בגרות בכימיה אורגנית וביוכימיה 037382 - קיץ 2022

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

בחינת הבגרות בכימיה, כימיה אורגנית וביוכימיה, קיץ 2022, 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: 30 נקודות; פרק שני: 70 נקודות; סך הכול: 100 נקודות.
חומר עזר מותר בשימוש: (1) מחשבון (כולל מחשבון גרפי). (2) דפי נוסחאות ונתונים (מצורפים).
פרק ראשון (30 נקודות): שאלות 1-6 – חובה. יש לענות על כל השאלות. אם תענו נכון על 5 שאלות לפחות, תקבלו את מלוא 30 הנקודות (לכל שאלה – 6 נקודות). לכל שאלה מוצעות ארבע תשובות א-ד; לפני שעונים יש לקרוא את כל התשובות המוצעות ולבחור בתשובה הנכונה, ולסמן אותה ב- X בתשובון שבסוף מחברת הבחינה (עמוד 19).
פרק שני (70 נקודות): בפרק זה שלוש שאלות, 7-9. יש לענות על שתיים מהן (לכל שאלה – 35 נקודות). בשאלות 7 ו-9 יש לענות על כל הסעיפים א-ד ועל אחד מן הסעיפים ה או ו; בשאלה 8 יש לענות על כל הסעיפים א-ג ועל אחד מן הסעיפים ד או ה (סעיפי בחירה).
הנחיות מיוחדות לשנה זו: בפרק הראשון 5 תשובות נכונות מתוך 6 מקנות את מלוא 30 הנקודות; בכל שאלה בפרק השני יש סעיף בחירה אחד מתוך שניים.

פרק ראשון

שאלה 1 · בחירת אלקן לקבלת יודו-אלקאן (כלל מרקובניקוב)

רב-ברירה

בתגובה של מימן יודי, HI(g)\text{HI}_{(g)}HI(g)​ , עם אלקן מתאים אפשר לקבל יודו-אלקאן,
איזה מן הייצוגים המקוצרים לנוסחאות מבנה א-ד, הוא ייצוג של אלקן מתאים?

א.
$\text{CH}_2\text{=C(CH}_3\text{)–CH}_3$
ב.
$\text{CH}_2\text{=C(CH}_3\text{)–CH}_2\text{–CH}_3$
ג.
$\text{CH}_3\text{–C(CH}_3\text{)=CH–CH}_3$
ד.
$\text{CH}_3\text{–CH(CH}_3\text{)–CH=CH}_2$

◂ פתרון מלא לשאלה 1

התשובה הנכונה: ד

תשובה:

ד – 3-מתיל-1-בוטן: לפי כלל מרקובניקוב היוד נקשר לפחמן 2 ומתקבל 2-יודו-3-מתילבוטאן.

תשובה: ד.
היודו-אלקאן הנתון הוא CH3–CH(CH3)–CHI–CH3\text{CH}_3\text{–CH(CH}_3\text{)–CHI–CH}_3CH3​–CH(CH3​)–CHI–CH3​ – 2-יודו-3-מתילבוטאן. בתגובת סיפוח שלד הפחמנים אינו משתנה, ולכן האלקן המתאים חייב להכיל 5 אטומי פחמן באותו שלד (שרשרת של 4 פחמנים עם הסתעפות מתיל), והקשר הכפול חייב לכלול את הפחמן שאליו נקשר היוד.
לפי כלל מרקובניקוב, בסיפוח HI\text{HI}HI לאלקן לא סימטרי אטום המימן נקשר לפחמן של הקשר הכפול שקשורים אליו יותר אטומי מימן, ואטום היוד נקשר לפחמן השני של הקשר הכפול (הפחמן שקשורים אליו פחות אטומי מימן).
ד – נכון. ב-3-מתיל-1-בוטן, CH3–CH(CH3)–CH=CH2\text{CH}_3\text{–CH(CH}_3\text{)–CH=CH}_2CH3​–CH(CH3​)–CH=CH2​, הקשר הכפול הוא בין פחמן 1 (CH2\text{CH}_2CH2​, שני אטומי מימן) לפחמן 2 (CH\text{CH}CH, אטום מימן אחד). המימן נקשר ל-CH2\text{CH}_2CH2​ (שהופך ל-CH3\text{CH}_3CH3​) והיוד נקשר ל-CH\text{CH}CH:
CH3–CH(CH3)–CH=CH2(g)+HI(g)→CH3–CH(CH3)–CHI–CH3(l)\text{CH}_3\text{–CH(CH}_3\text{)–CH=CH}_{2(g)} + \text{HI}_{(g)} \rightarrow \text{CH}_3\text{–CH(CH}_3\text{)–CHI–CH}_{3(l)}CH3​–CH(CH3​)–CH=CH2(g)​+HI(g)​→CH3​–CH(CH3​)–CHI–CH3(l)​
זה בדיוק התוצר הנתון.
א – שגוי. ב-2-מתילפרופן (CH2=C(CH3)–CH3\text{CH}_2\text{=C(CH}_3\text{)–CH}_3CH2​=C(CH3​)–CH3​) יש רק 4 אטומי פחמן; התוצר העיקרי יהיה (CH3)3CI(\text{CH}_3)_3\text{CI}(CH3​)3​CI – 2-יודו-2-מתילפרופאן.
ב – שגוי. ב-2-מתיל-1-בוטן שלד הפחמנים מתאים, אבל לפי מרקובניקוב המימן נקשר ל-CH2\text{CH}_2CH2​ והיוד נקשר לפחמן 2 (הפחמן המסועף): מתקבל CH3–CI(CH3)–CH2–CH3\text{CH}_3\text{–CI(CH}_3\text{)–CH}_2\text{–CH}_3CH3​–CI(CH3​)–CH2​–CH3​ – 2-יודו-2-מתילבוטאן.
ג – שגוי. ב-2-מתיל-2-בוטן המימן נקשר לפחמן CH\text{CH}CH (שקשור אליו אטום מימן אחד) והיוד נקשר לפחמן 2, שאין עליו אטומי מימן; גם כאן מתקבל 2-יודו-2-מתילבוטאן, ולא התוצר הנתון.
טעות נפוצה: לבחור באלקן שיש בו קשר כפול על הפחמן הנכון אבל לשכוח לבדוק את כלל מרקובניקוב – למשל בתשובה ג היוד היה צריך להיקשר לפחמן 3, אבל בפועל הוא נקשר לפחמן 2.

שאלה 2 · זיהוי זוג איזומרים ציס וטרנס

רב-ברירה

נתון ייצוג מלא לנוסחאות מבנה של ארבע מולקולות, I-IV .
איזה מן הזוגות של מולקולות הוא זוג איזומרים ציס וטרנס?

