από την Δήμητρα Σπανού χημικό, καθηγήτρια Β/θμιας Εκ/σης 1ου Γυμνασίου Δάφνης
αφιερώνεται σε αυτούς που
όταν βλέπουν τα τέρατα να έρχονται καταπάνω τους,
κατεβάζουν το εγχειρίδιο και ψάχνουν το κεφάλαιο "πως θα τιθασεύσετε έναν τέρας"
Τι θα πρέπει να καταλάβουμε από το βιβλίο της Βιολογίας θετικής Κατεύθυνσης Γ τάξης Ενιαίου Λυκείου. Μια προσπάθεια να τονίστουν τα βασικά σημεία του μαθήματος με στόχο την κατανόησή του
Χωρίς να είμαι καθηγήτρια της Βιολογίας, αλλά της Χημείας, έχοντας όμως ασχοληθεί αρκετά με αυτήν
και για λόγους γενικότερους αλλά και προσωπικούς,
θα ξεκινήσω μια προσπάθεια να δώσω με απλό και περιληπτικό τρόπο την ύλη του βιβλίου αυτού ,
τονίζοντας τα βασικά σημεία της αλλά και τις ουσιαστικές γνώσεις
που περνάν μέσα από το μάθημα,
ώστε να μπορεί ο υποψήφιος αλλά και όποιος ενδιαφέρεται να βοηθηθεί στο να πάρει μια ιδέα για τα θέματα που αναφέρονται στο βιβλίο αυτό.
Ίσως και πριν ακόμα ξεκινήσει τον αγώνα των Πανελληνίων για να καταλάβει γενικά την ύλη που πρέπει να διαβάσει.
Δήμητρα Σπανού
Ξεκινώντας με την υλη...
ΒΙΟΛΟΓΙΑ
Ομάδας Προσανατολισμού Θετικών Σπουδών
Από το βιβλίο ‘’Βιολογία’’ της Γ΄ τάξης του Γενικού Λυκείου Ομάδας Προσανατολισμού Θετικών Σπουδών των Αλεπόρου-Μαρίνου Β., Αργυροκαστρίτη Α., Κομητοπούλου Α., Πιαλόγλου Π., Σγουρίτσα Β.
Κεφάλαιο 1 «Το γενετικό υλικό».
Κεφάλαιο 2 «Αντιγραφή, έκφραση και ρύθμιση της γενετικής πληροφορίας».
Κεφάλαιο 4 «Τεχνολογία του ανασυνδυασμένου DNA».
Κεφάλαιο 5 «Μενδελική κληρονομικότητα».
Κεφάλαιο 6 «Μεταλλάξεις».
Κεφάλαιο 7 «Αρχές και μεθοδολογία της Βιοτεχνολογίας» εκτός από την ενότητα ‘‘Η παραγωγή της πενικιλίνης αποτελεί σημαντικό σταθμό στην πορεία της Βιοτεχνολογίας’’
Κεφάλαιο 8 «Εφαρμογές της Βιοτεχνολογίας στην Ιατρική» εκτός από τις ενότητες ‘‘Εμβόλια’’ και ‘‘Αντιβιοτικά’’.
Κεφάλαιο 9 «Εφαρμογές της Βιοτεχνολογίας στη γεωργία και την κτηνοτροφία».
