Matura z biologii 2023 (formuła 2015), zadanie 5: Fotosynteza C4 a ograniczenie fotooddychania – odpowiedzi i wyjaśnienie

Etapy cyklu Calvina to karboksylacja, redukcja i regeneracja RuBP; X to szczawiooctan, pierwotny akceptor CO2 u C4. Wszystkie trzy stwierdzenia w 5.3 są fałszywe, a fotooddychanie jest tłumione wysokim stężeniem CO2 w pochwie okołowiązkowej i brakiem w niej wytwarzania tlenu z fotolizy.

O czym jest zadanie 5?

Wstęp przypomina, że RuBisCO poza wiązaniem CO2 może przyłączać tlen, co w wysokiej temperaturze uruchamia fotooddychanie i obniża wydajność fotosyntezy. Rośliny C4 ograniczają ten problem dzięki dwuetapowemu wiązaniu CO2: najpierw w mezofilu, potem w komórkach pochwy okołowiązkowej, gdzie u części gatunków brak fotosystemu II. Schemat pokazuje uproszczony przebieg fazy ciemnej u rośliny C4 z podziałem na oba typy komórek.

Pełny wstęp z rysunkami i tabelami: oficjalny arkusz CKE, strona 10 · zasady oceniania CKE.

Zadanie 5.1 (0–2 pkt)

Podaj nazwy etapów cyklu Calvina oznaczonych na schemacie literami A, B i C.
A. ...
B. ...
C. ...

Pokaż odpowiedź

Odpowiedź: A – karboksylacja (przyłączenie CO2 do RuBP), B – redukcja PGA (uwodornienie), C – regeneracja RuBP (akceptora CO2)

Na schemacie A to miejsce, w którym CO2 zostaje przyłączony do RuBP, czyli karboksylacja. B to etap, w którym PGA jest przekształcany w PGAl przy udziale NADPH i ATP, czyli redukcja. C obejmuje odtworzenie RuBP z PGAl, czyli regenerację akceptora CO2.

Punktacja: 2 pkt za trzy poprawne nazwy etapów, 1 pkt za dwie; nazwy muszą wskazywać właściwy etap cyklu, samo „reakcje ciemne” nie wystarcza.

Zadanie 5.2 (0–1 pkt)

Dokończ zdanie. Zaznacz odpowiedź A, B albo C oraz odpowiedź 1., 2. albo 3.
Literą X na schemacie oznaczono
A. enzym RuBisCO,
B. acetylo-CoA,
C. szczawiooctan,
1. pierwotnym produktem karboksylacji u roślin C4.
2. kompleksem enzymatycznym, który jest odpowiedzialny za karboksylację.
3. pierwotnym akceptorem CO2 u roślin C4, podobnie jak RuBP u roślin C3.

Pokaż odpowiedź

Odpowiedź: C1 – X to szczawiooctan, pierwszy produkt karboksylacji u roślin C4

W mezofilu roślin C4 CO2 przyłącza się do PEP (związek C3) i powstaje jabłczan/szczawiooctan (C4). X leży po stronie produktu tej reakcji, więc jest szczawiooctanem. Akceptorem CO2 jest tu PEP, a nie X, dlatego wariant 3 nie pasuje.

Punktacja: 1 pkt tylko za pełne poprawne połączenie litery i numeru; wybór samej litery bez numeru nie jest punktowany.

Zadanie 5.3 (0–2 pkt)

Oceń, czy poniższe stwierdzenia dotyczące fotosyntezy typu C4 są prawdziwe. Zaznacz P, jeśli stwierdzenie jest prawdziwe, albo F – jeśli jest fałszywe.
1. CO2 jest transportowany do komórek pochwy okołowiązkowej w postaci 3-węglowego pirogronianu.
2. Ze względu na obecność RuBisCO następuje utlenianie RuBP, co daje początek intensywnemu fotooddychaniu u roślin C4.
3. Redukcja 3-fosfoglicerynianu do aldehydu 3-fosfoglicerynowego zachodzi w komórkach mezofilu.

Pokaż odpowiedź

Odpowiedź: 1 – F, 2 – F, 3 – F

CO2 wędruje do pochwy okołowiązkowej w postaci 4-węglowego jabłczanu, a pirogronian jest związkiem C3 powstającym po oddaniu CO2, więc zdanie 1 jest fałszywe. RuBisCO nie utlenia RuBP – przyłącza do niego tlen, a u roślin C4 fotooddychanie jest właśnie ograniczone, więc zdanie 2 jest fałszywe. Redukcja PGA do PGAl należy do cyklu Calvina, który u C4 przebiega w komórkach pochwy okołowiązkowej, a nie w mezofilu.

Punktacja: 2 pkt za trzy poprawne oceny, 1 pkt za dwie; błędna ocena jednego stwierdzenia obniża punktację, brak odpowiedzi daje 0 pkt.

Zadanie 5.4 (0–2 pkt)

Wykaż związek między ograniczeniem procesu fotooddychania u roślin C4 a dwuetapowym mechanizmem wiązania dwutlenku węgla oraz brakiem PS II w komórkach pochew okołowiązkowych.

Pokaż odpowiedź

Odpowiedź: 1. Dwuetapowe wiązanie CO2 zatęża dwutlenek węgla w komórkach pochwy okołowiązkowej, więc RuBisCO wiąże głównie CO2, a nie tlen. 2. Brak PS II oznacza brak fotolizy wody, więc w tych komórkach nie powstaje tlen konkurujący z CO2 o centrum aktywne RuBisCO.

W pierwszym etapie CO2 jest wstępnie wiązany w mezofilu, a następnie uwalniany w pochwie okołowiązkowej, co podnosi jego stężenie w miejscu działania RuBisCO. Wysokie stężenie CO2 sprawia, że enzym rzadziej przyłącza tlen, czyli fotooddychanie słabnie. Brak PS II w pochwie okołowiązkowej wyklucza fotolizę wody, więc stężenie tlenu w tej komórce pozostaje niskie i nie konkuruje on skutecznie z CO2.

Punktacja: 2 pkt za poprawne uzasadnienie obu części (wysokie CO2 dla RuBisCO oraz niskie O2 przy braku PS II), 1 pkt gdy dobrze uzasadniona jest tylko jedna z nich; ogólne stwierdzenie „C4 ogranicza fotooddychanie” bez mechanizmu nie jest punktowane.

Najczęstsze błędy w zadaniu 5

Mylenie kolejności etapów cyklu Calvina i podawanie jako etapu samego „cyklu Calvina” bez nazwy karboksylacja/redukcja/regeneracja.
Uznawanie pirogronianu lub jabłczanu za pierwotny akceptor CO2 u roślin C4 zamiast PEP i szczawiooctanu jako produktu.
Wykazywanie związku bez podania mechanizmu – uczeń pisze tylko, że rośliny C4 nie fotooddychają, nie wspominając o stężeniu CO2 ani o braku wytwarzania tlenu.

Źródło zadania: Centralna Komisja Egzaminacyjna, Matura z biologii 2023, poziom rozszerzony (formuła 2015) (w maju 2023). Wstęp CKE opracowała na podstawie: W. Czechowski i in., Biologia, Warszawa 1994;. Odpowiedzi i wyjaśnienia: anotemy.