א.
I ו- II
ב.
I ו- III
ג.
II ו- III
ד.
II ו- IV

◂ פתרון מלא לשאלה 2

התשובה הנכונה: ג

תשובה:

ג – II הוא ציס-1,2-דיכלורואתן ו- III הוא טרנס-1,2-דיכלורואתן.

תשובה: ג.
איזומרים ציס וטרנס (איזומרים גאומטריים) הם חומרים בעלי אותה נוסחה מולקולרית ואותו סדר קישור של האטומים, שנבדלים רק בסידור המרחבי של הקבוצות סביב הקשר הכפול. איזומריה כזאת אפשרית רק כאשר לכל אחד משני אטומי הפחמן של הקשר הכפול קשורות שתי קבוצות שונות, כי הסיבוב סביב הקשר הכפול אינו חופשי.
- I: CH2=CCl2\text{CH}_2\text{=CCl}_2CH2​=CCl2​ (1,1-דיכלורואתן), C2H2Cl2\text{C}_2\text{H}_2\text{Cl}_2C2​H2​Cl2​. על פחמן אחד קשורים שני אטומי H ועל השני שני אטומי Cl – אין לו איזומרים ציס/טרנס.
- II: CHCl=CHCl\text{CHCl=CHCl}CHCl=CHCl, C2H2Cl2\text{C}_2\text{H}_2\text{Cl}_2C2​H2​Cl2​ – שני אטומי ה-Cl באותו צד של הקשר הכפול: ציס-1,2-דיכלורואתן.
- III: CHCl=CHCl\text{CHCl=CHCl}CHCl=CHCl, C2H2Cl2\text{C}_2\text{H}_2\text{Cl}_2C2​H2​Cl2​ – אטומי ה-Cl בצדדים מנוגדים: טרנס-1,2-דיכלורואתן.
- IV: CHCl=CCl2\text{CHCl=CCl}_2CHCl=CCl2​, C2HCl3\text{C}_2\text{HCl}_3C2​HCl3​ – נוסחה מולקולרית אחרת, ועל אחד הפחמנים יש שני אטומי Cl זהים.
לכן II ו- III הם זוג איזומרים ציס וטרנס.
א – שגוי: I ו- II הם איזומרי מבנה (מיקום שונה של אטומי ה-Cl), לא ציס/טרנס; ל-I אין איזומריה גאומטרית.
ב – שגוי: מאותה סיבה – I ו- III הם איזומרי מבנה.
ד – שגוי: ל-II ול-IV יש נוסחאות מולקולריות שונות, ולכן הם כלל אינם איזומרים.

שאלה 3 · השלב השני במנגנון סיפוח HBr לפרופן

רב-ברירה

בתגובת הסיפוח של מימן ברומי, HBr(g)\text{HBr}_{(g)}HBr(g)​ , לפרופן, CH3CH=CH2(g)\text{CH}_3\text{CH=CH}_{2(g)}CH3​CH=CH2(g)​ , נוצרת החומר 2 ברומו-פרופאן, CH3CHBrCH3(l)\text{CH}_3\text{CHBrCH}_{3(l)}CH3​CHBrCH3(l)​ :
CH3CH=CH2(g)+HBr(g)→CH3CHBrCH3(l)\text{CH}_3\text{CH=CH}_{2(g)} + \text{HBr}_{(g)} \rightarrow \text{CH}_3\text{CHBrCH}_{3(l)}CH3​CH=CH2(g)​+HBr(g)​→CH3​CHBrCH3(l)​
איזה מארבעת הניסוחים א-ד הוא הניסוח הנכון של השלב השני של מנגנון תגובת הסיפוח הנתונה?

◂ פתרון מלא לשאלה 3

התשובה הנכונה: ב

תשובה:

ב – יון הברומיד (בעל זוג אלקטרונים לא קושר) תוקף את הקרבוקטיון השניוני (CH3)2CH+(\text{CH}_3)_2\text{CH}^+(CH3​)2​CH+ ונוצר 2-ברומופרופאן.

תשובה: ב.
מנגנון הסיפוח של HBr\text{HBr}HBr לאלקן מתרחש בשני שלבים:
שלב ראשון: אלקטרוני הקשר הכפול (אזור עשיר באלקטרונים) נמשכים לאטום המימן של HBr\text{HBr}HBr (שיש עליו מטען חלקי חיובי). נוצר קשר C–H, הקשר H–Br נשבר ונוצרים יון ברומיד, Br−\text{Br}^-Br−, וקרבוקטיון. לפי כלל מרקובניקוב המימן נקשר לפחמן ה-CH2\text{CH}_2CH2​ (שקשורים אליו יותר אטומי מימן), ולכן נוצר הקרבוקטיון השניוני CH3–CH+–CH3\text{CH}_3\text{–CH}^+\text{–CH}_3CH3​–CH+–CH3​ (המטען החיובי על הפחמן האמצעי):
CH3CH=CH2+H–Br→CH3–C+H–CH3+Br−\text{CH}_3\text{CH=CH}_2 + \text{H–Br} \rightarrow \text{CH}_3\text{–}\overset{+}{\text{C}}\text{H–CH}_3 + \text{Br}^-CH3​CH=CH2​+H–Br→CH3​–C+H–CH3​+Br−
שלב שני: יון הברומיד תורם זוג אלקטרונים לא קושר לפחמן הטעון חיובית ונוצר קשר C–Br. החץ המעוקל מתחיל בזוג האלקטרונים של Br−\text{Br}^-Br− ומסתיים בפחמן הטעון C+\text{C}^+C+:
CH3–C+H–CH3+Br−→CH3–CHBr–CH3\text{CH}_3\text{–}\overset{+}{\text{C}}\text{H–CH}_3 + \text{Br}^- \rightarrow \text{CH}_3\text{–CHBr–CH}_3CH3​–C+H–CH3​+Br−→CH3​–CHBr–CH3​
זה הניסוח שבתשובה ב.
א – שגוי: החץ מצויר מהקרבוקטיון אל יון הברומיד (כיוון הפוך לתנועת האלקטרונים – לקרבוקטיון אין זוג אלקטרונים לתרום), והתוצר שמתקבל הוא 1-ברומופרופאן, שאינו מתאים לקרבוקטיון השניוני.
ג – שגוי: אין בתגובה קרבאניון (C−\text{C}^-C−) ויון Br+\text{Br}^+Br+; יון הברומיד הוא Br−\text{Br}^-Br−, והפחמן בתוצר הביניים טעון חיובית. גם התוצר (1-ברומופרופאן) אינו התוצר הנתון.
ד – שגוי: הקרבוקטיון המצויר הוא קרבוקטיון ראשוני, CH3CH2CH2+\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2^+CH3​CH2​CH2+​, שאינו נוצר בשלב הראשון (לפי מרקובניקוב המימן נקשר לפחמן הקצה). בנוסף, תקיפה של Br−\text{Br}^-Br− על הפחמן הקצה של קרבוקטיון זה הייתה נותנת 1-ברומופרופאן ולא את 2-ברומופרופאן המצויר.

