ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΟΜΑΔΑΣ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΘΕΤΙΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ

27 Μαΐου 2016 ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΟΜΑΔΑΣ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ ΘΕΤΙΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ Απαντήσεις Θεμάτων Πανελλαδικών Εξετάσεων Ημερησίων Γενικών Λυκείων (Νέο & Παλιό Σύστημα) ΘΕΜΑ Α Α.1 Β Α.2 Β Α.3 Δ Α.4 Γ Α.5 Γ ΘΕΜΑ B B.1 1. Α 2. Γ 3. Α 4. Β 5. Α 6. Α 7. Γ B.2 Ως καρυότυπος ορίζεται η απεικόνιση, κατά ζεύγη και σειρά ελαττούμενου μεγέθους, των χρωμοσωμάτων ενός κυττάρου. Στον καρυότυπο, τα χρωμοσώματα απεικονίζονται στο στάδιο της μετάφασης της μίτωσης, όπου εμφανίζουν το μεγαλύτερο βαθμό συσπείρωσης και είναι ευδιάκριτα. Για την κατασκευή του χρησιμοποιούνται κύτταρα που μπορεί να προέρχονται είτε από ιστούς που διαιρούνται φυσιολογικά, είτε από κυτταροκαλλιέργειες όπου γίνεται in vitro επαγωγή της διαίρεσης με ουσίες που έχουν μιτογόνο δράση. Επειδή σε 1

ένα πληθυσμό διαιρούμενων κυττάρων το ποσοστό αυτών που βρίσκονται στη μετάφαση είναι μικρό, χρησιμοποιούνται στα κύτταρα ουσίες οι οποίες σταματούν την κυτταρική διαίρεση στη μετάφαση της μίτωσης. Στη συνέχεια τα κύτταρα επωάζονται σε υποτονικό διάλυμα, ώστε να σπάσει η κυτταρική τους μεμβράνη, και τα χρωμοσώματά τους απλώνονται σε αντικειμενοφόρο πλάκα. Τέλος, χρωματίζονται με ειδικές χρωστικές ουσίες, παρατηρούνται στο μικροσκόπιο και ταξινομούνται σε ζεύγη κατά σειρά ελαττούμενου μεγέθους. Κατά συνέπεια, κάθε φυσιολογικό μεταφασικό χρωμόσωμα απεικονίζεται στον καρυότυπο να αποτελείται από δύο αδελφές χρωματίδες, οι οποίες συγκρατούνται στο κεντρομερίδιο. Το κεντρομερίδιο «διαιρεί» κάθε χρωματίδα σε δύο βραχίονες, ένα μεγάλο και ένα μικρό. Τα μεταφασικά χρωμοσώματα ενός κυττάρου διαφέρουν μεταξύ τους ως προς το μέγεθος και ως προς τη θέση του κεντρομεριδίου. Ο αριθμός και η μορφολογία των χρωμοσωμάτων του καρυοτύπου είναι ιδιαίτερο χαρακτηριστικό κάθε είδους. Στον άνθρωπο τα φυσιολογικά αρσενικά και θηλυκά άτομα έχουν στον πυρήνα των σωματικών τους κυττάρων 23 ζεύγη χρωμοσωμάτων. Το ένα χρωμόσωμα κάθε ζεύγους είναι πατρικής και το άλλο μητρικής προέλευσης και ελέγχουν τις ίδιες ιδιότητες. Από τα 23 ζεύγη τα 22 είναι μορφολογικά ίδια στα αρσενικά και στα θηλυκά άτομα και ονομάζονται αυτοσωμικά χρωμοσώματα. Το 23ο ζεύγος στα θηλυκά άτομα αποτελείται από δύο Χ χρωμοσώματα, ενώ στα αρσενικά από ένα Χ και ένα Υ. Τα χρωμοσώματα αυτά ονομάζονται φυλετικά και καθορίζουν το φύλο του ανθρώπου. Στον άνθρωπο η παρουσία του Υ χρωμοσώματος καθορίζει το αρσενικό άτομο, ενώ η απουσία του το θηλυκό άτομο. Έτσι, ένα φυσιολογικό αρσενικό άτομο έχει 44 αυτοσωμικά χρωμοσώματα και ένα ζεύγος ΧΥ, ενώ ένα φυσιολογικό θηλυκό 44 αυτοσωμικά και ένα ζεύγος XX. Με βάση τα παραπάνω, μελετώντας τον καρυότυπο του ανθρώπου, μπορεί κανείς να εξάγει συμπεράσματα σχετικά με: Α) Το φύλο του ατόμου (καθώς ο φυσιολογικός καρυότυπος του θηλυκού ατόμου θα διαθέτει δύο Χ χρωμοσώματα, ενώ του αρσενικού ατόμου ένα Χ και ένα Υ χρωμόσωμα), και Β) Την ύπαρξη κάποιας πιθανής χρωμοσωμικής ανωμαλίας, δηλαδή μεγάλης έκτασης αλλαγής της ακολουθίας και του αριθμού των βάσεων στο γονιδίωμα. Η χρωμοσωμικές αυτές μεταλλάξεις μπορεί