Σελίδες 372 Αντιγραφή Μεταγραφή Ρύθμιση της Γενετική πληροφορίας

Σελίδες 372 Αντιγραφή Μεταγραφή Ρύθμιση της Γενετική πληροφορίας Ερωτήσεις «Θεωρίας και Επισημάνσεις» Ερωτήσεις «πολλαπλής επιλογής» Ερωτήσεις τύπου «Σωστό Λάθος» Ερωτήσεις «Κρίσεως-Συνδυαστικές» Αναλυτική «μεθοδολογία» για την επίλυση των ασκήσεων Παραδείγματα ασκήσεων με «υποδειγματική αιτιολόγηση» Ασκήσεις για «λύση» Κριτήρια «αξιολόγησης» Απαντήσεις των ερωτήσεων του «σχολικού βιβλίου»

Πρόλογος Με τη διδασκαλία του μαθήματος της Βιολογίας στο σχολείο επιδιώκεται η απόκτηση γνώσεων σχετικών με έννοιες, θεωρίες, νόμους και αρχές που αφορούν την επιστήμη της Βιολογίας. Οι απαιτήσεις των θεμάτων στο μάθημα της βιολογίας της ομάδας προσανατολισμού θετικών σπουδών που τίθενται στις Πανελλαδικές εξετάσεις απαιτούν πολύ καλή κατανόηση της διδακτέας ύλης, κριτική και συνδυαστική σκέψη και επιπλέον απαιτούνται γνώσεις οι οποίες δεν αναλύονται με σαφήνεια από το σχολικό βιβλίο. Μέσα από το βιβλίο αυτό, που έχει συγγραφεί με ιδιαίτερη επιμέλεια και μεθοδικότητα, προσπάθησα να καλύψω τα τμήματα εκείνα της διδακτέας ύλη που δεν αναλύονται σε ικανοποιητικό βαθμό από το σχολικό βιβλίο. Για το λόγο αυτό, εκτός από τις απλές ερωτήσεις κατανόησης, το βιβλίο περιέχει σχόλια, διευκρινίσεις και επισημάνσεις που διευκρινίζουν τυχόν απορίες του μαθητή. Επίσης θεώρησα απαραίτητο να υπάρχει ένας μεγάλος αριθμός ασκήσεων. Εκτός από τις συνηθισμένες ασκήσεις, που υπάρχουν για το συγκεκριμένο κεφάλαιο, έκρινα απαραίτητο το βιβλίο να περιέχει, μεταξύ άλλων, πρωτότυπες ασκήσεις, άλλα και ασκήσεις των οποίων η θεματολογία είναι απαραίτητη για την επίλυση θεμάτων που καλείται να αντιμετωπίσει ο μαθητής στα επόμενα κεφάλαια της διδακτέας ύλης. Ιδιαίτερα σημαντικές είναι οι εικόνες που συμπληρώνουν τη θεωρία, την καθιστούν πιο εύληπτη και κατανοητή και δίνουν τη δυνατότητα στο μαθητή να έχει άμεση αντίληψη των διαδικασιών που δεν περιγράφονται λεπτομερώς. Επίσης η αναλυτική μεθοδολογία των ασκήσεων, τα παραδείγματα με υποδειγματική αιτιολόγηση καθώς και η παράθεση ποικίλων ασκήσεων διαβαθμιζόμενης δυσκολίας, καθιστούν, κατά τη γνώμη μου, το συγκεκριμένο βιβλίο σημαντική προσφορά στην προσπάθεια των μαθητών και των συναδέλφων. Σπύρος Δ. Συγγελάκης

ΑΝΤΙΓΡΑΦΗ ΜΕΤΑΓΡΑΦΗ ΡΥΘΜΙΣΗ ΤΗΣ ΓΕΝΕΤΙΚΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ

Το βιβλίο περιέχει: 1. «28 Ερωτήσεις θεωρίας» Γιατί οι Watson και Crick ονόμασαν τον μηχανισμό της αντιγραφής του DNA, ημισυντηρητικό; Απάντηση Οι Watson και Crick φαντάστηκαν μια διπλή έλικα η οποία ξετυλίγεται και κάθε αλυσίδα λειτουργεί σαν καλούπι για τη σύνθεση μιας νέας συμπληρωματικής αλυσίδας. Έτσι, τα δύο θυγατρικά μόρια που προκύπτουν είναι πανομοιότυπα με το μητρικό και καθένα αποτελείται από μία παλιά και μία καινούρια αλυσίδα. Ο μηχανισμός αυτός ονομάστηκε ημισυντηρητικός.