שאלה 4 · השפעת החלפת חומצה אמינית על מסיסות פפטיד

רב-ברירה

נתון הארבע-פפטיד: Val – Ser – Glu – Asn\text{Val – Ser – Glu – Asn}Val – Ser – Glu – Asn
אחת מהחומצות האמיניות בארבע-פפטיד הוחלפה בתראונין, Thr . לאחר ההחלפה עלתה מסיסות הארבע-פפטיד במים. איזו חומצה אמינית הוחלפה?

א.
Val
ב.
Ser
ג.
Glu
ד.
Asn

◂ פתרון מלא לשאלה 4

התשובה הנכונה: א

תשובה:

א – Val: קבוצת הצד שלה פחמימנית (הידרופובית), ואילו ב-Thr יש קבוצת OH היוצרת קשרי מימן עם המים.

תשובה: א.
המסיסות של פפטיד במים תלויה במידה רבה בקבוצות הצד של החומצות האמיניות שלו: קבוצות צד קוטביות יוצרות קשרי מימן עם מולקולות המים, וקבוצות צד טעונות יוצרות עם המים אינטראקציות יון–דו-קוטב (חזקות עוד יותר); קבוצות צד פחמימניות (הידרופוביות) יוצרות עם המים רק אינטראקציות ואן דר ואלס חלשות.
קבוצת הצד של Thr היא –CH(OH)–CH3\text{–CH(OH)–CH}_3–CH(OH)–CH3​ – קבוצת צד קוטבית: קבוצת ה-OH\text{OH}OH יוצרת קשרי מימן עם מולקולות מים.
א – נכון. קבוצת הצד של Val היא –CH(CH3)2\text{–CH(CH}_3)_2–CH(CH3​)2​ – פחמימנית, הידרופובית, שאינה יוצרת קשרי מימן עם מים. החלפתה ב-Thr מוסיפה לפפטיד קבוצה שיוצרת קשרי מימן עם המים, ולכן המסיסות עולה.
ב – שגוי. קבוצת הצד של Ser היא –CH2OH\text{–CH}_2\text{OH}–CH2​OH – גם היא קוטבית עם קבוצת OH\text{OH}OH. ל-Thr יש אותה קבוצת OH\text{OH}OH ועוד קבוצת CH3\text{CH}_3CH3​ (חלק הידרופובי גדול יותר), ולכן ההחלפה לא תעלה את המסיסות (אם בכלל – תוריד אותה מעט).
ג – שגוי. קבוצת הצד של Glu היא –CH2–CH2–COO−\text{–CH}_2\text{–CH}_2\text{–COO}^-–CH2​–CH2​–COO− – טעונה (חומצית). היון יוצר עם המים אינטראקציות יון–דו-קוטב, החזקות מקשרי המימן של קבוצת ה-OH\text{OH}OH של Thr, ולכן ההחלפה תוריד את המסיסות.
ד – שגוי. קבוצת הצד של Asn היא –CH2–CO–NH2\text{–CH}_2\text{–CO–NH}_2–CH2​–CO–NH2​ – קבוצת אמיד קוטבית, שיכולה ליצור כמה קשרי מימן עם מים (דרך אטום ה-O ודרך שני אטומי ה-H שעל ה-N). ההחלפה ב-Thr לא תעלה את המסיסות.

שאלה 5 · זיהוי נוקלאוטיד לפי נוסחת המבנה

רב-ברירה

נתון ייצוג מקוצר של נוסחת מבנה של נוקלאוטיד:
הנוקלאוטיד הזה הוא:

א.
תימין (T) של RNA .
ב.
תימין (T) של DNA .
ג.
גואנין (G) של RNA .
ד.
גואנין (G) של DNA .

◂ פתרון מלא לשאלה 5

התשובה הנכונה: ב

תשובה:

ב – הבסיס הוא תימין (טבעת אחת עם קבוצת CH3\text{CH}_3CH3​), והסוכר הוא דאוקסיריבוז (אין OH בפחמן 2') – נוקלאוטיד של DNA.

תשובה: ב.
בנוקלאוטיד שלושה מרכיבים: קבוצת זרחה, סוכר ובסיס חנקני.
הבסיס: טבעת אחת בת שישה אטומים (שני אטומי N) – בסיס פירימידיני, עם שתי קבוצות C=O\text{C=O}C=O וקבוצת מתיל, CH3\text{CH}_3CH3​. זהו תימין (T). גואנין הוא בסיס פורין – בנוי משתי טבעות מאוחות ויש בו קבוצת NH2\text{NH}_2NH2​ – ולכן הבסיס המצויר אינו גואנין.
הסוכר: בטבעת הסוכר (חמישה אטומים, אחד מהם O) יש קבוצת OH\text{OH}OH רק על פחמן 3', ועל פחמן 2' (הפחמן הסמוך לפחמן הקשור לבסיס) אין קבוצת OH\text{OH}OH. זהו דאוקסיריבוז – הסוכר של DNA. בריבוז (הסוכר של RNA) יש קבוצת OH\text{OH}OH גם על פחמן 2'.
לכן זהו נוקלאוטיד תימין של DNA (בנוסף, תימין אינו מופיע ב-RNA כלל; ב-RNA במקומו מופיע אורציל, U).
א – שגוי: התימין אינו מופיע ב-RNA, והסוכר אינו ריבוז.
ג, ד – שגויים: הבסיס אינו גואנין (גואנין הוא פורין בעל שתי טבעות).

שאלה 6 · ההבדל בין מבנה DNA למבנה RNA

רב-ברירה

מה מבדיל בין מבנה של DNA לבין מבנה של RNA ?

א.
סוג הקשרים המחברים בין הנוקלאוטידים בגדיל.
ב.
מבנה קבוצת הזרחה.
ג.
סוג הנוקלאוטידים.
ד.
סוג הקשר המחבר בין הסוכר לבסיס החנקני.

◂ פתרון מלא לשאלה 6

התשובה הנכונה: ג

תשובה:

ג – ב-DNA הנוקלאוטידים מכילים דאוקסיריבוז ואת הבסיסים A, G, C, T; ב-RNA – ריבוז ואת הבסיסים A, G, C, U.

