Zadanie 15
Matura z biologii, maj 2025, poziom rozszerzony
Wymaganie: XV. Biotechnologia. Podstawy inżynierii genetycznej. Zdający: 4) przedstawia istotę technik stosowanych w inżynierii genetycznej ([…] elektroforeza DNA […]).
IV. Podziały komórkowe. Zdający: 8) przedstawia apoptozę jako proces warunkujący prawidłowy rozwój i funkcjonowanie organizmów wielokomórkowych.
Treść zadania
Elektroforeza DNA w żelu agarozowym jest standardową techniką pozwalającą na rozdzielenie cząsteczek DNA w zależności od ich masy. Aby wykryć położenie cząsteczek DNA w żelu agarozowym, znakuje się je barwnikami fluorescencyjnymi.
W czasie apoptozy powstają fragmenty DNA o wielkości ok. 180 par zasad i ich wielokrotności, natomiast podczas niekontrolowanej śmierci komórki (nekrozy) dochodzi do losowej fragmentacji DNA. Materiał genetyczny pochodzący ze zdrowych żywych komórek podczas izolacji ulega fragmentacji tylko w niewielkim stopniu.
Na poniższej fotografii przedstawiono wynik elektroforezy DNA wyizolowanego z trzech różnych populacji komórek (A-C).
Obszar nanoszenia DNA na żel agarozowy → ścieżki A, B, C:
- A: prążki w górnej części żelu, blisko obszaru nanoszenia (DNA prawie niefragmentowany).
- B: drabinka regularnych prążków (wielokrotności ~180 par zasad).
- C: rozmyte smużenie od góry do dołu.
Na podstawie: M. Zabel i J. Kawiak, Seminaria z cytofizjologii dla studentów medycyny, weterynarii i biologii, Wrocław 2021. Fotografia: L.D. Tomei i F.O. Cope (red.), Apoptosis: the Molecular Basis of Cell Death, Plainview 1991.
Zadanie 15. (0-2)
Uzupełnij poniższe zdania tak, aby stanowiły prawidłową interpretację powyższych wyników badań. W każdym nawiasie podkreśl właściwą literę.
Wynik elektroforezy DNA wyizolowanego z komórek obumierających w wyniku nekrozy
ilustruje ścieżka ( A / B / C ). Wynik elektroforezy DNA wyizolowanego z komórek
obumierających w wyniku apoptozy ilustruje ścieżka ( A / B / C ).
Źródło: arkusz CKE MBIP-R0-100-2505. Otwórz oryginalny PDF
Rozwiązanie
Klucz: nekroza — ścieżka C, apoptoza — ścieżka B (2 pkt — dwa poprawne podkreślenia, 1 pkt — jedno).
Nekroza → C (rozmyty obraz, smużenie).
Uzasadnienie: nekroza = niekontrolowana śmierć komórki. Wewnętrzne enzymy + zewnętrzne czynniki losowo fragmentują DNA → fragmenty o dowolnej długości → na elektroforezie rozmyte smużenie od dużych do małych fragmentów (smear). Brak charakterystycznych prążków.
Apoptoza → B (drabinka prążków, „DNA ladder”).
Uzasadnienie: apoptoza = zaprogramowana śmierć komórki. Endonukleaza apoptotyczna (CAD) tnie DNA między nukleosomami (chromatyna jest nawinięta na histony co ~180 par zasad). Powstają fragmenty: 180 bp, 360 bp, 540 bp, 720 bp, ... → wielokrotności 180 → na elektroforezie drabinka wyraźnych prążków.
(Ścieżka A = zdrowe komórki — DNA pofragmentowane tylko w niewielkim stopniu, wyraźny prążek blisko obszaru nanoszenia.)
Pułapka — pomylenie nekrozy z apoptozą. Apoptoza = drabinka (regularna, 180 bp wielokrotności — endonukleaza tnie między nukleosomami). Nekroza = smear (chaotyczna fragmentacja).
Pułapka — kierunek migracji. Małe fragmenty wędrują DALEJ (szybciej przez żel). Duże zostają u góry (przy obszarze nanoszenia). Niefragmentowane DNA = wysoko (A).
