Zadanie 1
Matura z biologii, maj 2023, poziom rozszerzony
Wymaganie: III. Energia i metabolizm. 5. Pozyskiwanie energii użytecznej biologicznie. Zdający: 1) wykazuje związek budowy mitochondrium z przebiegiem procesu oddychania komórkowego; 2) analizuje na podstawie schematu przebieg glikolizy, reakcji pomostowej i cyklu Krebsa, wyróżnia substraty i produkty tych procesów; 5) porównuje drogi przemiany pirogronianu w fermentacji […] mleczanowej i w oddychaniu tlenowym.
Treść zadania
Kolejnymi etapami oddychania tlenowego są: glikoliza, reakcja pomostowa, cykl Krebsa oraz łańcuch oddechowy.
Reakcję pomostową – oksydacyjną dekarboksylację pirogronianu do acetylo-CoA – katalizuje kompleks dehydrogenazy pirogronianowej, zawierający trzy enzymy: E₁, E₂ i E₃. Sumaryczna reakcja katalizowana przez ten kompleks w warunkach tlenowych jest następująca:
Na schemacie przedstawiono współdziałanie trzech enzymów wchodzących w skład kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej. Na schemacie: pirogronian wiąże się z enzymem E₁, przy którym uwalniany jest CO₂; przy enzymie E₂ przyłącza się CoA-SH i powstaje acetylo-CoA; przy enzymie E₃ NAD⁺ jest redukowany do NADH + H⁺.
Na podstawie: B. Alberts i in., Podstawy biologii komórki, Warszawa 2016.
Zadanie 1.1. (0–1)
Uzupełnij tabelę – do każdego wymienionego typu reakcji zachodzącej podczas przekształcania pirogronianu do acetylo-CoA przyporządkuj odpowiednie oznaczenie enzymu (E₁, E₂ albo E₃), który tę reakcję przeprowadza.
| Typ reakcji | Oznaczenie enzymu (E₁ / E₂ / E₃) |
|---|---|
| transacetylacja | |
| dehydrogenacja | |
| dekarboksylacja |
Zadanie 1.2. (0–1)
W której części komórki eukariotycznej znajduje się aktywny kompleks dehydrogenazy pirogronianowej? Zaznacz właściwą odpowiedź spośród podanych.
Zadanie 1.3. (0–1)
Wykaż, że funkcjonowanie kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej jest konieczne do połączenia szlaku glikolizy z cyklem Krebsa.
Zadanie 1.4. (0–1)
Wykaż, że zmniejszenie aktywności kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej prowadzi do wzrostu stężenia mleczanu w komórce mięśnia szkieletowego.
Źródło: arkusz CKE MBIP-R0-100-2305. Otwórz oryginalny PDF
Rozwiązanie
1.1. Przypisanie typów reakcji:
| Typ reakcji | Enzym |
|---|---|
| transacetylacja | E₂ |
| dehydrogenacja | E₃ |
| dekarboksylacja | E₁ |
Uzasadnienia:
- E₁ = pirogronian → CO₂ + przejście do kompleksu → dekarboksylacja (utrata CO₂, jednej grupy karboksylowej).
- E₂ = przyjmowanie reszty acetylowej z E₁ + przekazywanie na CoA-SH → transacetylacja (przenoszenie grupy acetylowej).
- E₃ = utlenianie poprzez NAD⁺ → NADH + H⁺ → dehydrogenacja (odebranie wodorów).
1.2. B — macierz mitochondrialna.
Uzasadnienie: kompleks dehydrogenazy pirogronianowej znajduje się w macierzy wewnątrz mitochondrium. Tam gdzie zachodzi też cykl Krebsa. Pirogronian z cytozolu (po glikolizie) jest importowany przez błony mitochondrium do macierzy.
