Syntezę związków organicznych u pewnych bakterii chemosyntetyzujących poprzedzają
poniższe reakcje chemiczne.

Podaj nazwę grupy bakterii chemosyntetyzujących, które przeprowadzają przedstawionereakcje chemiczne, i określ znaczenie tych reakcji dla organizmów przeprowadzającychchemosyntezę.

Nazwa grupy bakterii:

Znaczenie:

Wskazówki:

Reakcje utleniania przeprowadzane przez bakterie wiążą się z uwalnianiem energii, która może być wiązana w postaci ATP i wykorzystywana do syntezy związków złożonych. PRoces ten może zastąpić fazę jasną fotosyntezy.

Chemosytneza od fotosyntezy różni się właśnie pierwszym etapem, czyli sposobem otrzymywania siły asymilacyjnej (ATP i NADPH)

 

Pantofelki żyjące w środowisku hipotonicznym przeniesiono do środowiska dla nich
izotonicznego. U pantofelków za regulację ilości wody w komórce odpowiadają wodniczki
tętniące.

Określ, jak zmieni się – obniży się czy wzrośnie – aktywność wodniczek tętniących pantofelków po opisanej zmianie środowiska. Odpowiedź uzasadnij, uwzględniając zjawisko osmozy.

Wskazówki:

Pantofelki to protisty, które naturalnie żyją w wodzie słodkiej. Posiadają organellum w postaci wodniczki tętniącej, które pozwala na regulacje stężenia ich płynów.

Warto pamiętać, że dla organizmów żyjących w wodach słodkich woda destylowana jest środowiskiem hipotocnicznym. W owdzie destylowanej nie ma żadnych rozpuszczonych jonów czy cząsteczek, natomiast woda słodka ma ropuszczone jony, ale stopień jej zasolenia jest minimalny względem wody morskiej.

 

Preparat 3TC blokuje działanie odwrotnej transkryptazy – enzymu, który HIV wykorzystuje do wytworzenia cząsteczek DNA na podstawie swojego genomu. Cząsteczka 3TC ma budowę podobną do nukleotydu cytozynowego i dlatego odwrotna transkryptaza wirusa wbudowuje do tworzącego się DNA cząsteczki 3TC, zamiast nukleotydu cytozynowego. Przez ten błąd niemożliwe staje się dalsze wydłużanie nici DNA. Istnieją szczepy HIV mające odwrotne transkryptazy odróżniające cząsteczki 3TC od nukleotydu cytozynowego i są one niewrażliwe na 3TC.

Na wykresie przedstawiono nabywanie oporności HIV na lek 3TC u trzech pacjentów.

a) Wyjaśnij, dlaczego preparat 3TC uniemożliwia integrację materiału genetycznegowirusa z genomem gospodarza. W odpowiedzi uwzględnij mechanizm działania odwrotnej transkryptazy.

b) Na podstawie wykresu wyjaśnij mechanizm nabywania oporności HIV na 3TC u pacjentów, u których stosowano ten preparat.

Wskazówki:

Funkcją odwrotnej transkryptaszy jest przepisanie materiału genetycznego w formie jednoniciosego RNa na jednoniciowe DNA, a następnie dobudowywana jest komplementarna nić w efekcie czego powstaje podwójna helisa DNA.

Biologia Campbella jest częstym źródłem inspiracji dla egzaminatorów układających zadania.

U osoby chorej na SCID (rodzaj ciężkiego złożonego niedoboru odporności), u której komórki szpiku kostnego nie działają prawidłowo z powodu mutacji genowej na chromosomie X, zastosowano przedstawioną poniżej metodę leczenia.

1. Sklonowano prawidłowy allel, który nie warunkuje wystąpienia choroby (nieobecny
w komórkach pacjenta).

2. Do genomów retrowirusów pozbawionych zjadliwości wstawiono inserty (fragmenty) RNA kodujące prawidłowy allel.

3. Retrowirusami zakażono, wcześniej pobrane od pacjenta, komórki szpiku kostnego, które następnie hodowano w kulturze komórkowej.