2. «Σχόλια και Επισημάνσεις» Οι DNA-πολυμεράσες είναι ένζυμα υπεύθυνα για τη σύνθεση και επιμήκυνση των αλυσίδων DNA. Τα ένζυμα αυτά δεν είναι σε θέση να αρχίσουν τη σύνθεση ενός νέου κλώνου DNA, χωρίς να υπάρχει ένα ήδη ζευγαρωμένο νουκλεοτίδιο με το μητρικό κλώνο, αφού, όπως αναφέρθηκε, συνθέτουν DNA τοποθετώντας κάθε νέο νουκλεοτίδιο στο ελεύθερο 3' άκρο της δεοξυριβόζης του προηγούμενου νουκλεοτιδίου της αναπτυσσόμενης αλυσίδας. Για το λόγο αυτό, στο κύτταρο υπάρχει το πριμόσωμα το οποίο έχει την ικανότητα να συνθέτει μικρά τμήματα RNA που ονομάζονται πρωταρχικά τμήματα. Το πριμόσωμα είναι ικανό να ξεκινήσει τη σύνθεση των πρωταρχικών τμημάτων, χωρίς να χρειάζεται ένα ζευγαρωμένο νουκλεοτίδιο με το μητρικό κλώνο του DNA. Κάθε πρωταρχικό τμήμα συνθέτεται με κατεύθυνση 5 3' και διαθέτει ένα ελεύθερο 3' άκρο το οποίο μπορεί να αποτελέσει σημείο εκκίνησης για την DNA πολυμεράση. Η DNA πολυμεράση προσθέτει ένα δεοξυριβονουκλεοτίδιο στο ελεύθερο 3 άκρο κάθε πρωταρχικού τμήματος για να ξεκινήσει τη σύνθεση

ενός νέου τμήματος DNA το οποίο συνεχίζει να επιμηκύνει μέχρι να συναντήσει το επόμενο πρωταρχικό τμήμα. Στη συνέχεια με τη δράση κατάλληλου ενζύμου (νουκλεάση) απομακρύνεται το επόμενο πρωταρχικό τμήμα και με τη δράση μιας DNA πολυμεράσης αντικαθίσταται από DNA. Τέλος το ένζυμο DNA δεσμάση συνδέει το 3 άκρο του νέου τμήματος

3. «49 Ερωτήσεις Πολλαπλής επιλογής» Ένα στέλεχος του βακτηρίου E.coli αναπτύσσεται σε θρεπτικό υλικό που περιέχει λακτόζη. Μετά την εξάντληση της λακτόζης προστίθεται στο θρεπτικό υλικό γλυκόζη. Τα βακτήρια εξακολουθούν να παράγουν τα τρία μεταβολικά ένζυμα. Αυτό οφείλεται α. σε αδυναμία πρόσδεσης της RNA πολυμεράσης στον υποκινητή β. σε βλάβη του ρυθμιστικού γονιδίου γ. σε μη αποσύνδεση του καταστολέα από το χειριστή δ. σε αδυναμία σύνδεσης του mrna του οπερονίου στο ριβό-σωμα. Γονίδια που εκφράζονται σε όλους τους κυτταρικούς τύπους είναι α. τα γονίδια που δε διαθέτουν υποκινητές. β. τα συνεχή γονίδια γ. τα γονίδια που παράγουν ιστόνες. δ. τα ασυνεχή γονίδια. Σε ένα ευκαρυωτικό κύτταρο τα μόρια μεγαλύτερη ποσότητα είναι α. mrna β. snrna γ. rrna δ. trna RNA που παράγονται σε

