Metabolizm (3L)

Uwaga: ta wersja kursu jest przeznaczona do realizacji w aktualnym liceum (3-letnim).

Metabolizm to długi i bardzo trudny kurs obejmujący zagadnienia z zakresu biochemii. Zawarliśmy w nim wprowadzenie do enzymologii oraz analizy wszystkich wymienionych w podstawie procesów biochemicznych, m.in. oddychania komórkowego (z uwzględnieniem wariantów), chemosyntezy i fotosyntezy (z uwzględnieniem wariantów),  glukoneogenezy, glikogenogenezy, beta-oksydacji i glikogenolizy.

Kurs został podzielony na 10 lekcji. Łączny czas wykładów: 11 godzin i 21 minut (plus 70 minut na test zaliczeniowy).
Do kursu dołączyliśmy: 117 zadań maturalnych CKE (edycja – 2021/2022) w postaci pliku .pdf do wydruku.

Wykłady prowadzi Waldemar Lewiński. Współautorami są: Jan Prokop i Jacek Balerstet

Lekcja 1. Metabolizm – podstawy

Zaczynamy od przedstawienia metabolizmu w ujęciu zasad termodynamiki. Przypominamy dwa podstawowe kierunki metabolizmu: katabolizm i anabolizm. Wprowadzamy pojęcia: reakcje biochemiczne, szlaki metaboliczne (w tym cykle metaboliczne). Wskazujemy źródła energii dla układów żywych (formy energii o różnej użyteczności biologicznej). Wyjaśniamy, czym jest energia swobodna (ΔG).

Lekcja 2. Kataliza enzymatyczna

Przedstawiamy katalizę enzymatyczną jako rozwiązanie problemu „termicznych” ograniczeń metabolizmu, m.in. energia aktywacji (Ea). Sprzęgamy reakcje egzoergiczne z endoergicznymi. Budujemy enzym (m.in. z apoenzymu, kofaktora, koenzym, grupy prostetycznej). Wyjaśniamy mechanizm działania enzymów – obniżanie Ea: model zamka i klucza, model indukcyjnego dopasowania, specyficzność substratową. Klasyfikujemy enzym. Badamy wpływ różnych czynników na pracę enzymów (m.in. temperatura, pH). Śledzimy kinetykę reakcji enzymatycznych (krzywa i stała Michaelisa, powinowactwo do substratu, liczba obrotów). Regulujemy pracę enzymów (aktywacja i inhibicja enzymów; inhibicja kompetycyjna i niekompetycyjna; aktywacja przez proteolizę; regulacje allosteryczne). Wyjaśniamy, jak działają sprzężenia zwrotne ujemne w regulacjach szlaków metabolicznych. Odpowiadamy nawet na pytanie, dlaczego enzymy są prawie zawsze białkami.

Lekcja 3. Akumulatory i nośniki energii

Wyjaśniamy, czym są i do czego służą metaboliczne akumulatory i nośniki energii. Sprzęgamy katabolizm z anabolizmem. Budujemy „uniwersalnego żołnierza” – cząsteczkę ATP zawierającą wiązania wysokoenergetyczne. Przeprowadzamy fosforylacje: substratową, oksydacyjnę i fotosyntetyczną. Wyjaśniamy trudne terminy – chemiosmoza, syntaza ATP, gradient protonowy i jego siła protonomotoryczna. Wprowadzamy reakcje i procesy redoks na komórkowe salony. Wskazujemy uniwersalne nośniki elektronów: NAD+, NADP+, FAD.

Lekcja 4. Oddychanie komórkowe cz. I

Bierzemy się za oddychanie komórkowe. Część I. analizy zaczniemy od historii odkryć, m.in. J. Priestleya, L. Pasteura, E. Buchnera, G. Embdena, H. Krebsa. Następnie bierzemy się za paliwa komórkowe i ich wykorzystanie. Wyróżniamy dwa warianty oddychania komórkowego: beztlenowy i tlenowy (bez chemiosmozy i z chemiosmozą). Śledzimy przebieg glikolizy i restytucji (regeneracji) NAD (fermentacja mleczanowa, fermentacja etanolowa). Bilansujemy oddychanie beztlenowe. Dla zawziętych przygotowaliśmy specjalne Tablice biochemiczne (plansze z reakcjami), które można wyświetlić na ekranie (zostały dołączone do następnej lekcji).