4. Zmodyfikowane komórki szpiku kostnego wstrzykiwano do szpiku kostnego pacjenta.

Na podstawie: N.A. Campbell i inni, Biologia, Poznań 2012.

a) Określ, czy opisany sposób leczenia osoby chorej na SCID można uznać za terapię genową. Odpowiedź uzasadnij.

b) Wyjaśnij, dlaczego w opisanej metodzie wykorzystano retrowirusy jako wektory. W odpowiedzi uwzględnij mechanizm infekcji wirusowej.

c) Określ, czy pacjent, u którego zastosowano przedstawioną metodę leczenia, przekaże allel warunkujący SCID swoim córkom. Odpowiedź uzasadnij.

Wśród mikroflory jelita krwiopijnego pluskwiaka Rhodnius prolixus, który jest wektorem świdrowca wywołującego u ludzi groźną chorobę Chagasa, dominuje bakteria – Rhodococcus rhodnii. Do genomu tej bakterii wprowadzono gen ćmy kodujący cekropinę A – peptyd wywołujący śmierć świdrowca. W wyniku tego w ciele pluskwiaka liczba świdrowców
znacznie spadła. Preparaty zawierające transgeniczne bakterie Rhodococcus rhodnii mogą być wykorzystywane do zapobiegania roznoszenia choroby Chagasa poprzez wprowadzanie ich do środowiska życia pluskwiaków.

Na podstawie: M. Kukla, Z. Piotrowska-Seget, Symbioza owady – bakterie, „Kosmos”, t. 60/2011.

Wyjaśnij, dlaczego gen kodujący cekropinę A wprowadza się do genomu bakterii Rhodococcus rhodnii w postaci cDNA otrzymanego w wyniku odwrotnej transkrypcji na matrycy eukariotycznego mRNA.

Uzasadnij tezę, że stosowanie preparatów zawierających transgeniczne bakterie
Rhodococcus rhodnii w celu zapobiegania roznoszenia choroby Chagasa jest korzystniejsze dla środowiska niż stosowanie chemicznych metod zwalczania tego pluskwiaka.

Wskazówki:

Organizmy transgeniczne to takie organizmy, które otrzymały gen innego gatunku. Pamiętajmy, że nie każdy organizm modyfikowany genetycznie jest transgeniczny. Modyfikacja może zachodzić w obrębie genomu jednego organizmu, bez wprowadzaniu genu innego gatunku, a może polegać na usunięciu genu (wyciszeniu) lub jego duplikacji czy zwielokrotnieniu.

Na schemacie przedstawiono udział w obiegu azotu różnych grup bakterii żyjących w glebie, które oznaczono literami A–D.

Na podstawie: Biologia, pod red. N.A. Campbella, Poznań 2012.

a) Wypisz ze schematu oznaczenie literowe bakterii, które są chemoautotrofami.
b) Uzasadnij, że procesy przeprowadzane przez bakterie oznaczone na schemacie literą A są korzystne dla roślin. W odpowiedzi uwzględnij metabolizm tych bakterii.

Wskazówki:

Najlepszą i najłatwiej przyswajalną formą azotu są jony azotanowe (V), tym samym to związek o najwyższym stopniu utlenienia atomu azotu. Jon amonowy (-III stopień utlenienia) do utlenienia do azotanu (V) oddaje w sumie 8 elektronów, w tym procesie uwalniania jest energia, z której bakterie azotowe mogą korzystać.

Informacja genetyczna warunkująca oporność drobnoustrojów na leki może być zapisana w ich chromosomach lub plazmidach. Na rysunkach I–IV przedstawiono cztery różne sposoby nabywania lekooporności przez bakterie, które należą do tego samego gatunku (I–III) lub należące do różnych gatunków (IV).
Zastosowane oznaczenia: g – gen lekooporności, b – bakteriofag, ch – chromosom bakteryjny, P – plazmid.

Na podstawie: Ekologia. Jej związki z różnymi dziedzinami wiedzy medycznej, pod red. A. Kurnatowskiej, Warszawa 2001.

1. Podaj oznaczenie rysunku: I, II, III lub IV, na którym przedstawiono koniugację bakterii i określ, dlaczego koniugacja nie jest sposobem rozmnażania.

2. Na podstawie schematu oceń, czy poniższe stwierdzenia dotyczące sposobów nabywania lekooporności przez bakterie są prawdziwe. Zaznacz P, jeśli stwierdzenie jest prawdziwe, albo F – jeśli stwierdzenie jest fałszywe.