να είναι είτε αριθμητικές, είτε δομικές. Στις αριθμητικές χρωμοσωμικές ανωμαλίες υπάρχει αλλαγή του φυσιολογικού αριθμού των χρωμοσωμάτων, όπως για παράδειγμα συμβαίνει στα άτομα που πάσχουν από σύνδρομο Down, και διαθέτουν τρία αντί των δύο ομόλογων 21 ων χρωμοσωμάτων (τρισωμία 21) και συνολικά 47 αντί 46 χρωμοσωμάτων. Στις δομικές χρωμοσωμικές ανωμαλίες αλλάζει η δομή και ποσότητα του γενετικού υλικού των χρωμοσωμάτων, όπως στις περιπτώσεις της έλλειψης, μετατόπισης, διπλασιασμού, ή αναστροφής κάποιoυ τμήματος των χρωμοσωμάτων. Οι αλλαγές στη δομή των χρωμοσωμάτων μπορούν να διαπιστωθούν έπειτα από κατάλληλη χρώση των χρωμοσωμάτων (όπως π.χ. με τη χρωστική Giemsa, που αποδίδει ένα χαρακτηριστικό πρότυπο ζωνώσεων στα χρωμοσώματα). 2

B.3 α. Ως μονοκλωνικό αντίσωμα ορίζεται κάθε είδος αντισώματος που αναγνωρίζει έναν αντιγονικό καθοριστή παράγεται από μια ομάδα όμοιων Β-λεμφοκυττάρων, που αποτελούν έναν κλώνο. β. Ως γενετική μηχανική ορίζεται το σύνολο των τεχνικών με τις οποίες ο άνθρωπός μπορεί να επέμβει στο γενετικό υλικό των οργανισμών. B.4 Πριν από την ανάπτυξη της τεχνολογίας του ανασυνδυασμένου DNA, οι περισσότερες φαρμακευτικές πρωτεΐνες, δηλαδή πρωτεΐνες που χρησιμοποιούνται για τη θεραπεία διάφορων ασθενειών του ανθρώπου, παράγονταν από όργανα θηλαστικών που δεν ήταν γενετικά τροποποιημένα και ήταν διαθέσιμες σε πολύ μικρές ποσότητες, η παραγωγή τους ήταν πολύ ακριβή και συχνά η βιολογική δράση τους δεν ήταν πλήρως κατανοητή, ενώ, δεδομένου ότι προέρχονται από διαφορετικό οργανισμό από τον ανθρώπινο, η αλληλουχία των αμινοξέων τους δεν ταυτίζεται πλήρως με του ανθρώπου και, κατά συνέπεια δεν είναι πλήρως συμβατές. Κλασσικό παράδειγμα αποτελεί η ινσουλίνη, μία μια ορμόνη που αποτελείται από 51 αμινοξέα και παράγεται από ειδικά κύτταρα του παγκρέατος. Η ορμόνη αυτή ρυθμίζει το μεταβολισμό των υδατανθράκων και ειδικότερα το ποσοστό της γλυκόζης στο αίμα, και χρησιμοποιείται για την αντιμετώπιση της ασθένειας του διαβήτη. Πριν από το 1982 οι κύριες πηγές ινσουλίνης ήταν το πάγκρεας από χοίρους και από βοοειδή. Η ινσουλίνη παραγόταν από την εκχύλιση αυτών των ιστών με μια δαπανηρή και πολύπλοκη διαδικασία και επιπλέον, επειδή είχε μικρές διαφορές στη σύσταση των αμινοξέων της από την ανθρώπινη, προκαλούσε αλλεργικές αντιδράσεις. Για τους παραπάνω λόγους σήμερα δεν προτιμάμε την παραγωγή φαρμακευτικών πρωτεϊνών από όργανα θηλαστικών που δεν είναι γενετικά τροποποιημένα. Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας του ανασυνδυασμένου DNA, κατέστη ικανή η κλωνοποίηση γονιδίων του ανθρώπου και η παραγωγή περισσότερων από 300 ανθρώπινων φαρμακευτικών πρωτεϊνών σε μεγάλες ποσότητες, από γενετικά τροποποιημένα βακτήρια, όπως για παράδειγμα για την παραγωγή ανθρώπινης ινσουλίνης ή διαγονιδιακά θηλαστικά (για παράδειγμα πρόβατα και αγελάδες), τα οποία έχουν υποστεί γενετική αλλαγή με τη χρήση των τεχνικών Γενετικής Μηχανικής. Η χρήση διαγονιδιακών προβάτων και αγελάδων επιτρέπει για παράδειγμα την παραγωγή πρωτεϊνών από τα κύτταρα των μαστικών αδένων τους. Με αυτό τον τρόπο είναι δυνατή η συλλογή της πρωτεΐνης από το γάλα των ζώων κα χρησιμοποιείται μάλιστα όπως για παράδειγμα για την παραγωγής της ανθρώπινης α- αντιθρυψίνης, για την αντιμετώπιση του εμφυσήματος. 3

