Biologiczne pewniaki maturalne #1
Zdajesz maturę z biologii? Robisz arkusze i w głowie pojawia się myśl, jak to wszystko ogarnąć, skoro co roku pojawia się tam coś nowego? Może się tak wydawać na pierwszy rzut oka, ale po dokładniejszej analizie można zauważyć pewien wzorzec, w których zmieniają się tylko przykłady. To tak zwane „pewniaki”, które może nie pojawiają się w każdym arkuszu, ale rotują się i któryś z nich na pewno zawita na najbliższym egzaminie. Wystarczy zerknąć na kilka ostatnich lat.
W tym i kolejnym artykule skupimy się właśnie na tych zagadnieniach, które pojawiają się na maturze od lat w różnych odsłonach. Zajrzymy do nich od każdej strony, zobaczymy przykładowe zadania i omówimy, jaki schemat obrać, by ucieszyć się na widok podobnego zadania w maju. Ruszajmy w świat białek i błon!
Struktura i rzędowość białek
Ulubiony temat CKE! Na ostatnich arkuszach maturalnych z maja i czerwca (2023–2025) pojawiła się we wszystkich arkuszach z wyjątkiem jednego. Przypomnimy sobie cały temat o budowie białek, ale szczególną uwagę zwrócimy na to, co występuje na maturze najczęściej – określanie najwyższej rzędowości konkretnego białka.
Białka to biopolimery składające się z aminokwasów połączonych ze sobą wiązaniami peptydowymi. Kolejność aminokwasów w łańcuchu stanowi strukturę I-rzędową białka i dyktuje jego dalsze fałdowanie. Grupy boczne aminokwasów, oddziałując ze sobą, mogą się odpychać lub przyciągać, tworząc na białku charakterystyczne „zagięcia”. W wyniku tych oddziaływań powstają struktury typowe dla struktury II-rzędowej białek: α-helisy i β-harmonijki. Te elementy strukturalne układają się przestrzennie względem siebie, zwijając w różne kształty — to właśnie struktura III-rzędowa białka. Ona odpowiada za jego funkcję. Białko, przyjmując określony kształt, tworzy swoje centrum aktywne, które pasuje do odpowiednich substratów i umożliwia ich prawidłowe przekształcanie. Strukturą opcjonalną, obecną tylko w niektórych białkach, jest struktura IV-rzędowa. Powstaje ona, gdy białko składa się z więcej niż jednego łańcucha polipeptydowego. Zatem określanie najwyższej rzędowości białka opiera się na liczbie jego łańcuchów polipeptydowych.
Uwaga, ważne! Na maturze zawsze podajemy z ILU łańcuchów się składa. Nie możemy napisać o „kilku”, zawsze w tekście wstępnym wyszukujemy informację o ilości i podajemy ją w odpowiedzi.
Źródło: Zpe.gov.pl
Zadanie 1.
Rybonukleaza jest zbudowana z pojedynczego łańcucha polipeptydowego, składającego się ze 124 reszt aminokwasowych i stabilizowanego czterema mostkami disiarczkowymi. Podczas doświadczenia rybonukleazę poddano najpierw działaniu β-merkaptoetanolu, a następnie – działaniu mocznika. β-merkaptoetanol redukuje i – w konsekwencji – zrywa mostki disiarczkowe, a mocznik zaburza oddziaływania niekowalencyjne, m.in. zrywa występujące w białku wiązania wodorowe. Na poniższym rysunku przedstawiono efekt denaturacji uzyskany podczas doświadczenia – rybonukleaza zmieniła strukturę przestrzenną i stała się nieaktywna. Następnie usunięto z roztworu najpierw mocznik, a potem β-merkaptoetanol. Enzym uległ spontanicznemu zwinięciu i odzyskał aktywność katalityczną. Numerami oznaczono kolejne reszty aminokwasowe w łańcuchu polipeptydowym. Kolorami oznaczono pary reszt aminokwasowych tworzących mostki disiarczkowe w niezdenaturowanym białku.
Na podstawie: J.L. Tymoczko i in., Biochemia. Krótki kurs, Warszawa 2013.
Zadanie 1.1. (0–1)
Oceń, czy poniższe stwierdzenia dotyczące przedstawionego doświadczenia są prawdziwe. Zaznacz P, jeśli stwierdzenie jest prawdziwe, albo F – jeśli jest fałszywe.