Wskazówki:

Wirusy mogą być wektorami, przenosząc tym samym fragmenty genów.

Koniugacja prowadzi do rekombinacji bakterii, które biorą w niej udział, ale nigdy nie może być określana jako rozmnażanie, gdyż nie powstają nowe organizmy potomne.

Plazmidy nie kodują cech odpowiedzialnych za podstawowe przemiany życiowe, ale mogą odpowiadać za lekooporność.

W komórkach bakterii Escherichia coli ekspresja genów kodujących enzymy niezbędne do pobierania i metabolizowania laktozy jest zależna od źródła pożywienia, jakie jest dostępne w środowisku. Ekspresję operonu laktozowego regulują sekwencja wiążąca aktywator ułatwiający polimerazie RNA rozpoczęcie transkrypcji oraz operator wiążący represor, który blokuje dostęp do promotora polimerazie RNA. Kiedy zarówno glukoza, jak i laktoza są obecne w środowisku, E. coli preferencyjnie wykorzystuje glukozę, a represor laktozowy wiąże się z operatorem. Jednak w warunkach ograniczonego dostępu do glukozy, w komórce E. coli dochodzi do gromadzenia się cząsteczki cAMP aktywującej aktywator, a obecna w środowisku laktoza inaktywuje represor – co przedstawiono na poniższym schemacie. Zachodzi wówczas ekspresja genów kodujących enzymy szlaku metabolizmu laktozy, np. β-galaktozydazę.

Na podstawie: Biologia, pod. red. N.A. Campbella, Poznań 2012.

1. Na podstawie przedstawionych informacji oceń prawdziwość poniższych stwierdzeń dotyczących regulacji ekspresji operonu laktozowego E. coli. Zaznacz P, jeśli stwierdzenie jest prawdziwe, albo F – jeśli jest fałszywe.

2. Uzupełnij poniższy tekst charakteryzujący rolę β-galaktozydazy w metabolizmie laktozy. Wpisz w luki właściwe określenia.

Białko enzymatyczne kodowane przez gen lacZ operonu laktozowego – β-galaktozydaza – katalizuje w cząsteczkach laktozy reakcję hydrolizy wiązania …………………………, co prowadzi do jej rozkładu na dwie cząsteczki cukrów prostych: glukozę oraz ………….…………….. .

4. Zaznacz prawidłowe dokończenie poniższego zdania.

DNA E. coli zawierający m.in. geny operonu laktozowego
A. ma postać koliście zamkniętej cząsteczki i znajduje się w jądrze komórkowym.
B. ma postać liniowej cząsteczki i znajduje się w cytoplazmie.
C. ma postać koliście zamkniętej cząsteczki i znajduje się w cytoplazmie.
D. ma postać liniowej cząsteczki i znajduje się w jądrze komórkowym.

Wskazówki

Operon laktozowy składa się z trzech genów, których ekspresja prowadzi do otrzymania 3 enzymów hydrolizujących laktozę do galaktozy i glukozy. Operon laktozowy jest operonem katabolicznym, który jednocześnie podlega regulacji pozytywnej i negatywnej. Dzięki temu mechanizmowi komórka bakteryjna może reagować i enzymy nigdy nie będą niepotrzebnie syntezowane, np gdy nie ma laktozy w podłożu z któego jest ona pobierana, lub np gdy jest dostępna glukoza i nie ma uzasadnienia by ją pozyskiwać z laktozy.

 

Na schemacie przedstawiono budowę typowej komórki bakterii.

Na podstawie: P.C. Turner, A.G. McLennan, A.D. Bates, M.R.H. White, Krótkie wykłady. Biologia molekularna, Warszawa 2005.

1. Podanym strukturom bakterii przyporządkuj na podstawie schematu właściwe ich oznaczenia literowe (A-E).

plazmid …
błona komórkowa …
nukleoid …

2. Określ lokalizację DNA w komórce bakterii oraz w komórce miękiszu asymilacyjnego. Jeżeli DNA jest zlokalizowane w różnych przedziałach komórki, podaj je wszystkie.

3. Zaznacz poniżej dwie choroby układu pokarmowego (A-E), w których najczęstszym źródłem zakażenia jest pokarm, i które są wywołane działaniem bakterii chorobotwórczych.

