Λύσεις — Κεφάλαιο 3 (Ερωτήσεις σελ. 37-38) – ΧΗΜΕΙΑ ΚΑΙ ΖΩΝΤΑΝΟΙ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Κεφάλαιο 3 (Ερωτήσεις σελ. 37-38)

Απαντήσεις στις 10 ερωτήσεις του κεφαλαίου 3 (κλειστές ελεγμένες με το Παράρτημα του βιβλίου).

Ερώτηση 1 — Καταβολισμός (πολλαπλής επιλογής)

Ερώτηση: Ο καταβολισμός περιλαμβάνει … α. συνήθως αντιδράσεις οι οποίες απαιτούν ενέργεια β. αντιδράσεις κατά τις οποίες από απλούστερα μόρια συνθέτονται πολυπλοκότερα. γ. το σύνολο των αντιδράσεων που γίνονται σε ένα οργανισμό. δ. αντιδράσεις κατά τις οποίες τα πολυπλοκότερα μόρια διασπώνται σε απλούστερα

Απάντηση:

• Σωστή απάντηση: δ (Παράρτημα: 1. δ). «Ο καταβολισμός περιλαμβάνει τις βιοχημικές αντιδράσεις κατά τις οποίες πολύπλοκα μόρια διασπώνται σε απλούστερα. Οι αντιδράσεις του καταβολισμού είναι σχεδόν πάντα εξώθερμες και ελευθερώνουν ενέργεια» — π.χ. διάσπαση των μακρομορίων στις δομικές τους μονάδες και παραπέρα διάσπαση αμινοξέων, γλυκόζης, λιπιδίων σε CO₂, H₂O, NH₃ (σελ. 30). Γιατί όχι τα άλλα: α) οι αντιδράσεις που απαιτούν ενέργεια (ενδόθερμες) είναι του αναβολισμού· β) η σύνθεση πολυπλοκότερων από απλούστερα είναι ο ορισμός του αναβολισμού· γ) το σύνολο των αντιδράσεων (αναβολισμός + καταβολισμός) είναι ο μεταβολισμός.

Σύνοψη: (ενδεικτική) δ — διάσπαση πολύπλοκων μορίων σε απλούστερα, με απελευθέρωση ενέργειας (εξώθερμες).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Πολλαπλής επιλογής — Παράρτημα: δ.

Ερώτηση 2 — Διαφορές αναβολισμού-καταβολισμού

Ερώτηση: Ποιες οι διαφορές ως προς το είδος των αντιδράσεων και ως προς την διαχείριση της ενέργειας στο κύτταρο μεταξύ αναβολισμού και καταβολισμού;

Απάντηση:

• 	Αναβολισμός	Καταβολισμός
  Είδος αντιδράσεων	Βιοσυνθέσεις: από απλούστερα μόρια συντίθενται πολυπλοκότερα (π.χ. πρωτεΐνες από αμινοξέα, φωτοσύνθεση — γλυκόζη από CO₂ και H₂O, σύνθεση μακρομορίων)	Αποικοδομήσεις: πολύπλοκα μόρια διασπώνται σε απλούστερα (μακρομόρια → δομικές μονάδες· αμινοξέα, γλυκόζη, λιπίδια → CO₂, H₂O, NH₃)
  Διαχείριση ενέργειας	Αντιδράσεις σχεδόν πάντα ενδόθερμες — καταναλώνουν ενέργεια	Αντιδράσεις σχεδόν πάντα εξώθερμες — ελευθερώνουν ενέργεια

• Έτσι, με τις ίδιες αντιδράσεις γίνεται ταυτόχρονα η ανταλλαγή της ύλης (οικοδόμηση-αποικοδόμηση) και η ανταλλαγή της ενέργειας: η ενέργεια που ελευθερώνεται από τον καταβολισμό (π.χ. διάσπαση γλυκόζης) χρησιμοποιείται για τις ενδόθερμες αντιδράσεις του αναβολισμού και για τις άλλες ενεργοβόρες λειτουργίες (ενεργητική μεταφορά, διαίρεση, μηχανικό έργο). Οι δύο διαδικασίες γίνονται ταυτόχρονα, κατά εκατοντάδες, με τη βοήθεια ενζύμων, και το κύτταρο τις ελέγχει και τις ρυθμίζει (σελ. 30).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Αναβολισμός: βιοσυνθέσεις (απλά → πολύπλοκα), ενδόθερμες, καταναλώνουν ενέργεια. Καταβολισμός: διασπάσεις (πολύπλοκα → απλά), εξώθερμες, ελευθερώνουν ενέργεια που τροφοδοτεί τον αναβολισμό και τις λειτουργίες του κυττάρου.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Ερώτηση 3 — Γιατί το κύτταρο ρυθμίζει τον μεταβολισμό