1. Do opisanej powyżej utraty aktywności enzymatycznej rybonukleazy dochodzi na skutek zniszczenia jej struktury pierwszorzędowej. P F
2. Denaturacja rybonukleazy powoduje jej dezaktywację, a renaturacja przywraca jej aktywność katalityczną. P F
Co zrobić? W tekście szukamy „efektu doświadczenia”, którą była utrata aktywności. Autor podaje nam odpowiedź na tacy: rybonukleaza stała się nieaktywna, bo zmieniła strukturę przestrzenną. Struktura przestrzenna? Trzeciorzędowa! Od razu zaznaczamy fałsz, widząc w zdaniu „pierwszorzędowa”. Na podstawie tych danych interpretujemy też schemat. Renaturacja to odwrotność zniszczenia, więc przywraca aktywność. Prawda!
Zadanie 1.2. (0–1) Rozstrzygnij, czy mostki disiarczkowe widoczne na schemacie stabilizują strukturę trzeciorzędową, czy – strukturę czwartorzędową rybonukleazy. Odpowiedź uzasadnij.
Rozstrzygnięcie: ……………………………………………………………………………………………………… Uzasadnienie: ………………………………………………………………………………………………………….
Jak się za to zabrać? Z tekstu wstępnego musimy wyciągnąć informacje o liczbie łańcuchów polipeptydowych. Już pierwsze zdanie zdradza, że rybonukleaza składa się tylko z jednego. Od razu wiadomo, że najwyższą jej strukturą będzie trzeciorzędowa, mostki nie mogą zatem stabilizować czwartorzędowej. Wpisujemy to w odpowiedź, a uzasadnieniem jest tylko podanie, z ilu łańcuchów składa się to konkretne białko. Warto przypomnieć, że mostki disiarczkowe są dość charakterystyczne dla struktury trzeciorzędowej, ale zawsze odnosimy się do liczby łańcuchów, jeśli proszą nas o rozstrzygnięcie dylematu struktury III bądź IV-rzędowej.
Transport przez błony
Myśląc o błonach, często wyobrażamy je sobie jako „ściany” odgradzające komórkę od świata zewnętrznego. Bliższym prawdy wyobrażeniem byłyby jednak bramki, niczym na lotnisku. To pewne zabezpieczenie, ale jednak przepuszczające wybrane substancje. Czasem podczas kontroli napotykamy też dodatkowe urządzenia, kolejne skanery. Tak możemy „wyobrazić” sobie białka, które transportują konkretne substancje, niezdolne do swobodnego przejścia przez samą.
Teraz, gdy mamy w swojej głowie pewne „życiowe” przedstawienie, przejdźmy do prawdziwej teorii.
Błony komórkowe są selektywnie przepuszczalne. Oznacza to, że mogą przez nie przenikać tylko określone substancje – zazwyczaj niepolarne, małe cząsteczki. Taki transport nazywamy dyfuzją prostą. Cząsteczki z ładunkiem bądź duże potrzebują pomocy w postaci białek transportowych. Ten typ transportu określamy mianem ułatwionego. Oba rodzaje transportu opierają się na przenikaniu substancji zgodnie z ich gradientem stężeń – dążąc do wyrównania stężeń po obu stronach błony, cząsteczki przepływają tam, gdzie jest ich mniej. Transport ten nie zużywa ATP, dlatego nazywamy go biernym.
Co natomiast w sytuacji odwrotnej? Kiedy komórki chcą zgromadzić całą substancję po jednej stronie błony? Wtedy w grę wchodzi transport aktywny (czynny). Substancje są przenoszone przez błonę z wykorzystaniem energii (ATP hydrolizuje do ADP) bądź na zasadzie sprzężenia – transport jednej cząsteczki zależy od równoczesnego przeniesienia drugiej. Jeśli transport odbywa się w tym samym kierunku, mówimy o symporcie; jeśli w przeciwnym – o antyporcie.