A. cholera
B. kiła
C. dur brzuszny
D. tężec
E. borelioza

4. Wybierz i zaznacz w tabeli odpowiedź A lub B, która jest poprawnym dokończeniem poniższego zdania, oraz jej uzasadnienie spośród odpowiedzi 1.-3.

W wyniku szczepień ochronnych uzyskuje się odporność …

Wskazówki:

Plazmid jest kolistą cząsteczką DNA u bakterii. U roślin lokalizacja materiału genetycznego to nie tylko jądro komórkowe, ale także organelle półautonomiczne.

W wyniku szczepień uzyskujemy odporność na konkretny rodzaj zagrożenia, jest to odporność wyspecjalizowana.

Lektyny to białka występujące w komórkach różnych organizmów, np. roślin i grzybów. Wiele lektyn działa toksycznie na komórki i hamuje ich namnażanie. Ich właściwości są przedmiotem badań w terapii nowotworów. Jedną z najlepiej poznanych toksycznych lektyn jest rycyna, która ma właściwości enzymatyczne (RNA glikozydazy) i powoduje dezaktywację rybosomów.
Wśród lektyn pochodzenia roślinnego są też takie, które wykazują stosunkowo niską cytotoksyczność i jednocześnie wysoką aktywność immunostymulującą, np. lektyny uzyskane z jemioły. Powodują one wzrost liczby i aktywację limfocytów T, aktywację makrofagów, indukują produkcję cytokin przez limfocyty Th i namnażanie limfocytów B, a ponadto pobudzają rozwój grasicy.
Preparaty z jemioły zostały dopuszczone do stosowania terapeutycznego i podaje się je jako leki wspomagające nie tylko pomocniczo w terapii nowotworów, lecz także nosicielom HIV oraz chorym na AIDS.

Na podstawie: G. Końska i wsp., Możliwości zastosowania lektyn w diagnostyce i terapii. Cz. II. Zastosowanie terapeutyczne, „Przegląd Lekarski” 2008/65/5.

1. Na podstawie tekstu wyjaśnij, dlaczego rycyna będzie silniej działać na komórki nowotworowe niż na zdrowe komórki organizmu.
2. Wyjaśnij, dlaczego preparaty z jemioły można wykorzystać w terapii wspomagającej leczenie osób chorych na AIDS. W odpowiedzi uwzględnij skutki działania HIV w organizmie człowieka.
3. Uzupełnij poniższe zdania dotyczące wytwarzania limfocytów Th – wpisz w wyznaczone miejsca właściwe określenia wybrane z wymienionych.

grasica, żółty szpik kostny, czerwony szpik kostny, limfocyty B, limfocyty T

W……………….. , z komórek prekursorowych, powstają ……………….. . Limfocyty te wędrują następnie do ……………….. , gdzie przekształcają się w odpowiednie rodzaje limfocytów Th i nabywają w ten sposób kompetencji immunologicznych.

Wskazówki:

Komórki nowotworowe charakteryzują się bardzo szybkim tempem podziałów, a także zdolnością do różnicowania się w różne typy komórek. Rycyny mają wpływ na podziały komórkowe, a lektyny mają działanie pobudzające układ odpornościowy do działania, poprzez stymulacje limfocytów Th. Jednak w przypadu zarażenia wirusem HIV musimy pamiętać, że to właśnie limfocyty Th są atakowane.

Acyklowir (ACV) to jeden z leków przeciwwirusowych. Jest on pochodną deoksyguanozyny, w której zmodyfikowana została reszta cukrowa. Uzyskany w ten sposób analog nukleozydowy jest specyficznym inhibitorem replikacji wirusa opryszczki, ospy wietrznej i półpaśca.
W zainfekowanej wirusem komórce acyklowir (ACV) uzyskuje aktywność wtedy, gdy w wyniku trzech kolejnych etapów fosforylacji zostanie przekształcony do postaci trifosforanu. W genomie wirusa, który stanowi liniowy, dwuniciowy DNA, znajduje się gen kodujący enzym kinazę tymidynową, która umożliwia pierwszą fosforylację ACV, natomiast kolejne fosforylacje tego związku są katalizowane przez enzymy zainfekowanej komórki, aż do powstania trifosforanu. W ten sposób ACV wprowadzany jest do puli nukleotydów, jako substrat dla polimerazy DNA wirusa, w wyniku czego staje się konkurentem deoksyguanozynotrifosforanu. Gdy trifosforan ACV zostanie włączony do nowo zreplikowanego łańcucha wirusowego DNA, zaczyna działać jako sygnał kończący replikację, gdyż pozbawiony jest grupy 3’OH. Stwierdzono, że komórkowa polimeraza DNA nie jest wrażliwa na trifosforan acyklowiru.

