FYZIOLÓGIA RASTLÍN Téma: FOTOSYNTÉZA a FOTORESPIRÁCIA Úloha: Rastliny C 3 a C 4 (90 minút) Úvod: Jedným z faktorov, ktoré výrazne ovplyvňujú rozšíreni

Transkript

1 Číslo súťažiaceho: Dátum: BIOLOGICKÁ OLYMPIÁDA 41. ročník Kategória A - krajské kolo Praktická časť laboratórne úlohy Milí súťažiaci, v tejto časti súťaže budete riešiť dve praktické (laboratórne) úlohy - jednu úlohu z fyziológie rastlín a druhú z genetiky. Na vyriešenie úlohy z fyziológie rastlín máte 90 minút a na vyriešenie úlohy z genetiky máte 90 minút. Najskôr si pozorne prečítajte, čo máte robiť, aby ste si vedeli správne zadeliť čas a rozhodnúť sa, ako budete pri riešení postupovať. Všetky pomôcky máte pripravené na stole. V prípade nejasností sa opýtajte asistenta. Ak Vám nestačí miesto, ktoré je na úlohy určené, použite miesto na konci tejto časti. Prajeme Vám veľa úspechov! Slovenská komisia Biologickej olympiády 1

2 FYZIOLÓGIA RASTLÍN Téma: FOTOSYNTÉZA a FOTORESPIRÁCIA Úloha: Rastliny C 3 a C 4 (90 minút) Úvod: Jedným z faktorov, ktoré výrazne ovplyvňujú rozšírenie organizmov na Zemi, je klíma. Práve tento faktor spôsobuje asi najvýraznejšiu zonáciu v smere od rovníka k pólom. Podmienky v rôznych zónach sa často výrazne líšia, a preto nachádzame u ich obyvateľov rôzne adaptácie práve na svoje prostredie. Na niekoľko z nich je zameraná nasledujúca úloha. U niektorých rastlín sa stretávame so zaujímavou fyziologickou adaptáciou, tzv. C 4 metabolizmom. Najprv malý úvod z biochémie. Rastliny dokážu pomocou série chemických reakcií v priebehu tzv. temnej fázy fotosyntézy viazať uhlík z oxidu uhličitého do organických látok. O dôležitosti takejto schopnosti pre celý pozemský život snáď nie je nutné sa dlho rozpisovať. Oxid uhličitý si berú jednotlivé bunky listu zo vzduchu, ktorý preniká do listu cez prieduchy. Kľúčový krok celého procesu, vlastnú fixáciu CO 2, katalyzuje enzým ribolózo-1,5- bisfosfátkarboxyláza/oxygenáza (označovaný skratkou RUBISCO), ktorý umožňuje naviazanie CO 2 na päť uhlíkový sacharid (ribulóza-1,5-bisfosfát) a tak vlastne zabudovanie uhlíku z anorganického CO 2 do organickej látky. Pri tejto reakcii je využitá energia získaná vo svetelnej fáze fotosyntézy. V ďalšom priebehu tmavej fázy fotosyntézy sa časť molekúl trojuhlíkovej látky vzniknutej fixáciou CO 2 použije na regeneráciu ribulózo-1,5-bisfosfátu a časť na produkciu sacharidov, ktoré potom vstupujú do ďalšieho metabolizmu organizmu. Enzým RUBISCO je ale schopný popri väzbe CO 2 katalyzovať tiež naviazanie molekulového kyslíka. Pokiaľ dôjde ku naviazaniu O 2 namiesto CO 2, vzniká látka pre syntézu nevyužiteľná. Pomocou zložitého systému reakcií potom dochádza ku regenerácii pôvodnej 5-uhlíkovej zlúčeniny, ale za cenu strát energie a aj časti skôr fixovaného uhlíka, ktorý je vylúčený vo forme CO 2. Tento proces sa označuje ako fotorespirácia. Intenzita fotorespirácie závisí najmä na dvoch faktoroch na teplote a na pomere koncentrácií CO 2 a O 2. Čím je vyššia teplota a čím je vyššia koncentrácia O 2 v pomere ku koncentrácii CO 2, tým je vyššia aj intenzita fotorespirácie. V teplých krajinách môžu byť straty uhlíka spôsobené fotorespiráciou veľmi vysoké a tak je pre rastliny výhodné pokiaľ dokážu fotorespiráciu obmedziť. A práve o to ide v C 4 metabolizme. C 4 rastliny nefixujú CO 2 priamo. Vo väčšine buniek listu nie je totiž aktívny enzým RUBISCO, takže tu nemôže prebiehať tmavá fáza fotosyntézy. CO 2 je namiesto toho vo väčšine buniek listu viazaný pomocou iného enzýmu do inej organickej látky (do kyseliny jablčnej), pričom táto reakcia spotrebúva pomerne veľa energie. Kyselina jablčná je potom transportovaná do špecializovaných buniek, kde CO 2 je opäť vylúčený a zvyšok z molekuly kyseliny jablčnej (kys. pyrohroznová) je transportovaný naspäť pre ďalší náklad CO 2. Vylúčený CO 2 je potom v týchto špecializovaných bunkách znova fixovaný, tentoraz už bežným spôsobom pomocou enzýmu RUBISCO. Tmavá fáza fotosyntézy prebieha teda len v týchto špecializovaných bunkách. Ešte vysvetlíme názvy C 3 a C 4 rastliny. Názov je odvodený od počtu uhlíkových atómov v zlúčenine, ktorá vzniká po fixácii CO 2. Pri C 4 rastlinách je to látka, ktorá má 4 uhlíkové atómy. Pri C 3 rastlinách fixujúcich priamo pomocou enzýmu RUBISCO má prvá stabilná zlúčenina uhlíkové atómy tri. Toľko úvod a teraz otázky, na ktoré odpovedajte po zhotovení preparátov z listov jednej C 3 a jednej C 4 rastliny! Pomôcky: nové žiletky, kvapkadlo, podložné a krycie sklíčko, mikroskop so zväčšením , listy C 3 a C 4 rastlín, voda, stržeň z bazy (na prípravu tenkých rezov listov) Rez uskutočníte nasledovne: vložte časť listu do rozštepu bazového stržňa, okraj zarovnajte a potom ostrou žiletkou odrežte čo najtenšie rezy, ktoré vložíte do kvapky vody na podložné sklíčko a prikryjete krycím sklíčkom. Dávajte pozor, aby na reze bol pozorovaný najmenej jeden cievny zväzok, stačí ale niektorá z bočných žiliek, nerežte list v mieste najhrubšej žilky!) 2

