Zadanie 12
Matura z biologii, maj 2026, poziom rozszerzony
Wymaganie: I. Chemizm życia — białka: struktura przestrzenna, denaturacja i czynniki denaturujące. VIII. Funkcjonowanie zwierząt — osmoregulacja u zwierząt wodnych, adaptacje do środowiska morskiego i głębinowego. XI. Metodologia — analiza wyników symulacji i wykresów.
Treść zadania
Ryby chrzęstnoszkieletowe gromadzą we krwi duże ilości mocznika, którego całkowite stężenie osmotyczne we krwi jest równe stężeniu wody morskiej albo je przekracza. Ważnym składnikiem ich krwi jest też tlenek trimetyloaminy (TMAO).
Symulacje komputerowe pokazały wpływ wysokiej temperatury, mocznika (8 mol·dm⁻³) i TMAO (1 i 4 mol·dm⁻³) na strukturę przestrzenną białka — inhibitora chymotrypsyny 2 (CI2):
| Warunki | Struktura CI2 |
|---|---|
| tylko woda, 25 °C | zachowana |
| tylko woda, 60 °C | zachowana |
| tylko woda, 125 °C | rozwinięta (denaturacja) |
| TMAO 1 mol·dm⁻³, 25 °C | zachowana |
| TMAO 4 mol·dm⁻³, 60 °C | zachowana |
| mocznik 8 mol·dm⁻³, 60 °C | rozwinięta (denaturacja) |
| TMAO 4 mol·dm⁻³ + mocznik 8 mol·dm⁻³, 60 °C | zachowana |
Na wykresie przedstawiono zawartość TMAO w tkance mięśniowej ryb morskich żyjących na różnych głębokościach (0–8000 m): u obu grup ryb — kostno- i chrzęstnoszkieletowych — zawartość TMAO rośnie wraz z głębokością, przy czym u chrzęstnoszkieletowych jest wyższa.
12.1. (0–1) Oceń, czy w podanych warunkach dochodzi do denaturacji CI2 (T/N):
- Temperatura 60 °C przy stężeniu TMAO 4 mol·dm⁻³, bez mocznika.
- Temperatura 60 °C przy stężeniu mocznika 8 mol·dm⁻³, bez TMAO.
12.2. (0–1) Sformułuj wniosek dotyczący wpływu TMAO na strukturę przestrzenną CI2 poddawanego działaniu mocznika o stężeniu 8 mol·dm⁻³.
12.3. (0–1) Sformułuj wniosek dotyczący zależności między głębokością występowania ryb a zawartością TMAO w ich tkance mięśniowej. Odnieś się do obu grup ryb.
12.4. (0–1) Oceń prawdziwość stwierdzeń dotyczących osmoregulacji ryb chrzęstnoszkieletowych (P/F):
- Dzięki gromadzeniu mocznika płyny ustrojowe tych ryb są w przybliżeniu izotoniczne względem wody morskiej.
- Dzięki gromadzeniu mocznika te ryby nie są narażone na nadmierny osmotyczny odpływ wody.
Źródło: arkusz CKE MBIP-R0-100-2605. Otwórz oryginalny PDF
Rozwiązanie
12.1. NT
- N — w symulacji z TMAO o stężeniu 4 mol·dm⁻³ w 60 °C struktura CI2 pozostała zachowana. TMAO stabilizuje białko.
- T — w symulacji z samym mocznikiem (8 mol·dm⁻³) w 60 °C białko uległo rozwinięciu, czyli denaturacji. Mocznik jest czynnikiem destabilizującym strukturę przestrzenną białek.
12.2.
Wniosek: TMAO chroni białko CI2 przed denaturacją wywołaną wysokim stężeniem mocznika — stabilizuje jego strukturę przestrzenną.
Świadczy o tym porównanie dwóch symulacji w tej samej temperaturze 60 °C:
- sam mocznik 8 mol·dm⁻³ → struktura rozwinięta (denaturacja),
- mocznik 8 mol·dm⁻³ + TMAO 4 mol·dm⁻³ → struktura zachowana.
TMAO znosi (kompensuje) destabilizujące działanie mocznika.
12.3.
Wniosek: zarówno u ryb kostnoszkieletowych, jak i chrzęstnoszkieletowych zawartość TMAO w tkance mięśniowej rośnie wraz ze wzrostem głębokości, na której ryby występują.
Dodatkowo — przy porównywalnej głębokości — ryby chrzęstnoszkieletowe mają zawartość TMAO wyższą niż kostnoszkieletowe, co wiąże się z koniecznością neutralizowania wysokiego stężenia mocznika w ich płynach ustrojowych.
12.4. PP
- P — dzięki gromadzeniu mocznika (i TMAO) całkowite stężenie osmotyczne płynów ustrojowych ryb chrzęstnoszkieletowych dorównuje stężeniu wody morskiej lub je przekracza — są więc izotoniczne (lub lekko hipertoniczne) względem otoczenia.
- P — skoro płyny ustrojowe nie są hipotoniczne wobec wody morskiej, nie występuje gradient wymuszający ucieczkę wody z organizmu. Ryby te nie tracą wody na drodze osmozy — inaczej niż ryby kostnoszkieletowe morskie, które muszą stale pić wodę morską.
W 12.1 trzeba czytać symulacje parami. Każdy obrazek to osobny zestaw warunków — kluczowe jest wskazanie właściwej kombinacji temperatury, TMAO i mocznika. Punkt 1. dotyczy warunków bez mocznika, punkt 2. — bez TMAO.
W 12.2 klucz CKE odrzuca odpowiedzi o „renaturacji". TMAO zapobiega denaturacji, a nie odwraca ją po fakcie. Poprawne czasowniki: chroni, stabilizuje, ogranicza, zapobiega.
