בגרות בכימיה אורגנית וביוכימיה 037382 - קיץ 2017

5 יח"ל (15%) · נבחני משנה ואקסטרניים · שאלון 037382 · 9 שאלות · 2 שעות

בחינת הבגרות בכימיה, כימיה אורגנית וביוכימיה, קיץ 2017, כל 9 השאלות כמו בשאלון. לכל סעיף יש תשובה ופתרון מלא: ניסוח מאוזן עם מצבי צבירה, הנוסחה מדף הנוסחאות, הצבה ותוצאה עם יחידות, והסבר במונחים שהבוחן מצפה להם.

הוראות הבחינה (כמו בשאלון)

משך הבחינה: שעתיים.
מבנה השאלון ומפתח ההערכה: בשאלון זה שני פרקים.
•פרק ראשון — (1×30)(1\times30)(1×30) — 30 נקודות
•פרק שני — (2×35)(2\times35)(2×35) — 70 נקודות
•סה"כ — 100 נקודות
חומר עזר מותר בשימוש: מחשבון (כולל מחשבון גרפי). נספח: נוסחאות ונתונים בכימיה.
הוראות מיוחדות:
(1) שים לב: בפרק הראשון יש שאלה אחת חובה. בשאלה 1 יש שישה סעיפים א-ו. לכל סעיף מוצגות ארבע תשובות, ומהן עליך לבחור בתשובה הנכונה. את התשובות הנכונות עליך לסמן בתשובון שבסוף מחברת הבחינה (עמוד 19).
(2) בפרק השני יש לענות על שתיים מבין שלוש שאלות.
פרק ראשון (30 נקודות): שאלה 1 — חובה — ענה על כל הסעיפים א-ו (לכל סעיף — 5 נקודות).
פרק שני (70 נקודות): ענה על שתיים מן השאלות 2-4 (לכל שאלה — 35 נקודות).
ההנחיות בשאלון זה מנוסחות בלשון זכר ומכוונות לנבחנות ולנבחנים כאחד.
בשנה זו לא היו הנחיות מענה מיוחדות: כל שישה סעיפי הרב־ברירה נספרים (5 נקודות לכל אחד).

פרק ראשון (30 נקודות)

בשאלון זה שני פרקים. ענה על שלוש שאלות — שאלת חובה מפרק ראשון ושתי שאלות מפרק שני.
שאלה 1 — חובה
ענה על כל הסעיפים א-ו (לכל סעיף — 5 נקודות).
לכל סעיף מוצעות ארבע תשובות 1-4.
לפני שתענה, קרא את כל התשובות המוצעות, ובחר בתשובה המתאימה ביותר.
•את התשובה שבחרת סמן בתשובון שבכריכה הפנימית בסוף מחברת הבחינה (עמוד 19).
•בכל סעיף סמן בעט ×\times× במשבצת שמתחת למספר (1-4) המייצג את התשובה שבחרת.
•בכל סעיף יש לסמן ×\times× אחד בלבד.
•כדי למחוק סימון יש למלא את כל המשבצת: ■
•אסור למחוק בטיפקס.
•שים לב: כדאי להימנע ככל האפשר ממחיקות בתשובון, לכן מומלץ לסמן את התשובות הנכונות קודם בשאלון עצמו, ורק אחר כך לסמן אותן בתשובון.

שאלה 1 סעיף א · איזומריה גאומטרית (ציס-טרנס) באלקנים

רב-ברירה

לאיזו תרכובת יש איזומריה גאומטרית (ציס-טרנס)?

1.
$\text{CH}_2\text{=CHCH}_3$
2.
$\text{CH}_3\text{CH=CCl}_2$
3.
$\text{CHCl=CHCH}_3$
4.
$\text{(CH}_3\text{)}_2\text{C=CHCl}$

◂ פתרון מלא לשאלה 1 סעיף א

התשובה הנכונה: 3

תשובה:

ג (3) – CHCl=CHCH3\text{CHCl=CHCH}_3CHCl=CHCH3​ : לכל אחד משני אטומי הפחמן של הקשר הכפול קשורות שתי קבוצות שונות.

תשובה: 3.
איזומריה גאומטרית (ציס-טרנס) קיימת באלקן רק אם לכל אחד משני אטומי הפחמן של הקשר הכפול קשורות שתי קבוצות שונות זו מזו. הסיבה: אין סיבוב חופשי סביב הקשר הכפול, ולכן אפשר לקבל שני סידורים מרחביים שונים – הקבוצות הזהות (או הדומות) מאותו צד של הקשר הכפול (ציס) או מצדדים מנוגדים (טרנס).
3 – נכון. ב- CHCl=CHCH3\text{CHCl=CHCH}_3CHCl=CHCH3​ (1-כלורו-1-פרופן): לפחמן הראשון קשורים H\text{H}H ו- Cl\text{Cl}Cl , ולפחמן השני קשורים H\text{H}H ו- CH3\text{CH}_3CH3​ . לכל פחמן שתי קבוצות שונות, ולכן יש איזומר ציס (שני אטומי המימן מאותו צד) ואיזומר טרנס (אטומי המימן מצדדים מנוגדים).
1 – שגוי. ב- CH2=CHCH3\text{CH}_2\text{=CHCH}_3CH2​=CHCH3​ לפחמן הקצה קשורים שני אטומי מימן זהים, ולכן החלפת הצדדים נותנת את אותה מולקולה.
2 – שגוי. ב- CH3CH=CCl2\text{CH}_3\text{CH=CCl}_2CH3​CH=CCl2​ לפחמן השני של הקשר הכפול קשורים שני אטומי כלור זהים.
4 – שגוי. ב- (CH3)2C=CHCl\text{(CH}_3\text{)}_2\text{C=CHCl}(CH3​)2​C=CHCl לפחמן הראשון של הקשר הכפול קשורות שתי קבוצות מתיל זהות.

שאלה 1 סעיף ב · תכונות ותגובות של כהל ראשוני מסועף

רב-ברירה

שימו לב: חלק מהשאלה לא במיקוד תשפ"ז

התשובה הנכונה (4) מבוססת על הרחקת מים מכהל בחימום עם חומצה גופרתית (אלימינציה), שאינה בחומר לבחינה ב-2027.

לפניך ארבעה היגדים הנוגעים לתרכובת (CH3)3CCH2OH(l)\text{(CH}_3\text{)}_3\text{CCH}_2\text{OH}_{(l)}(CH3​)3​CCH2​OH(l)​ .
מהו ההיגד הנכון?

1.
התרכובת מגיבה עם תמיסת $\text{NaOH}_{(aq)}$ .
2.
התרכובת מגיבה מידית עם תמיסת $\text{HCl}_{(aq)} / \text{ZnCl}_{2(aq)}$ .
3.
התרכובת אינה מגיבה עם תמיסת $\text{KMnO}_{4(aq)}$ .
4.
התרכובת אינה מגיבה בחימום עם חומצה גופרתית, $\text{H}_2\text{SO}_{4(l)}$ .

◂ פתרון מלא לשאלה 1 סעיף ב

התשובה הנכונה: 4

תשובה:

ד (4) – לאטום הפחמן השכן לפחמן הקשור לקבוצת ה-OH אין אטומי מימן, ולכן לא תיתכן הרחקת מים (אלימינציה) ליצירת אלקן.

תשובה: 4.
התרכובת (CH3)3C–CH2–OH\text{(CH}_3\text{)}_3\text{C–CH}_2\text{–OH}(CH3​)3​C–CH2​–OH (2,2-דימתיל-1-פרופנול) היא כהל ראשוני: אטום הפחמן הקשור לקבוצת ה- OH\text{OH}OH קשור לאטום פחמן אחד בלבד.
4 – נכון. בחימום עם חומצה גופרתית מתרחשת בכהלים הרחקת מים (אלימינציה): מוסרים קבוצת OH\text{OH}OH מפחמן אחד ואטום H\text{H}H מאטום הפחמן השכן, ונוצר קשר כפול. בתרכובת זו אטום הפחמן השכן הוא C(CH3)3\text{C(CH}_3\text{)}_3C(CH3​)3​ – פחמן שקשור לארבעה אטומי פחמן ואין עליו אף אטום מימן. לכן לא תיתכן הרחקת מים ליצירת אלקן, והתרכובת אינה מגיבה בתגובה זו.
1 – שגוי. כהלים אינם מגיבים עם תמיסת NaOH\text{NaOH}NaOH . קבוצת ה- OH\text{OH}OH בכהל קשורה בקשר קוולנטי לאטום פחמן; היא אינה יון הידרוקסיד, והכהל אינו חומצה שמגיבה עם בסיס בתמיסה מימית.
2 – שגוי. מגיב לוקאס ( HCl/ZnCl2\text{HCl}/\text{ZnCl}_2HCl/ZnCl2​ ) מגיב מידית (עכירות מיד) רק עם כהל שלישוני. כהל ראשוני אינו מגיב עם מגיב לוקאס בטמפרטורת החדר (התמיסה נשארת צלולה).
3 – שגוי. כהל ראשוני מתחמצן בתמיסת KMnO4\text{KMnO}_4KMnO4​ – לאטום הפחמן הקשור ל- OH\text{OH}OH יש שני אטומי מימן. מתקבלת החומצה הקרבוקסילית (CH3)3C–COOH\text{(CH}_3\text{)}_3\text{C–COOH}(CH3​)3​C–COOH (דרך האלדהיד (CH3)3C–CHO\text{(CH}_3\text{)}_3\text{C–CHO}(CH3​)3​C–CHO ).

