ΠΑΝΕΛΛΗΝΙΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ Γ ΤΑΞΗΣ ΗΜΕΡΗΣΙΟΥ ΓΕΝΙΚΟΥ ΛΥΚΕΙΟΥ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ 16 ΙΟΥΝΙΟΥ 2017 ΕΞΕΤΑΖΟΜΕΝΟ ΜΑΘΗΜΑ: ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΠΡΟΣΑΝΑΤΟΛΙΣΜΟΥ Ε Ν Δ Ε Ι Κ Τ Ι Κ Ε Σ Α Π Α Ν Τ Η Σ Ε Ι Σ Θ Ε Μ Α Τ Ω Ν ΘΕΜΑ Α Α1-δ Α2-δ Α3-β Α4-γ Α5-α ΘΕΜΑ Β Β1. Α-I B-IV Γ-VI Δ-VII E-IΙ ΣΤ-ΙΙΙ Z- V B2. H εικόνα αντιστοιχεί σε προκαρυωτικό κύτταρο καθώς παρατηρούμε ότι το mrna αρχίζει να μεταφράζεται σε πρωτεΐνη πριν ακόμη ολοκληρωθεί η μεταγραφή του. Κάτι τέτοιο είναι εφικτό καθώς στα προκαρυωτικά κύτταρα δεν υπάρχει πυρηνική μεμβράνη. Επίσης στα προκαρυωτικά κύτταρα το mrna είναι έτοιμο να μεταφραστεί αμέσως μετά τη συνθεσή του και δεν χρειάζεται να υποστεί την πολύπλοκη διαδικασία της ωρίμανσης καθώς τα γονίδια των προκαρυωτικών οργανισμών δεν διαθέτουν εσώνια. Β3. Η ανθρώπινη χοριακή γοναδοτροπίνη χορηγείται με ένεση σε ποντίκι και προκαλεί ανοσολογική αντίδραση με αποτέλεσμα να αρχίσει η παραγωγή αντισωμάτων από εξειδικευμένα Β-λεμφοκύτταρα. Ύστερα από δύο εβδομάδες αφαιρείται ο σπλήνας και απομονώνονται τα Β-λεμφοκύτταρα. Τα κύτταρα αυτά συντήκονται με καρκινικά κύτταρα και παράγονται τα υβριδώματα που παράγουν 1
μονοκλωνικά αντισώματα. Τα υβριδώματα μπορούν να φυλάσσονται για μεγάλα χρονικά διαστήματα στην κατάψυξη (-80 C) και να παράγουν οποιαδήποτε στιγμή το συγκεκριμένο μονοκλωνικό αντίσωμα σε μεγάλες ποσότητες Β4. Το σύνολο των βακτηριακών κλώνων περιέχει το συνολικό DNA του οργανισμού δότη και αποτελεί μία γονιδιωματική βιβλιοθήκη. Οι γονιδιωματικές βιβλιοθήκες των δύο κυττάρων θα είναι ίδιες καθώς τα δύο είδη κυττάρων προέρχονται από το ίδιο αρχικό κύτταρο, το ζυγωτό και έτσι περιέχουν το ίδιο συνολικό DNA. Μια cdna βιβλιοθήκη περιέχει αντίγραφα των mrna όλων των γονιδίων που εκφράζονται σε ένα συγκεκριμένο κυτταρικό τύπο και έχουν το πλεονέκτημα απομόνωσης μόνο των αλληλουχιών των γονιδίων που μεταφράζονται σε αμινοξέα, δηλαδή των εξωνίων καθώς και των 5 και 3 αμετάφραστων περιοχών. Οι cdna βιβλιοθήκες των δύο κυττάρων θα είναι διαφορετικές, αφού λόγω κυτταρικής διαφοροποίησης διαφορετικά γονίδια εκφράζονται στους δύο κυτταρικούς τύπους (για παράδειγμα στο μυϊκό κύτταρο εκφράζεται το γονίδιο της μυοσίνης το οποίο δεν εκφράζεται στο ηπατικό κύτταρο). (Βέβαια μπορεί να διαθέτουν και κάποιους κοινούς κλώνους για τα γονίδια που εκφράζονται και στα δύο είδη κυττάρων όπως για παράδειγμα το γονίδιο της DNA πολυμεράσης). ΘΕΜΑ Γ Γ1. Στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς οι μεταγραφικοί παράγοντες παρουσιάζουν τεράστια ποικιλία. Κάθε κυτταρικός τύπος περιέχει