Biologia - Matura Maj 2023, Poziom rozszerzony (Formuła 2023) - Zadanie 1.

Kategoria: Oddychanie komórkowe Enzymy Typ: Uzupełnij/narysuj wykres, schemat lub tabelę Zamknięte (np. testowe, prawda/fałsz) Podaj i uzasadnij/wyjaśnij

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:

pirogronian + CoA-SH + NAD⁺ → acetylo-CoA + CO₂ + NADH + H⁺

Na schemacie przedstawiono współdziałanie trzech enzymów wchodzących w skład kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej.

Na podstawie: B. Alberts i in., Podstawy biologii komórki, Warszawa 2016.

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

1.2. (0–1)

W której części komórki eukariotycznej znajduje się aktywny kompleks dehydrogenazy pirogronianowej? Zaznacz właściwą odpowiedź spośród podanych.

cytozol
macierz mitochondrialna
zewnętrzna błona mitochondrium
wewnętrzna błona mitochondrium
przestrzeń międzybłonowa w mitochondrium

1.3. (0–1)

Wykaż, że funkcjonowanie kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej jest konieczne do połączenia szlaku glikolizy z cyklem Krebsa.

1.4. (0–1)

Wykaż, że zmniejszenie aktywności kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej prowadzi do wzrostu stężenia mleczanu w komórce mięśnia szkieletowego.

Rozwiązanie

1.1. (0–1)

Zasady oceniania
1 pkt – za poprawne przyporządkowanie trzech oznaczeń enzymów do typów przeprowadzanych reakcji.
0 pkt – za odpowiedź niespełniającą wymagań na 1 pkt albo za brak odpowiedzi.

Rozwiązanie

Typ reakcji	Oznaczenie enzymu (E₁ / E₂ / E₃)
transacetylacja	E₂
dehydrogenacja	E₃
dekarboksylacja	E₁

Uwaga:
Uznaje się odpowiedzi, w których użyto znaków normalnej wielkości zamiast indeksów dolnych, np. E1 zamiast E₁.

1.2. (0–1)

Zasady oceniania
1 pkt – za wybór poprawnej odpowiedzi.
0 pkt – za odpowiedź niespełniającą wymagań na 1 pkt albo za brak odpowiedzi.

Rozwiązanie
B

1.3. (0–1)

Zasady oceniania
1 pkt – za poprawne wykazanie, że funkcjonowanie dehydrogenazy pirogronianowej jest konieczne do połączenia szlaku glikolizy z cyklem Krebsa, uwzględniające produkt glikolizy – pirogronian i substrat cyklu Krebsa – acetylo-CoA.
0 pkt – za odpowiedź niespełniającą wymagań na 1 pkt albo za brak odpowiedzi.

Przykładowe rozwiązania

Dehydrogenaza pirogronianowa umożliwia wytworzenie z pirogronianu acetylo-CoA. Pirogronian jest produktem glikolizy, a acetylo-CoA – substratem cyklu Krebsa.
Umożliwia to przekształcenie pirogronianu powstającego w glikolizie do acetylo-CoA, który jest substratem cyklu Krebsa.
Produktem glikolizy jest pirogronian, a substratem cyklu Krebsa – acetylokoenzym A, który powstaje w wyniku przemian pirogronianu katalizowanych przez dehydrogenazę pirogronianową.
Powstający w glikolizie pirogronian nie może być bezpośrednio włączony do cyklu Krebsa, ale musi być przekształcony przez dehydrogenazę pirogronianową do acetylo-CoA.

Uwagi:
Uznaje się odpowiedzi, w których użyto alternatywnych określeń cyklu Krebsa, np.: cykl kwasów trójkarboksylowych, cykl kwasu cytrynowego, CKT.
Uznaje się odpowiedzi, w których użyto alternatywnych określeń acetylo-CoA, np.: aktywny octan, czynny octan.
Nie uznaje się odpowiedzi odnoszących się do reszty acetylowej (zamiast acetylo-CoA) jako produktu reakcji pomostowej lub substratu cyklu Krebsa.

1.4. (0–1)

Zasady oceniania
1 pkt – za poprawne wykazanie, że zmniejszenie aktywności kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej prowadzi do wzrostu stężenia mleczanu w komórce, uwzględniające powstawanie pirogronianu (w glikolizie), który nie może być w całości utleniony w reakcji pomostowej, i przekształcanie ciągle powstającego pirogronianu (nadmiaru pirogronianu) w mleczan.
0 pkt – za odpowiedź niespełniającą wymagań na 1 pkt albo za brak odpowiedzi.