שאלה 1 סעיף ג · הבחנה בין כהל ראשוני לכהל שלישוני

רב-ברירה

נתונות שלוש בדיקות I-III , שאפשר לבצע אותן במעבדה.
I   בדיקה של מסיסות במים
II   קביעה של טמפרטורת רתיחה
III   תגובה עם תמיסה חומצית של K2Cr2O7(aq)\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_{7(aq)}K2​Cr2​O7(aq)​
באמצעות אילו בדיקות אפשר להבחין בין שתי התרכובות:
(CH3)3COH(l)\text{(CH}_3\text{)}_3\text{COH}_{(l)}(CH3​)3​COH(l)​ ו־ CH3(CH2)8CH2OH(l)\text{CH}_3\text{(CH}_2\text{)}_8\text{CH}_2\text{OH}_{(l)}CH3​(CH2​)8​CH2​OH(l)​ ?

1.
I ו־ II
2.
I ו־ III
3.
II ו־ III
4.
I , II ו־ III

◂ פתרון מלא לשאלה 1 סעיף ג

התשובה הנכונה: 4

תשובה:

ד (4) – שלוש הבדיקות מבחינות בין התרכובות: המסיסות במים שונה, טמפרטורת הרתיחה שונה, ורק הכהל הראשוני מגיב עם הדיכרומט.

תשובה: 4.
(CH3)3COH\text{(CH}_3\text{)}_3\text{COH}(CH3​)3​COH (2-מתיל-2-פרופנול) הוא כהל שלישוני קטן (4 אטומי פחמן). CH3(CH2)8CH2OH\text{CH}_3\text{(CH}_2\text{)}_8\text{CH}_2\text{OH}CH3​(CH2​)8​CH2​OH (1-דקנול) הוא כהל ראשוני עם שרשרת פחמנית ארוכה (10 אטומי פחמן).
I – מבחינה. בשתי התרכובות קבוצת OH\text{OH}OH אחת, שיכולה ליצור קשרי מימן עם מולקולות המים. ב-2-מתיל-2-פרופנול החלק הפחמימני קטן, והתרכובת מתמוססת היטב במים. ב-1-דקנול החלק הפחמימני הלא קוטבי ארוך, ההשפעה שלו גוברת על השפעת קבוצת ה- OH\text{OH}OH , והתרכובת כמעט אינה מתמוססת במים (נוצרות שתי שכבות).
II – מבחינה. בין המולקולות של שתי התרכובות יש קשרי מימן וכוחות ואן דר ואלס. ענן האלקטרונים של מולקולת 1-דקנול גדול הרבה יותר (יותר אלקטרונים), והמולקולה ארוכה ולא מסועפת – שטח המגע בין המולקולות גדול. לכן כוחות ואן דר ואלס בין מולקולות 1-דקנול חזקים הרבה יותר, וטמפרטורת הרתיחה שלו גבוהה בהרבה.
III – מבחינה. דיכרומט בתמיסה חומצית מחמצן כהל ראשוני (צבע התמיסה משתנה מכתום לירוק, כי Cr2O72−\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}Cr2​O72−​ מתחזר ל- Cr3+\text{Cr}^{3+}Cr3+ ). כהל שלישוני אינו מתחמצן, כי לאטום הפחמן הקשור לקבוצת ה- OH\text{OH}OH אין אטום מימן – צבע התמיסה נשאר כתום.
מכיוון שכל אחת משלוש הבדיקות נותנת תוצאה שונה לשתי התרכובות, התשובות 1, 2 ו-3 (שכל אחת מהן כוללת רק שתי בדיקות) אינן המתאימות ביותר.

שאלה 1 סעיף ד · הנקודה האיזואלקטרית של ליזין

רב-ברירה

שימו לב: חלק מהשאלה לא במיקוד תשפ"ז

קביעת הנקודה האיזואלקטרית של חומצה אמינית ומטען חומצה אמינית כתלות ב-pH אינם בחומר לבחינה ב-2027.

באיזה תחום pH נמצאת הנקודה האיזואלקטרית, pI , של החומצה האמינית ליזין, Lys ?

1.
בסיסי
2.
ניטרלי
3.
חומצי
4.
אי אפשר לקבוע ללא נתונים נוספים

◂ פתרון מלא לשאלה 1 סעיף ד

התשובה הנכונה: 1

תשובה:

א (1) – בסיסי: לליזין קבוצה אמינית נוספת בשייר הצדדי, ולכן הוא חומצה אמינית בסיסית.

תשובה: 1.
לפי הנספח, בליזין יש בשייר הצדדי קבוצה אמינית נוספת: H3N+–CH2–CH2–CH2–CH2–\text{H}_3\text{N}^+\text{–CH}_2\text{–CH}_2\text{–CH}_2\text{–CH}_2\text{–}H3​N+–CH2​–CH2​–CH2​–CH2​– . ב- pH=7\text{pH}=7pH=7 במולקולה יש שתי קבוצות –NH3+\text{–NH}_3^+–NH3+​ וקבוצת –COO−\text{–COO}^-–COO− אחת, ולכן המטען הכולל שלה +1+1+1 .
הנקודה האיזואלקטרית היא ערך ה-pH שבו המטען הכולל של החומצה האמינית הוא אפס. כדי להגיע למטען אפס צריך להוציא H+\text{H}^+H+ מאחת מקבוצות ה- –NH3+\text{–NH}_3^+–NH3+​ , כלומר להעלות את ה-pH מעל 7. לכן ה-pI של ליזין נמצא בתחום הבסיסי (לפי הנספח, pI=12(pKa2+pKaR)\text{pI}=\frac{1}{2}(\text{pKa}_2+\text{pKa}_R)pI=21​(pKa2​+pKaR​) – ממוצע של שני ערכי pKa של קבוצות אמיניות, ששניהם בתחום הבסיסי).
2 – שגוי. pI ניטרלי בקירוב מתאים לחומצה אמינית עם שייר צדדי לא טעון (למשל גליצין).
3 – שגוי. pI חומצי מתאים לחומצה אמינית עם קבוצה קרבוקסילית בשייר הצדדי (למשל חומצה אספרטית).
4 – שגוי. לא נדרש ערך מספרי מדויק של pI; כדי לקבוע את התחום מספיק לדעת שבשייר הצדדי יש קבוצה בסיסית.

שאלה 1 סעיף ה · הקוד הגנטי – ריבוי קודונים לחומצה אמינית

רב-ברירה

שינויים מסוימים ברצף נוקלאוטידים בגדיל ה־ DNA אינם מביאים לשינוי ברצף של החומצות האמיניות במולקולת החלבון, המתקבלת לאחר תעתוק ותרגום.
מהי הסיבה לכך?

1.
חומצה אמינית אחת מקודדת על ידי קודון אחד בלבד.
2.
קודון אחד מקודד כמה חומצות אמיניות.
3.
חומצה אמינית אחת מקודדת על ידי כמה קודונים.
4.
קודון אחד מקודד כמה נוקלאוטידים.

◂ פתרון מלא לשאלה 1 סעיף ה

התשובה הנכונה: 3

תשובה:

ג (3) – רוב החומצות האמיניות מקודדות על ידי כמה קודונים, ולכן שינוי בנוקלאוטיד יכול להפוך קודון לקודון אחר של אותה חומצה אמינית.

תשובה: 3.
הקוד הגנטי כולל 64 קודונים (רצפים של שלושה נוקלאוטידים), אך הם מקודדים רק 20 חומצות אמיניות (ועוד קודוני עצירה). לכן לרוב החומצות האמיניות יש כמה קודונים. למשל, לפי טבלת הקודונים בנספח, הקודונים GGU\text{GGU}GGU , GGC\text{GGC}GGC , GGA\text{GGA}GGA ו- GGG\text{GGG}GGG מקודדים כולם גליצין. שינוי בנוקלאוטיד ב-DNA, שמשנה ב-mRNA את הקודון GGU\text{GGU}GGU ל- GGC\text{GGC}GGC , אינו משנה את החומצה האמינית שתשתלב בחלבון.
1 – שגוי. אילו כל חומצה אמינית הייתה מקודדת על ידי קודון אחד בלבד, כל שינוי בקודון היה משנה את החומצה האמינית (או יוצר קודון עצירה). זה גם אינו נכון עובדתית.
2 – שגוי. כל קודון מקודד חומצה אמינית אחת בלבד (או עצירה), אחרת התרגום לא היה חד-משמעי.
4 – שגוי. קודון מורכב משלושה נוקלאוטידים, הוא אינו "מקודד" נוקלאוטידים; ההיגד אינו מסביר את התופעה.