תשובה: ג.
ג – נכון. הנוקלאוטידים של DNA שונים מאלה של RNA בשני מרכיבים:
- הסוכר: ב-DNA – דאוקסיריבוז (ללא קבוצת OH\text{OH}OH בפחמן 2'); ב-RNA – ריבוז (עם קבוצת OH\text{OH}OH בפחמן 2').
- הבסיסים: ב-DNA – A, G, C ו-T (תימין); ב-RNA – A, G, C ו-U (אורציל).
לכן סוג הנוקלאוטידים הוא שמבדיל בין שתי החומצות.
א – שגוי: בשתי החומצות הנוקלאוטידים בגדיל מחוברים באותו סוג קשר – קשר פוספואסטרי (קשר קוולנטי בין קבוצת הזרחה של נוקלאוטיד אחד לבין פחמן 3' בסוכר של הנוקלאוטיד הקודם).
ב – שגוי: קבוצת הזרחה זהה בשתי החומצות.
ד – שגוי: בשתי החומצות הבסיס קשור לפחמן 1' של הסוכר באותו סוג קשר – קשר N-גליקוזידי.

פרק שני

שאלה 7 · כהלים לחיטוי ידיים: תגובות של אתאנול ואיזומרים של פרופאנול

שאלה פתוחה

שימו לב: חלק מהשאלה לא במיקוד תשפ"ז

סעיף ב ii (השפעת הקבוצה העוזבת על קצב ההתמרה) וסעיף ג (דהידרציה של כהל – אלימינציה, וסיפוח מים לאלקן) אינם בתחום המיקוד 2027.

יש לענות על כל הסעיפים א, ב, ג, ד, ועל אחד מן הסעיפים ה או ו.
צִיּוּת להמלצות להיגיינת הידיים הוא קריטי להפחתת העברת מחלות, במיוחד על ידי עובדי בתי חולים ושירותי בריאות. על פי המרכז לבקרת מחלות (CDC) היגיינת ידיים כוללת שטיפה עם מים וסבון, ושימוש בחומרי חיטוי וחומרי ניקוי על בסיס אלכוהול.
נראה שהאתאנול הוא היעיל ביותר נגד נגיפים, ואילו לאיזומרים של פרופאנול יש פעילות אנטי חיידקית טובה יותר. שילוב של הכהלים יכול לתת כיסוי נרחב יותר של חיטוי.
בטבלה מוצגים נתונים על שלושה כהלים, המסומנים באותיות A , B ו- C .
מספר תגובההכוהל המגיבטמפרטורת רתיחה (∘C)(^\circ\text{C})(∘C)תנאי התגובה עם HCl(aq)/ZnCl2(aq)\text{HCl}_{(aq)}/\text{ZnCl}_{2(aq)}HCl(aq)​/ZnCl2(aq)​התוצר העיקרי של התגובה
(1)A82.4מתרחשת לאחר חימום קצרD
(2)B97מתרחשת לאחר חימום ממושך מאודE
(3)C78מתרחשת לאחר חימום ממושך מאודF
נתון ייצוג מקוצר של נוסחאות המבנה של הכהלים A , B ו- C :
אתאנול, CH3CH2OH(l)\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}_{(l)}CH3​CH2​OH(l)​ , 1-פרופאנול, CH3CH2CH2OH(l)\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH}_{(l)}CH3​CH2​CH2​OH(l)​ , 2-פרופאנול, CH3CH(OH)CH3(l)\text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_{3(l)}CH3​CH(OH)CH3(l)​ .

מספר תגובה	הכוהל המגיב	טמפרטורת רתיחה $(^\circ\text{C})$	תנאי התגובה עם $\text{HCl}_{(aq)}/\text{ZnCl}_{2(aq)}$	התוצר העיקרי של התגובה
(1)	A	82.4	מתרחשת לאחר חימום קצר	D
(2)	B	97	מתרחשת לאחר חימום ממושך מאוד	E
(3)	C	78	מתרחשת לאחר חימום ממושך מאוד	F

א.

התאימו לכל אחת מן האותיות A , B ו- C את נוסחת החומר שהיא מייצגת.

ב.

(i)

נסחו את תגובה (1) שבה מתקבל חומר D .

(ii)

הציעו חומר אחר שיש לו מבנה דומה לחומר D (למעט אטום אחד), אשר יגיב מהר יותר בתגובת התמרה מאשר חומר D . הסבירו את ההצעה.

ג.

(i)

חומרים A ו- B יכולים להגיב עם חומצה גופרתית מרוכזת, H2SO4(l)\text{H}_2\text{SO}_{4(l)}H2​SO4(l)​ .
בשתי התגובות מתקבל אותו תוצר G .
נסחו את התגובה שבה מגיב חומר B ומתקבל תוצר G .

(ii)

אפשר לקבל את אחד מהחומרים , A או- B , בתגובה של חומר G עם תמיסת H2SO4(aq)\text{H}_2\text{SO}_{4(aq)}H2​SO4(aq)​ .
מהו החומר המתקבל בתגובה זו? נמקו את הקביעה.

ד.

קבעו האם חומר E יכול להתקבל בתגובה של פרופן, CH2=CHCH3(g)\text{CH}_2\text{=CHCH}_{3(g)}CH2​=CHCH3(g)​ , עם מימן כלורי, HCl(g)\text{HCl}_{(g)}HCl(g)​ .
הסבירו את הקביעה.

ה.

סעיף ה הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ו.
החומרים A ו- C יכולים להגיב בתגובת חמצון עם תמיסת KMnO4(aq)\text{KMnO}_{4(aq)}KMnO4(aq)​ .
החוקרים הכניסו לכלי אחד חומר A ולכלי שני - חומר C .
לכל אחד משני הכלים הם הוסיפו תמיסת KMnO4(aq)\text{KMnO}_{4(aq)}KMnO4(aq)​ .
הציעו דרך להבדיל במעבדה בין התמיסות המתקבלות בתום התגובה. הסבירו את ההצעה.

ו.

סעיף ו הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ה.
נסחו את התגובה המתרחשת בסביבה חומצית בין חומר C לבין התוצר המתקבל בתגובת חמצון של חומר C עם תמיסת KMnO4(aq)\text{KMnO}_{4(aq)}KMnO4(aq)​ . השתמשו בנוסחאות מבנה.

◂ פתרון מלא לשאלה 7

סעיף א

תשובה:

A – 2-פרופאנול, CH3CH(OH)CH3\text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_3CH3​CH(OH)CH3​; B – 1-פרופאנול, CH3CH2CH2OH\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH}CH3​CH2​CH2​OH; C – אתאנול, CH3CH2OH\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}CH3​CH2​OH.

