בגרות בביולוגיה 043182 - קיץ 2024

הטמפרטורה במבחנה 2 – $35^\circ\text{C}$ – קרובה לטמפרטורה האופטימלית של לקטאז, אנזים של גוף האדם (שטמפרטורתו כ־$37^\circ\text{C}$). בטמפרטורה זו המבנה המרחבי של האנזים תקין, המולקולות נעות מהר יחסית, והמפגשים בין המצע (לקטוז) לבין האתר הפעיל של האנזים רבים. לכן קצב הפירוק היה הגבוה ביותר, וכל הלקטוז במבחנה פורק לחד־סוכרים (גלוקוז וגלקטוז) עד סוף הניסוי – לא נשארו דו־סוכרים.

במבחנה 1 נשארה כמות בינונית של דו־סוכרים – כלומר חלק מן הלקטוז פורק וחלקו לא.

•הטמפרטורה – $20^\circ\text{C}$ – נמוכה מן האופטימלית. בטמפרטורה נמוכה המולקולות (האנזים והמצע) נעות לאט יותר, ולכן יש פחות מפגשים בין הלקטוז לבין האתר הפעיל של הלקטאז ביחידת זמן.

•האנזים לא נפגע – מבנהו המרחבי והאתר הפעיל תקינים – ולכן הוא פעיל, אבל בקצב נמוך מאשר ב־$35^\circ\text{C}$.

•מכאן שבזמן הניסוי (כמה דקות) פורק רק חלק מן הלקטוז, ונשארה כמות בינונית של דו־סוכרים – פחות מאשר במבחנה 3 (שבה האנזים אינו פעיל) ויותר מאשר במבחנה 2 (שבה הפעילות מרבית).

טעות נפוצה: לכתוב שבטמפרטורה נמוכה האנזים עובר דנטורציה – בטמפרטורה נמוכה האנזים רק מאט את פעילותו, ואם מחממים אותו לטמפרטורה מתאימה הוא חוזר לפעול.

במבחנה 3 נשארה כמות גדולה של דו־סוכרים – כמעט כל הלקטוז לא פורק.

•לקטאז הוא חלבון. בטמפרטורה גבוהה מאוד – $80^\circ\text{C}$ – נשברים הקשרים השומרים על המבנה המרחבי של החלבון, והאנזים עובר דנטורציה (שינוי בלתי הפיך במבנה המרחבי).

•כתוצאה מכך משתנה צורת האתר הפעיל, ואין עוד התאמה בין האתר הפעיל לבין המצע (הלקטוז) – המצע אינו נקשר לאנזים.

•לכן האנזים אינו מזרז את פירוק הלקטוז, וכמות הדו־סוכרים נשארה גדולה (כמעט ללא שינוי מן הכמות ההתחלתית).

טעות נפוצה: לכתוב שהאנזים "מת" – אנזים אינו יצור חי; יש לכתוב שהוא עבר דנטורציה והאתר הפעיל שלו השתנה.

דיפוזיה היא מעבר פסיבי של חומר מאזור שבו ריכוזו גבוה לאזור שבו ריכוזו נמוך, עד להשוואת הריכוזים.

- חמצן – מן האוויר שבנאדית אל הדם. ריכוז החמצן באוויר שבחלל הנאדית הוא $100$ מ"מ כספית, ובדם המגיע לריאות בעורקי הריאה רק $40$ מ"מ כספית (דם זה מסר חמצן לתאי הגוף). הריכוז באוויר גבוה ב־$60$ מ"מ כספית, ולכן החמצן עובר דרך דופן הנאדית ודופן הנים אל הדם.

- פחמן דו־חמצני – מן הדם אל האוויר שבנאדית. ריכוז ה־$\text{CO}_2$ בדם בעורקי הריאה הוא $46$ מ"מ כספית (דם זה קלט $\text{CO}_2$ – תוצר הנשימה התאית – מתאי הגוף), ובאוויר שבנאדית $40$ מ"מ כספית בלבד. הריכוז בדם גבוה יותר, ולכן ה־$\text{CO}_2$ עובר מן הדם אל חלל הנאדית ונפלט בנשיפה.

טעות נפוצה: לחשוב שהדם בעורקי הריאה עשיר בחמצן כי הוא זורם ב"עורקים" – עורקי הריאה מובילים מן הלב אל הריאות דם עני בחמצן ועשיר ב־$\text{CO}_2$, כפי שמראים הנתונים.

הסבר: חילוף הגזים מתרחש בדיפוזיה, וקצב הדיפוזיה גדול יותר ככל שהמרחק שהחומר צריך לעבור קטן יותר. בזכות הדפנות הדקות המרחק בין האוויר שבנאדית לבין הדם קצר מאוד, ולכן חמצן עובר במהירות מן האוויר לדם ו־$\text{CO}_2$ מן הדם לאוויר – בקצב שמספיק לצורכי הגוף.