שאלה 1 סעיף ו · קשרי מימן בין ציטוזין לגואנין

רב-ברירה

ציטוזין (C) וגואנין (G) הם בסיסים משלימים.
באיזה מן האיורים 1-4 שלפניך מתוארים נכון קשרי המימן בין ציטוזין וגואנין במולקולת DNA ?

◂ פתרון מלא לשאלה 1 סעיף ו

התשובה הנכונה: 2

תשובה:

ב (2) – שלושה קשרי מימן: N–H (של NH2\text{NH}_2NH2​ בציטוזין)···O של גואנין; N של ציטוזין···H–N של גואנין; O של ציטוזין···H–N (של NH2\text{NH}_2NH2​ בגואנין).

תשובה: 2.
קשר מימן נוצר בין אטום מימן הקשור לאטום אלקטרושלילי ( N\text{N}N או O\text{O}O ) במולקולה אחת, לבין זוג אלקטרונים לא קושר על אטום N\text{N}N או O\text{O}O במולקולה השנייה. בין ציטוזין לגואנין נוצרים שלושה קשרי מימן:
1. אטום מימן של קבוצת ה- NH2\text{NH}_2NH2​ בציטוזין ··· אטום החמצן של קבוצת C=O\text{C=O}C=O בגואנין.
2. אטום החנקן בטבעת של ציטוזין (שאין עליו מימן) ··· אטום המימן של קבוצת N–H\text{N–H}N–H בטבעת של גואנין.
3. אטום החמצן של קבוצת C=O\text{C=O}C=O בציטוזין ··· אטום מימן של קבוצת ה- NH2\text{NH}_2NH2​ בגואנין.
באיור 2 מתוארים שלושת הקשרים האלה בדיוק.
1 – שגוי. מתוארים רק שני קשרי מימן; חסר הקשר בין החמצן של ציטוזין לאטום המימן של קבוצת ה- NH2\text{NH}_2NH2​ בגואנין.
3 – שגוי. מתוארים ארבעה קשרים, ואחד מהם הוא בין אטום מימן לאטום מימן ( N–H⋯H–N\text{N–H}\cdots\text{H–N}N–H⋯H–N ) – קשר כזה אינו אפשרי, כי לאטום מימן קשור אין זוג אלקטרונים לא קושר.
4 – שגוי. מתוארים רק שני קשרי מימן; קבוצת ה- N–H\text{N–H}N–H בטבעת של גואנין אינה יוצרת קשר מימן עם אטום החנקן של ציטוזין.

פרק שני (70 נקודות)

ענה על שתיים מן השאלות 2-4. לכל שאלה — 35 נקודות.

שאלה 2 · מ-1-בוטן ל-2-בוטנון: סיפוח HBr, התמרה, אננטיומרים ו- $S_{N} 2$

שאלה פתוחה

שימו לב: חלק מהשאלה לא במיקוד תשפ"ז

סעיף ב (אננטיומרים, מנגנון SN2\text{S}_\text{N}2SN​2 ופעילות אופטית) וסעיף ג (גורמים המשפיעים על קצב תגובת SN2\text{S}_\text{N}2SN​2 : קבוצה עוזבת, חוזק הנוקלאופיל, ממס) אינם בחומר לבחינה ב-2027. סעיף א (סיפוח HBr לפי כלל מרקובניקוב, התמרה וחמצון כהל) במיקוד.

לפניך שרשרת תגובות. האותיות A , B , C , D מייצגות תרכובות פחמן.
A→HBr(g)B→OH(aq)−C→MnO4(aq)−D\text{A} \xrightarrow{\text{HBr}_{(g)}} \text{B} \xrightarrow{\text{OH}^-_{(aq)}} \text{C} \xrightarrow{\text{MnO}^-_{4(aq)}} \text{D}AHBr(g)​​BOH(aq)−​​CMnO4(aq)−​​D
נתון ייצוג מקוצר לנוסחת המבנה של התרכובת A : CH3−CH2−CH=CH2\text{CH}_3 - \text{CH}_2 - \text{CH} = \text{CH}_2CH3​−CH2​−CH=CH2​

א.

רשום ייצוג מקוצר לנוסחת המבנה של כל אחת מן התרכובות B , C , D .

ב.

(i)

לתרכובת B יש שני אננטיומרים.
עבור כל אחד מן האננטיומרים, סרטט את המבנה המרחבי סביב אטום הפחמן הכיראלי.

(ii)

הגיבו אחד מן האננטיומרים של תרכובת B עם תמיסת נתרן הידרוקסידי, NaOH(aq)\text{NaOH}_{(aq)}NaOH(aq)​ , והתקבל תוצר פעיל אופטית.
נסח את מנגנון התגובה.

(iii)

הסבר מדוע התוצר שהתקבל בתגובה זו הוא פעיל אופטית.

ג.

תרכובת B מגיבה עם יוני CH3S(CH3OH)−\text{CH}_3\text{S}^-_{(\text{CH}_3\text{OH})}CH3​S(CH3​OH)−​ . בתגובה זו מתאנול, CH3OH(l)\text{CH}_3\text{OH}_{(l)}CH3​OH(l)​ , הוא הממס.
קבע אם קצב התגובה יעלה, ירד או לא ישתנה בעקבות כל אחת מן הפעולות i-iii שלפניך.
נמק כל קביעה.

(i)

החלפת אטומי הברום, Br , במולקולות החומר המותקף, באטומי יוד, I .

(ii)

החלפת הנוקלאופיל CH3S(CH3OH)−\text{CH}_3\text{S}^-_{(\text{CH}_3\text{OH})}CH3​S(CH3​OH)−​ בנוקלאופיל CH3SH(CH3OH)\text{CH}_3\text{SH}_{(\text{CH}_3\text{OH})}CH3​SH(CH3​OH)​ .

(iii)

החלפת הממס CH3OH(l)\text{CH}_3\text{OH}_{(l)}CH3​OH(l)​ בממס DMSO , (CH3)2SO(l)\text{(CH}_3\text{)}_2\text{SO}_{(l)}(CH3​)2​SO(l)​ .

◂ פתרון מלא לשאלה 2

סעיף א

תשובה:

B: CH3–CH2–CHBr–CH3\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CHBr–CH}_3CH3​–CH2​–CHBr–CH3​ (2-ברומובוטאן); C: CH3–CH2–CH(OH)–CH3\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CH(OH)–CH}_3CH3​–CH2​–CH(OH)–CH3​ (2-בוטנול); D: CH3–CH2–CO–CH3\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CO–CH}_3CH3​–CH2​–CO–CH3​ (בוטנון).

A → B: סיפוח HBr לאלקן. A הוא 1-בוטן. בסיפוח HBr\text{HBr}HBr לקשר הכפול נשבר הקשר הכפול, ואטום H\text{H}H ואטום Br\text{Br}Br נקשרים לשני אטומי הפחמן שלו. לפי כלל מרקובניקוב, אטום המימן נקשר לאטום הפחמן של הקשר הכפול שכבר קשורים אליו יותר אטומי מימן (הפחמן הקצה, =CH2\text{=CH}_2=CH2​ ), ואטום הברום נקשר לפחמן השני:
CH3–CH2–CH=CH2+HBr→CH3–CH2–CHBr–CH3\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CH=CH}_2 + \text{HBr} \rightarrow \text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CHBr–CH}_3CH3​–CH2​–CH=CH2​+HBr→CH3​–CH2​–CHBr–CH3​
B: CH3–CH2–CHBr–CH3  (2-ברומובוטאן)\text{B}:\ \text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CHBr–CH}_3\ \ \text{(2-ברומובוטאן)}B: CH3​–CH2​–CHBr–CH3​  (2-ברומובוטאן)
B → C: תגובת התמרה. יון ההידרוקסיד (נוקלאופיל) מתמיר את אטום הברום, וקבוצת OH\text{OH}OH נקשרת לאותו אטום פחמן שהיה קשור לברום:
CH3–CH2–CHBr–CH3+OH−→CH3–CH2–CH(OH)–CH3+Br−\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CHBr–CH}_3 + \text{OH}^- \rightarrow \text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CH(OH)–CH}_3 + \text{Br}^-CH3​–CH2​–CHBr–CH3​+OH−→CH3​–CH2​–CH(OH)–CH3​+Br−
C: CH3–CH2–CH(OH)–CH3  (2-בוטנול)\text{C}:\ \text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CH(OH)–CH}_3\ \ \text{(2-בוטנול)}C: CH3​–CH2​–CH(OH)–CH3​  (2-בוטנול)
C → D: חמצון. C הוא כהל שניוני (אטום הפחמן הקשור ל- OH\text{OH}OH קשור לשני אטומי פחמן ולאטום מימן אחד). חמצון כהל שניוני ביוני פרמנגנט נותן קטון:
CH3–CH2–CH(OH)–CH3+[O]→CH3–CH2–CO–CH3+H2O\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CH(OH)–CH}_3 + [\text{O}] \rightarrow \text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CO–CH}_3 + \text{H}_2\text{O}CH3​–CH2​–CH(OH)–CH3​+[O]→CH3​–CH2​–CO–CH3​+H2​O
D: CH3–CH2–CO–CH3  (בוטנון)\text{D}:\ \text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CO–CH}_3\ \ \text{(בוטנון)}D: CH3​–CH2​–CO–CH3​  (בוטנון)
טעות נפוצה: לרשום את B כ-1-ברומובוטאן (סיפוח שלא לפי כלל מרקובניקוב), ואז לקבל כהל ראשוני וחומצה קרבוקסילית במקום כהל שניוני וקטון.