4. «66 Ερωτήσεις Σωστό Λάθος» O χρόνος ζωής των μορίων mrna σχετίζεται με τη ταχύτατη παραγωγή πρωτεϊνών στα κύτταρα. Κάποια γονίδια στα κύτταρα των ανώτερων οργανισμών μεταφράζονται ανεξάρτητα από τον κυτταρικό τύπο. Στα προκαρυωτικά κύτταρα τα mrna μπορούν να συνδεθούν γρηγορότερα με τα ριβοσώματα σε σχέση με τα ευκαρυωτικά. 5. «24 Ερωτήσεις Κρίσεως» Δίνεται το mrna του σχήματος στο οποίο βρίσκεται σε εξέλιξη η διαδικασία της μετάφρασης. α. Να σημειώσετε τα 5 και 3 άκρα στις θέσεις α και β του mrna και στη θέση ε του trna. β. Να εξηγήσετε αν οι πολυπεπτιδικές αλυσίδες που παράγονται, στα ριβοσώματα του σχήματος, έχουν την ίδια αλληλουχία αμινοξέων. Στα ευκαρυωτικά κύτταρα η γενετική πληροφορία μεταφράζεται συνήθως από 11-18 ριβοσώματα ανά μόριο mrna, ενώ στα προκαρυωτικά κύτταρα από 40-50

ριβοσώματα ανά μόριο mrna. Σε ποιους λόγους οφείλεται αυτή η διαφορά; «23 Συνδυαστικές» Ένα ευκαρυωτικό συνεχές γονίδιο εισάγεται σε βακτηριακό κύτταρο. Στο γονίδιο αυτό έχει ενσωματωθεί κατάλληλος βακτηριακός υποκινητής. Στο παρακάτω διάγραμμα απεικονίζεται ο ρυθμός έκκρισης της πρωτεΐνης του συγκεκριμένου γονιδίου από το ευκαρυωτικό κύτταρο και από το βακτήριο αντίστοιχα. Με βάση το διάγραμμα να αιτιολογήσετε τις διαφορές που καταγράφονται στο ρυθμό έκκρισης της πρωτεΐνης στα δυο αυτά κύτταρα.

6. Αναλυτική «Μεθοδολογία» Σε κάθε διχάλα αντιγραφής στον κλώνο που αντιγράφεται συνεχώς (κλώνος 3 5 ), το πριμόσωμα συνθέτει ένα μόνο πρωταρχικό τμήμα. Η σύνθεση αυτού του πρωταρχικού τμήματος αρχίζει με καλούπι το πρώτο νουκλεοτίδιο του μητρικού κλώνου ως προς τη θέση έναρξης της αντιγραφής. Στον κλώνο που αντιγράφεται ασυνεχώς (κλώνος 5 3 ) το πριμόσωμα σχηματίζει πολλά πρωταρχικά τμήματα σε καθορισμένες θέσεις. Το πρώτο πρωταρχικό τμήμα στον κλώνο που αντιγράφεται ασυνεχώς σχηματίζεται κοντά στο 5 άκρο αυτού του κλώνου. Τα πρωταρχικά τμήματα επιμηκύνονται από τις DNA πολυμεράσες.

Οι DNA πολυμεράσες, με αφετηρία το τελευταίο (3 άκρο) νουκλεοτίδιο κάθε πρωταρχικού τμήματος, αρχίζουν την σύνθεση ενός τμήματος DNA. Η σύνθεση αυτού του τμήματος DNA γίνεται μέχρι το πρώτο νουκλεοτίδιο του επόμενου πρωταρχικού τμήματος. «20 Παραδείγματα» Παράδειγμα Το παρακάτω τμήμα DNA τοποθετείται σε περιβάλλον που υπάρχουν ελεύθερα νουκλεοτίδια και DNA πολυμεράση. Ποιο είναι το μόριο που θα προκύψει μετά το τέλος της αντίδρασης; Παράδειγμα Δίνεται το παρακάτω τμήμα DNA στο οποίο βρίσκεται σε εξέλιξη η διαδικασία της αντιγραφής. Τα πρωταρχικά τμήματα που ήδη έχουν σχηματιστεί στο τμήμα αυτό του DNA είναι τα α. 5 CUUAU 3, β. 5 CAAGU 3, γ. 5 AAGCU 3. α. Ποιος από τους κλώνους Α και Β του μορίου αντιγράφεται συνεχώς και ποιος ασυνεχώς; Να σημειώσετε τα 5 και 3 άκρα των κλώνων Α και Β του μορίου. β. Σε ποια από τις θέσεις Ι και ΙΙ βρίσκεται η θέση πρόσδεσης της DNA ελικάσης;