(התאמות נוספות אפשריות: מספר עצום של נאדיות – יוצר שטח פנים גדול מאוד לחילוף גזים, ולכן עוברת כמות גדולה של גזים ביחידת זמן; דופן לחה – הגזים מתמוססים בנוזל ועוברים דרך הדופן; רשת נימים צפופה – זרימת הדם מרחיקה כל הזמן את החמצן ומביאה $\text{CO}_2$, וכך נשמר הפרש הריכוזים.)

נימוק לגבי האינסולין: אינסולין הוא ההורמון המוריד את ריכוז הגלוקוז בדם. כשריכוז הגלוקוז גבוה (למשל לאחר ארוחה), תאי הלבלב מגיבים בהפרשה מוגברת של אינסולין, וכך ריכוז הגלוקוז יורד חזרה לרמה התקינה (משוב שלילי). לכן ריכוז האינסולין צריך לעלות ככל שריכוז הגלוקוז עולה – וזה מה שמראה עקום ב: נמוך בריכוזי גלוקוז נמוכים (עד כ־$0.7$ גרם/ליטר), עולה בחדות עד $3$ גרם/ליטר וממשיך לעלות עד $5$ גרם/ליטר.

(לחלופין – נימוק לגבי הגלוקגון: גלוקגון מעלה את ריכוז הגלוקוז בדם, ולכן הוא מופרש בעיקר כשריכוז הגלוקוז נמוך, והפרשתו פוחתת כשריכוז הגלוקוז עולה – כמו עקום א: גבוה בריכוז $0$, יורד בהדרגה ומ־$3$ גרם/ליטר נשאר נמוך.)

אינסולין – גורם לירידה בריכוז הגלוקוז בדם. האינסולין מגיע בדם אל תאי המטרה – בעיקר תאי הכבד והשרירים – ונקשר לקולטנים שעל קרום התא. בעקבות זאת התאים קולטים גלוקוז מן הדם, ובתאי הכבד והשרירים הגלוקוז הופך לגליקוגן ונאגר. הגלוקוז יוצא מן הדם אל התאים, ולכן ריכוזו בדם יורד.

(לחלופין – גלוקגון – גורם לעלייה בריכוז הגלוקוז בדם: הגלוקגון נקשר לקולטנים בתאי הכבד וגורם לפירוק הגליקוגן האגור בהם לגלוקוז. הגלוקוז משתחרר מן הכבד אל הדם, ולכן ריכוזו בדם עולה.)

חיסון פעיל – האדם מקבל אנטיגנים של הנגיף, ומערכת החיסון שלו עצמו מייצרת נוגדנים ותאי זיכרון.

חיסון סביל – האדם מקבל נוגדנים מוכנים נגד הארס, שיוצרו בגוף של בעל חיים אחר.

- הרכב: נגיפי שפעת מומתים או מוחלשים, או חלקים מהם – כלומר אנטיגנים של הנגיף, שאינם גורמים למחלה.

- מה קורה בגוף: מערכת החיסון מזהה את האנטיגנים כזרים ומגיבה תגובה ראשונית: נוצרים נוגדנים ייחודיים לנגיף ותאי זיכרון הנשארים בגוף זמן רב. התגובה לוקחת זמן (ימים עד שבועות), ולכן מתחסנים בתחילת החורף – לפני עונת השפעת.

- כיצד נמנע הנזק: כשהאדם נחשף בהמשך לנגיף השפעת, תאי הזיכרון מזהים אותו מיד ומפעילים תגובה משנית – מהירה וחזקה: נוצרים במהירות נוגדנים רבים, הנקשרים לנגיף ומנטרלים אותו לפני שיספיק להתרבות בתאי דרכי הנשימה ולגרום למחלה.

- הרכב: נוגדנים מוכנים נגד רכיבי הארס. מייצרים אותם בבעל חיים (למשל סוס) שהוזרקו לו מנות קטנות של ארס, ומפיקים אותם מדמו.

- כיצד נמנע הנזק: הארס כבר נמצא בגוף ופועל במהירות, ואין זמן לחכות שמערכת החיסון של האדם תייצר נוגדנים בעצמה (תגובה ראשונית נמשכת ימים). הנוגדנים המוזרקים נקשרים מיד לרכיבי הארס (האנטיגנים) ומנטרלים אותם, וכך הארס אינו פוגע בתאים וברקמות.

•ההגנה מיידית אבל קצרה: הנוגדנים מתפרקים בתוך זמן קצר, ולא נוצרים תאי זיכרון.