Και στις δύο περιπτώσεις παραγωγής της φαρμακευτικής πρωτεΐνης από γενετικά τροποποιημένα βακτήρια ή από το γάλα γενετικά τροποποιημένων θηλαστικών, η παραγόμενη πρωτεΐνη, έχει τα πλεονεκτήματα ότι κωδικοποιείται από το ανθρώπινο γονίδιο το οποίο έχουμε εισάγει στους οργανισμούς και άρα έχει ταυτόσημη αμινοξική αλληλουχία, ενώ παράγεται γρήγορα σε μεγάλες ποσότητες. Παρόλα αυτά, η παραγωγή των πρωτεϊνών αυτών από βακτήρια, ενέχει κάποια μειονεκτήματα σε σχέση με την παραγωγή τους στο γάλα διαγονιδιακών θηλαστικών. Τα μειονεκτήματα αυτά έγκεινται αρχικά στο γεγονός ότι οι παραγόμενες από τα βακτήρια πρωτεΐνες δεν είναι ακριβώς ίδιες με τις πρωτεΐνες του ανθρώπου, επειδή τα βακτήρια είναι προκαρυωτικοί οργανισμοί και δεν διαθέτουν τους μηχανισμούς τροποποίησης των πρωτεϊνών που διαθέτουν οι ευκαρυωτικοί οργανισμοί όπως ο άνθρωπος. Επιπλέον, τα γονίδιά των βακτηρίων είναι συνεχή, εν αντιθέσει με των ευκαρυωτικών κυττάρων που είναι ασυνεχή, περιέχουν δηλαδή μεταξύ των κωδικών τους αλληλουχιών (εξώνια) και μη κωδικές αλληλουχίες (εσώνια). Έτσι, στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς, το παραγόμενο από τη μεταγραφή mrna (πρόδρομο mrna), πρέπει να υποστεί αφαίρεση των εσωνίων του πριν τη μετάφραση, μια διαδικασία που ονομάζεται ωρίμανση και δεν πραγματοποιείται στα βακτήρια. Για να αντιμετωπιστεί το πρόβλημα αυτό, αντί να εισάγουμε ολόκληρο το ανθρώπινο γονίδιο της φαρμακευτικής πρωτεΐνης στα γενετικά τροποποιημένα βακτήρια, θα πρέπει πρώτα να κατασκευάσουμε cdna βιβλιοθήκη, δηλαδή να απομονώσουμε το ολικό ώριμο mrna από τα ανθρώπινα κύτταρα που παράγουν την επιθυμητή πρωτεΐνη, και να συνθέσουμε με τη βοήθεια της αντίστροφης μεταγραφής συμπληρωματικό cdna, τo οποίo στη συνέχεια θα ενσωματώσουμε σε πλασμίδια με τα οποία θα μετασχηματίσουμε βακτήρια. Στη συνέχεια θα πρέπει να καλλιεργήσουμε τα βακτήρια σε θρεπτικό μέσο και να επιλέξουμε όσα έχουν λάβει το cdna του επιθυμητού γονιδίου και εκφράζουν την επιθυμητή πρωτεΐνη. Η διαδικασία αυτή μπορεί να παρακαμφθεί με την παραγωγή της φαρμακευτικής πρωτεΐνης από γενετικά τροποποιημένα θηλαστικά, όπου, επειδή είναι ευκαρυωτικοί οργανισμοί, μπορούν να πραγματοποιήσουν την ωρίμανση του mrna, οπότε αρκεί η εισαγωγή του απομονωμένου φυσιολογικού ανθρώπινου γονιδίου με μικροέγχυση, στον πυρήνα γονιμοποιημένου ωαρίου του θηλαστικού, για την παραγωγή ενός διαγονιδιακού ζώου που θα παράγει στα μαστικά του κύτταρα και θα εκκρίνει στο γάλα του φαρμακευτική πρωτεΐνη ταυτόσημη με του ανθρώπου, εύκολα και σε μεγάλες ποσότητες. Για το λόγο αυτό προτιμάμε την παραγωγή των φαρμακευτικών πρωτεϊνών στο γάλα γενετικά τροποποιημένων θηλαστικών, έναντι της παραγωγής τους από γενετικά τροποποιημένα βακτήρια. ΘΕΜΑ Γ Γ.1 Ο χαρακτήρας της ομάδας αίματος στον άνθρωπο (σύστημα ΑΒΟ) ελέγχεται από την παρουσία πολλαπλών αλληλόμορφων. Συνολικά υπάρχουν τρία διαφορετικά αλληλόμορφα για το χαρακτήρα αυτό, που ελέγχουν την παραγωγή ενός αντιγόνου της επιφάνειας των ερυθροκυττάρων, τα αλληλόμορφα Ι Α, Ι Β και i. Tα αλληλόμορφα Ι Α και Ι Β είναι μεταξύ τους 4