Κεφάλαιο 8
Εφαρμογές της Βιοτεχνολογίας στην Ιατρική
Η Βιοτεχνολογία έχει κυρίως εφαρμογές στην Ιατρική: ήτοι
Στην έγκαιρη διάγνωση μιας ασθένειας στα αρχικά στάδια, ανίχνευση μόλυνσης ή διαπίστωση κληρονομικής ασθένειας
Στην πρόληψη σοβαρών ασθενειών (ηπατίτιδαΒ, πολυοομυελίτιδα, φυματίωση), με εξελιγμένα εμβόλια. Έρευνα για εμβόλια κατά aids, μηνιγγίτιδας, καρκίνου)
Στην αποτελεσματική θεραπεία. Προυπόθεση, η κατανόηση βιοχημικών μηχανισμών, και του γενετικού υπόβαθρου της ασθένειας ώστε να εφαρμοστεί η κατάλληλη θεραπεία (φαρμακευτική αγωγή ή γενετική διόρθωση της βλάβης)
Η Βιοτεχνολογία συνεισφέρει με τις παρακάτω τεχνικές
την ανάπτυξη τεχνολογίας του ανασυνδυασμένου DNA
την χρήση τεχνικής PCR
ανιχνευτές μορίων DNA
Φαρμακευτικές πρωτείνες από βακτήρια που παράγονται με μεθόδους Γενετικής μηχανικής (σελ 117)
Αν θυμηθούμε το κεφάλαιο 4 ότι, η εισαγωγή γονιδίων σε βακτήρια (με σχετικές μεθόδους ) ,
είχε σαν αποτέλεσμα την παραγωγή πρωτεινών "κατά παραγγελία", από τις οποίες πολλές χρησιμοποιούνται για την θεραπεία ασθενειών στον άνθρωπο. Ο τρόπος αυτός είναι προσιτός, αποτελεσματικός και όχι ακριβός. Οι φαρμακευτικές πρωτείνες παράγονται από βακτήρια για μελέτη και έλεγχο αλλά και ευρεία κατανάλωση
Παραδείγματα
Καλσιτονίνη για θεραπεία οστεοπόρωσης, ενδορφίνες και εγκεφαλίνες με αναλγητική δράση, επιδερμικός αυξητικός παράγοντας για θεραπεία τραυμάτων, ινσουλίνη για θεραπεία του διαβήτη, παράγοντας VIII για θεραπεία αιμοροφιλίας Α, ιντερφερόνες α, β, γ για αντιιική και αντικαρκινική δράση, πλασμινογόνου ιστών(tPA), παράγοντας νέκρωσης όγκων αντικαρκινική δράση, αυξητική ορμόνη για θεραπεία τραυμάτων, σπασμένων οστών, καμένων ιστών κ.α.
Για τον σκοπό αυτό κλωνοποιούνται ανθρώπινα γονίδια για πάνω από 300 πρωτείνες. Εισάγονται σε βακτήρια, δημιουργούνται γενετικά τροποποιημένα βακτήρια, που όμως παράγουν τις πρωτείνες αυτές ανάλογα με το γονίδιο που έχει εισαχθεί. Οι πρωτείνες χρησιμοποιούνται κυρίως για φαρμακευτικά.
Παράδειγμα η ινσουλίνη, που φυσιολογικά, παράγεται στον άνθρωπο από κύτταρα του παγκρέατος και ρυθμίζει τον μεταβολισμό των υδατανθράκων.
Η ινσουλίνη αποτελείται από δύο μικρά πεπτίδια Α και Β τα οποία συγκρατούνται με δισουλφιδικούς δεσμούς. Το γονίδιο της ισουλίνης στο ανθρώπινο γονιδίωμα, παράγει κατ΄ αρχάς την προινσουλίνη, που μετατρέπεται στην συνέχεια σε ινσουλίνη.
Σήμερα μια από της μεθόδους παραγωγής ινσουλίνης από βακτήρια είναι η παρασκευή της προινσουλίνης σε βακτηριακή καλλιέργεια και στην συνέχεια η μετατροπή της σε ινσουλίνη με την βοήθεια κατάλληλων ενζύμων (ενζυμική καλλιέργεια)
Όπως είχαμε δει και στο κεφάλαιο 4 πρέπει να κατασκευαστεί αρχικά μια cDNA βιβλιοθήκη από τα κύτταρα του παγκρέατος στα οποία εκφράζεται το γονίδιο της ινσουλίνης και μετά να γίνει επιλογή του κλώνου που περιέχει το επιθυμητό γονίδιο.