טעות נפוצה: לכתוב שבחיסון נגד ארס מזריקים "ארס מוחלש" – אילו כך היה, הגוף היה צריך זמן רב לייצר נוגדנים, והאדם המוכש היה נפגע בינתיים. מה שקובע את סוג החיסון הוא מה מכניסים: אנטיגן (פעיל) או נוגדנים מוכנים (סביל).

קשר בין הרמות:

1. מולקולה: המוגלובין – חלבון שבתאי הדם האדומים – קושר חמצן בנימי הריאות ומוסר אותו לתאים בנימי איברי הגוף.

2. דם: במחסור בהמוגלובין הדם מוביל פחות חמצן, ולתאי הגוף מגיע פחות חמצן.

3. תא: החמצן דרוש לנשימה התאית, שבה מופקת מן הגלוקוז אנרגיה בצורת $\text{ATP}$. בחוסר חמצן קצב הנשימה התאית יורד, ומופק פחות $\text{ATP}$.

4. איבר וגוף: לתאי השרירים (ולתאים אחרים) אין די אנרגיה לפעילותם – השרירים מתכווצים פחות ומתעייפים מהר, והאדם מרגיש חולשה ועייפות.

טעות נפוצה: לעצור ב"פחות חמצן" בלי לקשר לנשימה התאית ולהפקת האנרגיה – החולשה נובעת מחוסר באנרגיה ($\text{ATP}$) בתאים.

דופן העורקים עבה, ובה שכבת שריר וסיבים גמישים; דופן הוורידים דקה הרבה יותר (וחללם רחב יותר).

(הבדל אפשרי נוסף: בוורידים יש מסתמים – בעורקים, פרט למוצאם מן הלב, אין.)

- עורקים – לחץ גבוה: העורקים מקבלים דם ישירות מחדרי הלב, הדוחפים אותו בכוח בכל התכווצות, ולכן הלחץ בהם גבוה. הדופן העבה והשרירית עומדת בלחץ הגבוה ואינה נקרעת, וגמישותה מאפשרת לה להתרחב בכל פעימה ולחזור לקדמותה – וכך הלחץ נשמר והדם ממשיך לזרום גם בזמן הרפיית הלב.

- ורידים – לחץ נמוך: הדם מגיע לוורידים אחרי שעבר ברשת הנימים, ובדרך הלחץ ירד מאוד. בלחץ נמוך אין סכנה לקריעת הדופן, ולכן דופן דקה מספיקה (והחלל הרחב מקטין את ההתנגדות לזרימה). (אם ציינתם מסתמים: בלחץ נמוך הדם נוטה לזרום לאחור, והמסתמים נסגרים ומבטיחים זרימה בכיוון אחד – אל הלב.)

לפי הקטע (פסקה שנייה):

1. הקלה על כאבי שרירים ושיכוך כאבים – הקור מצמצם את התחושה בקולטני הכאב שבעור, והאנדורפינים המשתחררים מפחיתים כאב.

2. שיפור במצב הרוח – בעזרת האנדורפינים המשתחררים בזמן הטבילה.

(השפעות נוספות המוזכרות בקטע: הפגת מתחים; תחושת דריכות ונמרצות.)

1. אנזימים: כמעט כל התהליכים בתאים – פירוק ובנייה של חומרים, ובעיקר הנשימה התאית – הם תגובות כימיות שמזרזים אנזימים. האנזימים בגוף האדם פועלים בקצב מרבי בטמפרטורה האופטימלית – טמפרטורת הגוף, כ־$37^\circ\text{C}$.

2. השפעת הקור: בטמפרטורה נמוכה מ־$33^\circ\text{C}$ המולקולות (האנזימים והמצעים) נעות לאט יותר, ויש פחות מפגשים בין המצע לבין האתר הפעיל של האנזים ביחידת זמן – ולכן קצב התגובות האנזימטיות יורד (בקור האנזים אינו עובר דנטורציה, אלא פעילותו מואטת).

3. תוצאה בתא: קצב הנשימה התאית יורד, ומופק פחות $\text{ATP}$ – פחות אנרגיה לתהליכי התא (כמו כיווץ שרירים, העברת אותות עצביים, העברה פעילה). גם הפקת החום, שמקורה בנשימה התאית, קטנה – והגוף מתקרר עוד יותר.

4. תוצאה בגוף: פעילות תאי העצב והשרירים, ובהם שריר הלב, נפגעת – עלולים להופיע בלבול, אובדן שליטה בשרירים והפרעות בקצב הלב, ובמקרים קשים – מוות.

טעות נפוצה: לכתוב שבקור האנזימים עוברים דנטורציה – דנטורציה נגרמת בטמפרטורה גבוהה; בקור האנזים שומר על מבנהו אך פועל לאט.