1.3. Glikoliza zachodzi w cytozolu i kończy się pirogronianem (produkt końcowy). Cykl Krebsa zachodzi w macierzy mitochondrium i wymaga acetylo-CoA jako substratu początkowego.
Pirogronian NIE WCHODZI bezpośrednio do cyklu Krebsa — musi być przekształcony w acetylo-CoA. Robi to kompleks dehydrogenazy pirogronianowej.
Bez tego kompleksu pirogronian z glikolizy nie może być wykorzystany w cyklu Krebsa → glikoliza nie łączy się z cyklem → komórka nie może utleniać glukozy do końca (do CO₂ i H₂O). Kompleks pełni rolę łącznika metabolicznego między glikolizą a cyklem Krebsa.
1.4. Mechanizm wzrostu mleczanu przy spadku aktywności kompleksu:
- Glikoliza zachodzi bez przerwy, więc pirogronian stale powstaje.
- Przy obniżonej aktywności kompleksu tylko część pirogronianu jest przekształcana w acetylo-CoA — pirogronian nie może być w całości utleniony w reakcji pomostowej i jego stężenie rośnie.
- Nadmiar pirogronianu jest redukowany do mleczanu (pirogronian + NADH + H⁺ → mleczan + NAD⁺, enzym: dehydrogenaza mleczanowa). Przy okazji odtwarza się NAD⁺ potrzebny w glikolizie.
Stężenie mleczanu rośnie — podobnie jak podczas intensywnego wysiłku mięśniowego, gdy przemiany tlenowe nie nadążają za glikolizą.
Zasady oceniania wymagają wskazania, że pirogronian (stale powstający w glikolizie) nie może być w całości utleniony w reakcji pomostowej, a jego nadmiar jest przekształcany w mleczan. Nie uznaje się odpowiedzi zakładających całkowitą utratę aktywności kompleksu ani odnoszących się wyłącznie do znaczenia adaptacyjnego fermentacji mleczanowej.
Pułapka 1.1 — pomylenie funkcji. Dekarboksylacja = usunięcie CO₂. Dehydrogenacja = odebranie H (utlenienie). Transacetylacja = przeniesienie reszty acetylowej. Trzeba czytać schemat: co znika lub przybywa przy danym enzymie.
Pułapka 1.2 — odpowiedź A (cytozol). Cytozol = miejsce glikolizy, NIE reakcji pomostowej. Pirogronian wchodzi do mitochondrium → macierz (B).
Pułapka 1.3 — niewspomnienie konkretnych metabolitów. Klucz: glikoliza → pirogronian, cykl Krebsa wymaga → acetylo-CoA. Kompleks łączy je przez tę konwersję. Zasady oceniania nie uznają podania „reszty acetylowej” zamiast acetylo-CoA.
Pułapka 1.4 — pisanie o całkowitym zahamowaniu kompleksu albo tylko o tym, że mięsień „przechodzi na fermentację”. Zasady oceniania wymagają powiązania: pirogronian stale powstaje w glikolizie, nie jest w całości utleniany w reakcji pomostowej, a jego nadmiar przekształca się w mleczan.
Strony arkusza CKE z trescia zadania
Klucz pojęciowy — oddychanie tlenowe
| Etap | Lokalizacja | Substrat | Produkt | Bilans ATP |
|---|---|---|---|---|
| Glikoliza | Cytozol | Glukoza | 2 pirogronian | +2 ATP, +2 NADH |
| Reakcja pomostowa | Macierz mt | 2 pirogronian | 2 acetylo-CoA + 2 CO₂ | +2 NADH |
| Cykl Krebsa | Macierz mt | 2 acetylo-CoA | 4 CO₂ | +2 ATP, +6 NADH, +2 FADH₂ |
| Łańcuch oddechowy | Wewnętrzna błona mt | NADH, FADH₂ | H₂O | ~+26-28 ATP |
| Razem | — | 1 glukoza | 6 CO₂ + 6 H₂O | ~30-32 ATP |
Mechanizm: kompleks dehydrogenazy pirogronianowej
3 enzymy w jednym kompleksie (oszczędność: substrat nie ucieka pomiędzy enzymami):
E₁ (dehydrogenaza pirogronianowa, pyruvate dehydrogenase):
- Dekarboksylacja pirogronianu: pirogronian → reszta acetylowa + CO₂.