Ξεκινάει με απομόνωση του συνολικού mRNA από τα κατάλληλα παγκρεατικά κύτταρα, μετά κατασκευή δίκλωνων μορίων DNA και ενσωμάτωσή τους σε πλασμίδια, μετασχηματισμός βακτηριδίων με τα ανασυνδυασμένα πλασμίδια και πολλαπλασιασμός τους σε υγρό θρεπτικό υλικό, επίλογή αυτών που περιέχουν το γονίδιο της προινσουλίνης, ανάπτυξη βακτηρίων σε βιοαντιδραστήρα
Με την μέθοδο αυτήν παράγονται επίσης και ορμόνες μια από τις οποίες είναι η αυξητική ορμόνη που εκτός των άλλων βρίσκει εφαρμογές και σε περιπτώσεις θεραπείας τραυμάτων, σπασμένων οστών, καμένων ιστών και καθυστέριση της απώλειας μυικής μάζας κατά το γήρας όπως και η ιντερφερόνες α, β, γ.
Οι ιντερφερόνες είναι ορμόνες που παράγονται από κύτταρα που έχουν μολυνθεί από ιούς, συντελούν στην άμυνα γιατί στην συνέχεια επιδρούν σε υγιή κύτταρα και τα κάνουν να παράγουν μετά, άλλες πρωτείνες , που εμποδίζουν τον πολλαπλασιασμότων ιών .
Είναι λοιπόν χαρακτηριστικό παράδειγμα για το πόσο βοηθάει η παραγωγή τους με αυτές τις μεθόδους.
Οι ιντερφερόνες παράγονται σε ελάχιστες ποσότητες στο ανθρώπινο σώμα. Μέθοδοι κλωνοποίησής τους αντίστοιχες με της ινσουλίνης, βοήθησαν στην μαζική παραγωγή τους σε μεγάλες ποσότητες και αποτελούν πλέον φάρμακα αντιμετώπισης ασθενειών ιογενούς προέλευσης με ακόμα και αντικαρκινική δράση
Μονοκλωνικά αντισώματα (σελ. 119)
Παράγονται με μεθόδους βιοτεχνολογίας
Τα αντισώματα: Τα παράγουν τα Β λεμφοκύτταρα του οργανισμού όταν υπάρχει ανάγκη να αντιμετωπίσουν εισβολείς και είναι το τέλειο φυσικό φάρμακο.
Είναι μεγάλα πρωτεινικής φύσης μόρια σχήματος Υ που αναγνωρίζουν και συνδέονται με ένα μοναδικό κομμάτι του εισβολέα, το αντιγόνο. Με την σύνδεση αυτή μπορεί απλά να καταδείξει έναν στόχο (ιό , μολυσμένο κύτταρο, τοξίνη ) ή να τον εξουδετερώσει απευθείας.
Αντιγόνο χαρακτηρίζεται ένα σύνθετο μόριο, (πρωτείνη, νουκλεικό οξύ, πολυσακχαρίτης λιπίδιο) που εισέρχεται στον οργανισμό και προκαλεί ανοσιολογική απόκριση. Δηλαδή αναγνωρίζεται αρχικά από τα Β λεμφοκύτταρα ή τα Τ λεμφοκύτταρα και στην συνέχεια παράγονται συνήθως τα ανάλογα αντισώματα για το εξουδετερώσουν
Τα αντιγόνα αναγνωρίζονται από τα αντισώματα σε μια συγκεκριμένη περιοχή (αντιγονικός καθοριστής) .
Ένας τύπος αντισωματος αναγνωρίζει έναν αντιγονικό κοθοριστή
Όλα τα αντισώματα που αναγνωρίζουν έναν αντιγονικό καθοριστή, είναι πρωτεινικά μόρια που παράγονται από μια ομάδα Β λεμφοκυττάρων.
Όλα μαζί αποτελούν κλώνο.