συνεπικρατή, ενώ και τα δύο κληρονομούνται με επικρατή τρόπο, έναντι του αλληλομόρφου i, το οποίο είναι υπολειπόμενο. Έτσι, τα άτομα με ομάδα αίματος Α έχουν στην επιφάνεια των ερυθροκυττάρων τους αντιγόνο τύπου Α και μπορεί να έχουν γονότυπο Ι Α Ι Α ή Ι Α i. Τα άτομα ομάδας αίματος Β έχουν αντιγόνο Β και γονότυπο Ι Β Ι Β ή Ι Β i. Ένα άτομο ομάδας αίματος ΑΒ έχει αντιγόνα Α και Β και γονότυπο Ι Α Ι Β, ενώ ένα άτομο ομάδας αίματος 0 δεν έχει κανένα αντιγόνο και έχουν γονότυπο ii. Για την κληρονόμηση των χαρακτηριστικών αυτών ισχύει ο πρώτος νόμος του Mendel, όπου υποστηρίζει ότι τα αλληλόμορφα κατανέμονται στους γαμέτες με τυχαίο τρόπο και οι απόγονοι προκύπτουν από τον τυχαίο συνδυασμό γαμετών. Έτσι, στο γενεαλογικό δένδρο ένα, παρατηρούμε ότι το άτομο Ι1 διασταυρώνεται με το άτομο Ι2 το οποίο έχει ομάδα αίματος Β και θα έχει γονότυπο Ι Β Ι Β, ή Ι Β i, και αποκτούν τέσσερεις απογόνους: ΙΙ1: Ομάδα αίματος Β, γονότυπος Ι Β Ι Β, ή Ι Β i, ΙΙ2: Ομάδα αίματος Β, γονότυπος Ι Β Ι Β, ή Ι Β i, ΙΙ3: Ομάδα αίματος ΑΒ, γονότυπος Ι Α Ι Β ΙΙ4: Ομάδα αίματος ΑΒ, γονότυπος Ι Α Ι Β Δεδομένων των παραπάνω, προκύπτει ότι το άτομο Ι1, θα πρέπει να φέρει υποχρεωτικά ένα αλληλόμορφο Ι Α, το οποίο συναντούμε στους απογόνους ΙΙ3 και ΙΙ4, και το οποίο δεν συναντούμε στην μητέρα Ι2, οπότε σίγουρα το διαθέτει ο πατέρας Ι1. Έτσι, ο πατέρας μπορεί με βάση αυτό να διαθέτει τρεις πιθανούς γονότυπους Ι Α Ι Α, Ι Α Ι Β ή Ι Α i. Παρόλα αυτά η περίπτωση ο γονότυπος του ατόμου Ι1 να είναι Ι Α Ι Α απορρίπτεται, καθώς θα έπρεπε όλοι οι απόγονοί του να φέρουν το αλληλόμορφο Ι Α, γεγονός που δεν ισχύει στους απογόνους ΙΙ1 και ΙΙ2. Έτσι καταλήγουμε ότι το άτομο Ι1 μπορεί να έχει δύο πιθανούς γονότυπους Ι Α Ι Β και Ι Α i, με ομάδα αίματος ΑΒ ή Α αντίστοιχα. Γ.2 Γενεαλογικό δέντρο 2: Αιμορροφιλία Α Γενεαλογικό δέντρο 3: Αλφισμός Γενεαλογικό δέντρο 4: Οικογενής υπερχοληστερολαιμία Γ.3 Η αιμορροφιλία Α είναι μία διαταραχή, στην οποία το αίμα δεν πήζει φυσιολογικά λόγω έλλειψης του παράγοντα VIII, μιας αντιαιμορροφιλικής πρωτείνης και κληρονομείται με φυλοσύνδετο υπολειπόμενο τρόπο. Ο αλφισμός οφείλεται στην έλλειψη ενός ενζύμου, το οποίο είναι απαραίτητο για το σχηματισμό της χρωστικής μελανίνης και κληρονομείται με αυτοσωματικό υπολειπόμενο τρόπο. Η οικογενής υπερχοληστερολαιμία είναι μία ασθένεια που σχετίζεται με αυξημένο κίνδυνο πρώιμης εμφάνισης στεφανιαίας νόσου και 5

κληρονομείται με αυτοσωμικό επικρατή τρόπο. Για την κληρονόμηση όλων των χαρακτήρων ισχύει ο 1 ος νόμος του Mendel όπου υποστηρίζει ότι τα αλληλόμορφα κατανέμονται στους γαμέτες με τυχαίο τρόπο και οι απόγονοι προκύπτουν από τον τυχαίο συνδυασμό γαμετών. Στο γενεαλογικό δένδρο 4 παρατηρούμε ότι οι δύο γονείς Ι1 και Ι2 πάσχουν, ενώ υπάρχουν απόγονοι που δεν πάσχουν ΙΙ1 και ΙΙ3. Έτσι απορρίπτεται η πιθανότητα ο χαρακτήρας που απεικονίζεται με σκούρο χρώμα να μεταβιβάζεται ως υπολειπόμενο χαρακτηριστικό (φυλοσύνδετο ή υπολειπόμενο) εφόσον τα άτομα Ι1 και Ι2 θα ήταν ομοζυγωτικά για τον υπολειπόμενο χαρακτήρα και όλοι οι απόγονοι θα έπασχαν. Έτσι, το δένδρο αυτό αποδίδεται στην οικογενή υπερχοληστερολαιμία η οποία μεταβιβάζεται ως αυτοσωματικό επικρατές χαρακτηριστικό. Εάν συμβολίσουμε Α το παθολογικό αλληλόμορφο και α το φυσιολογικό αλληλόμορφο, οι γονείς Ι1 και Ι2 θα πρέπει να είναι ετεροζυγώτες (Αα) διότι αποκτούν τόσο ασθενή (ΑΑ, Αα) όσο και υγιή (αα) τέκνα. Στο γενεαλογικό δένδρο 3 παρατηρούμε ότι από γονείς υγιείς (Ι1, Ι2), προκύπτουν παιδιά που πάσχουν (ΙΙ2, ΙΙ4). Έτσι συμπεραίνουμε ότι πρόκειται για υπολειπόμενο χαρακτήρα