סעיף ב

(i)

תשובה:

הפחמן הכיראלי הוא הפחמן השני, הקשור ל- H\text{H}H , Br\text{Br}Br , CH3\text{CH}_3CH3​ ו- C2H5\text{C}_2\text{H}_5C2​H5​ . שני האננטיומרים הם תמונת ראי זה של זה (איור).

ב-2-ברומובוטאן, CH3–CHBr–CH2–CH3\text{CH}_3\text{–CHBr–CH}_2\text{–CH}_3CH3​–CHBr–CH2​–CH3​ , אטום הפחמן השני קשור לארבע קבוצות שונות: H\text{H}H , Br\text{Br}Br , CH3\text{CH}_3CH3​ ו- C2H5\text{C}_2\text{H}_5C2​H5​ – זה הפחמן הכיראלי.
הסידור סביבו הוא טטראדרי. משרטטים שני קשרים במישור הדף (קו רגיל), קשר אחד שפונה אל המתבונן (טריז מלא) וקשר אחד שפונה אל מאחורי הדף (טריז מקווקו). האננטיומר השני הוא תמונת הראי של הראשון, ואי אפשר להלביש אותו עליו בשום סיבוב:
באננטיומר השמאלי: H\text{H}H למעלה ו- Br\text{Br}Br משמאל במישור הדף, CH3\text{CH}_3CH3​ אל המתבונן ו- C2H5\text{C}_2\text{H}_5C2​H5​ מאחורי הדף. באננטיומר הימני כל הקבוצות מוחלפות בתמונת ראי ( Br\text{Br}Br מימין, CH3\text{CH}_3CH3​ משמאל אל המתבונן, C2H5\text{C}_2\text{H}_5C2​H5​ מימין מאחורי הדף).

(ii)

תשובה:

מנגנון SN2\text{S}_\text{N}2SN​2 בשלב אחד: OH−\text{OH}^-OH− תוקף את הפחמן הכיראלי מהצד הנגדי לברום, דרך מצב מעבר [HO⋯C⋯Br]−[\text{HO}\cdots\text{C}\cdots\text{Br}]^-[HO⋯C⋯Br]− , ומתקבלים 2-בוטנול בתצורה הפוכה ויון Br−\text{Br}^-Br− .

התגובה היא התמרה נוקלאופילית מסדר שני, SN2\text{S}_\text{N}2SN​2 , והיא מתרחשת בשלב אחד:
1. יון ההידרוקסיד, OH−\text{OH}^-OH− (נוקלאופיל – יש לו זוגות אלקטרונים לא קושרים ומטען שלילי), נמשך לאטום הפחמן הכיראלי, שנושא מטען חלקי חיובי ( δ+\delta+δ+ ) בגלל הקשר הקוטבי Cδ+–Brδ−\text{C}^{\delta+}\text{–Br}^{\delta-}Cδ+–Brδ− .
2. ההתקפה מתרחשת מהצד הנגדי לאטום הברום (התקפה מאחור).
3. במצב המעבר הקשר C–O\text{C–O}C–O נוצר בזמן שהקשר C–Br\text{C–Br}C–Br נשבר. אטום הפחמן קשור באופן חלקי גם ל- OH\text{OH}OH וגם ל- Br\text{Br}Br , ושלוש הקבוצות האחרות ( H\text{H}H , CH3\text{CH}_3CH3​ , C2H5\text{C}_2\text{H}_5C2​H5​ ) נמצאות במישור אחד:
HO−+C2H5–CHBr–CH3→[HO⋯C(H)(CH3)(C2H5)⋯Br]−→HO–CH(CH3)–C2H5+Br−\text{HO}^- + \text{C}_2\text{H}_5\text{–CHBr–CH}_3 \rightarrow \left[\text{HO}\cdots\text{C(H)(CH}_3\text{)(C}_2\text{H}_5\text{)}\cdots\text{Br}\right]^- \rightarrow \text{HO–CH(CH}_3\text{)–C}_2\text{H}_5 + \text{Br}^-HO−+C2​H5​–CHBr–CH3​→[HO⋯C(H)(CH3​)(C2​H5​)⋯Br]−→HO–CH(CH3​)–C2​H5​+Br−
4. יון הברומיד עוזב, ושלוש הקבוצות האחרות "מתהפכות" לצד השני (כמו מטרייה ברוח) – מתרחש היפוך מרחבי סביב הפחמן הכיראלי. קבוצת ה- OH\text{OH}OH נמצאת בצד הנגדי לזה שבו היה הברום.
קצב התגובה תלוי בריכוז של שני המגיבים: rate=k[C4H9Br][OH−]\text{rate} = k[\text{C}_4\text{H}_9\text{Br}][\text{OH}^-]rate=k[C4​H9​Br][OH−] .

(iii)

תשובה:

מגיב אננטיומר אחד, ובמנגנון SN2\text{S}_\text{N}2SN​2 כל המולקולות עוברות היפוך מרחבי באותו אופן, ולכן מתקבל אננטיומר אחד בלבד של 2-בוטנול (לא תערובת רצמית). לתוצר יש פחמן כיראלי, ולכן הוא פעיל אופטית.

•בתוצר, 2-בוטנול, אטום הפחמן השני קשור לארבע קבוצות שונות ( H\text{H}H , OH\text{OH}OH , CH3\text{CH}_3CH3​ , C2H5\text{C}_2\text{H}_5C2​H5​ ), כלומר הוא פחמן כיראלי, ולתוצר יש שני אננטיומרים אפשריים.
•המגיב היה אננטיומר אחד של 2-ברומובוטאן. במנגנון SN2\text{S}_\text{N}2SN​2 התגובה מתרחשת בשלב אחד, והנוקלאופיל תוקף תמיד מהצד הנגדי לקבוצה העוזבת. לכן בכל המולקולות מתרחש אותו היפוך מרחבי, ומתקבל אננטיומר אחד בלבד של 2-בוטנול (ולא תערובת שווה של שני האננטיומרים – תערובת רצמית).
•חומר שמורכב מאננטיומר אחד מסובב את מישור הקיטוב של אור מקוטב, כלומר הוא פעיל אופטית.

סעיף ג

(i)

תשובה:

קצב התגובה יעלה: יון יודיד הוא קבוצה עוזבת טובה יותר מיון ברומיד.

הקצב יעלה.
•הקשר C–I\text{C–I}C–I ארוך וחלש מהקשר C–Br\text{C–Br}C–Br , כי אטום היוד גדול יותר (יותר רמות אנרגיה מאוכלסות). לכן קל יותר לשבור אותו במצב המעבר.
•יון היודיד, I−\text{I}^-I− , גדול מיון הברומיד, והמטען השלילי שלו מפוזר על נפח גדול יותר. לכן הוא יציב יותר בתמיסה ועוזב בקלות רבה יותר.
•קבוצה עוזבת טובה יותר מורידה את אנרגיית השפעול ומעלה את קצב התגובה.

(ii)

תשובה:

קצב התגובה ירד: CH3SH\text{CH}_3\text{SH}CH3​SH הוא מולקולה ניטרלית, והוא נוקלאופיל חלש יותר מהיון השלילי CH3S−\text{CH}_3\text{S}^-CH3​S− .

