Zadanie 5
Matura z biologii, maj 2024, poziom rozszerzony
Wymaganie: III.6 — różnorodność bakterii, ekstremofile.
II.1 — błona komórkowa, kwasy tłuszczowe.
III.4 — struktura kwasów nukleinowych (GC vs AU).
III.6 — różnice prokariota/eukariota.
Treść zadania
Zadanie 5.
Wiele bakterii to ekstremofile – organizmy żyjące w ekstremalnych warunkach środowiskowych. Skrajne wartości określonych czynników fizycznych i chemicznych są warunkiem koniecznym do prawidłowego zajścia procesów metabolicznych u ekstremofili.
W zależności od wartości optymalnej temperatury wzrostu wyróżnia się wśród ekstremofili:
psychrofile – organizmy, które nie rosną w temperaturze powyżej 20 °C, a optymalne warunki do ich rozwoju stwarza temperatura poniżej 15 °C. Psychrofile wykształciły wiele adaptacji do niskich wartości temperatury, wśród których można wyróżnić mechanizmy chroniące przed nadmiernym zmniejszeniem płynności ich błon komórkowych;
termofile – organizmy, których optymalna temperatura wzrostu wynosi ponad 50 °C. Maksymalna temperatura umożliwiająca życie wynosi 122 °C. Wysoka temperatura powoduje wzrost płynności błony komórkowej oraz destabilizuje struktury białek i kwasów nukleinowych termofili. Z tego powodu w błonach termofili znajdują się liczne mostki disiarczkowe, a cząsteczki rRNA i tRNA mają wysoką zawartość par zasad GC.
Enzymy wytwarzane przez ekstremofile są wykorzystywane w biotechnologii.
Na podstawie: A. Zabłotni, A. Dziadosz, Ekstremofile – mikroorganizmy z przeszłością i z przyszłością, „Postępy Mikrobiologii" 52(4), 2013.
Zadanie 5.1. (0–1)
Określ, które z poniższych modyfikacji składu chemicznego lipidów błony komórkowej stanowią adaptację do życia w niskiej temperaturze. Zaznacz T, jeśli modyfikacja jest adaptacją do życia w niskiej temperaturze, albo N – jeśli nią nie jest.
| 1. | Wzrost zawartości nasyconych kwasów tłuszczowych. | T | N |
| 2. | Wzrost zawartości krótkich kwasów tłuszczowych. | T | N |
Zadanie 5.2. (0–1)
Podaj nazwę aminokwasu niezbędnego do wytworzenia mostków disiarczkowych, stabilizujących strukturę przestrzenną białek bakterii termofilnych.
Zadanie 5.3. (0–1)
Wykaż, że stabilność cząsteczek rRNA i tRNA bakterii termofilnych zwiększa się wraz ze wzrostem zawartości w ich cząsteczkach par zasad GC kosztem zawartości par zasad AU.
Zadanie 5.4. (0–1)
Określ, która grupa organizmów – psychrofile czy termofile – stanowi źródło polimeraz DNA wykorzystywanych do PCR. Odpowiedź uzasadnij.
Zadanie 5.5. (0–1)
Która cecha występuje u bakterii – organizmów prokariotycznych? Zaznacz właściwą odpowiedź spośród podanych.
A. obecność mitochondriów
B. rybosomy o współczynniku sedymentacji równym 80S
C. chityna jako główny składnik ściany komórkowej
D. translacja mRNA rozpoczynająca się przed zakończeniem jej syntezy
Źródło: arkusz CKE MBIP-R0-100-2405. Otwórz oryginalny PDF
Rozwiązanie
5.1.
| Modyfikacja | Adaptacja do niskiej T? |
|---|---|
| Wzrost nasyconych kwasów tłuszczowych | N |
| Wzrost krótkich kwasów tłuszczowych | T |
Uzasadnienie:
- Nasycone kwasy tłuszczowe (proste łańcuchy) ciasno się układają → sztywna błona. To pomaga w wysokich T (chroni przed nadmierną płynnością), NIE w niskich. Przy niskich T potrzeba nienasyconych (z wiązaniami podwójnymi = "zagięciami") aby błona pozostała płynna.
- Krótkie łańcuchy zajmują mniej miejsca → mniej oddziaływań van der Waalsa → błona płynniejsza → adaptacja do niskich T (T).
5.2. Cysteina (Cys, C). Zawiera grupę -SH w reszcie bocznej. Dwie cysteiny tworzą mostek disiarczkowy (-S-S-) przez utlenienie (kowalencyjne wiązanie kowalencyjne). Mostki S-S stabilizują strukturę III-rzędową białek — szczególnie ważne w termofilach.