αφού, εάν ο χαρακτήρας ήταν επικρατής, τουλάχιστον ένας από τους γονείς (Ι1, Ι2) θα έπρεπε να φέρει το επικρατές αλληλόμορφο και άρα να εμφανίζει το χαρακτηριστικό. Επιπλέον απορρίπτεται η περίπτωση ο χαρακτήρας να κληρονομείται με φυλοσύνδετο υπολειπόμενο τρόπο. Σε αυτή την περίπτωση, έστω Χ Α το φυσιολογικό και Χ α το μεταλλαγμένο αλληλόμορφο. Το άτομο Ι1 θα είχε γονότυπο Χ Α Υ (αφού είναι υγιές) και αποκλείεται να αποκτήσει τον ασθενή θηλυκό απόγονο ΙΙ4, ο οποίος θα έπρεπε να έχει γονότυπο Χ α Χ α, αφού δε διαθέτει παθολογικό αλληλόμορφο. Έτσι συμπεραίνουμε ότι στο γενεαλογικό δένδρο αυτό αναπαριστάται ο αλφισμός, ο οποίος κληρονομείται με αυτοσωματικό υπολειπόμενο τρόπο. Με βάση αυτό έστω Α το φυσιολογικό και α το υπολειπόμενο αλληλόμορφο. Τα άτομα Ι1 και Ι2 είναι υγιή και αποκτούν ασθενή (αα) τέκνα άρα θα έχουν γονότυπο Αα, ενώ τα τέκνα ΙΙ1 και ΙΙ3 θα έχουν γονότυπο Αα ή ΑΑ και τα τέκνα ΙΙ2 και ΙΙ4 γονότυπο αα αντίστοιχα, όπως φαίνεται και από την διασταύρωση: P: Aα x Aα Γαμέτες: Α, α Α, α F1: ΑΑ, Αα, αα, αα Έτσι, το γενεαλογικό δένδρο 2 θα πρέπει να αντιστοιχεί στην αιμορροφιλία Α, η οποία κληρονομείται με φυλοσύνδετο υπολειπόμενο τρόπο. Έστω Χ Α το φυσιολογικό και Χ α το παθολογικό αλληλόμορφο. Με βάση αυτό το ασθενές αρσενικό άτομο Ι1 θα έχει γονότυπο Χ α Υ και το θηλυκό υγιές άτομο Χ Α Χ α αφού αποκτά θηλυκό απόγονο ΙΙ4 ασθενή (Χ α Χ α ). Πράγματι, όπως φαίνεται και από τη διασταύρωση, επιβεβαιώνεται ότι το δένδρο αναπαριστά τον τρόπο κληρονόμησης του χαρακτηριστικού αυτού: 6

P: Χ α Υ x Χ Α Χ α Γαμέτες: Χ α, Υ Χ Α, Χ α F1: X Α Χ α (θηλυκό υγιές), Χ α Χ α (θηλυκό ασθενές), Χ Α Υ (αρσενικό υγιές), Χ α Υ (αρσενικό ασθενές) Γ.4 Ο αριθμός των νουκλεοτιδίων που θα περιέχουν το μη ραδιενεργό ισότοπο του φωσφόρου στο τέλος των 5 διαιρέσεων θα είναι η β) 4*10 5 νουκλεοτίδια. Αυτό συμβαίνει διότι, ο μηχανισμός της αντιγραφής είναι ημισυντηρητικός έτσι σε κάθε κύκλο αντιγραφής οι δύο κλώνοι του DNA θα αποδιατάσσονται και ο κάθε ένας θα λειτουργεί ως καλούπι για τη σύνθεση συμπληρωματικού κλώνου. Κάθε προκύπτον μόριο θα αποτελείται από ένα νέο και ένα παλιό κλώνο. Δεδομένου ότι το θρεπτικό υλικό περιέχει αποκλειστικά ως πηγή φωσφόρου ραδιενεργό P 32, όλοι οι νεοσυντιθεμένοι κλώνοι πέραν των δύο αρχικών θα περιέχουν μόνο νουκλεοτίδια που περιέχουν ραδιενεργό φώσφορο. Έτσι, τα μόνα νουκλεοτίδια που θα περιέχουν το μη ραδιενεργό ισότοπο θα είναι τα νουκλεοτίδια του αρχικού μορίου DNA, το οποίο αποτελείται από 2*10 5 ζεύγη βάσεων, άρα 4*10 5 νουκλεοτίδια. Γ.5 Τα βακτήρια Ε. coli χρησιμοποιούν ως πηγή άνθρακα το σάκχαρο γλυκόζη. Αν στο περιβάλλον αντί για γλυκόζη υπάρχει ο δισακχαρίτης λακτόζη, το βακτήριο έχει τη δυνατότητα να τον διασπάσει για να επιβιώσει ρυθμίζοντας την παραγωγή των κατάλληλων ενζύμων, που θα διασπάσουν τη λακτόζη σε γλυκόζη και γαλακτόζη. Οι μηχανισμοί με τους οποίους ένα κύτταρο «ξυπνά» ένα «κοιμισμένο» γονίδιο είναι οι πιο σημαντικοί και πολύπλοκοι της Μοριακής Βιολογίας. Οι αρχικές μελέτες της ρύθμισης των γονιδίων έγιναν από τους Jacob και Monod, το 1961. Οι ερευνητές περιέγραψαν την ικανότητα του βακτηρίου Ε. coli να παραγάγει τα τρία απαραίτητα ένζυμα που χρειάζεται για να μεταβολίσει το δισακχαρίτη λακτόζη, όταν δεν υπάρχει γλυκόζη στην τροφή του. Οι Jacob και Monod απέδειξαν με γενετικές μελέτες ότι τα γονίδια που κωδικοποιούν τα τρία αυτά ένζυμα βρίσκονται το ένα δίπλα στο άλλο πάνω στο γονιδίωμα του βακτηρίου και αποτελούν μια μονάδα, που την ονόμασαν οπερόνιο της λακτόζης. Σε αυτό περιλαμβάνονται εκτός από αυτά τα γονίδια, που ονομάζονται δομικά, και αλληλουχίες DNA που ρυθμίζουν τη μεταγραφή τους. Οι αλληλουχίες αυτές που βρίσκονται μπροστά από τα δομικά γονίδια είναι κατά σειρά ένα ρυθμιστικό γονίδιο, ο υποκινητής και ο χειριστής. 7