3 Obrázok 1 (C 3 rastlina priečny rez listom) Obrázok 2 (C 4 rastlina priečny rez listom) 3

4 Otázky: 1. Napíšte (na základe informácií z predchádzajúceho textu), čím je spôsobené, že C 4 rastliny minimalizujú straty fotorespiráciou, t.j. ako je možné, že u nich takmer nedochádza k väzbe vzdušného kyslíka pri reakcii katalyzovanej enzýmom RUBISCO. 2. C 4 rastliny sa vyskytujú všade. V niektorých klimatických oblastiach prevládajú C 3 rastliny, pretože nevedia obmedzovať fotorespiráciu. C 4 metabolizmus totiž spotrebúva viac energie než C 3 a záleží teda na intenzite fotorespirácie. Pokiaľ sú straty fotorespiráciou veľké, oplatí sa investovať energiu v náročnejšom C 4 metabolizme. Pokiaľ je ale intenzita fotorespirácie malá, sú aj straty malé a investícia energie do C 4 metabolizmu sa neoplatí. Napíšte (odvoďte), v ktorých oblastiach sveta prevažujú C 4 rastliny a v ktorých C C 4 rastliny sa od C 3 rastlín líšia (až na nejaké výnimky) prítomnosťou jednej zvláštnej morfologickej štruktúry. Na zhotovených rezoch listov C 3 a C 4 rastliny zakreslite a popíšte štruktúry, ktoré vidíte na oboch preparátoch. Šípkou označte tie, ktoré sú špecifické len pre C 3 rastlinu a ktoré len pre C 4 rastlinu. 4. Pri C 4 rastline prebieha tmavá fáza fotosyntézy (t.j. fixácia CO 2 pomocou enzýmu RUBISCO) len vo vami zakreslenej špecifickej štruktúre, zatiaľ čo pri C 3 rastline prebieha vo väčšine bunky. Ako je to však so svetelnou fázou fotosyntézy? A) Uveďte, ktoré časti listu (pri jednotlivých typoch rastlín) sú pre ňu najvýznamnejšie (t.j. prebieha tam najintenzívnejšie). Svoju odpoveď odôvodnite (napíšte, ako ste to rozpoznali). 4