5.3. Wiązania wodorowe między zasadami komplementarnymi:
- Para G-C: 3 wiązania wodorowe (więcej energii do rozerwania).
- Para A-U (w RNA) / A-T (w DNA): 2 wiązania wodorowe.
Im wyższy procent GC, tym więcej wiązań wodorowych stabilizujących strukturę dwuniciową rRNA/tRNA. W wysokich temperaturach (termofile) wiązania wodorowe są rozrywane przez ruch termiczny. Cząsteczka z dużą zawartością GC ma więcej wiązań → wymaga wyższej energii do destabilizacji → pozostaje funkcjonalna w wyższych T.
Cząsteczka z dużą zawartością AU rozpada się szybciej w wysokich T → utrata struktury III-rz. tRNA → brak translacji.
5.4. Termofile.
Uzasadnienie: PCR wykorzystuje cykliczne podnoszenie temperatury do ~95°C (denaturacja DNA). Polimeraza musi pozostać aktywna mimo tej temperatury. Polimerazy psychrofili / mezofili (np. E. coli) denaturują się w 50-60°C → nieużyteczne dla PCR. Polimerazy termofili (np. Taq z Thermus aquaticus — gorące źródła Yellowstone) są termostabilne — nie tracą funkcji w 95°C. Dlatego do PCR używa się polimeraz z termofili.
5.5. D — translacja mRNA rozpoczyna się przed zakończeniem jego syntezy.
Uzasadnienie: u prokariontów brak jądra → transkrypcja i translacja zachodzą w tej samej komorze cytoplazmy → rybosomy "siadają" na mRNA zanim RNA-polimeraza skończy transkrypcję. To sprzężona transkrypcja-translacja (klasyczny obraz "choinki" — wiele rybosomów na jednym mRNA jednocześnie).
Pułapka 5.1 — pomylenie kierunku adaptacji. Niska T → ryzyko zamrożenia błony → potrzeba nienasyconych + krótkich kwasów tłuszczowych (płynniejsza). Wysoka T → ryzyko nadmiernej płynności → potrzeba nasyconych + długich.
Pułapka 5.2 — odpowiedź "Met" lub inne aminokwasy z siarką. Metionina ma siarkę ale nie tworzy mostków S-S. Tylko cysteina (Cys, -SH) tworzy mostki disiarczkowe.
Pułapka 5.3 — niewspomnienie LICZBY wiązań wodorowych. Klucz: GC = 3 H, AU = 2 H. Bez tej liczby = niepełna odpowiedź.
Pułapka 5.5 — odpowiedź C "chityna". Chityna to grzyby (i pancerze stawonogów), NIE bakterie. Bakterie mają peptydoglikan (mureinę).
Strony arkusza CKE z trescia zadania
Klucz pojęciowy — ekstremofile
| Grupa | Optimum | Adaptacje |
|---|---|---|
| Psychrofile | poniżej 15°C (lodowce, głębiny) | Nienasycone + krótkie kwasy tłuszczowe → płynna błona; “anty-zamarzające” białka (AFP) |
| Mezofile | 20-45°C (większość organizmów) | Standardowe białka i błony |
| Termofile | 50-80°C (gorące źródła) | Nasycone + długie kwasy tłuszczowe; mostki S-S w białkach; wysokie GC w RNA/DNA |
| Hipertermofile | powyżej 80°C (kominy hydrotermalne) | Ekstremalne wszystkie adaptacje termofili |
| Halofile | wysokie zasolenie (np. Morze Martwe) | Kompatybilne osmolity (gliceryna, betaina) |
| Acydofile | pH poniżej 3 | Pompy protonowe, kwasoodporne błony |
Mechanizm: błona przy niskich T (5.1)
Płynność błony zależy od:
- Nasycenie kwasów tłuszczowych (więcej nienasyconych = płynniejsza, bo zagięcia łańcuchów).
- Długość łańcucha (krótsze = płynniejsza, bo mniej oddziaływań van der Waalsa).
- Cholesterol (u zwierząt — buforuje płynność).
W niskich T błona “krzepnie” → komórka traci funkcje transportowe → śmierć. Psychrofile zapobiegają:
- Nienasycone kwasy (z wiązaniami C=C w cis = “kink”) — łańcuchy nie pakują się ciasno.
- Krótkie kwasy (C12, C14 zamiast C16, C18) — mniej kontaktów.
Mechanizm: mostki disulfidowe (5.2)
Cysteina (HS-CH₂-CH(NH₂)-COOH) ma grupę -SH w reszcie bocznej.
Reakcja: 2 Cys-SH → Cys-S-S-Cys + 2H⁺ + 2e⁻ (utlenianie).
Mostek S-S = wiązanie kowalencyjne (znacznie silniejsze niż wodorowe). W termofilach wiele Cys → wiele mostków S-S → białko trzyma kształt nawet w 90°C.