Lekcja 5. Oddychanie komórkowe cz. II

Oddychanie komórkowe cz. II. obejmuje etapy tlenowe. Przypominamy, czym jest w istocie oddychanie tlenowe i lokalizujemy jego etapy w komórce prokariotycznej i eukariotycznej. Sporządzamy bilans „otwarcia”. Przedstawiamy reakcję pomostową i cykl Krebsa (przebieg, bilans dla jednego i dwóch „obrotów” oraz analizę dekarboksylacji i dehydrogenacji). Sporządzamy kolejny bieżący bilans przemian. Śledzimy utlenianie końcowe w tzw. łańcuchu oddechowym (elementy łańcucha, kaskada energetyczna, potencjały redoks; chemiosmoza; fosforylacja oksydacyjna). Szacujemy wartość energetyczną NADH + H⁺ i FADH₂. Sporządzamy bilans całkowity utlenienia cząsteczki glukozy. Uruchamiamy beta-oksydację (lokalizacja, przebieg i bilans dla 1 cz. palmitynianiu). Zakłócamy oddychanie komórkowe dinitrofenolem. Przedstawiamy wstępne informacje o katabolizmie aminokwasów. Dla zawziętych przygotowaliśmy specjalne Tablice biochemiczne (plansze z reakcjami), które można wyświetlić na ekranie.

Lekcja 6. Chemosynteza

Przechodzimy „na chemosyntezę” – autotrofizm w najprostszym wydaniu. Wykorzystujemy Metanococus jannashi do przedstawienia najpierwotniejszego (beztlenowego) wariantu chemosyntezy. Śledzimy przebieg procesu chemosyntezy u współczesnych chemoautotrofów tlenowych. Podajemy przykłady chemoautotrofów.

Lekcja 7. Fotosynteza cz. I

Rozpoczynamy analizę fotosyntezy. W cz. I. przedstawiamy historię odkryć związanych z fotosyntezą (m.in. eksperyment van Helmonta, doświadczenie Engelmanna), podział fotosyntezy na beztlenową i tlenową. Dokładnie przyglądamy się barwnikom fotosyntetycznym (chlorofile) i fotosystemom. Analizujemy widma absorpcyjne używając spektrofotometru. Wyjaśniamy trudne pojęcie fotoindukcji (w tym powrót do stanu podstawowego, przekazanie pobudzenia, emisja elektronu). Budujemy modelowy fotosystem (fotoukład) – antena, centrum reakcji, pierwotny akceptor elektronów, pułapka energetyczna.

Lekcja 8. Fotosynteza cz. II

Cz. II. fotosyntezy zaczynamy od analizy budowy i funkcji błon aktywnych fotosyntetycznie (fotosystemy, łańcuch transportu elektronów, syntaza ATP). Śledzimy przebieg fazy zależnej od światła (fosforylacja niecykliczna i cykliczna). Sporządzamy bilans fazy jasnej (wytworzenia siły asymilacyjnej) i zapisujemy równanie ogólne fazy jasnej. Śledzimy przebieg fazy niezależnej od światła: cykl Calvina-Bensona (karboksylacja, redukcja, regeneracja). Szacujemy zysk netto fazy ciemnej. Zapisujemy równanie ogólne i bilans fotosyntezy. Dla zainteresowanych szacujemy wydajność kwantową fotosyntezy. Wyjaśniamy, czym jest fotooddychanie. Wprowadzamy pojęcia: rośliny CAM i C4. Analizujemy czynniki wpływające na fotosyntezę (m.in. temperatura, światło, CO₂).

Lekcja 9. Inne przemiany cukrów i kwasów tłuszczowych

Zabieramy się za przemiany cukrów i kwasów tłuszczowych, których jeszcze nie analizowaliśmy: glikogenolizę i glukoneogenezę, a także cykl Corich i cykl Lynena (ciała ketonowe jako rezerwowe paliwo metaboliczne i kwasica ketonowa). Bardzo ogólnie przedstawiamy także syntezę kwasów tłuszczowych. Dla zainteresowanych przedstawiamy szlak pentozofosforanowy (źródło pentoz i siły redukcyjnej). Pokazujemy, że acetylo-CoA jest prawdziwym węzłem metabolicznym.

Lekcja 10. Przemiany azotowe

Analizę przemian azotowych zaczynamy od rozwinięcia zagadnienia katabolizmu aminokwasów (deaminacja bezpośrednia i transaminacja, losy ketokwasów). Przechodzimy do końcowych produktów przemian związków azotowych: aminokwasów i zasad azotowych (amoniak, kwas moczowy i guanina, mocznik). Przedstawiamy ogólnie cykl ornitynowy.

Lekcja 11. Zaliczenie

Zestaw fiszek elektronicznych.

Test elektroniczny: 40 pytań. Czas na rozwiązanie: 70 minut (edycja – jesień 2020).

Informacje techniczne!

1. Aby korzystać z materiałów kursów, należy mieć stały dostęp do Internetu (nie ma: możliwości pobrania lekcji wideo na własne urządzenie ani zgody na ich kopiowanie).
2. Materiały w postaci plików pdf można pobrać i wydrukować (na swoje prywatne potrzeby!).
3. Dostęp jest aktywny dokładnie rok (365 dni) od momentu zakupu (nie jest zaokrąglany do pełnego dnia).
4. Licencja dla jednego użytkownika do użytku domowego!
5. Z materiałów można korzystać na komputerze lub smartfonie/tablecie. Jednocześnie można być zalogowanym tylko na jednym urządzeniu.