הקצב ירד.
לשני הנוקלאופילים אותו אטום תוקף (גופרית). ליון CH3S−\text{CH}_3\text{S}^-CH3​S− יש מטען שלילי שלם וזוג אלקטרונים לא קושר נוסף, והוא נמשך חזק יותר לאטום הפחמן שנושא מטען חלקי חיובי ( Cδ+–Brδ−\text{C}^{\delta+}\text{–Br}^{\delta-}Cδ+–Brδ− ). למולקולה הניטרלית CH3SH\text{CH}_3\text{SH}CH3​SH אין מטען, והמשיכה שלה לפחמן חלשה יותר. לכן CH3SH\text{CH}_3\text{SH}CH3​SH הוא נוקלאופיל חלש יותר, ובתגובת SN2\text{S}_\text{N}2SN​2 (שקצבה תלוי בנוקלאופיל) קצב התגובה יקטן.

(iii)

תשובה:

קצב התגובה יעלה: DMSO הוא ממס קוטבי שאינו יוצר קשרי מימן עם הנוקלאופיל (אין בו אטום H הקשור ל-O או ל-N), ולכן הנוקלאופיל אינו "עטוף" במולקולות ממס והוא פעיל יותר.

הקצב יעלה.
•במתאנול יש אטום מימן הקשור לאטום חמצן ( O–H\text{O–H}O–H ). מולקולות המתאנול יוצרות קשרי מימן עם היון השלילי CH3S−\text{CH}_3\text{S}^-CH3​S− ומקיפות אותו (מעטפת ממס). כדי להגיב, הנוקלאופיל צריך "להשתחרר" ממעטפת זו, ולכן הוא פחות זמין להתקפה על אטום הפחמן.
•DMSO, (CH3)2SO\text{(CH}_3\text{)}_2\text{SO}(CH3​)2​SO , הוא ממס קוטבי (ולכן ממיס את המלח של הנוקלאופיל), אך אין בו אטום מימן הקשור לאטום חמצן או חנקן – הוא אינו יוצר קשרי מימן עם היון CH3S−\text{CH}_3\text{S}^-CH3​S− .
•ב-DMSO הנוקלאופיל כמעט "חופשי" ופעיל יותר, ולכן קצב תגובת ה- SN2\text{S}_\text{N}2SN​2 עולה.

שאלה 3 · ברדיקינין: מבנה פפטיד, תפקוד, הידרוליזה וסינתזה של ואלין

שאלה פתוחה

שימו לב: חלק מהשאלה לא במיקוד תשפ"ז

תת-סעיף ג i (המטען הכולל של פפטיד ב-pH נתון) אינו בחומר לבחינה ב-2027. שאר הסעיפים במיקוד.

בְּרָדִיקִינִין הוא פפטיד הנמצא בדם. הוא גורם להרחבת כלי הדם, ובכך גורם להורדת לחץ הדם.
במולקולה של ברדיקינין יש תשעה שיירים של חומצות אמיניות.
לפניך הרצף של החומצות האמיניות במולקולה של ברדיקינין.
Arg—Pro—Pro—Gly—Phe—Ser—Pro—Phe—Arg

א.

המולקולות של ברדיקינין אינן יכולות להיערך במבנה של סליל α\alphaα . הסבר מדוע.

ב.

במעבדה הכינו פפטיד P . המולקולה של פפטיד P מורכבת משיירים של אותן חומצות אמיניות כמו מולקולת ברדיקינין, אך הם ערוכים בסדר הפוך:
Arg—Phe—Pro—Ser—Phe—Gly—Pro—Pro—Arg
פפטיד P אינו גורם להרחבת כלי הדם. הסבר עובדה זו.

ג.

בהידרוליזה חלקית של ברדיקינין התקבלו, בין השאר, שני תלת־פפטידים I ו־ II .
I   Pro—Gly—Phe
II   Ser—Pro—Phe

(i)

קבע אם ב־ pH = 7 המטען הכולל של תלת־פפטיד I שווה למטען הכולל של תלת־פפטיד II או שונה ממנו. נמק.

(ii)

רשום רצף אפשרי של נוקלאוטידים ב־ mRNA , שבתהליך התרגום נוצר ממנו תלת־פפטיד II . ציין את קצה 3′3'3′ ואת קצה 5′5'5′ .

ד.

במעבדה אפשר לקבל את החומצה האמינית ואלין, Val , מחומר A , על פי התגובה:
בתגובה זו אתנול, C2H5OH(l)\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}_{(l)}C2​H5​OH(l)​ , הוא הממס.

(i)

רשום את הנוסחה של חומר B הדרוש בתגובה זו.

(ii)

בטמפרטורת החדר מצב הצבירה של החומצה האמינית ואלין הוא מוצק.
הסבר עובדה זו.

(iii)

חומר C הוא איזומר של חומר A .
לפניך ייצוג מקוצר לנוסחת המבנה של חומר C .
קבע אם טמפרטורת הרתיחה של חומר C גבוהה מטמפרטורת הרתיחה של חומר A או נמוכה ממנה. נמק.

◂ פתרון מלא לשאלה 3

סעיף א

תשובה:

בברדיקינין שלושה שיירים של פרולין. בפרולין אטום החנקן חלק מטבעת: בקשר הפפטידי אין עליו אטום מימן שיכול ליצור קשר מימן, והטבעת הקשיחה מגבילה את הסיבוב סביב הקשר ויוצרת כיפוף בשרשרת – לכן לא נוצר סליל α\alphaα .

סליל α\alphaα הוא מבנה שניוני שמתייצב על ידי קשרי מימן בין קבוצת N–H\text{N–H}N–H של קשר פפטידי אחד לבין אטום החמצן של קבוצת C=O\text{C=O}C=O של קשר פפטידי שנמצא ארבעה שיירים לפניו באותה שרשרת. כדי שייווצר סליל, השרשרת צריכה להתפתל באופן סדיר.
ברצף של ברדיקינין יש שלושה שיירים של פרולין (Pro), מתוכם שניים צמודים (Pro—Pro):
•בפרולין אטום החנקן של הקבוצה האמינית הוא חלק מטבעת (הוא קשור לשני אטומי פחמן של הטבעת). כשפרולין נקשר בקשר פפטידי, לא נשאר על אטום החנקן אטום מימן, ולכן הוא אינו יכול לתרום אטום מימן לקשר מימן מהסוג שמייצב את הסליל.
•הטבעת של פרולין קשיחה ומונעת סיבוב חופשי סביב הקשר שבין אטום החנקן לאטום הפחמן α\alphaα . היא יוצרת כיפוף בשרשרת ומפריעה להתפתלות הסדירה של הסליל.
לכן שרשרת שיש בה שיירי פרולין רבים (יחסית לאורכה) אינה יכולה להיערך כסליל α\alphaα .

סעיף ב

תשובה:

לפפטיד P מבנה ראשוני שונה מזה של ברדיקינין (לשרשרת יש כיוון – קצה N וקצה C), ולכן גם המבנה המרחבי שלו שונה. תפקוד הפפטיד תלוי במבנה שלו, ולכן P אינו מתפקד כמו ברדיקינין.

- המבנה הראשוני של פפטיד הוא רצף החומצות האמיניות מקצה N (הקבוצה האמינית החופשית) לקצה C (הקבוצה הקרבוקסילית החופשית). לשרשרת הפפטידית יש כיוון, כי כל קשר פפטידי –CO–NH–\text{–CO–NH–}–CO–NH– נוצר בין הקבוצה הקרבוקסילית של שייר אחד לקבוצה האמינית של השייר הבא.
•בפפטיד P הרצף מקצה N לקצה C הפוך לזה של ברדיקינין. לכן P הוא חומר שונה: הקשרים הפפטידיים "פונים" בכיוון ההפוך ביחס לשרשראות הצד, והשכנים של כל שייר שונים (למשל בברדיקינין Pro—Pro נמצא ליד קצה N, וב-P ליד קצה C).
•מבנה ראשוני שונה מוביל לסידור מרחבי שונה של השרשרת ושל קבוצות הצד (מבנה מרחבי שונה).
- התפקוד של פפטיד או חלבון תלוי במבנה המרחבי שלו. ברדיקינין פועל רק כשהמבנה המרחבי שלו מתאים לאתר הקישור (לקולטן) שבכלי הדם. לפפטיד P צורה מרחבית אחרת, והוא אינו מתאים לאתר הזה – לכן אינו גורם להרחבת כלי הדם.

סעיף ג

(i)

תשובה:

המטען הכולל שווה – בשני התלת-פפטידים הוא אפס.

