυτή όλα τα σωµατικά κύτταρα ενός ατόµου έχουν ακριβώς το ίδιο γενετικό υλικό

33 ποσοτικά και ποιοτικά, γεγονός που εξηγείται από το γεγονός ότι προκύπτουν µε συνεχείς µιτώσεις. Η κύρια σηµασία της µίτωσης είναι η διατήρηση σταθερού του αριθµού και του είδους των χρωµοσωµάτων (άρα και των γονιδίων) σε όλα τα κύτταρα του ατόµου ώστε να εξασφαλίζεται η εύρυθµη λειτουργία του. Επίσης ο τρόπος αναπαραγωγής των κυττάρων µε µίτωση εξηγεί το γεγονός ότι όταν έχουµε αγενή αναπαραγωγή, όπως είναι ο πολλαπλασιασµός των φυτών µε µοσχεύµατα, ή η αναπαραγωγή ενός ζωικού οργανισµού µε σωµατικά κύτταρα κάποιου ιστού (κλωνοποίηση), τα παραγόµενα άτοµα είναι ακριβώς όµοια µε τα αρχικά. γονιµοποίηση µιτώσεις n ( ) n ( ) 2n ζυγώτης έµβρυο (2n) Εικ. 14. Με τη γονιµοποίηση συγχωνεύονται οι απλοειδείς θηλυκός ( ) και αρσενικός ( ) γαµέτης, µε αποτέλεσµα να προκύπτει διπλοειδής ζυγώτης που µε συνεχείς µιτώσεις εξελίσσεται σε έµβρυο. Κατά τη µειωτική διαίρεση, από ένα µητρικό κύτταρο προκύπτουν τέσσερις απλοειδείς γαµέτες (εικ. 13). Στους απλοειδείς γαµέτες µεταβιβάζεται πάντοτε µόνο ένα από κάθε ζευγάρι οµόλογων χρωµοσωµάτων. Η σηµασία της µείωσης συνίσταται στο γεγονός ότι µειώνει τον αριθµό των χρωµοσωµάτων στους γαµέτες στο µισό (µεταβιβάζει στο γαµέτη ένα από τα δύο γενώµατα) µε αποτέλεσµα µε τη γονιµοποίηση ο ζυγώτης που προκύπτει να έχει πάλι τον χαρακτηριστικό αριθµό χρωµοσωµάτων του είδους, και µάλιστα ακριβώς δύο οµόλογα γενώµατα (εικ. 14). Ακόµη, όπως θα φανεί στα κεφάλαια που θα ακολουθήσουν, µε τη µείωση και τον εγγενή

34 πολλαπλασιασµό των ειδών κάθε φορά προκύπτει ανασυνδυασµός γονιδίων στο νέο ζυγώτη, µε αποτέλεσµα τη µεγάλη ποικιλοµορφία των απογόνων που επιτρέπει την προσαρµογή των ειδών στις µεταβολές του περιβάλλοντος και κατά συνέπεια την εξέλιξή τους. 1.5.1 Μίτωση Η µίτωση αποτελεί ένα µέρος του συνολικού κύκλου ενός κυττάρου, για κύτταρα τα οποία υφίστανται κυτταρική διαίρεση. Η διαδικασία της µιτωτικής διαίρεσης περιλαµβάνει µια σειρά από αλληλένδετα γεγονότα που συµβαίνουν µέσα στο κύτταρο, που εκτυλίσσονται διαδοχικά και χωρίζονται σε τέσσερα στάδια: πρόφαση, µετάφαση, ανάφαση και τελόφαση (εικ. 15, 16). Το χρονικό διάστηµα που µεσολαβεί µεταξύ δύο διαδοχικών διαιρέσεων ονοµάζεται µεσόφαση, η οποία περιλαµβάνει τρεις διαδοχικές φάσεις, τη φάση G 1, τη φάση S και τη φάση G 2 (εικ. 15). Υπάρχουν κύτταρα τα οποία δεν διαιρούνται αλλά παραµένουν συνεχώς σε µεσόφαση, όπως ορισµένα κύτταρα των νευρικών ιστών στους ζωικούς οργανισµούς. Μεσόφαση: Από τη στιγµή που ολοκληρώνεται µια µιτωτική διαδικασία, ακολουθεί η φάση G 1 κατά την οποία το κύτταρο αναπτύσσεται, µεταβολίζεται και επιτελεί το ρόλο για τον οποίο δηµιουργήθηκε. Στη φάση αυτή το DNA βρίσκεται µε τη µορφή ξετυλιγµένων, λεπτών και ανακατεµένων νηµατίων, που αποτελούν το δίχτυ χρωµατίνης. Τα µόρια του DNA παίρνουν αυτή τη µορφή του ακανόνιστου «κουβαριού» γιατί το µήκος του είναι πολύ µεγάλο για να έχει ευκρινή µορφή σ ένα πυρήνα µε µόλις 1µm διάµετρο (στον άνθρωπο το µήκος ενός µορίου DNA φθάνει τα 40 cm). Μετά τη φάση G 1 το κύτταρο προετοιµάζεται για τη διαίρεση που θα ακολουθήσει. Στη φάση S (synthesis) γίνεται ο διπλασιασµός (αντιγραφή) του DNA. Κατά το διπλασιασµό αυτό, κάθε µόριο του DNA, δηλ. κάθε νηµάτιο χρωµατίνης αυτοδιπλασιάζεται. Ετσι το κάθε νηµάτιο αντιπροσωπεύεται δύο φορές