γ. Με ποια σειρά σχηματίστηκαν τα συγκεκριμένα πρωταρχικά τμήματα στο τμήμα αυτό του DNA; Παράδειγμα Δίνεται πεπτίδιο Μεθειονίνη- Προλίνη λυσίνη μεθειονίνη στο οποίο το αμινοξύ λυσίνη σχηματίζει πεπτιδικό δεσμό με το αμινοξύ προλίνη μέσω της ομάδας -COOH. Να γράψετε το τμήμα του mrna που κωδικοποιεί αυτό το πεπτίδιο και να σημειώσετε τα 5 και 3 άκρα του. Δίνονται οι αντιστοιχίσεις αμινοξέων και κωδικονίων από το γενετικό κώδικα: AUG μεθειονίνη, CCA προλίνη AAA λυσίνη. 7. «10 Παραδείγματα με Υποδειγματική Αιτιολόγηση» Έστω ένα τμήμα μορίου DNA, προκαρυωτικού κυττάρου, με την ακόλουθη αλληλουχία βάσεων: Να γράψετε: α. το mrna που θα προκύψει από τη μεταγραφή του παραπάνω τμήματος DNA, σημειώνοντας ταυτόχρονα τη θέση του 5 ' και 3 ' άκρου του mrna. β. Ποιες αλληλουχίες βάσεων δεν μεταφράζονται στο τμήμα αυτό του mrna; γ. Σε ποια από τις θέσεις Α και Β βρίσκεται ο υποκινητής του συγκεκριμένου γονιδίου; Απάντηση α. Γνωρίζουμε ότι Ο γενετικός κώδικας είναι κώδικας τριπλέτας, δηλαδή μια τριάδα νουκλεοτιδίων, το κωδικόνιο, κωδικοποιεί ένα αμινοξύ.

Ο γενετικός κώδικας είναι συνεχής, δηλαδή το mrna διαβάζεται συνεχώς ανά τρία νουκλεοτίδια χωρίς να παραλείπεται κάποιο νουκλεοτίδιο. Ο γενετικός κώδικας είναι μη επικαλυπτόμενος, δηλαδή κάθε νουκλεοτίδιο ανήκει σε ένα μόνο κωδικόνιο. Ο γενετικός κώδικας έχει κωδικόνιο έναρξης και κωδικόνια λήξης. Το κωδικόνιο έναρξης σε όλους τους οργανισμούς είναι το AUG και κωδικοποιεί το αμινοξύ μεθειονίνη. Υπάρχουν τρία κωδικόνια λήξης, τα UAG, UGA και UAA. Η παρουσία των κωδικονίων αυτών στο μόριο του mrna οδηγεί στον τερματισμό της σύνθεσης της πολυπεπτιδικής αλυσίδας. Ο όρος κωδικόνιο δεν αφορά μόνο το mrna αλλά και το γονίδιο από το οποίο παράγεται. Έτσι, για παράδειγμα, το κωδικόνιο έναρξης AUG αντιστοιχεί στο κωδικόνιο έναρξης της κωδικής αλυσίδας του γονιδίου ATG κ.ο.κ. Το τμήμα ενός γονιδίου, και του mrna του που κωδικοποιεί μια πολυπεπτιδική αλυσίδα, αρχίζει με το κωδικόνιο έναρξης και τελειώνει με το κωδικόνιο λήξης. Το μόριο RNA που συντίθεται είναι συμπληρωματικό προς τη μία αλυσίδα της διπλής έλικας του DNA του γονιδίου. Η αλυσίδα αυτή είναι η μεταγραφόμενη και ονομάζεται μη κωδική. Η συμπληρωματική αλυσίδα του DNA του γονιδίου ονομάζεται κωδική. Mε βάση τα παραπάνω αναζητούμε την κωδική αλυσίδα του γονιδίου. Ι. Έστω ότι κωδική αλυσίδα του γονιδίου είναι η αλυσίδα Ι. Παρατηρούμε ότι με κατεύθυνση 5 3 υπάρχει το κωδικόνιο έναρξης ATG, και με διαδρομή τριπλέτας δε συναντάμε κωδικόνιο λήξης. Συνεπώς η αλυσίδα Ι δεν είναι η κωδική αλυσίδα του γονιδίου. ΙΙ. Έστω ότι κωδική αλυσίδα είναι η αλυσίδα ΙΙ. Παρατηρούμε ότι με κατεύθυνση 5 3 υπάρχει κωδικόνιο έναρξης ΑTG και με βήμα τριπλέτας κωδικόνιο λήξης Ι 5 '.TACACGTTCAGGACAATATGCACATTTAT T 3 ΙΙ 3 ATG TGCAAGTCCTGTTATACGTGTAAATAA 5 Επομένως η αλυσίδα ΙΙ αποτελεί την κωδική αλυσίδα και η αλυσίδα Ι την μη κωδική. Επομένως μεταγράφεται η αλυσίδα Ι. Η μεταγραφή καταλύεται από ένα ένζυμο, την RNA πολυμεράση (στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς υπάρχουν τρία είδη RNA - πολυμερασών). Κατά την έναρξη της μεταγραφής του γονιδίου η RNA πολυμεράση προσδένεται στον υποκινητή και προκαλεί τοπικό ξετύλιγμα της διπλής έλικας του DNA. Στη συνέχεια, τοποθετεί τα ριβονουκλεοτίδια απέναντι από τα δεοξυριβονουκλεοτίδια της μη κωδικής αλυσίδας του DNA