A – 2-פרופאנול; B – 1-פרופאנול; C – אתאנול.
נימוק לפי טמפרטורות הרתיחה: בשלושת הכהלים יש בין המולקולות קשרי מימן (קבוצה אחת של OH\text{OH}OH בכל מולקולה) וכוחות ואן דר ואלס.
•לאתאנול (2 אטומי פחמן) ענן האלקטרונים הקטן ביותר, ולכן כוחות ואן דר ואלס בין מולקולותיו החלשים ביותר וטמפרטורת הרתיחה שלו הנמוכה ביותר – 78∘C78^\circ\text{C}78∘C → C.
•ל-1-פרופאנול ול-2-פרופאנול אותה נוסחה מולקולרית (C3H8O\text{C}_3\text{H}_8\text{O}C3​H8​O), כלומר ענני אלקטרונים בגודל דומה. 1-פרופאנול הוא מולקולה לא מסועפת, ושטח המגע בין מולקולותיו גדול יותר מאשר ב-2-פרופאנול (מולקולה מסועפת, "כדורית" יותר). לכן כוחות ואן דר ואלס בין מולקולות 1-פרופאנול חזקים יותר, וטמפרטורת הרתיחה שלו גבוהה יותר – 97∘C97^\circ\text{C}97∘C → B, ואילו 82.4∘C82.4^\circ\text{C}82.4∘C → A (2-פרופאנול). בנוסף, ב-2-פרופאנול קבוצת ה-OH\text{OH}OH "מוסתרת" חלקית בין שתי קבוצות מתיל, וקשרי המימן בין המולקולות פחות יעילים.
התאמה לנתוני מגיב לוקאס (HCl/ZnCl2\text{HCl}/\text{ZnCl}_2HCl/ZnCl2​): כהל שניוני מגיב עם מגיב לוקאס מהר יותר מכהל ראשוני. A מגיב לאחר חימום קצר – מתאים לכהל השניוני 2-פרופאנול; B ו-C מגיבים רק לאחר חימום ממושך מאוד – מתאים לכהלים הראשוניים 1-פרופאנול ואתאנול.

סעיף ב

(i)

תשובה:

CH3CH(OH)CH3(l)+HCl(aq)→ZnCl2CH3CHClCH3(l)+H2O(l)\text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_{3(l)} + \text{HCl}_{(aq)} \xrightarrow{\text{ZnCl}_2} \text{CH}_3\text{CHClCH}_{3(l)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)}CH3​CH(OH)CH3(l)​+HCl(aq)​ZnCl2​​CH3​CHClCH3(l)​+H2​O(l)​; D = 2-כלורופרופאן.

תגובה (1) היא תגובה של A (2-פרופאנול) עם מגיב לוקאס. זו תגובת התמרה: אטום ה-Cl מחליף את קבוצת ה-OH\text{OH}OH באותו פחמן (פחמן 2), ומתקבלים 2-כלורופרופאן (חומר D) ומים:
CH3CH(OH)CH3(l)+HCl(aq)→ZnCl2(aq)CH3CHClCH3(l)+H2O(l)\text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_{3(l)} + \text{HCl}_{(aq)} \xrightarrow{\text{ZnCl}_{2(aq)}} \text{CH}_3\text{CHClCH}_{3(l)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)}CH3​CH(OH)CH3(l)​+HCl(aq)​ZnCl2(aq)​​CH3​CHClCH3(l)​+H2​O(l)​
בדיקת איזון: בכל צד 3 אטומי C, 8 אטומי H, אטום O אחד ואטום Cl אחד. ZnCl2\text{ZnCl}_2ZnCl2​ הוא זרז ולכן נרשם מעל החץ.

(ii)

תשובה:

2-יודופרופאן, CH3CHICH3\text{CH}_3\text{CHICH}_3CH3​CHICH3​ (גם 2-ברומופרופאן, CH3CHBrCH3\text{CH}_3\text{CHBrCH}_3CH3​CHBrCH3​, מתאים): הקשר C–I ארוך וחלש יותר מהקשר C–Cl, ו-I−\text{I}^-I− קבוצה עוזבת טובה יותר.

הצעה: 2-יודופרופאן, CH3CHICH3\text{CH}_3\text{CHICH}_3CH3​CHICH3​ – אטום I במקום אטום Cl (גם 2-ברומופרופאן, CH3CHBrCH3\text{CH}_3\text{CHBrCH}_3CH3​CHBrCH3​, הוא תשובה נכונה).
הסבר: בתגובת התמרה הנוקלאופיל מחליף את ההלוגן, והקשר בין הפחמן להלוגן נשבר – ההלוגן יוצא כיון הליד (הקבוצה העוזבת). ככל שהקבוצה העוזבת טובה יותר, התגובה מהירה יותר:
•לאטום I רדיוס גדול בהרבה משל Cl (יותר רמות אנרגיה מאוכלסות), ולכן הקשר C–I ארוך וחלש יותר מהקשר C–Cl, ונשבר בקלות רבה יותר.
•יון I−\text{I}^-I− גדול, והמטען השלילי שלו מפוזר על ענן אלקטרונים גדול; לכן הוא יציב יותר כשהוא עוזב (כושר הקיטוב שלו גדול) – קבוצה עוזבת טובה יותר מ-Cl−\text{Cl}^-Cl−.
לכן 2-יודופרופאן יגיב בתגובת התמרה מהר יותר מ-2-כלורופרופאן.

סעיף ג

(i)

תשובה:

CH3CH2CH2OH(l)→H2SO4(l)CH2=CHCH3(g)+H2O(l)\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH}_{(l)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{SO}_{4(l)}} \text{CH}_2\text{=CHCH}_{3(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)}CH3​CH2​CH2​OH(l)​H2​SO4(l)​​CH2​=CHCH3(g)​+H2​O(l)​; G = פרופן.

חומצה גופרתית מרוכזת גורמת לכהלים לתגובת אלימינציה (דהידרציה): מולקולת מים מורחקת מהכהל – קבוצת ה-OH\text{OH}OH מפחמן אחד ואטום H מהפחמן הסמוך – ונוצר קשר כפול. משני הכהלים, 1-פרופאנול (B) ו-2-פרופאנול (A), מתקבל אותו אלקן – פרופן (G), כי בשלד של שלושה פחמנים הקשר הכפול יכול להיות רק בין פחמן 1 לפחמן 2.
התגובה של B:
CH3CH2CH2OH(l)→H2SO4(l), חימוםCH2=CHCH3(g)+H2O(l)\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH}_{(l)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{SO}_{4(l)},\ \text{חימום}} \text{CH}_2\text{=CHCH}_{3(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)}CH3​CH2​CH2​OH(l)​H2​SO4(l)​, חימום​CH2​=CHCH3(g)​+H2​O(l)​
בדיקת איזון: בכל צד 3 אטומי C, 8 אטומי H ואטום O אחד. החומצה הגופרתית משמשת זרז (ומרחיקה את המים) ונרשמת מעל החץ.

(ii)

תשובה:

A – 2-פרופאנול: בסיפוח מים לפרופן לפי כלל מרקובניקוב ה-H נקשר ל-CH2\text{CH}_2CH2​ וה-OH לפחמן האמצעי.