35 σχηµατίζοντας τις αδελφές χρωµατίδες, οι οποίες συγκρατούνται σ'ένα σηµείο τους, το κεντροµερίδιο (εικ. 16). Τέλος στη φάση G 2 το κύτταρο διπλασιάζει διάφορα οργανίδιά του (χλωροπλάστες, µιτοχόνδρια, κλπ) και ολοκληρώνει την προετοιµασία του ώστε να εισέλθει στη διαδικασία της µιτωτικής διαίρεσης. Χρονικά η µεσόφαση καταλαµβάνει το µεγαλύτερο µέρος του κύκλου της ζωής του κυττάρου µε διάρκεια που εξαρτάται από το ρυθµό αύξησης του ιστού. Για παράδειγµα ο κύκλος αναπαραγωγής των λευκών αιµοσφαιρίων του ανθρώπινου αίµατος διαρκεί συνολικά 24 ώρες, από τις οποίες οι 22 ώρες αντιστοιχούν στη µεσόφαση (11 ώρες η φάση G 1, 7 ώρες η S φάση, 4 ώρες η φάση G 2 ) και οι 2 ώρες αντιστοιχούν στα 4 στάδια της µίτωσης. Μεσόφαση G 1 S Μίτωση Τελόφαση Ανάφαση Μετάφαση Πρόφαση G 2 Εικ. 15. Ο κύκλος ζωής ενός σωµατικού κυττάρου. Η διάρκεια των διάφορων σταδίων και φάσεων διαφέρει µεταξύ κυττάρων διαφορετικών ιστών, πάντοτε όµως το ενδιάµεσο στάδιο µεταξύ δύο διαδοχικών µιτωτικών διαιρέσεων (µεσόφαση) διαρκεί περισσότερο συγκριτικά µε τη διάρκεια της κυτταρικής διαίρεσης.

36 αδελφές κεντροµερίδιο χρωµατίδες χρωµόσωµα µικροσωληνίσκοι........ διπλασιασµός DNA Μ Ε Σ Ο Φ Α Σ Η Π Ρ Ο Φ Α Σ Η.... Μ Ε ΤΑ Φ Α Σ Η Α Ν Α Φ Α Σ Η Τ Ε Λ Ο Φ Α Σ Η Μ Ε Σ Ο Φ Α Σ Η Εικ. 16. Τα στάδια της µιτωτικής διαίρεσης. Με µίτωση ένα κύτταρο δίνει δύο θυγατρικά, µε την ίδια ακριβώς γενετική σύνθεση µε το αρχικό.