Przykładowe rozwiązania

Powstający w glikolizie pirogronian jest przetwarzany przez kompleks dehydrogenazy pirogronianowej do acetylo-CoA. Jeżeli ta reakcja jest ograniczona, to nadmiar pirogronianu zostaje przekształcony w mleczan.
Ograniczenie tlenowych przemian pirogronianu powoduje, że w komórce rośnie jego stężenie ze względu na stale zachodzącą glikolizę. Nadmiar pirogronianu w komórce zostaje zredukowany do mleczanu.
Ograniczenie utleniania pirogronianu w reakcji pomostowej doprowadzi do wzrostu w cytozolu stężenia pirogronianu, który cały czas powstaje z glukozy. Duża część tego pirogronianu zostanie skierowana na beztlenowy szlak metaboliczny, przekształcający ten związek w mleczan.
Zmniejszenie aktywności dehydrogenazy pirogronianowej jest przyczyną zwiększonego stężenia pirogronianu w komórce. Część pirogronianu jest przekształcana w mleczan, co prowadzi do wzrostu stężenia mleczanu w komórce.
Prowadzi to do zmniejszenia wydajności reakcji pomostowej. Mniejsza ilość pirogronianu będzie przekształcana do acetylo-CoA, co przełoży się na spadek intensywności zachodzenia cyklu Krebsa i łańcucha oddechowego. Aby uzyskać NAD⁺, niezbędny do zajścia glikolizy, na drodze której komórka może uzyskać ATP, powstający pirogronian będzie redukowany do mleczanu – stężenie mleczanu w tej komórce wzrośnie.

Uwagi:
Nie uznaje się odpowiedzi odnoszących się do całkowitej utraty aktywności przez kompleks dehydrogenazy pirogronianowej, np. „Zahamowanie powstawania acetylo-CoA spowoduje redukcję pirogronianu do mleczanu”.
Nie uznaje się odpowiedzi odnoszących się wyłącznie do znaczenia adaptacyjnego fermentacji mleczanowej, np. „Zmniejszenie aktywności tego kompleksu powoduje zmniejszenie wydajności oddychania tlenowego. Dlatego mięsień pracujący w takich warunkach pozyskuje energię także w sposób beztlenowy, czyli przeprowadzając fermentację mleczanową, której produktem jest mleczan”.

Uwagi od BiologHelp:
W ostatnim wariancie odpowiedzi proponowanej przez CKE dostrzegam pewien błąd logiczny. Mowa jest tam o spadku intensywności zachodzenia łańcucha oddechowego oraz konieczności redukcji pirogronianu w celu odzyskania NAD⁺ dla glikolizy. Takie wyjaśnienie byłoby trafne w przypadku warunków beztlenowych.
Należy jednak zauważyć, że w opisywanym przypadku spadek intensywności zachodzenia łańcucha oddechowego wynika ze zmniejszenia aktywności cyklu Krebsa, co prowadzi do niedoboru zredukowanych przenośników elektronów (NADH i FADH₂). Nic zatem nie stoi na przeszkodzie, aby NADH powstały w procesie glikolizy przekazywał elektrony do łańcucha oddechowego – skoro to właśnie ich niedobór ogranicza aktywność łańcucha, to zostaną one chętnie przyjęte. W związku z tym nie jest prawdą, że redukcja pirogronianu jest w tym przypadku konieczna do odtworzenia NAD⁺.
Zwiększona redukcja pirogronianu może wynikać raczej z przesunięcia równowagi reakcji katalizowanej przez dehydrogenazę mleczanową (enzym katalizujący reakcję redukcji pirogronianu do mleczanu i odwrotną). Pirogronian, który nie zostaje wykorzystany w reakcji pomostowej, przy stale zachodzącej glikolizie zwiększa swoją pulę dostępną dla innych reakcji, w tym właśnie dla redukcji katalizowanej przez dehydrogenazę mleczanową.

