Zadanie 5
Matura z biologii, maj 2024, poziom rozszerzony
Wymaganie: II. Komórka. Zdający: 2) wykazuje związek budowy błony komórkowej z pełnionymi przez nią funkcjami; 13) wykazuje różnice w budowie komórki prokariotycznej i eukariotycznej.
I. Chemizm życia. 2. Składniki organiczne. Zdający: 2) przedstawia budowę białek […]; opisuje strukturę […] III- i IV-rzędową białek; […] przedstawia wpływ czynników fizycznych i chemicznych na białko (zjawisko […] denaturacji) […]; 3) przedstawia budowę lipidów […], przedstawia właściwości lipidów oraz określa ich znaczenie biologiczne; 4) porównuje skład chemiczny i strukturę cząsteczek DNA i RNA, z uwzględnieniem rodzajów wiązań występujących w tych cząsteczkach […].
III. Energia i metabolizm. 3. Enzymy. Zdający: 5) wyjaśnia wpływ czynników fizykochemicznych (temperatury […]) na przebieg katalizy enzymatycznej […].
XV. Biotechnologia. Podstawy inżynierii genetycznej. Zdający: 4) przedstawia istotę technik stosowanych w inżynierii genetycznej ([…] metoda PCR).
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 strukturę białek i kwasów nukleinowych termofili. Z tego powodu w białkach 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 cząsteczki 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 (wiązanie kowalencyjne). Zasady uznają też „Cys” i „C”. 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 dwuniciowe fragmenty cząsteczek rRNA i 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 par AU traci strukturę przestrzenną (denaturuje) już w niższej temperaturze — np. zdenaturowane tRNA nie mogłoby pełnić swojej funkcji w translacji.
5.4. Termofile.
Uzasadnienie: PCR wykorzystuje cykliczne podnoszenie temperatury do ~95°C (denaturacja DNA). Polimeraza musi pozostać aktywna mimo tej temperatury. Polimerazy psychrofili (i mezofili, np. E. coli) denaturują się w wysokiej temperaturze → 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 przyłączają się do mRNA, zanim polimeraza RNA skończy transkrypcję. To sprzężona transkrypcja i translacja (na jednym powstającym mRNA może pracować jednocześnie wiele rybosomów).
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 wiązania wodorowe, AU = 2 — i do zerwania większej liczby wiązań potrzeba więcej energii. Zasady oceniania nie uznają odpowiedzi z parą AT zamiast AU (w RNA jest uracyl), o „podwójnych/potrójnych wiązaniach wodorowych” ani mylących cytozynę z cysteiną.
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) | Silniej wyrażone adaptacje do wysokiej temperatury |
| 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). Według tekstu zadania w białkach termofili znajdują się liczne mostki S-S — stabilizują one strukturę przestrzenną białka w wysokiej temperaturze.
Inne przykłady: insulina (3 mostki S-S), keratyna włosów (trwała ondulacja polega na chemicznym rozerwaniu i ponownym utworzeniu mostków S-S).
Mechanizm: GC vs AU (5.3)
| Para zasad | Wiązania wodorowe |
|---|---|
| G-C | 3 |
| A-T / A-U | 2 |
W cząsteczce o wysokim udziale par GC więcej wiązań wodorowych podtrzymuje strukturę dwuniciowych odcinków.
W wysokiej temperaturze wiązania wodorowe pękają (ruchy cieplne cząsteczek). Do zerwania większej liczby wiązań potrzeba więcej energii, więc cząsteczka bogata w pary GC zachowuje strukturę w wyższej temperaturze.
Ta sama zależność dotyczy DNA — im większy udział par GC, tym wyższa temperatura denaturacji (topnienia) 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: polimeraza z Thermus aquaticus — bakterii termofilnej z gorących źródeł. Polimeraza Taq nie ulega denaturacji w temperaturze denaturacji DNA i działa optymalnie w ok. 72°C, więc jedna dawka wystarcza na całą reakcję.
→ Termofile (w tym archeony hipertermofilne) są źródłem termostabilnych polimeraz stosowanych w PCR, m.in. Taq, Pfu, Vent.
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 i translacja: rybosomy przyłączają się do mRNA, podczas gdy polimeraza RNA nadal je syntetyzuje.
Punktacja CKE
- 5.1. 1 pkt — obie odpowiedzi T/N poprawne.
- 5.2. 1 pkt — cysteina.
- 5.3. 1 pkt — większa liczba wiązań wodorowych w parze GC niż w parze AU oraz większa energia potrzebna do ich zerwania (uznaje się też odwołanie do siły oddziaływania).
- 5.4. 1 pkt — „termofile” + uzasadnienie odnoszące się do termostabilności ich enzymów albo do wysokiej temperatury podczas PCR.
- 5.5. 1 pkt — D.
- Suma: 5 pkt.
Po co to umieć
Enzymy ekstremofili są wykorzystywane w biotechnologii (o czym mówi tekst zadania):
- polimeraza Taq i inne termostabilne polimerazy → PCR, w tym testy wykrywające materiał genetyczny patogenów;
- enzymy odporne na wysoką temperaturę (np. amylazy, proteazy) → procesy przemysłowe prowadzone w podwyższonej temperaturze.
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