37 Πρόφαση: Στο στάδιο αυτό η πυρηνική µεµβράνη και ο πυρηνίσκος αρχίζουν να εξαφανίζονται. Οι αδελφές χρωµατίδες - συγκρατηµένες µε το κεντροµερίδιο - συσπειρώνονται, κονταίνουν και παχαίνουν παίρνοντας καθορισµένη µορφή και αποτελούν τα χρωµοσώµατα. Κατά την πρόφαση επίσης κάποιες πρωτεΐνες πολυµερίζονται και σχηµατίζουν τους λεγόµενους µικροσωληνίσκους, οι οποίοι οργανώνονται σχηµατίζοντας την πυρηνική άτρακτο. Μετάφαση: Η διάλυση της πυρηνικής µεµβράνης έχει ολοκληρωθεί. Τα χρωµοσώµατα µετακινούνται προς τον ισηµερινό του κυττάρου και διατάσσονται τυχαία πάνω στο ισηµερινό επίπεδο. Τα νηµάτια της ατράκτου ασκούν αντίθετη ελκτική δύναµη στα κεντροµερίδια που συγκρατούν τις αδελφές χρωµατίδες. Στο τέλος της µετάφασης, υπό την επίδραση της πυρηνικής ατράκτου, το κεντροµερίδιο σπάζει, οι αδελφές χρωµατίδες αποχωρίζονται και µετακινούνται προς τους αντίθετους πόλους του κυττάρου. Η φάση αυτή και ιδιαίτερα το τέλος της είναι η πιο κατάλληλη για να προσδιοριστεί ο αριθµός των χρωµοσωµάτων στα διάφορα είδη των οργανισµών, γιατί τα χρωµοσώµατα είναι καλά σχηµατισµένα και ορατά µε σαφήνεια µε το οπτικό µικροσκόπιο. Επειδή η µετάφαση διαρκεί πολύ λίγο, µπορούµε να αναστείλουµε τις παραπέρα διεργασίες διαίρεσης, επιδρώντας µε µια ουσία, την κολχικίνη. Η κολχικίνη δεν επιτρέπει το σχηµατισµό της πυρηνικής ατράκτου, τα χρωµοσώµατα δεν διατάσσονται στο ισηµερινό επίπεδο και αναστέλλεται η διαίρεση του κυττάρου. Αν για παράδειγµα θέλουµε να παρατηρήσουµε τα χρωµοσώµατα από ένα φυτικό είδος, µπορούµε να πάρουµε κύτταρα από το άκρο των ριζιδίων όπου υπάρχει έντονη κυτταροδιαίρεση και να επιδράσουµε µε κολχικίνη. Σε όσα κύτταρα βρίσκονται στο στάδιο της µετάφασης, µε κατάλληλες χρώσεις βελτιώνουµε

38 τη διακριτικότητα των χρωµοσωµάτων, οπότε τα παρατηρούµε στο µικροσκόπιο και µπορούµε να τα φωτογραφήσουµε. Ανάφαση: Η ανάφαση είναι ένα στάδιο κατά το οποίο ολοκληρώνεται η µετακίνηση των αποχωρισµένων αδελφών χρωµατίδων προς τους πόλους του κυττάρου. Τελόφαση: Στη φάση αυτή συµβαίνουν γεγονότα αντίστροφα από αυτά της πρόφασης. Αποσυσπειρώνονται τα χρωµοσώµατα και αυξάνεται το µήκος τους, διαλύεται η πυρηνική άτρακτος και σχηµατίζεται η πυρηνική µεµβράνη και ο πυρηνίσκος. Περισφίγγεται η κυτταρική µεµβράνη στο ισηµερινό επίπεδο και το κύτταρο διαιρείται σε δύο νέα θυγατρικά, τα οποία έχουν ακριβώς τα ίδια χρωµοσώµατα µε το µητρικό. Τα δύο θυγατρικά κύτταρα, ενδέχεται να είναι άνισα σε µέγεθος γιατί ενώ η µίτωση επιτυγχάνει ίση µοιρασιά των χρωµοσωµάτων, αυτός είναι άλλωστε ο σκοπός της, το µοίρασµα των οργανιδίων του κυτταροπλάσµατος µπορεί να είναι άνισο. Στους φυτικούς οργανισµούς τα θυγατρικά κύτταρα δεν αποχωρίζονται αλλά παραµένουν ενωµένα, σε ορισµένους ζωικούς ιστούς όµως αποχωρίζονται τελείως, όπως για παράδειγµα συµβαίνει µε τα κύτταρα των ερυθρών αιµοσφαιρίων. 1.5.2 Μείωση Το κύτταρο προετοιµάζεται για τη µείωση, όπως ακριβώς στην περίπτωση της µίτωσης, δηλ. γίνεται διπλασιασµός του DNA. Στη συνέχεια το κύτταρο υφίσταται δύο διαδοχικές διαιρέσεις, µε τις οποίες σχηµατίζονται τέσσερα νέα κύτταρα (οι γαµέτες), µε απλοειδή αριθµό χρωµοσωµάτων, δηλ. το κάθε χρωµόσωµα αντιπροσωπεύεται µια φορά και κατά συνέπεια ο αριθµός τους είναι ο µισός από τον αριθµό χρωµοσωµάτων του µητρικού κυττάρου (εικ. 17). Με τη µείωση µεταβιβάζεται σε κάθε γαµέτη ένα από τα δύο γενώµατα του µητρικού κυττάρου. Τα στάδια της µείωσης είναι:

39 κεντροµερίδιο αδελφές χρωµατίδες.... διπλασιασµός DNA.... ΠΡΟΦΑΣΗ Ι Μ Ε Σ Ο Φ Α Σ Η.... ΜΕΤΑΦΑΣΗ Ι.... ΑΝΑΦΑΣΗ Ι.... ΤΕΛΟΦΑΣΗ Ι.... ΠΡΟΦΑΣΗ ΙΙ ΜΕΤΑΦΑΣΗ ΙΙ ΑΝΑΦΑΣΗ ΙΙ ΤΕΛΟΦΑΣΗ ΙΙ.... Εικ. 17. Τα στάδια της µείωσης. Από ένα κύτταρο που διαιρείται µε µείωση προκύπτουν τέσσερα απλοειδή θυγατρικά.