המטען הכולל של שני התלת-פפטידים שווה (0).
ב- pH=7\text{pH}=7pH=7 :
•בכל תלת-פפטיד יש קצה N אחד, שבו הקבוצה האמינית החופשית מכילה פרוטון נוסף ונושאת מטען +1+1+1 (ב-I זו קבוצת –NH2+–\text{–NH}_2^+\text{–}–NH2+​– של פרולין, וב-II קבוצת –NH3+\text{–NH}_3^+–NH3+​ של סרין).
•בכל תלת-פפטיד יש קצה C אחד, שבו הקבוצה הקרבוקסילית החופשית נמצאת כ- –COO−\text{–COO}^-–COO− , מטען −1-1−1 .
•לשרשראות הצד של Pro, Gly, Phe ו-Ser אין קבוצות חומציות או בסיסיות – הן אינן טעונות (Gly – אטום מימן, Pro ו-Phe – שרשראות פחמימניות, Ser – קבוצת –OH\text{–OH}–OH , שאינה מאבדת ואינה מקבלת פרוטון ב- pH=7\text{pH}=7pH=7 ).
•הקבוצות האמיניות והקרבוקסיליות שבתוך הקשרים הפפטידיים אינן טעונות.
לכן המטען הכולל של כל אחד מהתלת-פפטידים הוא (+1)+(−1)=0(+1)+(-1)=0(+1)+(−1)=0 , והמטענים שווים.

(ii)

תשובה:

למשל: 5′5'5′ UCU CCU UUU 3′3'3′ (Ser: UCU, Pro: CCU, Phe: UUU).

•התרגום מתרחש בכיוון 5′→3′5' \rightarrow 3'5′→3′ של ה-mRNA, והפפטיד נבנה מקצה N לקצה C. לכן הקודון של החומצה האמינית הראשונה (קצה N – Ser) נמצא בצד 5′5'5′ , והקודון של החומצה האמינית האחרונה (קצה C – Phe) נמצא בצד 3′3'3′ .
•לפי טבלת הקודונים בנספח:
•Ser (סרין): UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC
•Pro (פרולין): CCU, CCC, CCA, CCG
•Phe (פנילאלנין): UUU, UUC
•רצף אפשרי (בוחרים קודון אחד לכל חומצה אמינית):
5′  UCU CCU UUU  3′5'\ \ \text{UCU CCU UUU}\ \ 3'5′  UCU CCU UUU  3′
(כל צירוף אחר של קודונים מהרשימות, באותו סדר, נכון גם הוא.)
טעות נפוצה: לרשום את הרצף בכיוון ההפוך (קודון Ser בקצה 3′3'3′ ), או להשתמש ב-T במקום U ב-mRNA.

סעיף ד

(i)

תשובה:

B=NH3\text{B} = \text{NH}_3B=NH3​ (אמוניה).

בתגובה אטום הברום שבחומר A מוחלף בקבוצה –NH2\text{–NH}_2–NH2​ – זו תגובת התמרה שבה נוצר אמין מהליד אלקילי. הנוקלאופיל המתאים הוא אמוניה, NH3\text{NH}_3NH3​ : לאטום החנקן שלה יש זוג אלקטרונים לא קושר, והוא נקשר לאטום הפחמן שהיה קשור לברום.
משתמשים באמוניה בעודף. אמוניה היא גם בסיס: היא מגיבה עם ה- HBr\text{HBr}HBr שנוצר בהתמרה ועם הקבוצה הקרבוקסילית (לכן בתוצר מופיעה קבוצת –COO−\text{–COO}^-–COO− ). ניסוח כולל:
(CH3)2CH–CHBr–COOH+3NH3→(CH3)2CH–CH(NH2)–COO−+2NH4++Br−\text{(CH}_3\text{)}_2\text{CH–CHBr–COOH} + 3\text{NH}_3 \rightarrow \text{(CH}_3\text{)}_2\text{CH–CH(NH}_2\text{)–COO}^- + 2\text{NH}_4^+ + \text{Br}^-(CH3​)2​CH–CHBr–COOH+3NH3​→(CH3​)2​CH–CH(NH2​)–COO−+2NH4+​+Br−
(הניסוח מאוזן: 5 C, 18 H, 3 N, 2 O, 1 Br בכל צד; מטען כולל 0 בכל צד.)

(ii)

תשובה:

ואלין (כמו כל חומצה אמינית) נמצא במצב מוצק כדו-יון, (CH3)2CH–CH(NH3+)–COO−\text{(CH}_3\text{)}_2\text{CH–CH(NH}_3^+\text{)–COO}^-(CH3​)2​CH–CH(NH3+​)–COO− . בין דו-היונים פועלות משיכות יוניות חזקות (בין קבוצות –NH3+\text{–NH}_3^+–NH3+​ לקבוצות –COO−\text{–COO}^-–COO− של מולקולות שכנות), ולכן טמפרטורת ההיתוך גבוהה והחומר מוצק בטמפרטורת החדר.

•במולקולת ואלין יש קבוצה חומצית ( –COOH\text{–COOH}–COOH ) וקבוצה בסיסית ( –NH2\text{–NH}_2–NH2​ ). הקבוצה החומצית מעבירה פרוטון לקבוצה הבסיסית, ונוצר דו-יון:
(CH3)2CH–CH(NH3+)–COO−\text{(CH}_3\text{)}_2\text{CH–CH(NH}_3^+\text{)–COO}^-(CH3​)2​CH–CH(NH3+​)–COO−
•לדו-יון יש קצה טעון חיובית ( –NH3+\text{–NH}_3^+–NH3+​ ) וקצה טעון שלילית ( –COO−\text{–COO}^-–COO− ). בין הקבוצה הטעונה חיובית בדו-יון אחד לקבוצה הטעונה שלילית בדו-יון שכן פועלות משיכות יוניות (אלקטרוסטטיות) – כמו בסריג יוני. נוסף על כך נוצרים קשרי מימן בין הקבוצות –NH3+\text{–NH}_3^+–NH3+​ לקבוצות –COO−\text{–COO}^-–COO− .
•משיכות אלה חזקות בהרבה מכוחות ואן דר ואלס ומקשרי המימן שבין מולקולות ניטרליות בגודל דומה. לכן נדרשת אנרגיה רבה כדי להפריד את החלקיקים, טמפרטורת ההיתוך גבוהה מאוד, וואלין מוצק בטמפרטורת החדר.

(iii)

תשובה:

טמפרטורת הרתיחה של C גבוהה מזו של A: לשניהם אותן קבוצות פונקציונליות ואותו גודל ענן אלקטרונים, אך המולקולה של C אינה מסועפת – שטח המגע בין המולקולות גדול יותר, ולכן כוחות ואן דר ואלס ביניהן חזקים יותר.

טמפרטורת הרתיחה של חומר C גבוהה יותר.
•A (חומצה 2-ברומו-3-מתילבוטנואית) ו-C (חומצה 2-ברומופנטנואית) הם איזומרים: אותה נוסחה מולקולרית, C5H9BrO2\text{C}_5\text{H}_9\text{BrO}_2C5​H9​BrO2​ , ולכן אותו מספר אלקטרונים – ענני אלקטרונים בגודל דומה.
•בשתי התרכובות יש אותן קבוצות: קבוצה קרבוקסילית (קשרי מימן בין המולקולות) ואטום ברום (קשר קוטבי, משיכות דו-קוטב). לכן קשרי המימן והמשיכות בין הדו-קטבים דומים בשתי התרכובות.
•ההבדל הוא בצורת המולקולה: ב-C השרשרת אינה מסועפת (ארוכה וישרה), וב-A השרשרת מסועפת (קבוצה (CH3)2CH–\text{(CH}_3\text{)}_2\text{CH–}(CH3​)2​CH– ). למולקולות לא מסועפות שטח מגע גדול יותר זו עם זו, ולכן כוחות ואן דר ואלס ביניהן חזקים יותר.
•כדי להרתיח את C נדרשת אנרגיה רבה יותר להתגבר על הכוחות בין המולקולות, ולכן טמפרטורת הרתיחה שלו גבוהה יותר.

שאלה 4 · נוקלאוטידים, גדיל משלים, תעתוק ותרגום, היסטונים

שאלה פתוחה

שימו לב: חלק מהשאלה לא במיקוד תשפ"ז

סעיף ד (הקשרים בין החלבונים ההיסטוניים ל-DNA – אריזת ה-DNA בכרומוזומים) אינו בחומר לבחינה ב-2027. שאר הסעיפים במיקוד.

א.

(i)

רשום נוסחת מבנה של נוקלאוטיד המורכב מאדנין, 2-דאוקסיריבוז וקבוצת זרחה.

(ii)

ציין את סוגי הקשרים הקוולנטיים הקיימים בין מרכיבי הנוקלאוטיד, שאת נוסחתו רשמת בתת־סעיף א i . רשום בין אילו מרכיבים נוצרו קשרים אלה.

(iii)

במעבדה הכינו נוקלאוטיד המורכב מאורציל, 2-דאוקסיריבוז וקבוצת זרחה.
קבע אם נוקלאוטיד זה הוא נוקלאוטיד של RNA . נמק.

ב.