σύμφωνα με τον κανόνα της συμπληρωματικότητας των βάσεων, όπως και στην αντιγραφή, με τη διαφορά ότι εδώ απέναντι από την αδενίνη τοποθετείται το ριβονουκλεοτίδιο που περιέχει ουρακίλη. Η RNA πολυμεράση συνδέει τα ριβονουκλεοτίδια που προστίθενται το ένα μετά το άλλο, με 3'-5' φωσφοδιεστερικό δεσμό. Η μεταγραφή έχει προσανατολισμό 5' 3' όπως και η αντιγραφή. Η σύνθεση του mrna σταματά στο τέλος του γονιδίου, όπου ειδικές αλληλουχίες οι οποίες ονομά-ζονται αλληλουχίες λήξης της μεταγραφής, επιτρέπουν την απελευθέρωσή του. Το mrna επομένως που θα προκύψει κατά τη μεταγραφή του συγκεκριμένου γονιδίου έχει την αλληλουχία: mrna 3 AUGUGCAAGUCCUGUUAUACGUGUAAAUAA 5 β. Στο mrna αυτό, εκτός από το τμήμα που μεταφράζεται, υπάρχουν και δυο περιοχές που δεν μεταφράζονται. Η μία βρίσκεται στο 5 άκρο και η άλλη στο 3 άκρο και ονομάζονται 5-3 αμετάφραστες περιοχές αντίστοιχα. Επομένως η 5 αμετάφραστη περιοχή έχει την αλληλουχία 5 AAUAA 3 και η 3 αμετάφραστη περιοχή την 3. Το RNA αποτελεί το κινητό αντίγραφο της πληροφορίας του γονιδίου, διότι έχει την ίδια ακριβώς σύσταση βάσεων με την κωδική αλυσίδα του γονιδίου με τη διαφορά ότι στη θέση που η κωδική αλυσίδα έχει την αζωτούχα βάση θυμίνη(τ), το RNA έχει στην αντίστοιχη θέση την αζωτούχα βάση ουρακίλη(u αλληλουχία 3 AUGUGC 5 γ. Κατά την μεταγραφή η RNA πολυμεράση προσδένεται σε ειδικές περιοχές του DNA, που ονομάζονται υποκινητές, με τη βοήθεια πρωτεϊνών που ονομάζονται μεταγραφικοί παράγοντες. Οι υποκινητές και οι μεταγραφικοί παράγοντες αποτελούν τα ρυθμιστικά στοιχεία της μεταγραφής του DNA και επιτρέπουν στην RNA πολυμεράση να αρχίσει σωστά τη μεταγραφή. Οι υποκινητές βρίσκονται πάντοτε πριν απότηναρχήκάθεγονιδίου. Επομένως ο υποκινητής του συγκεκ-ριμένου γονιδίου βρίσκεται πριν το 5 άκρο της κωδικής αλυσίδας, δηλαδή στη θέση Β.