40 Πρόφαση Ι: Γίνεται ότι ακριβώς και στην πρόφαση της µίτωσης, µε τη διαφορά ότι τα οµόλογα χρωµοσώµατα συνάπτονται, δηλ. το ένα έρχεται απέναντι από το άλλο, µε αποτέλεσµα να σχηµατίζονται ζευγάρια οµόλογων χρωµοσωµάτων. Μετάφαση Ι: Η διαφορά από τη µετάφαση της µίτωσης είναι ότι τα οµόλογα χρωµοσώµατα διατάσσονται στο ισηµερινό επίπεδο του κυττάρου κατά ζευγάρια και όχι τυχαία. Ανάφαση Ι: Λόγω της ελκτικής δύναµης που ασκούν τα νηµάτια της πυρηνικής ατράκτου, τα οµόλογα χρωµοσώµατα αποχωρίζονται και κατευθύνονται προς τους αντίθετους πόλους. Τελόφαση Ι: Τα χρωµοσώµατα κάθε πόλου περιβάλλονται από νέα πυρηνική µεµβράνη και ακολουθεί διαίρεση του κυττάρου σε δύο θυγατρικά. Πρόφαση ΙΙ - Μετάφαση ΙΙ: Σε κάθε θυγατρικό κύτταρο τα χρωµοσώµατα διατάσσονται στο ισηµερινό επίπεδο. Ανάφαση ΙΙ: Η δράση της ατράκτου οδηγεί στο σπάσιµο των κεντροµερίδιων και οι αδελφές χρωµατίδες µετακινούνται προς τους αντίθετους πόλους. Τελόφαση ΙΙ: Τα κύτταρα διαιρούνται µε αποτέλεσµα να προκύψουν τέσσερα νέα θυγατρικά κύτταρα, στο καθένα από τα οποία βρίσκεται µία από τις αδελφές χρωµατίδες. Τα κύτταρα αυτά, όπως θα δούµε στο επόµενο κεφάλαιο, αν πρόκειται για αρσενικούς γαµέτες όλα εξελίσσονται σε σπερµατοζωάρια ή γυρεόκοκκους, ενώ αν πρόκειται για θηλυκούς γαµέτες µόνο το ένα εξελίσσεται σε ώριµο ωάριο, ενώ τα υπόλοιπα τρία εκφυλίζονται. Με τη µείωση όχι µόνο µειώνεται ο αριθµός των χρωµοσωµάτων στο µισό, αλλά προκύπτουν και διάφοροι συνδυασµοί µη οµόλογων χρωµοσωµάτων στο γένωµα που παίρνει κάθε γαµέτης. Αυτό γιατί ναι µεν τα οµόλογα χρωµοσώµατα συνάπτονται αλλά ο τρόπος διάταξης κάθε ζευγαριού είναι τυχαίος και ανεξάρτητος από την διάταξη των υπόλοιπων ζευγαριών