Wskazówki

Wstęp teoretyczny

(Wskazówki jak krok po kroku rozwiązać zadanie znajdują się niżej - przewiń )

Oddychanie komórkowe tlenowe

Oddychanie tlenowe jest procesem polegającym na uwalnianiu energii użytecznej biologicznie (syntezie ATP) na skutek utleniania związków organicznych, przy czym ostatecznym akceptorem elektronów tego utleniania jest tlen. Proces ten składa się z 4 etapów, które zostały opisane w poniższej tabeli:

Nazwa etapu	Lokalizacja w komórce	Główne substraty	Produkty	Opis
Glikoliza	cytozol	glukoza, ADP, P_i, NAD⁺ (z uwzględnieniem dodatkowych reakcji substratem mogą być również inne cukry, choć glukoza jest głównym)	pirogronian, ATP, NADH, H⁺, H₂O	ATP w tym szlaku pozyskiwany jest w ramach fosforylacji substratowej. Glikoliza stanowi składową zarówno oddychania tlenowego (NADH i H⁺ przekazywane są do łańcucha oddechowego a pirogronian do reakcji pomostowej) jak i fermentacji.
Reakcja pomostowa	matrix mitochondrium	pirogronian, NAD⁺, CoA	acetylo-CoA, NADH, H⁺, CO₂	Pozwala na włączenie grup acetylowych uzyskanych z pirogronianu do cyklu Krebsa. W trakcie reakcji następuje dekarboksylacja i utlenienie pirogronianu. NADH i H⁺ z reakcji pomostowej wykorzystywane są w łańcuchu oddechowym.
Cykl Krebsa	matrix mitochondrium	acetylo-CoA, NAD⁺, FAD, ADP, P_i	CoA, NADH, H⁺, FADH₂, ATP, CO₂	ATP w cyklu pozyskiwany jest w ramach fosforylacji substratowej (dokładniej w cyklu powstaje GTP, który wykorzystywany jest do odtworzenia ATP), NADH, H⁺ oraz FADH₂ wykorzystywane są w łańcuchu oddechowym.
Łańcuch oddechowy	wewnętrzna błona mitochondrium	ADP, P_i, NADH, H⁺, FADH₂, O₂	ATP, NAD⁺, FAD, H₂O	Elektrony z NADH i FADH₂ transportowane są wzdłuż wewnętrznej błony mitochondrialnej na tlen przy pomocy specjalnych przenośników białkowych. Transportowi elektronów towarzyszy transport H⁺ przez błonę do przestrzeni międzybłonowej mitochondrium. Tak powstały gradient H⁺ wykorzystywany jest do syntezy ATP przez syntazę ATP.

Oddychanie beztlenowe i fermentacja

Niektóre organizmy prowadzą oddychanie w sposób podobny do opisanego powyżej, z udziałem łańcucha transportu elektronów. Jednak ostatecznym akceptorem elektronów nie jest tlen, lecz inny związek nieorganiczny, np. azotany (redukowane do azotynów) lub siarczany (redukowane do siarkowodoru). Proces ten nazywamy oddychaniem beztlenowym. W zależności od rodzaju akceptora elektronów wyróżniamy m.in. oddychanie siarczanowe lub azotanowe. Oddychanie beztlenowe występuje u niektórych bakterii i archeonów.

Bardziej powszechną metodą beztlenowego pozyskiwania energii biologicznie użytecznej jest fermentacja. W odróżnieniu od oddychania beztlenowego, w procesie fermentacji nie występuje łańcuch transportu elektronów, a ATP jest syntetyzowane na drodze fosforylacji substratowej. Końcowym akceptorem elektronów jest związek organiczny. Fermentacja zachodzi w komórkach beztlenowców, jak również w komórkach typowo oddychających tlenowo, które zostały narażone na ograniczenie dostępności tlenu. Podczas fermentacji zachodzi proces glikolizy, jednak elektrony i protony z NADH zamiast do łańcucha oddechowego, przenoszone są na związek organiczny, co umożliwia odzyskanie NAD⁺ (niezredukowanego przenośnika elektronów) potrzebnego do dalszego przebiegu glikolizy. W zależności od końcowego zredukowanego produktu wyróżniamy np. fermentację mlekową lub alkoholową. Z fermentacją mlekową mamy do czynienia, gdy akceptorem jest pirogronian redukowany do kwasu mlekowego. Fermentacja jest procesem o niskiej wydajności energetycznej.

Warto również zauważyć, że w powszechnym użyciu funkcjonuje termin "fermentacja octowa". Proces ten jednak odbiega od definicji fermentacji jako beztlenowego sposobu pozyskiwania ATP, ponieważ polega na utlenianiu alkoholu etylowego w obecności tlenu. Należy zatem odróżniać fermentację jako sposób pozyskiwania ATP przez komórki od fermentacji w rozumieniu procesu biotechnologicznego, który ma szersze zastosowanie.

Rozwiązanie krok po kroku

1.1 (0-1)

Opisz, na czym polega działanie poszczególnych enzymów z ilustracji.