Το οπερόνιο της λακτόζης δε μεταγράφεται ούτε μεταφράζεται, όταν απουσιάζει από το θρεπτικό υλικό η λακτόζη. Τότε λέμε ότι τα γονίδια που το αποτελούν βρίσκονται υπό καταστολή. Δύο είναι τα ρυθμιστικά μόρια που επιτυγχάνουν την καταστολή: μια αλληλουχία DNA, που ονομάζεται χειριστής και βρίσκεται μεταξύ του υποκινητή και του πρώτου γονιδίου, και μια ρυθμιστική πρωτεΐνη-καταστολέας. Όταν απουσιάζει η λακτόζη ο καταστολέας προσδένεται ισχυρά στο χειριστή και εμποδίζει την RNA πολυμεράση να αρχίσει τη μεταγραφή των γονιδίων του οπερονίου. Ο καταστολέας κωδικοποιείται από ένα ρυθμιστικό γονίδιο, που βρίσκεται μπροστά από τον υποκινητή. Το ρυθμιστικό γονίδιο μεταγράφεται συνεχώς και παράγει λίγα μόρια του καταστολέα. Τα μόρια αυτά προσδένονται συνεχώς στο χειριστή. Όταν στο θρεπτικό υλικό υπάρχει μόνο λακτόζη, τότε ο ίδιος ο δισακχαρίτης προσδένεται στον καταστολέα και δεν του επιτρέπει να προσδεθεί στο χειριστή. Τότε η RNA πολυμεράση είναι ελεύθερη να αρχίσει τη μεταγραφή. Δηλαδή η λακτόζη λειτουργεί ως επαγωγέας της μεταγραφής των γονιδίων του οπερονίου. Τότε τα γονίδια αρχίζουν να «εκφράζονται», δηλαδή να μεταγράφονται και να συνθέτουν τα ένζυμα. Τα τρία ένζυμα μεταφράζονται ταυτόχρονα από το ίδιο μόριο mrna το οποίο περιέχει κωδικόνιο έναρξης και λήξης για κάθε ένζυμο. Συμπερασματικά, η ίδια η λακτόζη ενεργοποιεί τη διαδικασία για την αποικοδόμησή της. Όταν η λακτόζη διασπαστεί πλήρως, τότε η πρωτεΐνη καταστολέας είναι ελεύθερη να προσδεθεί στο χειριστή και να καταστείλει τη λειτουργία των τριών γονιδίων. Ως γονιδιακή μετάλλαξη ορίζεται μία μικρής έκτασης αλλαγή στην αλληλουχία του DNA. Με βάση τα παραπάνω, εκτός από τις μεταλλάξεις που μπορεί να συμβούν στα ίδια τα δομικά γονίδια που κωδικοποιούν τα ένζυμα διάσπασης της λακτόζης, γονιδιακές μεταλλάξεις που δεν θα επιτρέπουν στα βακτήρια να διασπάσουν το δισακχαρίτη, δηλαδή δεν θα του επιτρέπουν να παράγει τα ένζυμα, μπορεί να συμβούν: Α) Στον υποκινητή του οπερονίου, με αποτέλεσμα η RNA πολυμεράση να μη μπορεί να προσδεθεί πάνω του και να ξεκινήσει τη μεταγραφή των δομικών γονιδίων. Β) Στο ρυθμιστικό γονίδιο που παράγει την πρωτεΐνη-καταστολέα, με αποτέλεσμα αυτή να μην μπορεί να προσδέσει τη λακτόζη, οπότε να μένει μόνιμα προσκολλημένη πάνω στο χειριστή, ακόμα και παρουσία λακτόζης, και να εμποδίζει την μεταγραφή των δομικών γονιδίων, με αποτέλεσμα τα βακτήρια να μη μπορούν να διασπάσουν τη λακτόζη. ΘΕΜΑ Δ Δ.1 Κατά την έναρξη της μετάφρασης το mrna προσδένεται, μέσω μιας αλληλουχίας που υπάρχει στην 5' αμετάφραστη περιοχή του, με το ριβοσωμικό RNA της μικρής υπομονάδας του ριβοσώματος, σύμφωνα με τους κανόνες της συμπληρωματικότητας των βάσεων. Το πρώτο κωδικόνιο του mrna είναι πάντοτε 5 -AUG-3 και σ' αυτό προσδένεται το trna 8