החומר המתקבל הוא A – 2-פרופאנול.
בתמיסה מימית חומצית מתרחש סיפוח מים לקשר הכפול של פרופן (החומצה משמשת זרז). פרופן הוא אלקן לא סימטרי, ולכן הסיפוח מתרחש לפי כלל מרקובניקוב: אטום ה-H נקשר לפחמן של הקשר הכפול שקשורים אליו יותר אטומי מימן (CH2\text{CH}_2CH2​, פחמן 1), וקבוצת ה-OH\text{OH}OH נקשרת לפחמן השני של הקשר הכפול (CH\text{CH}CH, פחמן 2). (במנגנון: H+\text{H}^+H+ נקשר ל-CH2\text{CH}_2CH2​ ונוצר הקרבוקטיון השניוני CH3C+HCH3\text{CH}_3\overset{+}{\text{C}}\text{HCH}_3CH3​C+HCH3​, היציב יותר מהקרבוקטיון הראשוני, ומולקולת מים נקשרת לפחמן הטעון.)
CH2=CHCH3(g)+H2O(l)→H2SO4(aq)CH3CH(OH)CH3(aq)\text{CH}_2\text{=CHCH}_{3(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{SO}_{4(aq)}} \text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_{3(aq)}CH2​=CHCH3(g)​+H2​O(l)​H2​SO4(aq)​​CH3​CH(OH)CH3(aq)​
לכן מתקבל 2-פרופאנול (A) ולא 1-פרופאנול (B).

סעיף ד

תשובה:

לא. E הוא 1-כלורופרופאן; בסיפוח HCl לפרופן לפי כלל מרקובניקוב מתקבל בעיקר 2-כלורופרופאן (חומר D).

קביעה: חומר E אינו יכול להתקבל (כתוצר העיקרי) בתגובה זו.
מהו E: E הוא התוצר של תגובה (2) – תגובה של B (1-פרופאנול) עם HCl/ZnCl2\text{HCl}/\text{ZnCl}_2HCl/ZnCl2​. בתגובת ההתמרה ה-Cl מחליף את ה-OH\text{OH}OH באותו מיקום, ולכן E הוא 1-כלורופרופאן, CH3CH2CH2Cl\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{Cl}CH3​CH2​CH2​Cl.
הסבר: בתגובת סיפוח של HCl\text{HCl}HCl לפרופן (אלקן לא סימטרי) מתקיים כלל מרקובניקוב: אטום ה-H נקשר לפחמן של הקשר הכפול שקשורים אליו יותר אטומי מימן (CH2\text{CH}_2CH2​), ואטום ה-Cl נקשר לפחמן האמצעי. במנגנון: בשלב הראשון נוצר הקרבוקטיון השניוני CH3C+HCH3\text{CH}_3\overset{+}{\text{C}}\text{HCH}_3CH3​C+HCH3​ (יציב יותר מהקרבוקטיון הראשוני), ובשלב השני Cl−\text{Cl}^-Cl− נקשר לפחמן האמצעי:
CH2=CHCH3(g)+HCl(g)→CH3CHClCH3(l)\text{CH}_2\text{=CHCH}_{3(g)} + \text{HCl}_{(g)} \rightarrow \text{CH}_3\text{CHClCH}_{3(l)}CH2​=CHCH3(g)​+HCl(g)​→CH3​CHClCH3(l)​
התוצר העיקרי הוא אפוא 2-כלורופרופאן – חומר D, ולא 1-כלורופרופאן (E).

סעיף ה

תשובה:

מ-A מתקבל פרופאנון (קטון), מ-C – חומצה אתאנואית. מדידת pH (אינדיקטור אוניברסלי) או הוספת NaHCO3(s)\text{NaHCO}_{3(s)}NaHCO3(s)​: בכלי עם החומצה ה-pH נמוך יותר ומשתחררות בועות CO2\text{CO}_2CO2​; בכלי עם הקטון – אין בועות.

התוצרים:
•A (2-פרופאנול) הוא כהל שניוני; בחמצון מתקבל קטון – פרופאנון, CH3COCH3\text{CH}_3\text{COCH}_3CH3​COCH3​, שאינו ממשיך להתחמצן:
5CH3CH(OH)CH3+2MnO4−+6H+→5CH3COCH3+2Mn2++8H2O5\text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_3 + 2\text{MnO}_4^- + 6\text{H}^+ \rightarrow 5\text{CH}_3\text{COCH}_3 + 2\text{Mn}^{2+} + 8\text{H}_2\text{O}5CH3​CH(OH)CH3​+2MnO4−​+6H+→5CH3​COCH3​+2Mn2++8H2​O
•C (אתאנול) הוא כהל ראשוני; בחמצון מתקבל תחילה אתאנאל, וזה ממשיך להתחמצן (בעודף KMnO4\text{KMnO}_4KMnO4​) לחומצה קרבוקסילית – חומצה אתאנואית, CH3COOH\text{CH}_3\text{COOH}CH3​COOH:
5CH3CH2OH+4MnO4−+12H+→5CH3COOH+4Mn2++11H2O5\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH} + 4\text{MnO}_4^- + 12\text{H}^+ \rightarrow 5\text{CH}_3\text{COOH} + 4\text{Mn}^{2+} + 11\text{H}_2\text{O}5CH3​CH2​OH+4MnO4−​+12H+→5CH3​COOH+4Mn2++11H2​O
(הניסוחים מאוזנים: בכל צד אותו מספר אטומים מכל סוג ואותו מטען כולל – +4+4+4 ו-+8+8+8 בהתאמה. הניסוחים נכתבו בסביבה חומצית לצורך האיזון; בשאלה נתונה תמיסת KMnO4(aq)\text{KMnO}_{4(aq)}KMnO4(aq)​ שלא חומצה מראש, ובתמיסה כזאת המנגן מתחזר ל-MnO2\text{MnO}_2MnO2​.)
הצעה להבחנה: לבדוק את ה-pH של שתי התמיסות (עם אינדיקטור אוניברסלי או מד pH), או להוסיף לכל תמיסה מעט נתרן מימן פחמתי, NaHCO3(s)\text{NaHCO}_{3(s)}NaHCO3(s)​.
הסבר: חומצה אתאנואית היא חומצה – היא מוסרת יוני H+\text{H}^+H+ למים:
CH3COOH(aq)+H2O(l)⇌CH3COO(aq)−+H3O(aq)+\text{CH}_3\text{COOH}_{(aq)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COO}^-_{(aq)} + \text{H}_3\text{O}^+_{(aq)}CH3​COOH(aq)​+H2​O(l)​⇌CH3​COO(aq)−​+H3​O(aq)+​
ולכן בכלי של C ה-pH יהיה נמוך יותר (צבע האינדיקטור יעיד על תמיסה חומצית), ובתוספת NaHCO3\text{NaHCO}_3NaHCO3​ ייפלטו בועות גז CO2\text{CO}_2CO2​:
\text{CH}_3\text{COOH}_{(aq)} + \text{HCO}_3^-_{(aq)} \rightarrow \text{CH}_3\text{COO}^-_{(aq)} + \text{CO}_{2(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)}
פרופאנון הוא קטון – אין לו תכונות חומציות, ולכן בכלי של A לא ישתנה ה-pH כתוצאה מהתוצר האורגני ולא ייפלטו בועות. (ההשוואה תקפה כאשר לשני הכלים הוסיפו אותה תמיסת KMnO4(aq)\text{KMnO}_{4(aq)}KMnO4(aq)​ שלא חומצה מראש; אילו הוסיפו תמיסה מחומצת, שתי התמיסות היו חומציות ובדיקת pH לבדה לא הייתה מבחינה ביניהן היטב – ואז עדיפה הדרך הנוספת שלהלן.)
(דרך נוספת אפשרית: לזקק ולמדוד טמפרטורת רתיחה – לפרופאנון 56∘C56^\circ\text{C}56∘C בערך, ולחומצה אתאנואית, שבין מולקולותיה קשרי מימן, בערך 118∘C118^\circ\text{C}118∘C.)