Specyficznym typem transportu jest osmoza, która w różnych formach najczęściej pojawia się na maturze. Jest to po prostu dyfuzja, ale wody. To wodę rozpatrujemy jako substancję i to ona dąży do wyrównania stężeń. Płynie tam, gdzie jest jej mniej, a więc tam, gdzie stężenie substancji rozpuszczonej jest wyższe. Roztwór o wyższym stężeniu nazywamy hiperosmotycznym, a o niższym – hipoosmotycznym. Woda „krąży” między nimi, aż roztwory staną się izoosmotyczne, czyli o równych stężeniach.
Warto też wspomnieć tutaj o miarze zwanej potencjałem wody – określa ona zdolność komórki (zazwyczaj roślinnej) do pobierania wody. Woda zawsze przepływa z roztworu o wyższym potencjale do tego o niższym.
To właśnie osmotyczny przepływ wody jest odpowiedzialny za proces plazmolizy, transport wody w naczyniach roślin, otwieranie aparatów szparkowych i wiele innych procesów. Nic dziwnego, że tak często pojawiają się o niego pytania.
Spróbujmy razem rozwiązać jedno z zadań wykorzystujących wiedzę o typach transportu, a także jedno o osmozie.
Biologia – Matura Czerwiec 2024, Poziom rozszerzony (Formuła 2023)
Zadanie 1.
Akwaporyna jest białkiem transportującym wodę przez błonę komórkową. Występuje m.in. w komórkach nabłonka kanalików zbiorczych nefronu człowieka – tworzy kanały białkowe w błonie komórkowej. Kierunek transportu wody wynika z różnicy jej stężeń między cytozolem komórki nabłonka a światłem kanalika nefronu. Akwaporyna powstaje dzięki ekspresji genu AQP2 leżącego na chromosomie 12 i składa się z czterech łańcuchów polipeptydowych, z których każdy jest zbudowany z 271 reszt aminokwasowych. Mutacje w genie AQP2 mogą powodować powstawanie niefunkcjonalnej akwaporyny, co jest przyczyną moczówki prostej nerkowej. Na poniższym schemacie przedstawiono strukturę akwaporyny widzianej w płaszczyźnie błony komórkowej (A) oraz widzianej od wewnętrznej strony błony komórkowej (B).
Na podstawie: F. Ando, S. Uchida, Activation of AQP2 Water Channels Without Vasopressin: Therapeutic Strategies for Congenital Nephrogenic Diabetes Insipidus, „Clinical and Experimental Nephrology” 22(3), 2018; A. Frick i in., X-ray Structure of Human Aquaporin 2 and its Implications for Nephrogenic Diabetes Insipidus and Trafficking, „PNAS” 111(17), 2014.
1.2. Jaki rodzaj transportu zachodzi z udziałem akwaporyny? Zaznacz właściwą odpowiedź spośród podanych. Odpowiedź uzasadnij.
A. dyfuzja prosta
B. dyfuzja wspomagana
C. transport aktywny
Uzasadnienie: ………………………………………………………………………………………………………….
Transport wody wynika z różnic jej stężeń, nie wykorzystuje ATP, zatem na pewno będzie to dyfuzja. Zachodzi przez akwaporyny będące białkami, nie bezpośrednio przez błonę, zatem będzie to dyfuzja wspomagana. Zaznaczamy B i podajemy argumenty, że transport zachodzi przez kanały białkowe i dzięki różnicy stężeń substancji. Zadanie zrobione!
Matura Maj 2023, Poziom rozszerzony (Formuła 2023)
Zadanie 7.
Skóra płazów uczestniczy w wymianie gazowej zarówno w dobrze natlenionej wodzie, jak i w wilgotnym powietrzu. Oddychanie skórne płazów odgrywa istotną rolę w wymianie gazowej tych zwierząt ze względu na niską efektywność wymiany gazowej w płucach. Stężenie mocznika we krwi płazów jest dużo większe niż we krwi ssaków. Płazy nie piją wody, ale wchłaniają ją przez skórę.
Na podstawie: H. Szarski, Historia zwierząt kręgowych, Warszawa 1998.
7.2. Określ, jakie znaczenie w pobieraniu wody przez płazy ma gromadzenie mocznika w ich płynach ustrojowych.
Mocznik jest substancją rozpuszczalną w wodzie, zatem możemy mówić o jego stężeniu. Jeśli płazy będą go gromadziły, jego stężenie w osoczu urośnie, co spowoduje, że będzie wyższe niż w wodach, w których żyją (hipertoniczne). Woda, dążąc do wyrównania tych stężeń, będzie wpływać do ciała płaza, nawadniając go.