Na podstawie J. Nicklin, K. Graeme-Cook, R. Killington: Krótkie wykłady. Mikrobiologia. Warszawa 2008.

1. Spośród rysunków A-D przedstawiających wybrane nukleozydy wybierz i zaznacz deoksyguanozynę. Podaj, na czym polega różnica między budową nukleotydu a budową nukleozydu w DNA.

2. Na podstawie analizy tekstu uzupełnij zdania 1. i 2., tak aby były prawdziwe: podkreśl właściwe określenia w nawiasach oraz oznaczenia literowe odpowiednich informacji spośród A-C.

Informacje:
A. komórkowa polimeraza DNA nie rozpoznaje trifosforanu ACV jako substratu w procesie replikacji.
B. wirusowa polimeraza DNA dobudowuje do replikowanej nici DNA trifosforan ACV w miejsce nukleotydu guaninowego.
C. w tych komórkach brakuje kinazy tymidynowej niezbędnej do ufosforylowania ACV.

Zdanie 1. Acyklowir jest (szkodliwy/nieszkodliwy) dla zdrowych, niezainfekowanych komórek człowieka, ponieważ A / B / C.
Zdanie 2. Acyklowir jest (szkodliwy/nieszkodliwy) dla komórek człowieka zainfekowanych wirusem, ponieważ A / B / C.

3. Wymienione poniżej etapy infekcji wirusowej uporządkuj we właściwej kolejności, wpisz w tabelę numery 2-5.

Wskazówki

Nukleotydy i nukleozydy są bardzo często mylone, różni je budowa. W obu występuje zasada azotowa i cukier. Ale brak reszty fosforanowej!

Pamiętaj: Nukleotyd składa się z zasady azotowej (puryny lub pirymidyny),  cukru (rybozy lub deoskyrybozy, zależy czy mówimy o nukleotydzie DNA czy RNA)) oraz reszty fosforanowej!

 

Przykładami wolnych nukleoydów może być nie tylko ATP czy GTP ale także NADPH!

Chemosynteza, podobnie jak fotosynteza, przebiega w dwóch fazach:

I. wytwarzanie „siły asymilacyjnej” (ATP i NADPH + H+ )
II. asymilacja CO2.

Reakcje przedstawione poniżej są uproszczonymi zapisami przebiegu jednej z wymienionych faz chemosyntezy zachodzącej w komórkach bakterii nitryfikacyjnych.

a) Określ, którą fazę – I czy II – ilustrują przedstawione reakcje. Odpowiedź uzasadnij.
b) Wyjaśnij, jaką funkcję pełnią bakterie nitryfikacyjne w obiegu azotu w przyrodzie.

Rybosomy są kompleksami złożonymi z rRNA i białek. Składają się one z dwóch podjednostek – dużej i małej, które łączą się podczas przeprowadzania translacji. Mechanizm działania niektórych antybiotyków polega na wiązaniu się z rybosomami. Przykładowo: gentamycyna wiąże się trwale do miejsca A w rybosomie – miejsca, gdzie zazwyczaj przyłączają się kolejne aminoacylo-tRNA transportujące do rybosomu kolejne aminokwasy. W komórkach prokariotycznych rybosomy powstają w cytoplazmie, a w komórkach eukariotycznych podjednostki rybosomów powstają na terenie jądra komórkowego.

Na podstawie: Biologia, pod red. A. Czubaja, Warszawa 1999.

1. Na podstawie tekstu określ, jaki wpływ na proces translacji będzie miała gentamycyna.
2. Wyjaśnij, jaki wpływ na metabolizm bakterii będzie miało dodanie gentamycyny do pożywki, na której hodowane są bakterie.
3. Podaj przykład organellum komórki eukariotycznej, które zawiera rybosomy podobne do bakteryjnych.
4. Wybierz spośród A-D i zaznacz te dwa etapy powstawania rybosomów, które zachodzą w jądrze komórkowym eukariontów.

