Matura z biologii 2018, zadanie 4: Termogeneza: białka rozprzęgające, brunatna tkanka tłuszczowa, skupnia – odpowiedzi i wyjaśnienie

Chodzi o to, że protony płyną przez kanał termogeniny zamiast przez syntazę ATP, więc powstaje ciepło, a nie ATP; mitochondria i krew wspierają termogenezę, noworodki tracą dużo ciepła z powodu dużej powierzchni ciała, a skupnia wabi zapylacze zapachem uwalnianym dzięki ciepłu. Termogeniczne są też mięśnie szkieletowe.

O czym jest zadanie 4?

Zadanie opisuje wytwarzanie ciepła bez drżenia: w mitochondriach brunatnej tkanki tłuszczowej działa białko rozprzęgające (termogenina), które rozprasza gradient protonowy jako ciepło, kosztem wydajności syntezy ATP. Podobną zdolność ma kwitnąca zimą skupnia cuchnąca, u której ciepło pozwala uwalniać zapach wabiący muchówki. Polecenia łączą ten mechanizm z anatomią tkanki, fizjologią noworodków i rozmnażaniem roślin.

Pełny wstęp z rysunkami i tabelami: oficjalny arkusz CKE, strona 5 · zasady oceniania CKE.

Zadanie 4.1 (0–1 pkt)

Wyjaśnij, odnosząc się do mechanizmu fosforylacji oksydacyjnej, dlaczego obecność aktywnego białka rozprzęgającego w błonie wewnętrznej mitochondrium komórek brunatnej tkanki tłuszczowej jest przyczyną zmniejszenia wydajności powstania ATP z udziałem syntazy ATP.

Pokaż odpowiedź

Odpowiedź: Termogenina tworzy kanał, którym protony wracają do macierzy z pominięciem syntazy ATP, więc część gradientu rozprasza się jako ciepło i mniej protonów napędza syntezę ATP.

W fosforylacji oksydacyjnej energia gradientu protonowego normalnie napędza syntazę ATP. Białko rozprzęgające daje protonom alternatywną drogę powrotu do macierzy, uwalniając tę energię jako ciepło. Gradient jest więc wykorzystywany częściowo, a nie wyłącznie do pracy syntazy, więc wydajność produkcji ATP spada. Nie chodzi o całkowite zatrzymanie syntezy, tylko o jej zmniejszenie.

Punktacja: Punkt za wyjaśnienie, że gradient protonowy jest zużywany zarówno przez białko rozprzęgające, jak i przez syntazę ATP. Nie uznaje się odpowiedzi twierdzących, że ATP nie powstaje w ogóle.

Zadanie 4.2 (0–1 pkt)

Wykaż związek między cechami brunatnej tkanki tłuszczowej – silnym unaczynieniem oraz obecnością licznych mitochondriów w jej komórkach – a funkcją pełnioną przez tę tkankę u zwierząt.

Pokaż odpowiedź

Odpowiedź: Liczne mitochondria spalają substraty oddechowe i wytwarzają ciepło, a gęsta sieć naczyń dostarcza im tlen i glukozę oraz odbiera ciepło i rozprowadza je po organizmie.

Brunatna tkanka tłuszczowa jest narządem termogenicznym, więc potrzebuje dużo mitochondriów, w których zachodzi oddychanie i uwalniane jest ciepło. Intensywny metabolizm wymaga stałego dowozu tlenu i substratów, stąd obfite unaczynienie. Krew pełni też drugą rolę – odbiera ciepło od komórek i przenosi je do reszty ciała.

Punktacja: Punkt za połączenie mitochondriów z wytwarzaniem ciepła oraz krwi z dowozem tlenu/substratów lub z rozprowadzaniem ciepła. Nie uznaje się sformułowań, że mitochondria „produkują energię”.

Zadanie 4.3 (0–1 pkt)

Wykaż, uwzględniając stosunek powierzchni ciała do jego objętości, że u nowo narodzonych ssaków konieczne jest wytwarzanie dużej ilości ciepła dla utrzymania stałej temperatury ich ciała.

Pokaż odpowiedź

Odpowiedź: Noworodki mają dużą powierzchnię ciała w stosunku do objętości, więc szybko tracą ciepło przez skórę i muszą je wytwarzać w dużych ilościach, aby utrzymać stałą temperaturę.

Utrata ciepła zachodzi przez powierzchnię ciała, a ilość tkanek wytwarzających ciepło zależy od objętości (masy). Gdy stosunek powierzchni do objętości jest duży, na każdy kilogram przypada więcej powierzchni i straty ciepła są proporcjonalnie większe. Aby bilans cieplny się zgadzał, termogeneza musi być intensywniejsza.

Punktacja: Punkt za uzasadnienie łączące duży stosunek powierzchni do objętości z dużymi stratami ciepła i koniecznością ich wyrównania. Nie uznaje się ogólników o „niekorzystnym stosunku” bez wyjaśnienia.

Zadanie 4.4 (0–1 pkt)

Wyjaśnij, w jaki sposób opisana zdolność skupni cuchnącej do wytwarzania ciepła w czasie kwitnienia ułatwia tej roślinie rozmnażanie płciowe.

Pokaż odpowiedź

Odpowiedź: Ciepło pozwala uwalniać substancje zapachowe, które wabią muchówki przenoszące pyłek, a więc dochodzi do zapylenia i rozmnażania płciowego.

Skupnia kwitnie wczesną wiosną, gdy jest zimno i owadów jest mało. Wytwarzane ciepło umożliwia odparowanie woni przywabiającej zapylacze. Muchówki odwiedzają kwiatostany i przenoszą pyłek między roślinami, co prowadzi do zapylenia, a w efekcie do powstania nasion.

Punktacja: Punkt za powiązanie ciepła z uwalnianiem zapachu i zwabianiem owadów zapylających. Nie wystarczy samo stwierdzenie, że roślina jest cieplejsza.

Zadanie 4.5 (0–1 pkt)

Spośród wymienionych narządów organizmu człowieka wybierz i zaznacz ten, który oprócz swojej podstawowej funkcji może również pełnić funkcję termogeniczną.
A. mięśnie szkieletowe
B. skóra
C. mózgowie
D. tarczyca

Pokaż odpowiedź

Odpowiedź: A. mięśnie szkieletowe

Mięśnie szkieletowe podstawowo odpowiadają za ruch, ale przy skurczach (dreszcze, praca mięśni) uwalniają dużo ciepła. Skóra raczej reguluje oddawanie ciepła, a mózgowie i tarczyca nie są narządami termogenicznymi w tym sensie.

Punktacja: Punkt wyłącznie za zaznaczenie A – mięśni szkieletowych; inne odpowiedzi są niepunktowane.

Najczęstsze błędy w zadaniu 4

Uczniowie piszą, że przy działaniu termogeniny ATP w ogóle nie powstaje, zamiast że powstaje go mniej.
W zadaniu o tkance brunatnej podają, że mitochondria „produkują energię” zamiast wyjaśnić przemianę energii w ciepło i rolę naczyń.
W zadaniu o noworodkach ograniczają się do stwierdzenia, że stosunek powierzchni do objętości jest niekorzystny, bez wskazania na zwiększoną utratę ciepła.

Źródło zadania: Centralna Komisja Egzaminacyjna, Matura z biologii 2018, poziom rozszerzony (w maju 2018). Wstęp CKE opracowała na podstawie: J. Berg, J. Tymoczko, L. Stryer, Biochemia, Warszawa 2009;. Odpowiedzi i wyjaśnienia: anotemy.