διαφορετικά είδη μεταγραφικών παραγόντων. Διαφορετικός συνδυασμός μεταγραφικών παραγόντων ρυθμίζει τη μεταγραφή κάθε γονιδίου. Μόνο όταν ο σωστός συνδυασμός των μεταγραφικών παραγόντων προσδεθεί στον υποκινητή ενός γονιδίου, αρχίζει η RNA πολυμεράση τη μεταγραφή ενός γονιδίου. Δίνεται ότι στα μαστικά κύτταρα του προβάτου εκφράζεται το γονίδιο της καζεΐνης. Συμπεραίνουμε ότι υπάρχουν οι κατάλληλοι μεταγραφικοί παράγοντες που επιτρέπουν την πρόσδεση της RNA πολυμεράσης στον αντίστοιχο υποκινητή μετά τον οποίο έχει πλέον προσδεθεί, με κατάλληλο προσανατολισμό, το γονίδιο της α1 αντιθρυψίνης. Ο γενετικός κώδικας είναι σχεδόν καθολικός. Όλοι οι οργανισμοί έχουν τον ίδιο γενετικό κώδικα. Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι το mrna από οποιονδήποτε οργανισμό μπορεί να μεταφραστεί σε εκχυλίσματα βακτηριακών, φυτικών ή διαφορετικών ζωικών κυττάρων και να παραγάγει την ίδια πρωτεΐνη. Συνεπώς το γονίδιο της α1 αντιθρυψίνης εκφράζεται με αποτέλεσμα να παράγεται η πρωτεΐνη. 2
Γ2. Οι περιοριστικές ενδονουκλεάσες παράγονται από βακτήρια και ο φυσιολογικός τους ρόλος είναι να τα προστατεύουν από την εισβολή «ξένου» DNA. Οι περιοριστικές ενδονουκλεάσες αναγνωρίζουν ειδικές αλληλουχίες 4-8 νουκλεοτιδίων στο δίκλωνο DNA. Μία από τις περιοριστικές ενδονουκλεάσες που χρησιμοποιείται ευρέως είναι η EcoRI που απομονώθηκε από το βακτήριο Escherichia coli. Το ένζυμο αυτό όποτε συναντά την αλληλουχία: 5'-G Α Α Τ Τ C-3' 3'-C Τ Τ A A G-5' στο γονιδίωμα, κόβει κάθε αλυσίδα μεταξύ του G και του Α (με κατεύθυνση 5' 3') αφήνοντας μονόκλωνα άκρα από αζευγάρωτες βάσεις στα κομμένα άκρα. Παρατηρούμε ότι το δοθέν τμήμα έχει κοπεί μία φορά από την EcoRI οπότε διαθέτει μονόκλωνα άκρα από τη μία πλευρά του μορίου με προσανατολισμούς: 5 AATTCCGCAAATTAA 3 3 GGCGTTTAATT 5 Για την κλωνοποίηση του τμήματος με τη βοήθεια πλασμιδίου χρησιμοποιώντας τη τεχνολογία ανασυνδυασμένου DNA, απαραίτητη προϋπόθεση είναι η ύπαρξη μονόκλωνων άκρων εκατέρωθεν του τμήματος. Τα άκρα αυτά μπορούν να σχηματίσουν δεσμούς υδρογόνου με τις συμπληρωματικές βάσεις του DNA του πλασμιδίου που έχει κοπεί μία φορά με το ίδιο ένζυμο. Άρα δεν είναι δυνατή η κλωνοποίηση παραπάνω τμήματος. Σημείωση: μπορεί να γίνει ενσωμάτωση του τμήματος μετά την προσθήκη συμπληρωματικών μονόκλωνων άκρων στη μία πλευρά του τμήματος. Γ3. Το γονίδιο I, που καθορίζει τις ομάδες αίματος ΑΒΟ, έχει τρία αλληλόμορφα. Τα Ι Α και Ι Β κωδικοποιούν τα ένζυμα που σχηματίζουν τα Α και Β αντιγόνα αντίστοιχα, ενώ το i δεν κωδικοποιεί κάποιο ένζυμο. Τα Ι Α και Ι Β είναι συνεπικρατή, ενώ το i είναι υπολειπόμενο. Τα άτομα με ομάδα αίματος Α έχουν στην επιφάνεια των