που φέρει το αμινοξύ μεθειονίνη και το αντικωδικόνιο 3 -ΤΑC-5. Ως μη κωδικός ή μεταγραφόμενος κλώνος του DNA ονομάζεται ο κλώνος που χρησιμοποιείται ως εκμαγείο για τη σύνθεση του mrna οπότε είναι συμπληρωματικός και αντιπαράλληλος με αυτό. Με βάση τα παραπάνω συμπεραίνουμε ότι η αμετάφραστη περιοχή που δίνεται θα αντιστοιχεί στην 5 -αμετάφραστη περιοχή του mrna και κατά συνέπεια θα μεταγράφεται από το 3 άκρο του μη κωδικού κλώνου. Επιπλέον, μετά την αμετάφραστη περιοχή, θα πρέπει να ακολουθεί στον μεταγραφόμενο κλώνο τη τριπλέτα 3 -ΤΑC-5, η οποία θα μεταγραφεί στο πρώτο κωδικόνιο του mrna 5 -AUG-3, που κωδικοποιεί το αμινοξύ μεθειονίνη. Έτσι, συμπεραίνουμε ότι η μεταγραφόμενη, μη κωδική αλυσίδα του συγκεκριμένου γονιδίου θα είναι η Αλυσίδα Β, η οποία φέρει την εν λόγω τριπλέτα αμέσως μετά την αμετάφραστη περιοχή που απεικονίζεται στην αγκύλη. Έτσι, η κωδική αλυσίδα του γονιδίου (της οποίας κινητό αντίγραφο θα είναι και το mrna με μόνη διαφορά ότι θα περιέχει τη βάση ουρακίλη U αντί για θυμίνη Τ) θα είναι η συμπληρωματική της μεταγραφόμενης, δηλαδή η αλυσίδα Α. Δεδομένου ότι η αμετάφραστη περιοχή που προσδένεται στη μικρή υπομονάδα του ριβοσώματος όπως προαναφέρθηκε θα πρέπει να βρίσκεται στο 5 άκρο του mrna και συνεπώς στο 3 άκρο της μη κωδικής και το 5 άκρο της κωδικής αλυσίδας (αφού η μη κωδική είναι αντιπαράλληλη του mrna και της κωδικής), οι προσανατολισμοί θα έχουν ως εξής: Σημείο Ι: 5 άκρο Σημείο ΙΙ: 3 άκρο Σημείο ΙII: 3 άκρο Σημείο ΙV: 5 άκρο Δ.2 Τα εσώνια αποτελούν παρεμβαλλόμενες, μη κωδικές αλληλουχίες των γονιδίων, τα οποία αφαιρούνται από το πρόδρομο mrna με τη διαδικασία της ωρίμανσης, πριν το mrna εγκαταλείψει τον πυρήνα και εξέλθει στο κυτταρόπλασμα για να μεταφραστεί. Mε βάση την αλληλουχία των αντικωδικονίων του trna, τα οποία είναι συμπληρωματικά και αντιπαράλληλα με τα κωδικόνια του mrna μπορούμε να βρούμε την αλληλουχία των κωδικονίων του mrna, η οποία θα είναι: 5 ΑUG- UGG-UUU-CCU-AUG-UGG-GUU-3. Σε συνδυασμό με την αλληλουχία των κλώνων του γονιδίου συμπεραίνουμε ότι η αλληλουχία του εσωνίου που υπάρχει στο παραπάνω γονίδιο (και θα πρέπει μετά τη μεταγραφή να αφαιρεθεί) θα είναι η: 9

5 - ΑΑΤCATA-3 3 - TTAGTAT-5 (την οποία συναντούμε στο 6ο ζεύγος βάσεων μετά το τέλος της αμετάφραστης περιοχής). Δ.3 Δίνονται κατά σειρά τα αντικωδικόνια του t-rna τα οποία θα χρησιμοποιηθούν για την μεταφορά των αμινοξέων στο σχηματιζόμενο πεπτίδιο. Γνωρίζουμε ότι τα αντικωδικόνια του t-rna είναι συμπληρωματικά και αντιπαράλληλα με τα κωδικόνια του mrna. Έτσι, με βάση τα παραπάνω, μπορούμε να γράψουμε την αλληλουχία των κωδικονίων: 5 ΑUG- UGG-UUU-CCU-AUG-UGG-GUU-3. H αλληλουχία κωδικονίων αυτή θα περιλαμβάνεται στο ώριμο mrna το οποίο θα προκύψει μετά από τη μεταγραφή του μη κωδικού κλώνου (αλυσίδα Β) και την ωρίμανση, την αφαίρεση δηλαδή του προαναφερθέντος εσωνίου. Έτσι, το μόριο του πρόδρομου mrna που θα προκύψει μετά τη μεταγραφή θα είναι: 5 -[ΑCAGU ]AUGUGAAUCAUAGUUUCCUAUGUGGGUUUAAGCAU-3 Μετά την αφαίρεση του εσωνίου που επισημαίνεται με σκούρο χρώμα θα προκύψει η αλληλουχία του ωριμου mrna: 5 -[ΑCAGU ]AUG-UGG-UUU-CCU-AUG-UGG-GUU-UAA-GCAU-3 Το παραπάνω ώριμο mrna θα εξέλθει από τον πυρήνα ώστε να μεταφραστεί. Διακρίνονται με παύλες τα προαναφερθέντα κωδικόνια πάνω στα οποία θα προσδεθούν τα αντικωδικόνια των trna της εκφώνησης, καθώς και το κωδικόνιο