לפניך רצף נוקלאוטידים בקטע של גדיל ה־ DNA של נגיף (וירוס) מסוים.
3′3'3′   CGA TAA AAT TCA   5′5'5′
רשום את רצף הנוקלאוטידים בקטע הגדיל המשלים לקטע ה־ DNA הנתון.
ציין את קצה 3′3'3′ ואת קצה 5′5'5′ .

ג.

(i)

רשום את רצף הנוקלאוטידים בקטע של mRNA , שהוא תוצר התעתוק של קטע ה־ DNA הנתון. ציין את קצה 3′3'3′ ואת קצה 5′5'5′ .

(ii)

רשום את רצף החומצות האמיניות בקטע החלבון, שהוא תוצר התרגום של קטע ה־ mRNA , שרשמת בתת־סעיף ג i .

ד.

חלבונים היסטוניים, האחראים לאריזה הצפופה של מולקולות ה־ DNA בכרומוזומים, מכילים אחוז גבוה של החומצות האמיניות ליזין, Lys , וארגינין, Arg .
אילו קשרים נוצרים בין החלבונים ההיסטוניים לבין מולקולות ה־ DNA ? הסבר.

◂ פתרון מלא לשאלה 4

סעיף א

(i)

תשובה:

קבוצת הזרחה קשורה דרך אטום חמצן לפחמן 5' של 2-דאוקסיריבוז, ואדנין קשור דרך אטום החנקן של הטבעת המחומשת (N9) לפחמן 1' של הסוכר (איור).

הנוקלאוטיד נוצר משלושת המרכיבים שבנספח בשתי תגובות דחיסה (בכל אחת יוצאת מולקולת מים):
•קבוצת ה- OH\text{OH}OH שעל פחמן 5' של 2-דאוקסיריבוז (קבוצת CH2OH\text{CH}_2\text{OH}CH2​OH ) מגיבה עם קבוצת OH\text{OH}OH של קבוצת הזרחה – נוצר –CH2–O–PO32−\text{–CH}_2\text{–O–PO}_3^{2-}–CH2​–O–PO32−​ .
•קבוצת ה- OH\text{OH}OH שעל פחמן 1' של הסוכר מגיבה עם אטום ה- N–H\text{N–H}N–H של הטבעת המחומשת של אדנין (N9) – אדנין נקשר לפחמן 1' דרך אטום החנקן.
•על פחמן 3' נשארת קבוצת OH\text{OH}OH , ועל פחמן 2' יש שני אטומי מימן (דאוקסי – "חסר חמצן").
ניסוח היצירה (מאוזן):
C5H5N5+C5H10O4+HPO42−→C10H12N5O6P2−+2H2O\text{C}_5\text{H}_5\text{N}_5 + \text{C}_5\text{H}_{10}\text{O}_4 + \text{HPO}_4^{2-} \rightarrow \text{C}_{10}\text{H}_{12}\text{N}_5\text{O}_6\text{P}^{2-} + 2\text{H}_2\text{O}C5​H5​N5​+C5​H10​O4​+HPO42−​→C10​H12​N5​O6​P2−+2H2​O
(אדנין + 2-דאוקסיריבוז + קבוצת זרחה → נוקלאוטיד + 2 מולקולות מים)

(ii)

תשובה:

1. קשר פוספואסטרי (אסטרי) – בין קבוצת הזרחה לסוכר 2-דאוקסיריבוז (לאטום החמצן שעל פחמן 5').
2. קשר N-גליקוזידי – בין הסוכר (פחמן 1') לבסיס החנקני אדנין (אטום חנקן בטבעת).

- קשר פוספואסטרי (אסטרי): נוצר בתגובת דחיסה בין קבוצת OH\text{OH}OH של קבוצת הזרחה לקבוצת ה- OH\text{OH}OH שעל פחמן 5' של 2-דאוקסיריבוז. הקשר הוא C–O–P\text{C–O–P}C–O–P – בין קבוצת הזרחה לסוכר.
- קשר N-גליקוזידי: נוצר בתגובת דחיסה בין קבוצת ה- OH\text{OH}OH שעל פחמן 1' של הסוכר לאטום המימן שעל אטום החנקן בטבעת של אדנין. הקשר הוא C–N\text{C–N}C–N – בין הסוכר לבסיס החנקני.
(קבוצת הזרחה והבסיס אינם קשורים זה לזה ישירות.)

(iii)

תשובה:

לא. הסוכר בנוקלאוטידים של RNA הוא ריבוז, ובנוקלאוטיד זה הסוכר הוא 2-דאוקסיריבוז.

הנוקלאוטיד אינו נוקלאוטיד של RNA.
אמנם הבסיס אורציל (U) מופיע רק ב-RNA, אבל בנוקלאוטידים של RNA הסוכר הוא ריבוז, שעל פחמן 2' שלו יש קבוצת OH\text{OH}OH . בנוקלאוטיד שהוכן במעבדה הסוכר הוא 2-דאוקסיריבוז – על פחמן 2' אין קבוצת OH\text{OH}OH (יש שני אטומי מימן), כמו בנוקלאוטידים של DNA. לכן זה אינו נוקלאוטיד של RNA (וגם אינו אחד מארבעת הנוקלאוטידים של DNA, שבהם אין אורציל).

סעיף ב

תשובה:

5′5'5′ GCT ATT TTA AGT 3′3'3′

•בגדיל המשלים כל בסיס נקשר לבסיס המשלים לו בקשרי מימן: A מול T, ו-G מול C.
•שני הגדילים אנטי-מקבילים: מול קצה 3′3'3′ של הגדיל הנתון נמצא קצה 5′5'5′ של הגדיל המשלים.
גדיל נתון3′3'3′CGATAAAATTCA5′5'5′
גדיל משלים5′5'5′GCTATTTTAAGT3′3'3′
הגדיל המשלים: 5′5'5′ GCT ATT TTA AGT 3′3'3′

גדיל נתון	$3'$	CGA	TAA	AAT	TCA	$5'$
גדיל משלים	$5'$	GCT	ATT	TTA	AGT	$3'$

סעיף ג

(i)

תשובה:

5′5'5′ GCU AUU UUA AGU 3′3'3′

•בתעתוק, הגדיל הנתון משמש תבנית. ה-mRNA נבנה בכיוון 5′→3′5' \rightarrow 3'5′→3′ , אנטי-מקביל לתבנית: מול קצה 3′3'3′ של התבנית נמצא קצה 5′5'5′ של ה-mRNA.
•כל בסיס ב-mRNA משלים לבסיס בתבנית: מול G – C, מול C – G, מול T – A, ומול A – U (ב-RNA יש אורציל במקום תימין).
גדיל DNA נתון (תבנית)3′3'3′CGATAAAATTCA5′5'5′
mRNA5′5'5′GCUAUUUUAAGU3′3'3′
ה-mRNA: 5′5'5′ GCU AUU UUA AGU 3′3'3′
(זהו הרצף של הגדיל המשלים מסעיף ב, כאשר U מחליף את T.)

גדיל DNA נתון (תבנית)	$3'$	CGA	TAA	AAT	TCA	$5'$
mRNA	$5'$	GCU	AUU	UUA	AGU	$3'$

(ii)

תשובה:

Ala—Ile—Leu—Ser

התרגום קורא את ה-mRNA בכיוון 5′→3′5' \rightarrow 3'5′→3′ , קודון אחר קודון (שלושה נוקלאוטידים), והחלבון נבנה מקצה N לקצה C. לפי טבלת הקודונים בנספח:
קודון ( 5′→3′5' \rightarrow 3'5′→3′ )GCUAUUUUAAGU
חומצה אמיניתאלנין (Ala)איזולאוצין (Ile)לאוצין (Leu)סרין (Ser)
רצף החומצות האמיניות (מקצה N לקצה C): Ala—Ile—Leu—Ser

קודון ( $5' \rightarrow 3'$ )	GCU	AUU	UUA	AGU
חומצה אמינית	אלנין (Ala)	איזולאוצין (Ile)	לאוצין (Leu)	סרין (Ser)

סעיף ד

תשובה:

קשרים יוניים (משיכה אלקטרוסטטית) בין שרשראות הצד הטעונות חיובית של Lys ו-Arg לבין קבוצות הזרחה הטעונות שלילית בשלד של ה-DNA.