Τα αντισώματα που παράγονται από έναν κλώνο Β λεμφοκυττάρων ονομάζονται μονοκλωνικά
Είναι σημαντικά στην ιατρική και χρησιμοποιούνται σαν διαγνωστικά για την ανίχνευση ασθενειών και σαν θεραπευτικά φάρμακα εναντίων παθογόνων ακόμη και για τον καρκίνο και σαν ανιχνευτικά για την συμβατότητα οργάνων που ΄χρησιμοποιούνται για μεταμόσχευση
Τεχνικές απόσπασης πρωτεινών-φαρμάκων από Β λεμφοκύτταρα
Χρησιμοποιούνται οι ικανότητες καρκινικών κυττάρων να επιβιώνουν έξω από το σώμα σε αντίθεση με τα Τ λεμφοκύτταρα
Ειναι αναμενώμενο λοιπόν να υπάρξει ενδιαφέρον για την παραγωγή μονοκλωρησιμοποιούνταινικών αντισωμάτων στο εργαστήριο αλλά και σε μεγάλες ποσότητες ώστε να παρουμε τα επιθυμητά αντισώματα από αυτές.
Υπάρχει όμως ένα πρόβλημα: Τα Β λεμφοκύτταρα δεν επιβιώνουν για πολύ έξω από το σώμα (παρά μόνο μερικές μέρες σε καλλιέργειες ) και δεν μπορούν να χρησιμιποιηθούν σε κυτταροκαλλιέργειες. Έτσι μετασχηματίζονται ώστε να φύγει αυτός ο περιοριστικός όρος.
Η τεχνική για να πάρουμε αντισώματα είναι η εξής. Εισάγονται στον οργανισμό πειραματόζωου (ποντικού) αντιγόνα για μια συγκεκριμένη ασθένεια. Υπάρχει η ανοσιολογική απόκριση και η παραγωγή αντισωμάτων από τα Β λεμφοκύτταρα του σπλήνα. Γίνεται αφαίρεση σπλήνας του ποντικού και απομόνωση Β λεμφοκυττάρων . Αυτά συντήκονται μαζί με καρκινικά κύτταρα. Εξακολουθούν όμως να παράγουν την επιθυμητή ουσία (αντισώματα) ακόμα και όταν μετατραπούν σε καρκινικά.
ΑΠΌΣΠΑΣΜΑ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΥΒΡΙ∆ΩΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΟΝΟΚΛΩΝΙΚΑ ΑΝΤΙΣΩΜΑΤΑ
Ενας τρόπος για να ξεπεραστούν αυτά τα προβλήματα, είναι η μετατροπή των φυσιολογικών Β-λεμφοκυττάρων ανθρώπου σε καρκινικά, με καλλιέργειά τους in vitro, παρουσία του ιού Epstein-Barr. Πράγματι, πρόσφατα βρέθηκε ότι κάτω από αυτές τις συνθήκες, τα Β-λεμφοκύτταρα του ανθρώπου, εμφανίζουν την ικανότητα απεριορίστων πολλαπλασιασμών in vitro, ενώ ταυτόχρονα διατηρούν την ικανότητα σύνθεσης και έκκρισης της συγκεκριμένης ανοσοσφαιρίνης. Κλωνοποίηση των κυττάρων αυτών, έχει επιτρέψει τη μαζική παραγωγή διαφόρων μονοκλωνικών αντισωμάτων ανθρώπου. [PDF]
Εφαρμογές μονοκλωνικών αντισωμάτων (σελ 119)
Ανοσοδιαγνωστικά
Όπως είδαμε ανιχνεύουν έναν αντιγονικό καθοριστή. Μπορούν έτσι να ανιχνεύσουν σε υγρά του σώματος, ουσίες που είναι υπεύθυνες για ποικίλες ασθένειες. , παθογόνους μικροοργανισμούς, διακυμάνσεις συγκεντρώσεων που μπορεί να είναι η αρχή κάποιας ασθένειας. Απλά, γρήγορα, με ακρίβεια και ευαισθησία σε πολύ αρχικά στάδια είναι η διάγνωση με τα αντισώματα. Αυξάνουν την απόδοση των κλινικών δοκιμασιών, των ομάδων αίματος την πιθανότητα κύησης. Στην περίπτωση της κύησης, έχουν κατασκευαστεί ειδικά διαγνωστικά τεστ με μονοκλωνικά αντισώματα που αντιδρούν σε ορμόνες που παράγονται κατά την κύηση