Piszemy zatem krótką odpowiedź, stosując się do czasownika „Określ”: Osocze płaza jest hipertoniczne w stosunku do otaczającej go wody, co umożliwia napływ wody do jego ciała.
Mikroelementy – troje ulubieńców arkuszy
Pierwiastki chemiczne to podstawowe jednostki budulcowe organizmów żywych. Dzielimy je na makroelementy, w których skład wchodzą pierwiastki biogenne, oraz na mikroelementy. Funkcje trzech z nich są na tyle charakterystyczne, że warto „wkuć je na blachę”. Mowa tu o żelazie, jodzie i magnezie.
Żelazo – atom centralny w hemie, będącym częścią hemoglobiny; jego niedobór skutkuje anemią.
Jod – niezbędny do syntezy hormonów tarczycy; jego niedobór może prowadzić do chorób tarczycy.
Magnez – w organizmie człowieka wspomaga prawidłowe funkcjonowanie układu nerwowego, natomiast na maturze skupiamy się głównie na jego znaczeniu u roślin – jest atomem centralnym w układzie porfirynowym chlorofilu, co oznacza, że jego niedobór skutkuje upośledzeniem fotosyntezy oraz żółknięciem (chlorozą) liści.
Na podstawie tego opisu wykonujemy zadania.
Matura Czerwiec 2022, Poziom rozszerzony (Formuła 2015)
Zadanie 1.
1.2. Uzupełnij poniższe zdania dotyczące znaczenia żelaza w organizmie człowieka tak, aby zawierały informacje prawdziwe. W każdym nawiasie podkreśl właściwe określenie.
Żelazo to istotny (mikroelement / makroelement) w organizmie człowieka, który wchodzi m.in. w skład (tyroksyny / hemoglobiny). Niedobór żelaza jest jedną z przyczyn (anemii / niedoczynności tarczycy).
Oczywiście mikroelement wchodzący w skład hemoglobiny, a jego niedobór powoduje anemię.
Matura Maj 2024, Poziom rozszerzony (Formuła 2023)
Zadanie 13.
Jod jest niezbędnym składnikiem diety. Ten pierwiastek wchodzi w skład hormonów tarczycy. W razie długotrwałego niedoboru jodu w pożywieniu dochodzi do wzrostu wydzielania z przysadki mózgowej hormonu tyreotropowego (TSH).
13.1. Podaj nazwę przykładowego ludzkiego hormonu zawierającego jod.
Podajemy jeden z hormonów tarczycy; tyroksyna bądź trijodotyronina (T4 bądź T3).
Jak skutecznie przygotować się do matury z biologii, uwzględniając pewniaki?
- Analizuj powtarzające się motywy: struktury białek, transport przez błony, biochemia, a także genetyka i ekologia (które pojawią się w następnym artykule)
- Ucz się schematów rozwiązywania zadań, zapisuj słowa klucze, zrób sobie zeszyt z radami maturalnymi, które będziesz wyciągać z klucza odpowiedzi
- Trenuj interpretację tekstu i schematów – to 70% sukcesu na maturze, naprawdę dużo można wyciągnąć z tego, co arkusz podaje.
- Ćwicz z arkuszami CKE z ostatnich 3–5 lat – zauważysz powtarzalność też w innych działach.
Podsumowanie
Nie daj się zwieść ogromowi materiału. Biologia na maturze potrafi być odrobinę przewidywalna. Powtórz solidnie omówione dziś tematy, a jeśli wystarczy Ci czasu, rozwiń je– zajrzyj też do syntezy białek i ich funkcji, opanuj cały temat o błonie komórkowej (łącznie z jej budową) i przypomnij sobie podział pierwiastków na makro i mikroelementy. Buduj wiedzę stopniowo – skup się na podstawach i rozbudowuj je krok po kroku.
Szukasz wsparcia? Zapisz się na korepetycje z biologii, indywidualnie lub grupowo.
Dzięki solidnemu planowi nauki i analizie arkuszy z lat ubiegłych biologia stanie się Twoim pewniakiem na maturze!
Bądźcie czujni, niebawem pojawi się druga część!