Przykłady wykorzystania: insulina (3 mostki S-S), keratyna włosów (mostki S-S w trakcie odgrzewania = “trwała ondulacja”).
Mechanizm: GC vs AU (5.3)
| Para zasad | Wiązania wodorowe | Energia (kJ/mol) |
|---|---|---|
| G-C | 3 | ~12-15 |
| A-T / A-U | 2 | ~8-10 |
W cząsteczce o wysokim GC% więcej wiązań wodorowych podtrzymuje strukturę:
- rRNA bakterii termofilnej: ~70% GC.
- rRNA bakterii mezofilnej: ~50% GC.
- rRNA psychrofila: ~40% GC.
W wysokich T wiązania wodorowe pękają (ruch Browna). Cząsteczka z 70% GC ma więcej “stabilizatorów” = pozostaje funkcjonalna w 80°C.
To samo dotyczy DNA — termofile mają wyższą temperaturę topnienia (melting point) DNA.
Mechanizm: Taq polimeraza i PCR (5.4)
PCR (Polymerase Chain Reaction) — cykl:
- Denaturacja DNA: 95°C (3 min początkowo, potem ~30 sek).
- Annealing primerów: 50-65°C.
- Elongacja: 72°C (synteza DNA).
Cykl powtarzany 25-40 razy → eksponencjalne namnożenie DNA.
Problem klasyczny (przed Taq): polimeraza E. coli denaturuje w 95°C → trzeba dodawać świeżą po każdym cyklu (ręczna praca, kosztowna).
Rozwiązanie (Mullis 1983, Nobel 1993): polimeraza z Thermus aquaticus — bakteria z gorących źródeł Yellowstone, optimum 70°C. Taq polimeraza wytrzymuje 95°C i działa optymalnie w 72°C. Jedna dawka starcza na cały cykl PCR.
→ Termofile = źródło Taq, Pfu, KOD, Vent — wszystkie polimerazy PCR.
Mechanizm: prokarionty (5.5)
| Cecha | Prokarionty | Eukarionty |
|---|---|---|
| Jądro | brak | obecne |
| Organelle z błoną | brak (małe wyjątki) | mitochondria, ER, Golgi, lizosomy… |
| Rybosomy | 70S (50S + 30S) | 80S (60S + 40S) |
| Ściana komórkowa | peptydoglikan (mureina) | brak (zwierzęta), celuloza (rośliny), chityna (grzyby) |
| DNA | kolisty, w nukleoidzie | linearny, w chromosomach |
| Transkrypcja + translacja | Sprzężone (jednoczesne) | Rozdzielone (jądro vs cytoplazma) |
Odpowiedź D = sprzężona transkrypcja-translacja. Klasyczne zdjęcie z mikroskopu elektronowego (Miller 1969) pokazuje mRNA z rybosomami “wieszającymi się” na nim podczas gdy polimeraza nadal transkrybuje.
Punktacja CKE
- 5.1. 1 pkt — obie odpowiedzi T/N poprawne.
- 5.2. 1 pkt — cysteina.
- 5.3. 1 pkt — wskazanie liczby wiązań wodorowych (3 vs 2) + wniosek o stabilności.
- 5.4. 1 pkt — “termofile” + uzasadnienie termostabilności.
- 5.5. 1 pkt — D.
- Suma: 5 pkt.
Po co to umieć
Ekstremofile zmieniły biologię i biotechnologię:
- Taq polimeraza (1983) → cała genomika, PCR, sekwencjonowanie, COVID-testy.
- Termostabilne enzymy przemysłowe: amylazy, proteazy, lipazy w detergentach (myją w 60°C).
- CRISPR-Cas9 pochodzi z systemu obronnego bakterii (CRISPR loci) — narzędzie edycji genów (Nobel 2020).
- Astrobiologia: ekstremofile pokazują, że życie jest możliwe w warunkach Marsa, Europy (księżyca Jowisza), Tytana → poszukiwania astrobiologiczne.
Termofile z Yellowstone — gorące źródła pod kwaśnymi wodami siarkowymi (60-90°C, pH 2). Mikrobiom kolorystyczny (zielony, żółty, pomarańczowy) widoczny w Grand Prismatic Spring. To prawdziwa kolebka biotechnologii.
Rozumiesz, jak to rozwiązać?
Przećwicz podobne typy zadań w aplikacji
matury-online.pl ma tysiące zadań pogrupowanych po dziedzinach. Sprawdź, czy temat „ekstremofile, psychrofile, termofile, błona komórkowa, GC vs AU, PCR, prokarioty" zrobisz samodzielnie.
Otwórz matury-online.pl