5 B) Existujú časti listu, kde neprebieha vôbec? Pokiaľ áno, napíšte, ktoré to sú. Svoju odpoveď odôvodnite. 5. Niektoré sukulentné rastliny majú iný špecifický typ metabolizmu, tzv. CAM (skratka z anglického Crassulacean Acid Metabolism). Postupnosť biochemických reakcií je rovnaký ako v prípade C 4 metabolizmu, ale fixácia CO 2 zo vzduchu nie je od definitívnej väzby do organických látok pomocou RUBISCO oddelená priestorovo a časovo. Rastlina otvorí v noci prieduchy a nazbiera CO 2 do zásoby (v podobe kyseliny jablčnej), čo jej umožní cez deň fotosyntetizovať a zároveň mať uzatvorené prieduchy. Napíšte, prečo túto činnosť vykonávajú sukulentné CAM rastliny (prečo je to pre nich výhodné?). 6. Rastliny sukulentného vzhľadu (t.j. dužinaté listy, nehovoríme len o špecifickom metabolizme z minulej otázky) nachádzame nielen v prostredí chudobnom na vodu (skaly, púšte apod.), ale prekvapivo aj na niektorých stanovištiach bohatých na vodu (až priamo močariskách), ako sú slaniská alebo morské pobrežie. Uveďte názov čeľade rastlín, ktorá je typická svojimi slanomilnýmu sukulentnými zástupcami. 7. Aj na ďalšom mokrom biotope, na rašeliniskách, nájdeme rastliny suchomilného vzhľadu (nie priamo sukulentné, ale často s malými kožovitými listami s hrubou kutikulou atď.). Ako rastliny slanísk, tak rastliny rašelinísk majú skutočne problém získať dostupnú vodu a využiť ju. Prečo? 8. Rašeliniská aj slaniská majú veľmi špecifické rozšírenie. Netvoria súvislú zónu ako zonálne biómy (step, boreálny ihličnatý les, apod.), ale vyskytujú sa roztrúsene po celom svete na miestach, kde sú pre ne vhodné podmienky (napr. prameň minerálnej vody v prípade slanísk alebo trvalo zamokrené miesto s malým obsahom živín v prípade rašelinísk). Akým pojmom sa označujú biotopy (niekedy sa hovorí rovnako o biómoch) s týmto typom rozšírenia? 9. Slaniská sú na Slovensku časté, nájdeme ich roztrúsene po celom území. Rašeliniská sú vzácnejšie. Uveďte aspoň dve oblasti, kde rašeliniská tvoria významnú súčasť krajiny. 5

6 GENETIKA Téma: Človek (Homo sapiens sapiens) Úloha: Chromozómové aberácie človeka (90 minút) Ľudské chromozómové abnormality môžu byť štruktúrne alebo numerické a môžu zahŕňať jeden alebo viac autozómov, prípadne pohlavných chromozómov. Štruktúrne prestavby vznikajú ako následok chromozómových zlomov. Ku abnormálnej kombinácii potom dochádza následnou rekonštrukciou nesprávnych častí chromozómov. Existujú rôzne spôsoby prestavieb, väčšina je menej častá, ako dole uvedené aneuploidie. Celkovo sa vyskytujú asi u jedného zo 400 novorodencov. Štruktúrne prestavby môžu byť vyvážené v sade chromozómov je zachované normálne množstvo chromozómového materiálu a nevyvážené časť chromozómovej hmoty chýba, alebo sa v karyotype vyskytuje nadbytočný chromozómový materiál. Pokiaľ sú chromozómové prestavby vyvážené, väčšinou sa fenotypovo neprejavujú, pretože v bunkách je v potrebnom množstve prítomný všetok chromozómový materiál, aj keď je odlišne usporiadaný. Takéto chromozómové prestavby predstavujú hrozbu pre ďalšiu generáciu prenášači týchto odchýlok totiž s vysokou pravdepodobnosťou vytvárajú nevyvážené gaméty a tým sa zvyšuje riziko vzniku abnormálneho potomstva s nevyváženým karyotypom. Medzi vyvážené chromozómové prestavby patrí napríklad inverzia (paracentrická alebo pericentrická), rôzne typy recipročných translokácií a Robertsonove translokácie, vzniknuté centrickou fúziou, čo sú prestavby zahrňujúce dva akrocentrické chromozómy, ktoré fúzujú v blízkosti centromérickej oblasti a strácajú svoje krátke ramená. Pri nevyvážených prestavbách dochádza väčšinou ku fenotypovým abnormalitám, ktoré sú spôsobené deléciami, duplikáciami, alebo kombináciami týchto zmien. Numerické chromozómové abnormality. Vôbec najčastejším klinicky významným typom ľudskej chromozómovej abnormality je aneuploidia, kedy je abnormálny počet chromozómov spôsobený absenciou alebo prítomnosťou nadbytočného chromozómu. Najčastejšou príčinou aneuploidií je meiotická nondisjunkcia, kedy dochádza k poruche oddelenia párov chromozómov počas jedného z dvoch meiotických delení, väčšinou sa tak deje v priebehu prvého z nich. Nondisjunkcia sa objavuje takisto pri mitotickom delení po vzniku zygoty. Ak k tomu dôjde vo včasnej fáze rýhovacieho delenia, je výsledkom klinicky významný mozaicizmus, to je situácia, kedy sú v tele jedinca prítomné rôzne bunky s dvomi alebo viacerými odlišnými chromozomálnymi konštitúciami. Väčšina aneuploidných pacientov má trizómiu alebo menej často monozómiu. Postnatálne zlúčiteľné so životom sú len tri nemozaikové poruchy na báze trizómie určitého chromozómu. Všetky tieto odchýlky sú spojené s vážnymi poruchami fyzického alebo mentálneho vývoja. Vyskytujú sa v 3-4% všetkých rozpoznateľných tehotenstiev. Cieľom tejto úlohy je priblížiť talentovaným mladým biológom podstatu chromozómových aberácií u človeka a pochopenie ich dôsledkov na fenotyp nositeľov aberácií a ich potomkov. 6