E₁ – odłączenie cząsteczki CO₂ od pirogronianu – jest to dekarboksylacja
E₂ – przyłączenie grupy acetylowej do CoA-SH, dzięki czemu powstaje acetylo-CoA – jest to transacetylacja
E₃ – przeniesienie atomów wodoru z innego związku na NAD⁺ z wytworzeniem NADH + H⁺ – jest to typowe działanie dehydrogenazy

1.2 (0-1)

W której części komórki eukariotycznej znajduje się aktywny kompleks dehydrogenazy pirogronianowej?

cytozol − NIE − w cytozolu zachodzi glikoliza, której produktem będzie m.in. pirogronian, jednak jest on transportowany do mitochondrium celem wejścia w reakcję pomostową.
macierz mitochondrialna − TAK − to właśnie tutaj zachodzi zarówno reakcja pomostowa jak i cykl Krebsa.
zewnętrzna błona mitochondrium − NIE − zewnętrzna błona mitochondrium oddziela przestrzeń tego organellum od cytoplazmy komórki, nie bierze bezpośredniego udziału w oddychaniu komórkowym.
przestrzeń międzybłonowa w mitochondrium − NIE − w tej przestrzeni gromadzone są jony H⁺ przerzucane z macierzy mitochondrialnej przez kompleksy łańcucha oddechowego. Tak powstały gradient protonowy jest kluczowy do syntezy ATP przez syntazę.

1.3 (0-1)

1. Jakie informacje będą istotne aby wykazać, że funkcjonowanie kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej jest konieczne do połączenia szlaku glikolizy z cyklem Krebsa?

Aby wykazać powyższą zależność należy uświadomić sobie dwie kwestie:

na czym polega połączenie szlaku glikolizy z cyklem Krebsa
na czym polega funkcjonowanie kompleksu dehydrogenazy (w kontekście połączenia glikolizy z cyklem Krebsa)

2. Na czym polega połączenie szlaku glikolizy z cyklem Krebsa?

Jeden z produktów glikolizy, jakim jest pirogronian, jest przekształcany do substratu dla reakcji cyklu Krebsa (acetylo-CoA).

3. Na czym polega funkcjonowanie kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej w kontekście połączenia glikolizy z cyklem Krebsa?

Dehydrogenaza pirogronianowa odpowiada za przekształcenie pirogronianu do acetylo-CoA.

Aby wykazać prawdziwość przedstawionej w pytaniu tezy należy w odpowiedzi przytoczyć produkt glikolizy (pirogronian) i substrat cyklu Krebsa (acetylo-CoA) oraz przedstawić funkcję dehydrogenazy pirogronianowej jako enzymu katalizującego przekształcenie produktu glikolizy w substrat cyklu Krebsa.

1.4 (0-1)

1. Jak umiejscowisz działalność kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej w metabolizmie komórki - jakich cykli/szlaków stanowi element?

Kompleks dehydrogenazy pirogronianowej odpowiada za przeprowadzanie reakcji pomostowej między glikolizą a cyklem Krebsa. Substratem dla kompleksu dehydrogenazy jest pirogronian będący produktem glikolizy, natomiast produktem reakcji pomostowej jest acetylo-CoA wchodzący do cyklu Krebsa.

2. Jaki będzie bezpośredni efekt zahamowania aktywności kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej?

gromadzenie pirogronianu pochodzącego z glikolizy
zmniejszenie szybkości przemian cyklu Krebsa ze względu na niedobór substratu (acetylo-CoA)

3. W jaki sposób powyższe bezpośrednie efekty mogą przełożyć się na wzrost stężenia mleczanu w komórce?

Nadmiar pirogronianu jest redukowany do mleczanu co prowadzi do wzrostu stężenia mleczanu w komórce (następuje przesunięcie równowagi reakcji katalizowanej przez dehydrogenazę mleczanową).

4. Jaki ciąg przyczynowo-skutkowy należałoby zawrzeć w odpowiedzi?

zmniejszenie aktywności kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej → gromadzenie pirogronianu (produktu glikolizy), będącego substratem kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej → przekształcanie (redukcja) nadmiaru pirogronianu w mleczan → wzrost stężenia mleczanu

Należy zwrócić uwagę, że mowa jest o "zmniejszeniu aktywności" kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej, a nie całkowitej jej utracie, stąd wszelkie wypowiedzi sugerujące całkowite zahamowanie reakcji pomostowej będą błędem.

W uwagach w kluczu CKE zaznaczam również pewien błąd logiczny dotyczący ostatniej propozycji odpowiedzi tam podanej.