Wniosek to nie opis wyników. „W próbie z TMAO struktura była zachowana" to obserwacja. Wnioskiem jest uogólnienie: „TMAO chroni białko przed denaturacją wywołaną mocznikiem".
W 12.3 polecenie wymaga odniesienia do OBU grup ryb. Wniosek dotyczący tylko chrzęstnoszkieletowych albo tylko kostnoszkieletowych jest niepełny i nie punktuje.
W 12.4 kusi odpowiedź F przy pierwszym stwierdzeniu. Intuicja mówi, że ryba musi mieć płyny mniej stężone niż morze — ale to prawda tylko dla ryb kostnoszkieletowych. Chrzęstnoszkieletowe rozwiązały problem odwrotnie: podniosły stężenie własnych płynów mocznikiem.
Uważaj na kierunek osmozy. Woda przechodzi z roztworu mniej stężonego do bardziej stężonego. Ryba hipotoniczna wobec morza traci wodę; ryba izotoniczna — nie traci.
Mocznik u tych ryb nie jest odpadem, lecz osmolitem. To odwrócenie typowej roli: u ssaków mocznik jest produktem wydalanym, u rekinów — aktywnie zatrzymywanym w nerkach składnikiem osmoregulacji.
Treść zadania (CKE)
Mocznik kontra TMAO — przeciwstawne działanie
| Związek | Wpływ na strukturę białka | Mechanizm |
|---|---|---|
| mocznik | destabilizuje — sprzyja denaturacji | osłabia oddziaływania hydrofobowe, konkuruje o wiązania wodorowe |
| TMAO | stabilizuje — chroni przed denaturacją | wzmacnia strukturę wody wokół białka, „wypycha” je do formy zwiniętej |
Stosunek stężeń w tkankach ryb chrzęstnoszkieletowych wynosi zwykle ok. 2 : 1 (mocznik : TMAO) — właśnie tyle, ile potrzeba, by oba efekty się zniosły. To podręcznikowy przykład kompensacji osmolitów.
Czynniki denaturujące białka
| Czynnik | Co niszczy | Przykład |
|---|---|---|
| wysoka temperatura | wiązania wodorowe, oddziaływania hydrofobowe | ścinanie białka jaja |
| skrajne pH | wiązania jonowe | ścinanie mleka kwasem |
| mocznik, chlorowodorek guanidyny | wiązania wodorowe | odczynniki laboratoryjne |
| metale ciężkie (, ) | mostki disiarczkowe | zatrucia |
| alkohole, detergenty | oddziaływania hydrofobowe | dezynfekcja |
| promieniowanie, ultradźwięki | różne | sterylizacja |
Denaturacja niszczy struktury II-, III- i IV-rzędową, ale nie narusza struktury I-rzędowej — sekwencja aminokwasów pozostaje nienaruszona.
Osmoregulacja u ryb — trzy strategie
| Grupa | Stosunek do otoczenia | Problem | Rozwiązanie |
|---|---|---|---|
| ryby słodkowodne | hipertoniczne | napływ wody, utrata soli | dużo rozcieńczonego moczu, aktywne pobieranie jonów przez skrzela, nie piją |
| ryby morskie kostnoszkieletowe | hipotoniczne | utrata wody | piją wodę morską, mało moczu, wydalanie soli przez skrzela |
| ryby chrzęstnoszkieletowe (morskie) | izotoniczne lub lekko hipertoniczne | brak utraty wody | gromadzenie mocznika i TMAO we krwi; nadmiar soli usuwa gruczoł odbytowy |
Strategia rekinów i płaszczek jest energetycznie najtańsza — zamiast walczyć z osmozą, dostosowują do niej stężenie własnych płynów.
Dlaczego TMAO rośnie z głębokością
| Głębokość | Ciśnienie | Zawartość TMAO |
|---|---|---|
| 0 m | 1 atm | najniższa |
| 1000 m | ~100 atm | średnia |
| 4000 m | ~400 atm | wysoka |
| 8000 m | ~800 atm | najwyższa |
Wysokie ciśnienie hydrostatyczne destabilizuje białka — zaburza ich strukturę przestrzenną. TMAO działa jak piezolit: chroni białka przed rozfałdowaniem pod ciśnieniem. Istnieje nawet hipoteza, że fizjologiczna granica stężenia TMAO wyznacza maksymalną głębokość, na jakiej mogą żyć ryby (ok. 8200 m).
Obserwacja, wniosek, hipoteza
| Pojęcie | Definicja | Przykład z zadania |
|---|---|---|
| obserwacja / wynik | to, co zmierzono | „przy TMAO 4 mol·dm⁻³ struktura była zachowana” |
| wniosek | uogólnienie wynikające z porównania wyników | „TMAO chroni białko przed denaturacją” |
| hipoteza | przypuszczenie przed badaniem | „TMAO stabilizuje białka pod ciśnieniem” |
Zadania CKE bardzo często punktują wyłącznie wniosek — sam opis wyników nie wystarcza.
Punktacja CKE
- 12.1. 1 pkt — NT.
- 12.2. 1 pkt — wniosek uwzględniający ograniczenie lub zapobieganie denaturacji CI2 wywołanej mocznikiem.
- 12.3. 1 pkt — wniosek o wzroście zawartości TMAO wraz z głębokością u obu grup ryb.
- 12.4. 1 pkt — PP.
- Razem: 4 pkt.
Rozumiesz, jak to rozwiązać?
Przećwicz podobne typy zadań w aplikacji
matury-online.pl ma tysiące zadań pogrupowanych po dziedzinach. Sprawdź, czy temat „denaturacja bialek, TMAO, mocznik, osmoregulacja ryb chrzestnoszkieletowych, adaptacje glebinowe" zrobisz samodzielnie.
Otwórz matury-online.pl