Połączenie się insuliny z receptorami błonowymi komórek wątroby i mięśni skutkuje zwiększeniem liczby białek transportujących glukozę do komórek. Ponadto insulina zwiększa wychwytywanie aminokwasów przez komórki oraz pobudza transkrypcję i translację. Insuliny różnych gatunków zwierząt i człowieka różnią się nieznacznie składem aminokwasów. Różnice te na ogół nie wpływają na ich aktywność biologiczną, gdy są one podawane człowiekowi. Jednak rezultatem dłuższego podawania człowiekowi obcej insuliny (np. wołowej) jest powstawanie przeciwciał hamujących jej działanie. Insulina była pierwszym lekiem wytworzonym metodami inżynierii genetycznej. Obecnie do jej produkcji wykorzystuje się bakterie Escherichia coli, którym wszczepia się odpowiednio przygotowane geny ludzkie warunkujące wytwarzanie insuliny.

Na podstawie.: W. Traczyk, A.Trzebski, Fizjologia czlowieka z elementami fizjologii stosowanej i klinicznej, Warszawa 2007.

Na rysunku przedstawiono budowę cząsteczki insuliny.

Źródło: http://www.interactive-biology.com/3730/the-basics-of-protein-structure-and-function

1. Uzasadnij, że insulina jest białkiem mającym strukturę IV-rzędową.

2. Przyporządkuj wszystkie wymienione poniżej informacje (1-4) do dwóch kategorii: I – czynniki stymulujące wydzielanie insuliny i II – skutki działania insuliny. Zapisz ich numery w odpowiednich kolumnach tabeli.

1. wysoki pozom glukozy we krwi
2. prawidłowy poziom glukozy we krwi
3. wzmożona synteza glikogenu w komórkach mięśni i wątroby
4. wzmożona synteza białek w komórkach mięśni i wątroby

3. Określ, czy insulina jest hormonem pobudzającym w komórkach mięśni i wątroby reakcje anaboliczne, czy – kataboliczne. Odpowiedź uzasadnij.

4. Wyjaśnij, dlaczego gen człowieka, warunkujący wytwarzanie insuliny musi być przed wprowadzeniem do komórek bakterii odpowiednio przygotowany, aby uległ w nich prawidłowej ekspresji.

5. Określ, czy zmodyfikowane bakterie Escherichia coli wykorzystywane do wytwarzania insuliny ludzkiej są organizmami transgenicznymi. Odpowiedź uzasadnij.

6. Wykaż, że podawanie człowiekowi choremu na cukrzycę insuliny typu ludzkiego produkowanej przez bakterie ma mniejsze skutki uboczne niż długotrwałe podawanie insuliny zwierzęcej.

Wskazówki:

Zwróć uwagę na ilość podjednostek w cząsteczce insuliny. Ciekawym jest, że wiązania disiarczkowe nie są równorzędne, pełnią różne funkcje i stabilizują różne struktury.

W komókach bakteryjnych w czasie ekspresji genów nie zachodzi obróbka potranskrypcyjna, stąd inny jest mechanizm przygotowywania genów dla organizmów prokariotycznych w celu wykorzystania ich do syntezy leków.

Insulina u poszczególnych gatunków zwierząt może być modyfikowana, mieć różną budowę, a stąd układ immunologiczny może być pobudzony do działania.

Przeprowadzono doświadczenie, którego celem było sprawdzenie oporności pewnego gatunku bakterii na penicyliny. Dwa szczepy tej bakterii (I i II) wysiano równomiernie na osobnych szalkach i następnie rozłożono na nie krążki bibuły nasączonej antybiotykami w jednakowych dawkach. Każdy ze szczepów inkubowano w tych samych optymalnych, dla tego gatunku bakterii, warunkach. Na poniższych rysunkach zaprezentowano wyniki hodowli obydwu szczepów bakterii po 48 godzinach, w obecności pięciu różnych antybiotyków (A-E). Zaciemnione pola wokół białych krążków z antybiotykami wskazują zahamowanie wzrostu bakterii.

1. Zaznacz hipotezę badawczą, którą potwierdzają wyniki powyższego doświadczenia.