ερυθροκυττάρων τους αντιγόνο τύπου Α και γονότυπο Ι Α Ι Α ή Ι Α i. Ατομα 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 με γονότυπο Ι Α Ι Β, ενώ ένα άτομο ομάδας αίματος 0 δεν έχει κανένα αντιγόνο και έχει ii. Τα μονοκλωνικά αντισώματα αναγνωρίζουν έναν συγκεκριμένο αντιγονικό καθοριστή και προσδένονται σε αυτόν. Το σύμβολο + φανερώνει την ύπαρξη του αντίστοιχου αντιγόνου, ενώ το σύμβολο την απουσία αυτού. Από τη μελέτη του πίνακα συμπεραίνουμε τον γονότυπο των ατόμων: Γ1: δεν υπάρχει ούτε αντιγόνο Α, ούτε αντιγόνο Β άρα ανήκει στην ομάδα Ο με γονότυπο ii. 3
Σ1: υπάρχει το αντιγόνο Α και το αντιγόνο Β άρα ανήκει στην ομάδα ΑΒ με γονότυπο Ι Α Ι Β. Σ2: υπάρχει το αντιγόνο Α και όχι το αντιγόνο Β άρα ανήκει στην ομάδα Α με πιθανούς γονότυπους Ι Α Ι Α ή Ι Α i. Π1: δεν υπάρχει κανένα αντιγόνο άρα ανήκει στην ομάδα Ο με γονότυπο ii. Π2: υπάρχει το αντιγόνο Β και όχι το αντιγόνο Α άρα ανήκει στην ομάδα Β με πιθανούς γονότυπους Ι Β Ι Β ή Ι Β i. Γνωρίζουμε ότι το ένα χρωμόσωμα κάθε ζεύγους είναι πατρικής και το άλλο μητρικής προέλευσης οπότε καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι - Ο πατέρας του πρώτου παιδιού Π1, είναι ο Σ2 που θα έχει γονότυπο Ι Α i - Ο πατέρας του δεύτερου παιδιού Π2, είναι ο Σ1 άρα το Π2 θα έχει γονότυπο Ι Β i. Γ4. Το βακτηρίο Ε. coli έχει την ικανότητα να παραγάγει τρία απαραίτητα ένζυμα που χρειάζεται για να μεταβολίσει το δισακχαρίτη λακτόζη, όταν δεν υπάρχει γλυκόζη στην τροφή του. 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. Το ρυθμιστικό γονίδιο μεταγράφεται συνεχώς και παράγει λίγα μόρια του καταστολέα. Τα μόρια αυτά προσδένονται συνεχώς στο χειριστή. Συμπεραίνουμε ότι όταν στο περιβάλλον υπάρχει γλυκόζη από το οπερόνιο λακτόζης μεταγράφεται ένα είδος m RNA σε κάθε βακτήριο. 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. Δηλαδή όταν στο περιβάλλον υπάρχει λακτόζη από το οπερόνιο λακτόζης μεταγράφονται δύο είδη mrna σε κάθε βακτήριο, γεγονός που αιτιολογεί τη αύξηση της ποσότητας mrna στο διάγραμμα της εικόνας 3. ΘΕΜΑ Δ Δ1. Τα γονίδια που κωδικοποιούν τις αλυσίδες των αιμοσφαιρινών εμφανίζουν πολλές μεταλλάξεις, που οδηγούν στη δημιουργία αιμοσφαιρινοπαθειών. Στο γονίδιο της πολυπεπτιδικής αλυσίδας β έχουν βρεθεί περισσότερες από 300 διαφορετικές μεταλλάξεις. Στη περίπτωση της δρεπανοκυτταρικής αναιμίας το 4