λήξης της μετάφρασης 5 -UAA-3. Δ.4 To rrna είναι συστατικό της μικρής ριβοσωματικής υπομονάδας, η οποία προσδένεται στην 5 αμετάφραστη περιοχή του mrna ώστε να δημιουργηθεί με τη βοήθεια του πρώτου t-rna που μεταφέρει τη μεθειονίνη το σύμπλοκο έναρξης της μετάφρασης. Κατά συνέπεια, το rrna θα πρέπει να είναι συμπληρωματικό και αντιπαράλληλο της 5 αμετάφραστης περιοχής του mrna ώστε να προσδένεται πάνω της με βάση τους κανόνες της συμπληρωματικότητας. Έτσι, αφού η 5 -αμετάφραστη περιοχή του mrna που δίνεται έχει αλληλουχία: 5 -ACAGU-3 10

Η αντίστοιχη συμπληρωματική αλληλουχία του rrna θα είναι: 3 -UGUCA-5 Δεδομενου ότι η αλληλουχία του rrna θα είναι συμπληρωματική και αντιπαράλληλη με τη μεταγραφόμενη αλυσίδα του γονιδίου της Εικόνας 3, συμπεραίνουμε ότι η μεταγραφόμενη αλυσίδα θα είναι η αλυσίδα Γ, και ο προσανατολισμός της θα είναι: 5 -ΑCAGT-3 Δ.5 i. Eάν γίνει προσθήκη των εν λόγω τριών βάσεων στη θέση 1, η αλληλουχία του γονιδίου θα μεταβληθεί ως εξής: Αλυσίδα Α: 5 -[ACAGT ]ATGTGAATCATAGTAGCTTCCTATGTGGGTTTAAGCAT-3 Αλυσίδα Β: 3 -[TGTCA ]TACACTTCGTATCAATCGAGGATACACCCAAATTCGTA-5 Κατά συνέπεια η αλληλουχία του ώριμου mrna θα μεταβληθεί αντίστοιχα σε: 5 -[ΑCAGU ]AUG-UGG-UΑG-CUU-CCU-AUG-UGG-GUU-UAA-GCAU-3 Παρατηρούμε ότι προκύπτει το κωδικόνιο λήξης της μετάφρασης 5 -UAG-3 μετά το δεύτερο αμινοξύ του πεπτιδίου, άρα θα παραχθεί πεπτίδιο με 2 μόνο αμινοξέα αντί του φυσιολογικού αριθμού. Συμπεραίνουμε ότι η μετάλλαξη θα οδηγήσει κατά συνέπεια σε πρόωρη λήξη της μετάφρασης και θα είναι πιθανότατα επιβλαβής. ii. Eάν γίνει προσθήκη των εν λόγω τριών βάσεων στη θέση 2, η αλληλουχία του γονιδίου θα μεταβληθεί ως εξής: Αλυσίδα Α: 5 -[ACAGT ]ATGTGAATCATAGTTTCCTAGCATGTGGGTTTAAGCAT-3 Αλυσίδα Β: 3 -[TGTCA ]TACACTTCGTATCAAAGGATCGTACACCCAAATTCGTA-5 Κατά συνέπεια η αλληλουχία του ώριμου mrna θα μεταβληθεί αντίστοιχα σε: 5 -[ΑCAGU ]AUG-UGG-UUU-CCU-AGC-AUG-UGG-GUU-UAA-GCAU-3 11

Παρατηρούμε ότι η προσθήκη θα οδηγήσει σε προσθήκη ενός αμινοξέος στην αλληλουχία του πεπτιδίου. Αναλόγως με τη σημαντικότητα της θέσης του συγκεκριμένου αμινοξέος, η συγκεκριμένη μετάλλαξη μπορεί να επηρεάσει σημαντικά ή και να μην επηρεάσει ιδιαίτερα τη στερεοδιάταξη του πεπτιδίου και άρα και τη λειτουργικότητά του. Έτσι, η μετάλλαξη αυτή ενδέχεται είτε να είναι επιβλαβής, εάν η προσθήκη γίνει σε σημείο κρίσιμο για τη λειτουργία της πρωτεΐνης, είτε να μην επηρεάζει σημαντικά τη λειτουργικότητα, εάν δε γίνει σε κρίσιμο σημείο, οπότε σε αυτή την περίπτωση δε θα είναι επιβλαβής και θα χαρακτηρίζεται ως ουδέτερη μετάλλαξη. Σχόλιο: Ορμώμενοι από την παρατήρηση της Πανελλήνιας Ένωσης Βιοεπιστημόνων, αναφέρουμε ότι η προσθήκη και στις δύο θέσεις μπορεί να πραγματοποιηθεί και με αντίστροφο προσανατολισμό, οπότε: Θέση 1: 5'...TGCΤTT... 3' 3'...ACGΑAA... 5' Προκύπτει πεπτιδική αλυσίδα με προσθήκη ενός αμινοξέος, που μπορεί να αλλάζει τη στερεοδιάταξη και τη λειτουργικότητα της πρωτεΐνης. Θέση 2: 5'...CCTGCΤATG... 3' 3'...GGACGΑTAC... 5' οπότε προκύπτει πεπτιδική αλυσίδα στην οποία έχει προστεθεί ένα αμινοξύ, που μπορεί να αλλάζει τη στερεοδιάταξη και τη λειτουργικότητα της πρωτεΐνης. Παρόλα αυτά, βάσει του όγκου των θεμάτων και της σαφήνειας της εκφώνησης, θεωρούμε ότι το ενδεχόμενο αυτό αν και ορθό, δεν κρίνεται απαραίτητο να συμπεριληφθεί στην απάντηση. 12