41 οµόλογων χρωµοσωµάτων, όπως αναλυτικά εξηγείται στο 3 ο κεφάλαιο. Για παράδειγµα ο συνδυασµός δύο αρχικών γαµετών που ο πρώτος έχει τα µη οµόλογα χρωµοσώµατα 1 και 2, και ο δεύτερος τα οµόλογά τους 1* και 2* αντίστοιχα, οδηγεί στη δηµιουργία ενός ζυγώτη µε το χρωµοσωµικό συνδυασµό 1, 1*, 2, 2*. Όταν ο ζυγώτης αυτός εξελιχθεί σε ώριµο άτοµο και δώσει νέους γαµέτες αυτοί µπορεί να έχουν τους εξής συνδυασµούς µη οµόλογων χρωµοσωµάτων: 1-2, 1*-2*, 1-2* και 1*-2. ηλαδή εκτός από τους δύο αρχικούς γαµέτες προέκυψαν και δύο νέοι. Όσο µάλιστα µεγαλύτερος είναι ο αριθµός των ζευγαριών οµόλογων χρωµοσωµάτων (ο αριθµός n) τόσο µεγαλύτερος είναι και ο αριθµός των γαµετών που µπορούν να προκύψουν, και συγκεκριµένα ισούται µε 2 n. (ποιος είναι ο αριθµός των διαφορετικών γαµετών που προκύπτουν στον άνθρωπο;). Η µείωση είναι σηµαντικά περισσότερο χρονοβόρα διαδικασία συγκριτικά µε τη µίτωση. Η διάρκειά της µείωσης κυµαίνεται από µέρες ή και βδοµάδες (φυτά) µέχρι και χρόνια (ζωικοί οργανισµοί). Στον άνθρωπο η µείωση αρχίζει από την παιδική ηλικία, φτάνει στο στάδιο της πρόφασης Ι και στη συνέχεια αναστέλλεται. Όταν το άτοµο ωριµάσει αναπαραγωγικά αρχίζει σταδιακά να ενεργοποιείται πάλι, και αυτό διαρκεί µέχρι το άτοµο να κλείσει τον αναπαραγωγικό του κύκλο. Στις γυναίκες για παράδειγµα η συνολική διάρκεια της µείωσης φτάνει τα 20 30 χρόνια. 1.6 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΟΥ ΓΕΝΕΤΙΚΟΥ ΥΛΙΚΟΥ Οι βασικές λειτουργίες του DNA είναι ο διπλασιασµός (αντιγραφή) του λίγο πριν τη µίτωση ή τη µείωση και η έκφραση των γενετικών πληροφοριών που είναι κωδικοποιηµένες στα διάφορα γονίδια που κατά µήκος καταλαµβάνουν το µόριό του. Η έκφραση µιας γενετικής πληροφορίας γίνεται σε δύο στάδια, πρώτα µε τη µεταγραφή του γονιδίου σε mrna και στη

42 συνέχεια µε τη µετάφραση κατά την οποία οι πληροφορίες που µεταφέρει το mrna αποκωδικοποιούνται στα ριβοσώµατα µε σύνθεση πρωτεϊνών. 1.6.1 Αντιγραφή του DNA Η αντιγραφή (διπλασιασµός) του DNA είναι απαραίτητη κάθε φορά που διαιρούνται τα κύτταρα, είτε µε µίτωση, είτε µε µείωση. Με τον τρόπο αυτό τα δύο θυγατρικά κύτταρα της µίτωσης αποκτούν ακριβώς το ίδιο γενετικό υλικό µε το µητρικό κύτταρο, ενώ καθένας από τους τέσσερις γαµέτες που προκύπτουν µε τη µείωση αποκτούν το 1/2 του γενετικού υλικού του αρχικού κυττάρου. Το DNA µάλιστα, χάρις στη δοµή του, έχει την ικανότητα να αυτοδιπλασιάζεται. Κατά τον διπλασιασµό οι δύο αλυσίδες του DNA χωρίζουν µε σπάσιµο των δεσµών Η. Με τη καταλυτική δράση του ενζύµου DNA-πολυµεράση, συνθέτονται δύο νέες συµπληρωµατικές αλυσίδες για κάθε µια από τις δύο αρχικές. Κάθε αρχική αλυσίδα λειτουργεί σαν καλούπι για τη σύνθεση της νέας συµπληρωµατικής αλυσίδας. Οταν το ένζυµο "βλέπει" στην αρχική αλυσίδα αδενίνη, θυµίνη, γουανίνη, κυτοσίνη, προσθέτει στην νεοσυντιθέµενη αλυσίδα του DNA νουκλεοτίδια θυµίνης, αδενίνης, κυτοσίνης και γουανίνης αντίστοιχα, σχηµατίζοντας κάθε φορά φωσφοδιεστερικό δεσµό µεταξύ των νουκλεοτιδίων της νέας αλυσίδας. Μεταξύ των συµπληρωµατικών βάσεων της αρχικής και της νέας αλυσίδας σχηµατίζονται δεσµοί Η. Ετσι προκύπτουν δύο καινούργια µόρια DNA, που το καθένα αποτελείται από µια παλιά και µια καινούργια αλυσίδα και για το λόγο αυτό ο µηχανισµός αυτός ονοµάζεται ηµισυντηρητικός διπλασιασµός του DNA (εικ. 18). Με το µηχανισµό αυτό, τα καινούργια µόρια DNA είναι ακριβή αντίγραφα των παλιών. Ο µηχανισµός αυτός αποδείχτηκε πειραµατικά από τους Meselson και Stahl το 1958 και ισχύει για όλους τους οργανισµούς.