Ερώτηση: Ποιος είναι ο λόγος που το κύτταρο ελέγχει και ρυθμίζει το μεταβολισμό του;

Απάντηση:

• Οι αντιδράσεις του μεταβολισμού (αναβολικές και καταβολικές) γίνονται ταυτόχρονα, κατά εκατοντάδες, μέσα στον μικρό όγκο του κυττάρου. Χωρίς έλεγχο, θα μπορούσε να συντίθεται ένα μακρομόριο με τη διαδικασία του αναβολισμού και ύστερα από λίγο να αποσυντίθεται με τη διαδικασία του καταβολισμού, χωρίς να προλάβει να επιτελέσει τον βιολογικό του ρόλο — με άσκοπη σπατάλη ύλης και ενέργειας. «Στην πραγματικότητα αυτό δεν συμβαίνει ποτέ, διότι το κύτταρο διαθέτει μηχανισμούς που ελέγχουν και ρυθμίζουν τις επιμέρους διαδικασίες του μεταβολισμού και έτσι τίποτε δεν συμβαίνει αν δεν υπάρχει ανάγκη» (σελ. 30). Επιπλέον, οι απαιτήσεις των δραστηριοτήτων του κυττάρου μεταβάλλονται συνεχώς (σύνθεση DNA μόνο σε ορισμένη φάση, διαφορετική κατανάλωση ενέργειας στον ύπνο και στο τρέξιμο), οπότε ο έλεγχος προσαρμόζει τον μεταβολισμό στις εκάστοτε ανάγκες, και έτσι, παρά τις εκατοντάδες αντιδράσεις, το κύτταρο διατηρεί σταθερότητα δομής και σύστασης (ομοιόσταση) (σελ. 31).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Για να μη γίνεται τίποτε χωρίς ανάγκη: να μη συντίθενται και να διασπώνται άσκοπα μακρομόρια (σπατάλη ύλης-ενέργειας), να προσαρμόζεται ο μεταβολισμός στις μεταβαλλόμενες απαιτήσεις και να διατηρείται η σταθερότητα του κυττάρου (ομοιόσταση).

Κριτήρια αξιολόγησης:

Ερώτηση 4 — Ιδιότητα σταθερής κατάστασης (πολλαπλής επιλογής)

Ερώτηση: Η ιδιότητα των κυττάρων να διατηρούν σταθερή την κατάστασή τους ονομάζεται… α. βιοσύνθεση β. μεταβολισμός γ. ομοιόσταση δ. ενεργητική μεταφορά

Απάντηση:

• Σωστή απάντηση: γ. ομοιόσταση (Παράρτημα: 4. γ). «Η ιδιότητα των κυττάρων να διατηρούν σταθερή την κατάστασή τους ονομάζεται ομοιόσταση. Η ομοιόσταση φέρνει σαν αποτέλεσμα τη διατήρηση του κυττάρου σε μια διαρκή κατάσταση ισορροπίας» (σελ. 31)· η διατήρηση της σταθερότητας επιβάλλει συχνά κατανάλωση ενέργειας (π.χ. η εφίδρωση για σταθερή θερμοκρασία). Οι άλλοι όροι: βιοσύνθεση (α) = αναβολική αντίδραση σύνθεσης πολύπλοκων μορίων· μεταβολισμός (β) = το σύνολο των υλικών-ενεργειακών μεταβολών του κυττάρου· ενεργητική μεταφορά (δ) = η μεταφορά ουσιών διαμέσου των μεμβρανών με κατανάλωση ενέργειας.

Σύνοψη: (ενδεικτική) γ. ομοιόσταση — διατήρηση σταθερής κατάστασης, διαρκής ισορροπία (σελ. 31).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Πολλαπλής επιλογής — Παράρτημα: γ.

Ερώτηση 5 — Αντιδράσεις των ζωντανών οργανισμών (πολλαπλής επιλογής)

Ερώτηση: Οι αντιδράσεις που πραγματοποιούνται από τους ζωντανούς οργανισμούς, ονομάζονται… α. βιοχημικές β. οργανικές γ. ανόργανες δ. καταλυτικές

Απάντηση:

• Σωστή απάντηση: α. βιοχημικές (Παράρτημα: 5. α). «Οι οργανισμοί πραγματοποιούν χημικές αντιδράσεις, προκειμένου να επιτελέσουν τις λειτουργίες τους. Οι χημικές αντιδράσεις, που πραγματοποιούνται από τους ζωντανούς οργανισμούς, ονομάζονται βιοχημικές αντιδράσεις» (σελ. 33). Γίνονται κυρίως μέσα στα κύτταρα, υπό ήπιες συνθήκες (νερό, pH ≈ 7, ≈ 37 °C), με μεγάλες ταχύτητες χάρη στα ένζυμα. Γιατί όχι τα άλλα: «οργανικές» (β) είναι οι αντιδράσεις των ενώσεων του άνθρακα στην Οργανική Χημεία (με τις οποίες μοιάζουν, αλλά γίνονται σε διαλύτες, υψηλή θερμοκρασία-πίεση)· «ανόργανες» (γ) αφορούν ανόργανες ενώσεις· «καταλυτικές» (δ) περιγράφει απλώς ότι επιταχύνονται από καταλύτη — δεν είναι ο όρος για τις αντιδράσεις των οργανισμών.

Σύνοψη: (ενδεικτική) α. βιοχημικές — οι χημικές αντιδράσεις που πραγματοποιούνται από τους ζωντανούς οργανισμούς (σελ. 33).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Πολλαπλής επιλογής — Παράρτημα: α.

Ερώτηση 6 — Φωτοσύνθεση

Ερώτηση: Ποια αντίδραση περιγράφει σε συντομία την φωτοσύνθεση; Σε ποιους οργανισμούς πραγματοποιείται η αντίδραση αυτή και ποια η σημασία της αντίδρασης αυτής για την σημερινή σύσταση της ατμόσφαιρας;

Απάντηση:

• Η συνολική αντίδραση της φωτοσύνθεσης (σελ. 32):

• 6 CO2 + 6 H2O + φωτεινή ενέργεια → C6H12O6 + 6 O2↑

• Οργανισμοί: πραγματοποιείται από τους φωτοσυνθετικούς οργανισμούς, δηλαδή τα περισσότερα φυτά και κάποιους μικροοργανισμούς — στα κύτταρα των πράσινων μερών των φυτών και συγκεκριμένα στους χλωροπλάστες (σελ. 33). Σημασία για την ατμόσφαιρα: πριν ~3,8 δισεκατομμύρια χρόνια, όταν εμφανίστηκαν οι πρώτοι οργανισμοί, το οξυγόνο ήταν λιγοστό· «η αφθονία αυτού του πολύτιμου στοιχείου στην ατμόσφαιρα είναι αποτέλεσμα της δράσης των φωτοσυνθετικών οργανισμών», που παράγουν συνεχώς οξυγόνο με τη φωτοσύνθεση. Το O₂ χρησιμοποιείται από τους οργανισμούς για την αναπνοή, που τους προμηθεύει το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας που χρειάζονται. Ταυτόχρονα ο άνθρακας του ατμοσφαιρικού CO₂ ενσωματώνεται στη γλυκόζη (γίνεται οργανικός άνθρακας), περνά από αλυσίδα αντιδράσεων στους οργανισμούς και επανέρχεται στην ατμόσφαιρα ως CO₂ με την αναπνοή — κύκλος του άνθρακα και του οξυγόνου.

Σύνοψη: (ενδεικτική) 6CO₂ + 6H₂O + φως → C₆H₁₂O₆ + 6O₂· στα φυτά (χλωροπλάστες) και σε φωτοσυνθετικούς μικροοργανισμούς· είναι η πηγή του άφθονου O₂ της σημερινής ατμόσφαιρας (αρχικά λιγοστό) και δεσμεύει τον άνθρακα του CO₂ σε οργανική μορφή, που επιστρέφει με την αναπνοή.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Ερώτηση 7 — Βιοχημικές vs τυπικές χημικές αντιδράσεις

Ερώτηση: Ποιες οι διαφορές των βιοχημικών αντιδράσεων σε σχέση με τις τυπικές χημικές αντιδράσεις ως προς το χώρο και τις συνθήκες που αυτές πραγματοποιούνται;.

Απάντηση:

• Ως προς τον χώρο: οι τυπικές χημικές αντιδράσεις γίνονται στο χημικό εργαστήριο ή τη βιομηχανία, σε δοχεία-αντιδραστήρες· οι βιοχημικές γίνονται μέσα στα κύτταρα των οργανισμών (μονοκύτταρων και πολυκύτταρων) — π.χ. η φωτοσύνθεση στους χλωροπλάστες — και σχετικά λίγες στον μεσοκυττάριο χώρο ή σε κοιλότητες ιστών (στομάχι, έντερο: διάσπαση πρωτεϊνών τροφών) (σελ. 33). Ως προς τις συνθήκες: οι αντιδράσεις της Οργανικής Χημείας, με τις οποίες μοιάζουν, γίνονται συνήθως σε οργανικούς διαλύτες (αιθέρα, χλωροφόρμιο, αιθανόλη) ή κάτω από υψηλή θερμοκρασία και πίεση ή με τη βοήθεια οξέων, βάσεων ή άλλων δραστικών ενώσεων — συνθήκες στις οποίες είναι αδύνατο να επιβιώσει ένα ζωντανό κύτταρο. Αντίθετα, οι βιοχημικές αντιδράσεις εξελίσσονται κάτω από πολύ ήπιες συνθήκες: σε υδατικό περιβάλλον, σε pH πολύ κοντά στο 7 και σε θερμοκρασία πολύ κοντά στους 37 °C. Υπό αυτές τις συνθήκες οι περισσότερες οργανικές αντιδράσεις δεν θα προχωρούσαν με αξιόλογη ταχύτητα, αλλά οι βιοχημικές εξελίσσονται με πολύ μεγάλες ταχύτητες, επειδή επιταχύνονται από ειδικούς καταλύτες — τα ένζυμα (σελ. 33).

Σύνοψη: (ενδεικτική) Χώρος: εργαστήριο-αντιδραστήρες vs μέσα στα κύτταρα (λίγες στον μεσοκυττάριο χώρο-κοιλότητες). Συνθήκες: οργανικοί διαλύτες, υψηλή θερμοκρασία-πίεση, οξέα-βάσεις (θανατηφόρες για το κύτταρο) vs υδατικό περιβάλλον, pH ≈ 7, ≈ 37 °C, με μεγάλες ταχύτητες χάρη στα ένζυμα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Ερώτηση 8 — Τι είναι τα ένζυμα και η εξειδίκευσή τους

Ερώτηση: Τι είναι από χημικής άποψης τα ένζυμα και γιατί λέμε ότι έχουν εξειδικευμένη δράση;

Απάντηση:

• Από χημική άποψη τα ένζυμα είναι πρωτεΐνες, οι οποίες με τη δράση τους επιταχύνουν (καταλύουν) τις βιοχημικές αντιδράσεις — οι βιολογικοί καταλύτες. Όπως όλες οι πρωτεΐνες, έχουν αυστηρά καθορισμένη δομή στον χώρο, που έχει μεγάλη σημασία για τη δράση τους. Οι βιοχημικές αντιδράσεις θα γίνονταν και χωρίς ένζυμα, αλλά με αυτά η ταχύτητά τους αυξάνει έως και 100 εκατομμύρια φορές (1 λεπτό αντί για 32 μήνες) (σελ. 34). Εξειδικευμένη δράση: «τα ένζυμα έχουν πολύ συγκεκριμένες προτιμήσεις για τις αντιδράσεις που καταλύουν· κάθε ένζυμο είναι σχεδόν απόλυτα εξειδικευμένο για την αντίδραση που καταλύει» (ή μερικές ομοειδείς). Ο λόγος είναι ο μηχανισμός δράσης: τα υποστρώματα προσδένονται στο ενεργό κέντρο του ενζύμου — μια εσοχή με καθορισμένη τρισδιάστατη δομή, όπου ταιριάζουν μόνο μόρια με συμπληρωματική δομή, όπως το κλειδί στην κλειδαριά· κάθε κλειδαριά δέχεται ένα κλειδί (ή πολύ όμοια), άρα κάθε ένζυμο δεσμεύει μία ουσία (ή ουσίες συγγενικής δομής) (σελ. 35). Σημασία: το κύτταρο διαθέτει πολλά διαφορετικά ένζυμα και μπορεί να παράγει διαφορετικά προϊόντα από το ίδιο αρχικό μόριο (π.χ. ένα αμινοξύ) ανάλογα με τις ανάγκες του, μεγιστοποιώντας το όφελος από τα θρεπτικά συστατικά.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Πρωτεΐνες-βιολογικοί καταλύτες με καθορισμένη δομή στον χώρο, που επιταχύνουν τις βιοχημικές αντιδράσεις έως 10⁸ φορές· εξειδικευμένα γιατί το υπόστρωμα πρέπει να ταιριάζει στο ενεργό κέντρο (κλειδί-κλειδαριά) — κάθε ένζυμο καταλύει μία ή λίγες ομοειδείς αντιδράσεις.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Ερώτηση 9 — Μοντέλα μηχανισμού δράσης ενζύμων

Ερώτηση: Ποια μοντέλα εξηγούν τον μηχανισμό δράσης των ενζύμων κατά τις βιοχημικές αντιδράσεις στις οποίες συμμετέχουν;

Απάντηση:

• Το πρώτο βήμα του μηχανισμού είναι η δέσμευση των αντιδρώντων μορίων (υποστρωμάτων) από το ένζυμο, με πρόσδεση σε ειδικό σημείο του, το ενεργό κέντρο — μια εσοχή ή σχισμή με καθορισμένη τρισδιάστατη δομή (σελ. 35). Το βιβλίο περιγράφει δύο μοντέλα πρόσδεσης: 1. Μοντέλο «κλειδί-κλειδαριά» (Εικόνα 3.2): στο ενεργό κέντρο εισχωρούν και προσδένονται μόνο μόρια που έχουν δομή συμπληρωματική προς τη δομή του — όπως κάθε κλειδαριά δέχεται μόνο ένα κλειδί (ή πολύ όμοια), έτσι κάθε ενεργό κέντρο δεσμεύει μόνο μία χημική ουσία ή ουσίες συγγενικής δομής → σχεδόν απόλυτη εξειδίκευση. 2. Μοντέλο «ταιριάσματος μετά την πρόσδεση» (επαγόμενη προσαρμογή, Εικόνα 3.3): σε ορισμένες περιπτώσεις η πρόσδεση του υποστρώματος προκαλεί αλλαγές στην τρισδιάστατη δομή του ενεργού κέντρου, οπότε το «ταίριασμα» προκύπτει μετά την πρόσδεση· δεν υστερεί σε εξειδίκευση. Συνέχεια της αντίδρασης (Εικόνα 3.4): με την πρόσδεση κάποιοι δεσμοί της αρχικής ουσίας εξασθενούν και σπάνε, δημιουργούνται νέοι δεσμοί που σχηματίζουν το προϊόν, το προϊόν ελευθερώνεται από το ενεργό κέντρο και το ένζυμο παραλαμβάνεται χωρίς καμία μεταβολή, έτοιμο για επόμενη αντίδραση.

Σύνοψη: (ενδεικτική) Δύο μοντέλα πρόσδεσης υποστρώματος στο ενεργό κέντρο: «κλειδί-κλειδαριά» (συμπληρωματική δομή, Εικ. 3.2) και «ταίριασμα μετά την πρόσδεση» — το ενεργό κέντρο αλλάζει δομή όταν δεθεί το υπόστρωμα (Εικ. 3.3)· μετά: δεσμοί σπάνε-σχηματίζονται νέοι, το προϊόν ελευθερώνεται, το ένζυμο μένει αμετάβλητο.

Κριτήρια αξιολόγησης:

Ερώτηση 10 — Αντιστοίχιση σχήματος ενζυμικής αντίδρασης

Ερώτηση: Αντιστοιχείστε τους αριθμούς του σχήματος με τις έννοιες: α. υπόστρωμα β. ένζυμο γ. ενεργό κέντρο ενζύμου

Απάντηση:

• Το σχήμα: ένα μεγάλο πορτοκαλί σώμα (σύμβολο 1) με μια εσοχή-σχισμή στο επάνω μέρος του (σύμβολο 3), πάνω από την οποία βρίσκεται ένα μικρό μπλε μόριο (σύμβολο 2) με σχήμα συμπληρωματικό προς την εσοχή — η εικόνα του μοντέλου «κλειδί-κλειδαριά» (Εικόνα 3.2, σελ. 35). Αντιστοίχιση (Παράρτημα: 10. α:2, β:1, γ:3):

• Έννοια	Αριθμός	Εξήγηση
  α. υπόστρωμα	2	το μικρό μόριο (αντιδρών) που θα προσδεθεί — το «κλειδί»
  β. ένζυμο	1	το μεγάλο πρωτεϊνικό μόριο — η «κλειδαριά»
  γ. ενεργό κέντρο ενζύμου	3	η εσοχή/σχισμή του ενζύμου με τρισδιάστατη δομή συμπληρωματική προς το υπόστρωμα, όπου γίνεται η πρόσδεση

• Στην αντίδραση το υπόστρωμα (2) εισχωρεί στο ενεργό κέντρο (3) του ενζύμου (1), οι δεσμοί του αναδιατάσσονται, σχηματίζεται το προϊόν που ελευθερώνεται, και το ένζυμο μένει αμετάβλητο.

Σύνοψη: (ενδεικτική) α. υπόστρωμα → 2 (μικρό μόριο-«κλειδί»), β. ένζυμο → 1 (μεγάλο μόριο), γ. ενεργό κέντρο → 3 (εσοχή πρόσδεσης) — Παράρτημα: α:2, β:1, γ:3.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Αντιστοίχιση με σχήμα — λύση του βιβλίου.