סעיף ו

תשובה:

תגובת אסטריפיקציה: CH3COOH+CH3CH2OH⇌H+CH3COOCH2CH3+H2O\text{CH}_3\text{COOH} + \text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH} \overset{\text{H}^+}{\rightleftharpoons} \text{CH}_3\text{COOCH}_2\text{CH}_3 + \text{H}_2\text{O}CH3​COOH+CH3​CH2​OH⇌H+​CH3​COOCH2​CH3​+H2​O (מתקבל אתיל אתאנואט).

חומר C הוא אתאנול, כהל ראשוני. בחמצון עם KMnO4(aq)\text{KMnO}_{4(aq)}KMnO4(aq)​ הוא מתחמצן (דרך אתאנאל) לחומצה אתאנואית, CH3COOH\text{CH}_3\text{COOH}CH3​COOH.
בסביבה חומצית (החומצה משמשת זרז) חומצה קרבוקסילית מגיבה עם כהל בתגובת עיבוי – יצירת אסטר (אסטריפיקציה): קבוצת ה-OH\text{OH}OH של החומצה ואטום ה-H של קבוצת ה-OH\text{OH}OH של הכהל יוצאים כמולקולת מים, ונוצר קשר אסטרי –COO–\text{–COO–}–COO– בין שתי המולקולות. התוצר הוא האסטר אתיל אתאנואט:
CH3COOH(l)+CH3CH2OH(l)⇌H+CH3COOCH2CH3(l)+H2O(l)\text{CH}_3\text{COOH}_{(l)} + \text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}_{(l)} \overset{\text{H}^+}{\rightleftharpoons} \text{CH}_3\text{COOCH}_2\text{CH}_{3(l)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)}CH3​COOH(l)​+CH3​CH2​OH(l)​⇌H+​CH3​COOCH2​CH3(l)​+H2​O(l)​
בדיקת איזון: בכל צד 4 אטומי C, 8 אטומי H ו-3 אטומי O. התגובה הפיכה (בהידרוליזה של האסטר מתקבלים שוב החומצה והכהל), ולכן נרשם חץ דו-כיווני.

שאלה 8 · חלבון הספייק של נגיף הקורונה: מבנה, הידרוליזה וציסטאין

שאלה פתוחה

יש לענות על כל הסעיפים א, ב, ג, ועל אחד מן הסעיפים ד או ה.
מרכיב מפתח של נגיפי קורונה הוא חלבוני ספייק (Spike), שמאפשרים לנגיפים להיקשר לתאים בדרכי הנשימה ולחדור לתוכם. שרשרת של חלבון ספייק מכילה 1,273 שיירים של חומצות אמיניות.
להלן איור סכמתי של חלבון ספייק בנגיף קורונה:

א.

חלק מן החומצות האמיניות המרכיבות את החלבון ספייק נמצאות במבנה שניוני של סלילי α\alphaα וחלק מהן נמצאות במבנה שניוני של משטחי β\betaβ .

(i)

מהו סוג הקשרים המייצבים את המבנה של סלילי α\alphaα וגם את משטחי β\betaβ ?

(ii)

מהו ההבדל בין הקשרים המייצבים שבסלילי α\alphaα לבין הקשרים שבמשטחי β\betaβ ?

ב.

בשלב הראשון החוקרים ביצעו במעבדה הידרוליזה חלקית של חלבון ספייק שאחד מן התוצרים שלה הוא פפטיד P המכיל 9 שיירים של חומצות אמיניות.
בשלב השני החוקרים ביצעו הידרוליזה חלקית של פפטיד P . התקבלו, בין השאר, דו-פפטיד I הנמצא בתחילת השרשרת של פפטיד P , וארבעה טרי-פפטידים: V , IV , III , II :
I.  Asp – Cys   (תחילת השרשרת)
II.  Ile – Cys – Gly
III.  Cys – Thr – Met
IV.  Cys – Gly – Asp
V.  Met – Tyr – Ile

(i)

רשמו ייצוג מקוצר לנוסחת המבנה של טרי-פפטיד V .

(ii)

רשמו רצף של חומצות אמיניות בשרשרת של פפטיד P .

ג.

בשרשרת של חלבון ספייק יש 40 חומצות אמיניות ציסטאין (Cys).

(i)

קבעו איזה מן ההיגדים a או b הוא ההיגד הנכון.
a  בין קטעי השרשרת של חלבון ספייק בוודאות יש קשרי דו-גופרית, כי השרשרת מכילה שיירי חומצות אמיניות מסוג Cys .
b  כדי לקבוע אם בין קטעי השרשרת של חלבון ספייק יש קשרי דו-גופרית דרושים נתונים על תוצרי ההידרוליזה חלקית של חלבון ספייק, שבה נשברים קשרים אמידיים בלבד.

(ii)

הסבירו מדוע ההיגד שלא נבחר הוא לא נכון.

ד.

סעיף ד הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ה.
במעבדה אפשר לקבל את החומצה האמינית Cys מחומר A , על פי התגובה:
A→NH3(C2H5OH(l))HS–CH2–CH(NH2)–COOH\text{A} \xrightarrow{\text{NH}_{3(\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}_{(l)})}} \text{HS–CH}_2\text{–CH(NH}_2\text{)–COOH}ANH3(C2​H5​OH(l)​)​​HS–CH2​–CH(NH2​)–COOH
Cys
בתגובה זו אתאנול, C2H5OH(l)\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}_{(l)}C2​H5​OH(l)​ , הוא הממס.
רשמו ייצוג מקוצר לנוסחת מבנה אפשרית של חומר A .