Θεραπευτικά
(Χρησιμοποιούνται μονοκλωνικά αντισώματα των αντιγόνων καρκινικών κυττάρων, για να μεταφέρουν ισχυρά φάρμακα σε καρκινικά κύτταρα επιλεκτικά )
Μια ενδιαφέρουσα εφαρμογή είναι για την θεραπεία του καρκίνου. Τα καρκινικά κύτταρα έχει τα δικά του αντιγόνα πάνω στην επιφάνειά του που πολλά είναι διαφορετικά από αυτά των φυσιολογικών κυττάρων. Έτσι μπορούν να κατασκευαστούν μονοκλωνικά αντισώματα εναντίον αυτών των αντιγόνων των καρκινικών κυττάρων. Μπορούν να κατασκευαστούν μονοκλωνικά αντισώματα εναντίον αυτών των αντιγόνων. που μπορούν να γίνουν μεταφορείς, ισχυρών αντικαρκινικών φαρμάκων που θα οδηγηθούν από τα μονοκλωνικά αντισώματα να βρούν και να καταστρέψουν τα καρκινικά κύτταρα και μόνον αυτά. Έτσι η ασθένεια του καρκίνου θεραπεύεται χωρίς χειρουργική επέμβαση ή χημειοθεραπεία
Για επιλογή οργάνων συμβατών για μεταμόσχευση
Τα κύτταρα των οργάνων έχουν στην επιφάνειά τους ειδικά αντιγόνα επιφανείας, που αναγνωρίζονται από ειδικά μονοκλωνικά αντισώματα. Με αυτά μπορεί να γίνει επίσης ο έλεγχος των οργάνων δωρητών, για να διαπιστωθεί αν ταιριάζουν ανοσιολογικά με τα αντίστοιχα των ασθενών.
Γονιδιακή θεραπεία
(Εντοπίζονται και απομονώνονται τα κύτταρα με τα μεταλλαγμένα γονίδια και γίνεται αντικατάσταση των γονιδίων αυτών με φυσιολογικά, και επαναεισαγωγή τους στο σώμα)
Πολλές ασθένειες οφείλονται σε γονιδιακές μεταλλάξεις, που προέρχονται από την αλλαγή ενός ή περισσότερων γονιδίων σε συνδυασμό με περιβαλλοντικούς παράγοντες. Προκαλούν δυσμορφίες, διανοητική καθυστέρηση το 80%, και το 1/5 είναι θανατηφόρες. Η Γενετική και η πρόσφατη τεχνολογία του ανασυνδυασμένου DNA , κατάφεραν να εντοπίσουν, να χαρτογραφήσουν, να κλωνοποιήσουν κάποια από αυτά τα γονίδια και ακόμη να εντοπίσουν το πρόβλημά τους αφού τα σύγκριναν με τα φυσιολογικά. Παραδείγματα που έχουν αναφερθεί η ασθένεια Huntington, και η δυσμορφία Duchenne.
Η γονιδιακή θεραπεία, έχει στόχο να διορθώσει τις γενετικές βλάβες, εισάγοντας στους ασθενείς φυσιολογικά αλληλόμορφατου μεταλλαγμένου και προβληματικού γονιδίου. Εδώ βέβαια δεν αρκεί μόνο να εντοπιστεί το μεταλλαγμένο γονίδιο αλλά και τα κύτταρα που έχουν το γονίδιο αυτό ΄ώστε να εφαρμοστεί σε αυτά η γονιδιακή θεραπεία.
Περιπτώσεις
α) Γονιδιακή θεραπεία in vivo. 1990 σε τετράχρονο κορίτσι με ανεπάρκεια ανοσοποιητικού.
Μια περίπτωση γονιδιακής θεραπείας είναι σε ανεπάρκεια του ανοσοποιητικού λόγω έλλειψης ενζύμου (απαμινάση της αδενοσίνης).