- Kofaktor: TPP (tiaminopirofosforan, witamina B1).
E₂ (transacetylaza dihydrolipoamidowa):
- Transacetylacja: przenosi grupę acetylową od TPP-E₁ → lipoamid → CoA-SH.
- Powstaje acetylo-CoA.
- Kofaktor: kwas liponowy + CoA-SH (pantotenian, witamina B5).
E₃ (dehydrogenaza dihydrolipoamidowa):
- Dehydrogenacja: utlenia zredukowany lipoamid → wodory przekazywane do NAD⁺ → NADH + H⁺.
- Regeneracja utlenionego lipoamidu dla kolejnego cyklu.
- Kofaktor: FAD (witamina B2) + NAD⁺ (witamina B3).
Mechanizm: łączenie glikolizy z cyklem Krebsa (1.3)
Glikoliza (cytozol): glukoza (C6) → 2 × pirogronian (C3). Produkt = pirogronian.
Cykl Krebsa (macierz mt): wymaga acetylo-CoA (C2) jako substratu. Acetylo-CoA + szczawiooctan → cytrynian → cykl.
Problem: pirogronian ≠ acetylo-CoA. Trzeba przekształcić (utrata CO₂ + dodanie CoA).
Rozwiązanie: kompleks dehydrogenazy pirogronianowej:
- Pirogronian (C3) → acetylo-CoA (C2) + CO₂.
- Pomost między dwoma szlakami.
Mechanizm: wzrost mleczanu (1.4)
Aktywność kompleksu spada → tylko część pirogronianu jest przekształcana w acetylo-CoA, a glikoliza nadal go dostarcza → pirogronian gromadzi się w komórce.
Nadmiar pirogronianu jest redukowany do mleczanu:
- pirogronian + NADH + H⁺ → mleczan + NAD⁺ (katalizuje dehydrogenaza mleczanowa, LDH).
- NAD⁺ wraca do glikolizy (utlenianie aldehydu 3-fosfoglicerynowego wymaga NAD⁺).
Wynik: stężenie mleczanu rośnie (z gromadzącego się pirogronianu). Tłumaczy kwasicę mleczanową przy zaburzeniach kompleksu.
Punktacja CKE
- 1.1. 1 pkt — wszystkie 3 dopasowania poprawne.
- 1.2. 1 pkt — B (macierz mt).
- 1.3. 1 pkt — wskazanie pirogronianu jako produktu glikolizy + acetylo-CoA jako substratu Krebsa.
- 1.4. 1 pkt — pirogronian stale powstaje w glikolizie, nie jest w całości utleniany w reakcji pomostowej, a jego nadmiar przekształca się w mleczan.
- Suma: 4 pkt.
Po co to umieć
Niedobór kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej to wrodzona choroba metaboliczna, której typowym objawem jest kwasica mleczanowa — dokładnie z mechanizmu opisanego w zadaniu 1.4.
Mleczan nie jest wyłącznie „odpadem”:
- może być transportowany do wątroby i tam przekształcany w glukozę (glukoneogeneza, cykl Corich);
- może być utleniany w innych tkankach, np. w sercu, jako źródło energii.
Rozumiesz, jak to rozwiązać?
Przećwicz podobne typy zadań w aplikacji
matury-online.pl ma tysiące zadań pogrupowanych po dziedzinach. Sprawdź, czy temat „oddychanie tlenowe, dehydrogenaza pirogronianowa, glikoliza, cykl Krebsa, mleczan” zrobisz samodzielnie.
Otwórz matury-online.pl