1. הגורם: בקור כלי הדם ההיקפיים בעור מתכווצים (כמתואר בקטע), וזרימת הדם לעור יורדת מאוד.

2. מה הדם מספק לתאים: הדם מביא לתאי העור חמצן (קשור להמוגלובין) וגלוקוז וחומרי מזון נוספים, ומסלק מהם $\text{CO}_2$ ופסולת.

3. ברמת התא: כשהדם אינו מגיע, תאי העור אינם מקבלים די חמצן וגלוקוז – אלה החומרים הדרושים לנשימה התאית. קצב הנשימה התאית יורד מאוד, ומופק מעט מאוד $\text{ATP}$. בלי אנרגיה התא אינו יכול לקיים את תהליכי החיים שלו (למשל העברה פעילה, ייצור חלבונים), וגם פסולת מצטברת בו.

4. התוצאה: אם המצב נמשך, התאים מתים – ונוצר נמק ברקמת העור (בעיקר בידיים וברגליים, הרחוקות מן הלב והחשופות לקור).

טעות נפוצה: לנמק רק ב"התאים קפאו" – יש להסביר את הקשר בין זרימת דם, אספקת חמצן וגלוקוז, נשימה תאית והפקת אנרגיה.

לפי הקטע:

1. התכווצות כלי הדם ההיקפיים – כלי הדם הקרובים לעור מתכווצים, והדם זורם לאיברים הפנימיים.

2. עלייה בקצב חילוף החומרים (מטבוליזם) – הגברת הנשימה התאית בתאים, בליווי עלייה בקצב הלב ובקצב הנשימה.

(מנגנון נוסף אפשרי, שאינו מוזכר בקטע אך פועל בקור: רעד – התכווצויות מהירות ולא רצוניות של שרירי השלד.)

- התכווצות כלי הדם ההיקפיים – הקטנת איבוד החום: הדם נושא חום מן האיברים הפנימיים. כשכלי הדם בעור מתכווצים, מגיע לעור פחות דם חם, והוא נשאר בעיקר באיברים הפנימיים. לכן פחות חום עובר מן הגוף דרך העור אל המים הקרים, והטמפרטורה של האיברים הפנימיים (הלב, המוח) נשמרת.

- עלייה בקצב חילוף החומרים – הגדלת הפקת החום: בנשימה התאית רק חלק מן האנרגיה שבגלוקוז נאגר ב־$\text{ATP}$, וחלק ניכר משתחרר כחום. כשקצב הנשימה התאית עולה, התאים מפיקים יותר חום, והוא מפצה על החום שהגוף מאבד למים הקרים. העלייה בקצב הלב ובקצב הנשימה מספקת לתאים את החמצן והגלוקוז הדרושים לנשימה התאית המוגברת.

- (אם ציינתם רעד: השרירים מתכווצים במהירות ובלי לבצע תנועה מועילה; הנשימה התאית בהם מוגברת, ומשתחרר חום רב.)

למרות פעולת המנגנונים, בגרף טמפרטורת הגוף ירדה בזמן הטבילה מ־$36.58^\circ\text{C}$ (דקה $4$) ל־$35.7^\circ\text{C}$ (דקה $14$) – ירידה של כ־$0.9^\circ\text{C}$: איבוד החום למים הקרים מאוד היה גדול מן הפקת החום, והמנגנונים רק מיתנו את הירידה.

1. צורכי מערכת העיכול אחרי ארוחה: בשעות שאחרי האכילה איברי מערכת העיכול פעילים מאוד – שרירי הקיבה והמעי מתכווצים, בלוטות מפרישות מיצי עיכול, ותוצרי העיכול נספגים לדם בנימי המעי הדק. כל אלה דורשים אספקת דם רבה – חמצן וגלוקוז לנשימה התאית בתאי האיברים, ודם שיקלוט ויוביל את תוצרי העיכול הנספגים.

2. מה קורה ביציאה מן האמבט: לפי הקטע, כלי הדם מתרחבים וכמות גדולה של דם זורמת לשרירים. כמות הדם בגוף מוגבלת, ולכן כשדם רב מופנה לשרירים – מגיע פחות דם לאיברי מערכת העיכול.

3. התוצאה: אם אכלו לפני הטבילה, מערכת העיכול לא תקבל את הדם הדרוש לה – העיכול והספיגה ייפגעו (ועלולים להופיע בחילה, כאבי בטן או קשיי עיכול), ושני האזורים – השרירים ומערכת העיכול – "יתחרו" על אותו דם. לכן מומלץ לאכול לפחות שעתיים לפני כן, כך שעיקר העיכול כבר יסתיים.