Zadanie 1.4. (0–1)AI
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.
E. przestrzeń międzybłonowa w mitochondrium
Na podstawie: B. Alberts i in., Podstawy biologii komórki, Warszawa 2016.
Wykaż, że zmniejszenie aktywności kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej 0–1 prowadzi do wzrostu stężenia mleczanu w komórce mięśnia szkieletowego.
Sprawdź się
Odpowiedz samodzielnie i sprawdź wynik
2
Pokaż odpowiedź z arkuszaPorównaj swoją odpowiedź z kluczem
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”.
Wyjaśnienie AI Rozwiń, aby przeczytać wyjaśnienie
Wytłumacz mi to
Potrzebujesz dodatkowego wyjaśnienia?
1
Zostanie wygenerowane zwięzłe wyjaśnienie zagadnień z pytania: mechanizmu i kontekstu biologicznego odpowiedzi, częstych błędów oraz powiązań z innymi tematami.
Komentarz CKE 10%
W zadaniu 1.4. należało wykazać, że zmniejszenie aktywności kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej prowadzi do wzrostu stężenia mleczanu w komórce mięśnia szkieletowego. Więcej informacji na temat tego zadania znajduje się w rozdziale „Problem pod lupą”.
W tym zadaniu należało wykazać, że zmniejszenie aktywności kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej prowadzi do wzrostu stężenia mleczanu w komórce mięśnia szkieletowego. Zadanie było bardzo trudne – poziom wykonania wynosił 10%.
Warunkiem prawidłowego rozwiązania zadania było zrozumienie, że pirogronian – jako produkt glikolizy – powstaje nieustannie w komórce mięśnia szkieletowego. Z tego powodu pirogronian jest ciągle przekształcany w inne związki chemiczne. W warunkach fizjologicznych przede wszystkim jest on włączany do reakcji pomostowej (reakcji oksydacyjnej dekarboksylacji kwasu pirogronowego), której produktem jest acetylo-CoA. Ta reakcja jest katalizowana przez kompleks dehydrogenazy pirogronianowej. Zdający powinien zauważyć, że zmniejszenie aktywności kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej powoduje przekształcanie mniejszej ilości pirogronianu do acetylo-CoA, czego konsekwencją jest zwiększenie stężenia pirogronianu w komórce i przekształcanie go w alternatywnym szlaku metabolicznym – fermentacji mleczanowej, której produktem jest m.in. mleczan.
Taki sposób rozumowania przedstawiają poniższe przykłady odpowiedzi prawidłowych:
• Zmniejszenie aktywności kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej powoduje, że reakcja pomostowa zachodzi z mniejszą wydajnością, dlatego część kwasu pirogronowego powstającego w glikolizie zostaje przekształcona w mleczan. Z tego powodu zmniejszenie aktywności kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej prowadzi do wzrostu stężenia mleczanu w komórce mięśnia szkieletowego.
• Zmniejszenie aktywności kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej powoduje przekształcanie mniejszej ilości pirogronianu do acetylo-CoA, mniejszą intensywność procesu oddychania tlenowego, więc niewykorzystany w tym procesie pirogronian będzie wykorzystywany do procesu fermentacji mlekowej zachodzącej w komórce mięśnia szkieletowego, a jako, że więcej pirogronianu będzie stanowić substrat, to będzie więcej również produktu, czyli mleczanu, i jego stężenie w komórce wzrośnie.
Najczęstszym błędem było udzielanie odpowiedzi nieadekwatnej do polecenia. W takich odpowiedziach maturzyści odwoływali się jedynie do znaczenia adaptacyjnego fermentacji mleczanowej – opisywali, w jaki sposób komórka wykorzystuje możliwość przemiany pirogronianu w alternatywnym szlaku metabolicznym, ale brakowało mechanizmu biochemicznego prowadzącego do powstawania mleczanu. Maturzyści zauważali, że zmniejszenie aktywności kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej przekłada się na ograniczenie produkcji ATP w procesie oddychania tlenowego, a następnie przedstawiali fermentację mleczanową jako alternatywny sposób pozyskania ATP. Nie da się jednak wykazać, że dany proces biologiczny zachodzi lub będzie zachodził w określonych warunkach wyłącznie w oparciu o jego potencjalne znaczenie adaptacyjne – np. tylko niektóre gryzonie są odporne na jad skorpiona, a przecież dla wszystkich gryzoni współwystępujących ze skorpionami byłoby to korzystne.
Przykładowa odpowiedź nieprawidłowa:
Zmniejszenie aktywności kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej ogranicza oddychanie tlenowe w komórce, dlatego komórka mięśnia szkieletowego zwiększa syntezę ATP przez beztlenową fermentację mlekową, której produktem jest mleczan. Ten proces zwiększa jego stężenie w komórce mięśnia szkieletowego.
Część zdających przyjmowała nieuprawnione założenie, że przyczyną zmniejszenia aktywności kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej jest niedotlenienie komórki mięśnia szkieletowego. Jest to jednak tylko jedna z możliwości. Inną przyczyną może być np. mutacja w genie kodującym jedno z białek wchodzących w skład kompleksu. Jednak niezależnie od powodu spowolnienia tempa przekształcania pirogronianu w acetylo-CoA skutek pozostaje ten sam – w komórce wzrasta stężenie pirogronianu, co bezpośrednio prowadzi do jego redukcji do mleczanu. Po przyjęciu założenia o niedotlenieniu zdający często przedstawiali ograniczoną dostępność tlenu jako przyczynę zachodzenia fermentacji mleczanowej. Nie jest to jednak prawda. Fermentację mleczanową określa się mianem „oddychania beztlenowego”, dlatego że ten proces nie wymaga tlenu, ale działanie enzymu – dehydrogenazy mleczanowej zachodzi zarówno w warunkach tlenowych jak i beztlenowych, a więc jest uzależnione nie od stężenia tlenu ale od stężenia substratu – pirogronianu.
Przykładowa odpowiedź nieprawidłowa:
Zmniejszenie aktywności kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej powoduje niewystarczające katalizowanie pirogronianu do acetylo-CoA, przez co komórka przeprowadza oddychanie beztlenowe i powstaje mleczan. Powodem jest niewystarczające dotlenienie komórek mięśni szkieletowych.
Innym błędem popełnianym przez maturzystów było założenie, że zmniejszenie aktywności kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej powoduje całkowity brak przekształcania pirogronianu w acetylo-CoA. Z samego polecenia wynika, że występuje „zmniejszenie aktywności” enzymu, a nie – całkowity brak jego aktywności. Kompleks dehydrogenazy pirogronianowej występuje w przebiegu kluczowego procesu warunkującego funkcjonowanie komórek oddychających tlenowo, dlatego całkowity blok metaboliczny tego kompleksu uniemożliwiłby ich przeżycie.
Przykładowe odpowiedzi nieprawidłowe:
• Zmniejszenie aktywności tego kompleksu uniemożliwia dekarboksylację pirogronianu i przekształcanie go w acetylo-CoA, zamiast tego powstaje mleczan którego stężenie wzrasta w komórce gdyż hamowany jest cykl Krebsa.
• Po zmniejszeniu aktywności kompleksu dehydrogenazy pirogronian nie jest przeprowadzany w acetylo-CoA, tylko staje się substratem do produkcji mleczanu.