Εντοπίζονται τα προβληματικά λεμφοκύτταρα με το μεταλλαγμένο γονίδιο και πολλαπλασιάζονται σε κυτταροκαλλιέργειες. Απομονώνονται τα φυσιολογικά γονίδια από άλλα αντίστοιχα κύτταρα και ενσωματώνονται σε ιούς . Οι ιοί εισάγονται στις κυτταροκαλλιέργειες και τροποποιούν τα προβληματικά λεμφοκύτταρα σε φυσιολογικά . Τα φυσιολογικά λεμφοκύτταρα εισάγονται με ενδοφλέβια ένεση στον ασθενή και παράγουν το ένζυμο που έλλειπε. Η θεραπεία πρέπει να είναι συνεχής γιατί τα τροποποιημένα λεμφοκύτταρα δεν ζουν για πάντα. Τα ίδια και στη θεραπία για διαβητικούς
β)
Θεραπεία με έξυπνους φορείς. 1993 σε κυστική ίνωση 
Φυσιολογικά γονίδια ενσωματώνονται σε κύτταρα φορείς, που εισάγονται κατευθείαν στον οργανισμό.
Στην κυστική ίωση ένα γονίδιο που κωδικοποιεί μια πρωτείνη για την σωστή λειτουργία τν επιθήλιων κυττάρων των πνευμόνων. Το φυσιολογικό γονίδιο ενσωματώθηκε σε αδενοιό ο οποίος εισήλθε στον οργανισμό με ψεκασμό. Το φυσιολογικό γονίδιο ενσωματώθηκε στο γονιδίωμά τους και παρήγαγε την πρωτείνη που έλλειπε. Στην μέθοδο αυτή υπάρχουν προβλήματα στην χρήση τν φορέων. Οι ιοί που χρησιμοποιούνται για την εισαγωγή των γονιδίων έχουν πιθανότητες να προκαλέσουν ασθένειες παρ ότι είναι απενεργοποιημένοι.
Το πρόγραμμα του ανθρώπινου γονιδιώματος (σελ. 125)
Το ανθρώπινο γονιδίωμα αποτελείται από 3.109 ζεύγη βάσεων και επιχειρείται η χαρτογράφησή του για ερευνητικούς και άλλους λόγους. Το 1986 ξεκίνησε μια διεθνής συνεργασία με χρηματοδότηση από το 1990 υπό την αιγίδα του Εθνικού Ινστιτούτου Υγείας και του Τμήματος Ατομικής Ενεργειας των ΗΠΑ το οποίο με τις εξελίξεις ολοκληρώθηκε το 2001.
Με την ολοκλήρωση παρουσιάστηκε το σύνολο των γονιδίων που κωδικοποιούν πρωτείνες, οι ρυθμιστικές περιοχές των γονιδίων αυτών, καθώς και περιοχές του γονιδιώματος με άγνωστη λειτουργία.
Η ανάλυση του ανθρώπινου γονιδιώματος θα συμβάλει
- Μελέτη και οργάνωσή του γονιδιώματος
-
- . Ο αριθμός των γονιδίων που εντοπίστηκαν έως πρόσφατα και κωδικοποιούν πρωτείνες ανέρχεται σε 40000
- Ανάπτυξη μεθόδων διάγνωσης και θεραπείας ασθενειών που οφείλονται σε στην θέση και την αλληλουχία γονιδίων
- Μελέτη της εξέλιξης του ανθρώπινου γονιδιώματος και παράλληλα του γονιδιώματος άλλων ειδών, ώστε να προσδιοριστεί ο συσχετισμός και οι εξελικτικές σχέσεις που υπάρχουν μεταξύ τους. Βρίσκονται σε εξέλιξη προγράμματα χαρτογράφησης γονιδιώματος άλλων οργανισμών (πρόβατο, αγελάδα, έντομα, γεοσκώληκας, μικροοργανισμοί)
- Μαζική παραγωγή προιόντων με αυτές τις μεθόδους, χρήσιμων στην φαρμακευτική, την βιομηχανία, την γεωργία, και την κτηνοτροφία.
ΠΗΓΕΣ
ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΘΕΤΙΚΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ Γ ΤΑΞΗΣ ΕΝΙΑΙΟΥ ΛΥΚΕΙΟΥ
Διάφορα τεστ κυήσεως με μονοκλωνικά αντισώματα