7 Incidencia chromozómových abnormalít výsledky výskumu novorodencov. Typ abnormality Počet Približná incidencia Štruktúrne abnormality ( novorodencov) Vyvážené prestavby - Robertsonove fúzie - iné Nevyvážené prestavby - Robertsonove fúzie - iné Celkovo Aneuploidia pohlavných chromozómov Muži ( novorodencov) 47, XXY (Klinefelterov syndróm) 47,XYY (syndróm dvoch Y) iné aneuploidie X nebo Y Celkovo Ženy ( novorodencov) 45,X0 (Turnerov syndróm) 47,XXX (syndróm trochx) iné aneuploidie X Celkovo Autozomálne aneuploidie ( novorodencov) Trizómia (Downov syndróm) Trizómia 18 (Edwardsov syndróm) Trizómia 13 (Patauov syndróm) Celkovo /1100 1/885 1/ /1800 1/375 živo narodených detí 1/1000 1/1000 1/1350 1/360 narodených chlapcov 1/1400 1/900 1/2700 1/580 narodených dievčat 1/830 1/7500 1/ 700 1/580 živo narodených detí 1. Vyvážená translokácia Uveďte, akým spôsobom sa budú segregovať chromozómy do gamét u nositeľov nasledujúcich troch vyvážených translokácií. Doplňte možné typy gamét a zygot, ktoré vzniknú po splynutí týchto gamét s normálnymi partnerskými gamétami (dvojitý krúžok) A) Jeden z rodičov je nositeľom vyváženej translokácie dlhých ramien chromozómu na dlhé ramená jedného z chromozómov 13 (genetický zápis t/13qq). Aké je riziko postihnutia dieťaťa? t/13qq 13 I. II. III normálne normálne normálne ZYGOTY gaméty gaméty gaméty

8 B) Jeden z rodičov je nositeľom vyváženej translokácie dvoch homologických chromozómov. Aké je riziko postihnutia dieťaťa nevyváženou chromozomálnou odchýlkou? t/qq + + normálne gaméty ZYGOTY Charakteristika zygot _ 8

9 C) Jeden z rodičov je nositeľom vyváženej translokácie dlhých ramien chromozómu na dlhé ramená jedného z chromozómov. Aké je riziko postihnutia dieťaťa? t/qq I. II. III normálne normálne normálne ZYGOTY gaméty gaméty gaméty Charakteristika zygot _ 2. Karyotyp A) Vysvetlite, čo je karyotyp. B) Čo môžeme pomocou analýzy karyotypov zistiť? 9

10 3. Patologické karyotypy Pri nasledujúcich šiestich príkladoch patologických karyotypov uveďte, o aký typ odchýlky ide, či postihuje autozómy alebo gonozómy, ako sa dochýlka prejavuje vo fenotype postihnutého jedinca, ak nájdete zistený karyotyp v hore uvedenej tabuľke napíšte, aká je frekvencia odchýlky v populácii. I. Pacientkou je fenotypovo normálna, neplodná žena. 10

11 II. Pacientom je zdravý, tridsaťročný muž, ktorý nikdy nebol vážne chorý. Avšak jeho deväťročné manželstvo ostáva bezdetné. 11

12 III. Pacientkou je 18 ročné dievča malého vzrastu, infantilného vzhľadu. 12

13 IV. Pacientom je malý chlapec s mentálnou retardáciou (oligofréniou), najmladší zo šiestich súrodencov. Jeho matka mala v období pôrodu 41 rokov. 13

14 V. Pacientkou je žena bez klinických príznakov, ktorej dcéra je postihnutá Downowým syndrómom. Ďalšie tehotenstvo ženy skončilo spontánnym potratom. 14

15 VI. Pacientom je trojročný chlapec s oneskoreným duševným a motorickým vývojom, so svalovou hypotóniou a početným radom výrazných vrodených odchýlok. 15

16 POZNÁMKY: 16