Strona arkusza CKE z trescia zadania
Klucz pojęciowy — elektroforeza DNA
| Element | Funkcja |
|---|---|
| Żel agarozowy | Sito molekularne — pory zatrzymują duże cząsteczki, przepuszczają małe |
| Pole elektryczne | DNA ujemne (grupy fosforanowe) → wędruje do + (anody) |
| Masa fragmentu | Małe → wędrują dalej, duże → bliżej startu |
| Barwnik fluorescencyjny | Wiąże DNA (np. bromek etydyny) → świeci w świetle UV |
| Drabinka markerów | Wzorzec o znanej długości (np. 100 bp, 500 bp, 1000 bp…) |
Apoptoza vs nekroza — porównanie
| Cecha | Apoptoza | Nekroza |
|---|---|---|
| Typ | Zaprogramowana (programmed cell death) | Patologiczna, niekontrolowana |
| Wyzwolenie | Sygnał wewnętrzny lub zewnętrzny | Uraz, niedotlenienie, toksyny |
| Energia (ATP) | Wymaga ATP | Nie wymaga |
| Błona komórkowa | Zachowana, “pączkuje” ciałka apoptotyczne | Pęka — uwalnia zawartość |
| Reakcja zapalna | Brak (ciałka pożerane przez fagocyty) | Tak (zapalenie, obrzęk) |
| Fragmentacja DNA | Regularnie co ~180 bp (między nukleosomami) | Losowo (chaotycznie) |
| Obraz elektroforezy | Drabinka (DNA ladder) | Smear (smużenie) |
| Endonukleaza | CAD (caspase-activated DNase) | Niespecyficzne nukleazy lizosomalne |
Mechanizm: dlaczego apoptoza daje “drabinkę” 180 bp?
Chromatyna w jądrze zorganizowana jest w nukleosomy — DNA owinięte wokół ośmiu histonów (oktamerowy rdzeń). Każdy nukleosom = ~147 par zasad owiniętego DNA + ~30-50 bp linkera między nukleosomami → łącznie ~180 bp na nukleosom.
W apoptozie aktywuje się CAD (caspase-activated DNase, endonukleaza zależna od kaspaz). Enzym tnie DNA tylko w obszarach linkerowych (między nukleosomami) — chromatyna histonowa go zasłania.
Powstają fragmenty: 1 nukleosom = 180 bp; 2 nukleosomy = 360 bp; 3 = 540 bp; n = n × 180 bp.
Elektroforeza: te dyskretne fragmenty migrują z różnymi prędkościami → regularne, oddzielone prążki układające się w drabinkę.
Mechanizm: dlaczego nekroza daje smear?
W nekrozie dochodzi do uszkodzenia błon (także lizosomów) → uwalniają się nukleazy, które tną DNA w przypadkowych miejscach (nie znają granic nukleosomów).
Powstają fragmenty o dowolnej długości — od kilku bp do wielu kb. Na elektroforezie tworzy to ciągłą plamę (smear) bez wyraźnych prążków.
Analiza ścieżek A, B, C
| Ścieżka | Obraz | Typ DNA |
|---|---|---|
| A | Jeden prążek przy starcie (obszarze nanoszenia) | DNA zdrowych komórek — fragmentowane tylko w niewielkim stopniu |
| B | Drabinka regularnych prążków (wielokrotności 180 bp) | Apoptoza — CAD tnie między nukleosomami |
| C | Rozmyte smużenie od góry do dołu | Nekroza — losowa fragmentacja przez niespecyficzne nukleazy |
Punktacja CKE
- 15. 2 pkt — dwa poprawne podkreślenia (nekroza: C, apoptoza: B); 1 pkt — jedno poprawne.
Po co to umieć
Apoptoza jest fundamentalnym procesem biologicznym:
- Embriogeneza — usuwanie błon między palcami u zarodków.
- Rozwój układu nerwowego — eliminacja zbędnych neuronów.
- Układ immunologiczny — niszczenie autoreaktywnych limfocytów (centralna tolerancja).
- Obrona przeciwnowotworowa — komórka z uszkodzeniem DNA sama się eliminuje (kaspazy + p53).
Zaburzenia apoptozy (np. unikanie jej przez komórki z uszkodzonym DNA) sprzyjają rozwojowi nowotworów.
Obraz „drabinki” DNA w elektroforezie jest wykorzystywany w badaniach laboratoryjnych jako jedna z cech apoptozy.
Rozumiesz, jak to rozwiązać?
Przećwicz podobne typy zadań w aplikacji
matury-online.pl ma tysiące zadań pogrupowanych po dziedzinach. Sprawdź, czy temat „elektroforeza DNA, apoptoza, nekroza, biologia molekularna” zrobisz samodzielnie.
Otwórz matury-online.pl