•לפי הנספח, בשרשראות הצד של ליזין ושל ארגינין יש קבוצות בסיסיות, שבתנאי התא מקבלות פרוטון ונושאות מטען חיובי: –NH3+\text{–NH}_3^+–NH3+​ בליזין, וקבוצה –NH–C(=NH2+)–NH2\text{–NH–C(=NH}_2^+\text{)–NH}_2–NH–C(=NH2+​)–NH2​ בארגינין. לכן חלבונים היסטוניים, שיש בהם אחוז גבוה של Lys ו-Arg, טעונים חיובית.
•בשלד של מולקולת ה-DNA יש לאורך כל גדיל קבוצות זרחה (בקשרים הפוספודיאסטריים) שנושאות מטען שלילי ( –O–PO2−–O–\text{–O–PO}_2^-\text{–O–}–O–PO2−​–O– ).
•בין הקבוצות הטעונות חיובית בהיסטונים לקבוצות הזרחה הטעונות שלילית ב-DNA נוצרות משיכות אלקטרוסטטיות – קשרים יוניים. קשרים אלה מאפשרים ל-DNA להתלפף סביב ההיסטונים ולהיארז בצפיפות בכרומוזומים.

טבלת התשובות

שאלה	סעיף	תשובה
1 סעיף א	-	ג (3) – $\text{CHCl=CHCH}_3$ : לכל אחד משני אטומי הפחמן של הקשר הכפול קשורות שתי קבוצות שונות.
1 סעיף ב	-	ד (4) – לאטום הפחמן השכן לפחמן הקשור לקבוצת ה-OH אין אטומי מימן, ולכן לא תיתכן הרחקת מים (אלימינציה) ליצירת אלקן.
1 סעיף ג	-	ד (4) – שלוש הבדיקות מבחינות בין התרכובות: המסיסות במים שונה, טמפרטורת הרתיחה שונה, ורק הכהל הראשוני מגיב עם הדיכרומט.
1 סעיף ד	-	א (1) – בסיסי: לליזין קבוצה אמינית נוספת בשייר הצדדי, ולכן הוא חומצה אמינית בסיסית.
1 סעיף ה	-	ג (3) – רוב החומצות האמיניות מקודדות על ידי כמה קודונים, ולכן שינוי בנוקלאוטיד יכול להפוך קודון לקודון אחר של אותה חומצה אמינית.
1 סעיף ו	-	ב (2) – שלושה קשרי מימן: N–H (של $\text{NH}_2$ בציטוזין)···O של גואנין; N של ציטוזין···H–N של גואנין; O של ציטוזין···H–N (של $\text{NH}_2$ בגואנין).
2	א	B: $\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CHBr–CH}_3$ (2-ברומובוטאן); C: $\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CH(OH)–CH}_3$ (2-בוטנול); D: $\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CO–CH}_3$ (בוטנון).
	ב i	הפחמן הכיראלי הוא הפחמן השני, הקשור ל- $\text{H}$ , $\text{Br}$ , $\text{CH}_3$ ו- $\text{C}_2\text{H}_5$ . שני האננטיומרים הם תמונת ראי זה של זה (איור).
	ב ii	מנגנון $\text{S}_\text{N}2$ בשלב אחד: $\text{OH}^-$ תוקף את הפחמן הכיראלי מהצד הנגדי לברום, דרך מצב מעבר $[\text{HO}\cdots\text{C}\cdots\text{Br}]^-$ , ומתקבלים 2-בוטנול בתצורה הפוכה ויון $\text{Br}^-$ .
	ב iii	מגיב אננטיומר אחד, ובמנגנון $\text{S}_\text{N}2$ כל המולקולות עוברות היפוך מרחבי באותו אופן, ולכן מתקבל אננטיומר אחד בלבד של 2-בוטנול (לא תערובת רצמית). לתוצר יש פחמן כיראלי, ולכן הוא פעיל אופטית.
	ג i	קצב התגובה יעלה: יון יודיד הוא קבוצה עוזבת טובה יותר מיון ברומיד.
	ג ii	קצב התגובה ירד: $\text{CH}_3\text{SH}$ הוא מולקולה ניטרלית, והוא נוקלאופיל חלש יותר מהיון השלילי $\text{CH}_3\text{S}^-$ .
	ג iii	קצב התגובה יעלה: DMSO הוא ממס קוטבי שאינו יוצר קשרי מימן עם הנוקלאופיל (אין בו אטום H הקשור ל-O או ל-N), ולכן הנוקלאופיל אינו "עטוף" במולקולות ממס והוא פעיל יותר.
3	א	בברדיקינין שלושה שיירים של פרולין. בפרולין אטום החנקן חלק מטבעת: בקשר הפפטידי אין עליו אטום מימן שיכול ליצור קשר מימן, והטבעת הקשיחה מגבילה את הסיבוב סביב הקשר ויוצרת כיפוף בשרשרת – לכן לא נוצר סליל $\alpha$ .
	ב	לפפטיד P מבנה ראשוני שונה מזה של ברדיקינין (לשרשרת יש כיוון – קצה N וקצה C), ולכן גם המבנה המרחבי שלו שונה. תפקוד הפפטיד תלוי במבנה שלו, ולכן P אינו מתפקד כמו ברדיקינין.
	ג i	המטען הכולל שווה – בשני התלת-פפטידים הוא אפס.
	ג ii	למשל: $5'$ UCU CCU UUU $3'$ (Ser: UCU, Pro: CCU, Phe: UUU).
	ד i	$\text{B} = \text{NH}_3$ (אמוניה).
	ד ii	ואלין (כמו כל חומצה אמינית) נמצא במצב מוצק כדו-יון, $\text{(CH}_3\text{)}_2\text{CH–CH(NH}_3^+\text{)–COO}^-$ . בין דו-היונים פועלות משיכות יוניות חזקות (בין קבוצות $\text{–NH}_3^+$ לקבוצות $\text{–COO}^-$ של מולקולות שכנות), ולכן טמפרטורת ההיתוך גבוהה והחומר מוצק בטמפרטורת החדר.
	ד iii	טמפרטורת הרתיחה של C גבוהה מזו של A: לשניהם אותן קבוצות פונקציונליות ואותו גודל ענן אלקטרונים, אך המולקולה של C אינה מסועפת – שטח המגע בין המולקולות גדול יותר, ולכן כוחות ואן דר ואלס ביניהן חזקים יותר.
4	א i	קבוצת הזרחה קשורה דרך אטום חמצן לפחמן 5' של 2-דאוקסיריבוז, ואדנין קשור דרך אטום החנקן של הטבעת המחומשת (N9) לפחמן 1' של הסוכר (איור).
	א ii	1. קשר פוספואסטרי (אסטרי) – בין קבוצת הזרחה לסוכר 2-דאוקסיריבוז (לאטום החמצן שעל פחמן 5'). 2. קשר N-גליקוזידי – בין הסוכר (פחמן 1') לבסיס החנקני אדנין (אטום חנקן בטבעת).
	א iii	לא. הסוכר בנוקלאוטידים של RNA הוא ריבוז, ובנוקלאוטיד זה הסוכר הוא 2-דאוקסיריבוז.
	ב	$5'$ GCT ATT TTA AGT $3'$
	ג i	$5'$ GCU AUU UUA AGU $3'$
	ג ii	Ala—Ile—Leu—Ser
	ד	קשרים יוניים (משיכה אלקטרוסטטית) בין שרשראות הצד הטעונות חיובית של Lys ו-Arg לבין קבוצות הזרחה הטעונות שלילית בשלד של ה-DNA.

פרק ראשון (30 נקודות)

שאלה 1 סעיף א · איזומריה גאומטרית (ציס-טרנס) באלקנים

תשובה: 3.

שאלה 1 סעיף ב · תכונות ותגובות של כהל ראשוני מסועף

תשובה: 4.

שאלה 1 סעיף ג · הבחנה בין כהל ראשוני לכהל שלישוני

תשובה: 4.

שאלה 1 סעיף ד · הנקודה האיזואלקטרית של ליזין

תשובה: 1.

שאלה 1 סעיף ה · הקוד הגנטי – ריבוי קודונים לחומצה אמינית

תשובה: 3.

שאלה 1 סעיף ו · קשרי מימן בין ציטוזין לגואנין

תשובה: 2.

פרק שני (70 נקודות)

שאלה 2 · מ-1-בוטן ל-2-בוטנון: סיפוח HBr, התמרה, אננטיומרים ו-SN​2

נמק כל קביעה.

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

הקצב יעלה.

הקצב ירד.

הקצב יעלה.

שאלה 3 · ברדיקינין: מבנה פפטיד, תפקוד, הידרוליזה וסינתזה של ואלין

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

המטען הכולל של שני התלת-פפטידים שווה (0).

סעיף ד

טמפרטורת הרתיחה של חומר C גבוהה יותר.

שאלה 4 · נוקלאוטידים, גדיל משלים, תעתוק ותרגום, היסטונים

סעיף א

הנוקלאוטיד אינו נוקלאוטיד של RNA.

סעיף ב

סעיף ג

סעיף ד

רוצים להשלים את חוויית הלמידה?

כל האתר במבט אחד

שאלה 2 · מ-1-בוטן ל-2-בוטנון: סיפוח HBr, התמרה, אננטיומרים ו- $S_{N} 2$