έκτο αμινοξύ της β-πολυπεπτιδικής αλυσίδας, το γλουταμινικό οξύ αντικαθίσταται από βαλίνη. Η αλλαγή στην ακολουθία των αμινοξέων είναι αποτέλεσμα μιας γονιδιακής μετάλλαξης στην τριπλέτα που κωδικοποιεί το γλουταμινικό οξύ. Στην κωδική αλυσίδα του DNA δηλαδή, αλλάζει μία βάση και το φυσιολογικό κωδικόνιο GAG, που κωδικοποιεί το γλουταμινικό οξύ, αντικαθίσταται από το GTG, που κωδικοποιεί τη βαλίνη. Παρατηρώ ότι στη πάνω αλυσίδα της νουκλεοτιδικής αλληλουχίας I εντοπίζω το κωδικόνιο έναρξης 5 ΑΤG 3 και προχωρώντας με βήμα τριπλέτας συνεχώς και μη επικαλυπτόμενα εντοπίζω το έβδομο κωδικόνιο 5 GTG 3 (καθώς δίνεται ότι έχει γίνει αποκοπή του πρώτου αμινοξέος). Άρα το συγκεκριμένο γονίδιο είναι το γονίδιο β s. Στη πάνω αλυσίδα της νουκλεοτιδικής αλληλουχίας IΙΙ εντοπίζω το κωδικόνιο έναρξης 5 ΑΤG 3 και προχωρώντας με βήμα τριπλέτας συνεχώς και μη επικαλυπτόμενα εντοπίζω το έβδομο κωδικόνιο 5 GΑG 3. Άρα το συγκεκριμένο γονίδιο είναι το φυσιολογικό γονίδιο β. Δ2. Η β-θαλασσαιμία χαρακτηρίζεται από μεγάλη ετερογένεια, δηλαδή προκαλείται από πολλά διαφορετικά είδη γονιδιακών μεταλλάξεων όπως αντικαταστάσεις, ελλείψεις και προσθήκες βάσεων. Τα συμπτώματα της ασθένειας διαφέρουν ως προς τη βαρύτητα μεταξύ διαφόρων ατόμων και σχετίζονται με το είδος της μετάλλαξης που τα προκαλεί. Τα συμπτώματα μπορεί να κυμαίνονται από σοβαρή αναιμία (παντελής έλλειψη πολυπεπτιδικής αλυσίδας β, συνεπώς και HbA) έως λιγότερο σοβαρή αναιμία (ελάττωση σύνθεσης πολυπεπτιδικής αλυσίδας β, συνεπώς σύνθεση HbΑ σε πολύ μικρή ποσότητα). Η νουκλεοτιδική αλληλουχία ΙΙ προκύπτει μετά από την προσθήκη μιας C μεταξύ της δεύτερης και τρίτης βάσης του πρώτου κωδικονίου της κωδικής αλυσίδας του φυσιολογικού γονιδίου. Έτσι καταργείται το κωδικόνιο έναρξης και προφανώς δεν συντίθεται η πολυπεπτιδική αλυσίδα β. Άρα η συγκεκριμένη αλληλουχία θα μπορούσε να αντιστοιχεί σε γονίδιο που προκαλεί τη β-θαλασσαιμία. Δ3. α. Η θέση Υ αντιστοιχεί στη θέση έναρξης της αντιγραφής της διχάλας. β. Η αλυσίδα Α αντιγράφεται συνεχώς και η Β ασυνεχώς. γ. Το πρωταρχικό τμήμα iii. 5
Δ4. Τα γονίδια των β αλυσίδων της αιμοσφαιρίνης είναι πολλαπλά αλληλόμορφα. Πρόκειτα για διασταύρωση μονουβριδισμού και ισχύεο ο πρώτος νόμος Mendel του διαχωρισμού αλληλόμορφων γονιδίων. Σύμφωνα με αυτόν κατά την παραγωγή των γαμετών στη μείωση, διαχωρίζονται τα δύο ομόλογα χρωμοσώματα και συνεπώς και τα δύο αλληλόμορφα γονίδια που κατανέμονται στους γαμέτες σε ίση αναλογία. Οι απόγονοι προκύπτουν από τον τυχαίο συνδυασμό των γαμετών. Έστω β: φυσιολογικό αυτοσωμικό γονίδιο που είναι υπεύθυνο για τη σύνθεση της β πολυπεπτιδικής αλυσίδας β s : μεταλλαγμένο αλληλόμορφο γονίδιο υπεύθυνο για τη δρεπανοκυτταρική αναιμία β θ : μεταλλαγμένο αλληλόμορφο γονίδιο υπεύθυνο για τη β- θαλασσαιμία αναιμία Η διασταύρωση ενός φορέα β-θαλασσαιμίας με ένα φορέα δρεπανοκυτταρικής μπορεί να αναπαρασταθεί ως εξής: Ρ γενιά: ββ s ββ θ γαμέτες: β, β s / β, β θ F1: β β θ β ββ ββ θ β s ββ S β s β θ 6