8. «123 Ασκήσεις για Λύση» Άσκηση Δίνεται το τμήμα DNA Το οποίο απομονώθηκε από προκαρυωτικό οργανισμό. Η αλληλουχία με έντονα γράμματα αποτελεί υποκινητή, που ρυθμίζει τη μεταγραφή του γονιδίου που περιέχεται στο παραπάνω τμήμα DNA. Αν το τμήμα του rrna, της μικρής ριβοσωμικής υπομονάδας, που είναι συμπληρωματικό με το mrna, που μεταγράφεται από το παραπάνω DNA, έχει την αλληλουχία 3 CACAUG 5, α. να γράψετε το mrna που παράγεται από το παραπάνω τμήμα DNA β. να βρείτε την αλληλουχία αμινοξέων του παραγόμενου πεπτιδίου. Άσκηση Δίνεται το ακόλουθο κυκλικό μόριο DNA το οποίο περιέχει τα γονίδια Γ 1 και Γ 2, ενώ σημειώνεται και η θέση των αντίστοιχων υποκινητών Y 1 και Y 2. Για την σύνθεση του τμήματος ΑΒ,το κυκλικό μόριο τοποθετείται σε περιβάλλον που περιέχει ελεύθερα ραδιενεργά δεοξυριβονουκλεοτίδια καθώς και τα ένζυμα DNA πολυμεράση και DNA-δεσμάση. α. Να υποδείξετε την κωδική αλυσίδα του γονιδίου Γ 2. β. Ποιο από τα άκρα Α και Β αποτελεί τη θέση στην οποία θα δράσει η DNA δεσμάση αρχίζει και γιατί; γ. Αν το τμήμα ΑΒ, που θα δημιουργηθεί, έχει μήκος 200 βάσεις, να βρείτε πόσα συνολικά ραδιενεργά νουκλεοτίδια θα υπάρχουν, στα νέα

μόρια που θα προκύψουν, μετά από τέσσερις (4) κύκλους αντιγραφής, αν το κυκλικό μόριο εξακολουθεί να βρίσκεται στο περιβάλλον που περιέχει ραδιενεργά δεοξυριβονουκλεοτίδια. Δίνεται ότι το κυκλικό μόριο αποτελείται από 10.000 νουκλεοτίδια. Άσκηση Στο παρακάτω μόριο mrna βρίσκεται σε εξέλιξη η διαδικασία της μετάφρασης. Τα μόρια A 1 και Α 2 αποτελούν δύο αμινοξέα τα οποία έχουν ήδη συνδεθεί με πεπτιδικό δεσμό. Το αμινοξύ Α 1 έχει ελεύθερη καρβοξυλομάδα. Ποιο είναι το αντικωδικόνιο του επόμενου trna που θα εισέλθει στο ριβόσωμα και ποιο είναι το αντικωδικόνιο trna θα αποσυνδεθεί από το ριβόσωμα; Άσκηση Δίνεται το παρακάτω τυχαίο τμήμα DΝΑ που αποτελεί τμήμα ενός γονιδίου και κωδικοποιεί μικρή αλληλουχία αμινοξέων. Επίσης επισημαίνονται οι αλληλουχίες βάσεων, που αποτελούν τμήματα των αμετάφραστων περιοχών του γονιδίου, στο οποίο ανήκει αυτό το τμήμα DΝΑ. Κάποια από τις αλληλουχίες αυτές είναι υπεύθυνη για τη σύνδεση του mrna με το ριβόσωμα. Στο σχήμα απεικονίζεται το mrna που παράγεται από το τμήμα αυτό του DNA καθώς αυτό μεταφράζεται.

Το trna που μετακινείται μέσα στο ριβόσωμα έχει στη θέση του αντικωδικονίου την αλληλουχία GAA. α. Με ποιο από τα άκρα γ και δ συνδέθηκε το mrna με το ριβόσωμα; Ποιο είναι το συστατικό του ριβοσώματος με το οποίο θα συνδεθεί το mrna και πόσοι δεσμοί θα σχη-ματιστούν κατά τη σύνδεση αυτή; β. Με ποια από τις χημικές ομάδες α και β, το αμινοξύ που μεταφέρει το συγκεκριμένο trna, θα σχηματίσει πεπτιδικό δεσμό; 9. «2 Διαγωνίσματα» «43 ερωτήσεις σύντομης απάντησης» 10. «Απαντήσεις»