ה.

סעיף ה הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ד.
בטמפרטורת החדר מצב הצבירה של החומצה האמינית ציסטאין הוא מוצק. הסבירו עובדה זו.

◂ פתרון מלא לשאלה 8

סעיף א

(i)

תשובה:

קשרי מימן בין אטום O של קבוצת C=O לבין אטום H של קבוצת N–H בשלד הפפטידי.

את שני סוגי המבנה השניוני מייצבים קשרי מימן בין קבוצות של שלד השרשרת הפוליפפטידית (לא של קבוצות הצד): בין אטום החמצן של קבוצת C=O\text{C=O}C=O של קשר פפטידי אחד, שיש לו זוגות אלקטרונים לא קושרים ומטען חלקי שלילי, לבין אטום המימן של קבוצת N–H\text{N–H}N–H של קשר פפטידי אחר (מימן הקשור לאטום N, בעל אלקטרושליליות גבוהה, ולכן נושא מטען חלקי חיובי): C=O⋯H–N\text{C=O}\cdots\text{H–N}C=O⋯H–N.

(ii)

תשובה:

בסליל α\alphaα קשרי המימן נוצרים בין קבוצות של שיירים קרובים באותו קטע של השרשרת (כל C=O עם N–H של השייר הרביעי אחריו), בכיוון ציר הסליל; במשטח β\betaβ – בין קבוצות של קטעי שרשרת שונים הנמצאים זה לצד זה.

ההבדל הוא בין אילו חלקים של השרשרת נוצרים קשרי המימן:
- בסליל α\alphaα: קשרי המימן נוצרים בין קבוצות באותו קטע של השרשרת – בין קבוצת C=O\text{C=O}C=O של שייר מסוים לבין קבוצת N–H\text{N–H}N–H של השייר הרביעי אחריו. השרשרת מתפתלת לסליל, וקשרי המימן מקבילים לציר הסליל ומחברים בין "קומות" סמוכות שלו.
- במשטח β\betaβ: קשרי המימן נוצרים בין קבוצות C=O\text{C=O}C=O ו-N–H\text{N–H}N–H של קטעי שרשרת שונים (שיכולים להיות רחוקים זה מזה ברצף, או אפילו בשרשראות שונות), הנמצאים זה לצד זה בצורה פרוסה ("קפלים"); קשרי המימן מאונכים לכיוון הקטעים ויוצרים מעין משטח.

סעיף ב

(i)

תשובה:

H2N–CH(CH2CH2SCH3)–CO–NH–CH(CH2C6H4OH)–CO–NH–CH(CH(CH3)CH2CH3)–COOH\text{H}_2\text{N–CH(CH}_2\text{CH}_2\text{SCH}_3\text{)–CO–NH–CH(CH}_2\text{C}_6\text{H}_4\text{OH)–CO–NH–CH(CH(CH}_3\text{)CH}_2\text{CH}_3\text{)–COOH}H2​N–CH(CH2​CH2​SCH3​)–CO–NH–CH(CH2​C6​H4​OH)–CO–NH–CH(CH(CH3​)CH2​CH3​)–COOH

טרי-פפטיד V הוא Met – Tyr – Ile: הקצה ה-N-טרמינלי (קבוצת NH2\text{NH}_2NH2​ חופשית) שייך ל-Met, והקצה ה-C-טרמינלי (קבוצת COOH\text{COOH}COOH חופשית) שייך ל-Ile. בין השיירים – שני קשרים פפטידיים (אמידיים), –CO–NH–\text{–CO–NH–}–CO–NH–. קבוצות הצד (לפי טבלת החומצות האמיניות שבדפי הנתונים):
•Met: –CH2–CH2–S–CH3\text{–CH}_2\text{–CH}_2\text{–S–CH}_3–CH2​–CH2​–S–CH3​
•Tyr: –CH2–C6H4–OH\text{–CH}_2\text{–C}_6\text{H}_4\text{–OH}–CH2​–C6​H4​–OH (טבעת בנזן עם קבוצת OH בעמדה הנגדית)
•Ile: –CH(CH3)–CH2–CH3\text{–CH(CH}_3\text{)–CH}_2\text{–CH}_3–CH(CH3​)–CH2​–CH3​
בכתיב בשורה אחת:
H2N–CH(CH2CH2SCH3)–CO–NH–CH(CH2C6H4OH)–CO–NH–CH(CH(CH3)CH2CH3)–COOH\text{H}_2\text{N–CH(CH}_2\text{CH}_2\text{SCH}_3\text{)–CO–NH–CH(CH}_2\text{C}_6\text{H}_4\text{OH)–CO–NH–CH(CH(CH}_3\text{)CH}_2\text{CH}_3\text{)–COOH}H2​N–CH(CH2​CH2​SCH3​)–CO–NH–CH(CH2​C6​H4​OH)–CO–NH–CH(CH(CH3​)CH2​CH3​)–COOH
(הנוסחה המולקולרית: C20H31N3O5S\text{C}_{20}\text{H}_{31}\text{N}_3\text{O}_5\text{S}C20​H31​N3​O5​S – סכום שלוש החומצות האמיניות פחות שתי מולקולות מים שהורחקו ביצירת שני הקשרים הפפטידיים.)
טעות נפוצה: לכתוב את החומצות האמיניות בצורתן היונית (NH3+\text{NH}_3^+NH3+​, COO−\text{COO}^-COO−) כפי שהן מופיעות בטבלה גם בתוך השרשרת, או להשאיר על כל שייר קבוצות NH2\text{NH}_2NH2​ ו-COOH\text{COOH}COOH – בתוך השרשרת הן הפכו לקשרים פפטידיים.

(ii)

תשובה:

Asp – Cys – Thr – Met – Tyr – Ile – Cys – Gly – Asp

משתמשים בקטעים החופפים, ומתחילים מהדו-פפטיד I שנמצא בתחילת השרשרת (הקצה ה-N-טרמינלי):
1. I: Asp – Cys → שיירים 1–2.
2. טרי-פפטיד שמתחיל ב-Cys וממשיך את השרשרת: III, Cys – Thr – Met → שיירים 2–4. (IV, Cys – Gly – Asp, אינו יכול להיות כאן, כי אז השרשרת הייתה מסתיימת ב-Asp אחרי 4 שיירים ואין טרי-פפטיד שמתחיל ב-Asp.)
3. טרי-פפטיד שמתחיל ב-Met: V, Met – Tyr – Ile → שיירים 4–6.
4. טרי-פפטיד שמתחיל ב-Ile: II, Ile – Cys – Gly → שיירים 6–8.
5. טרי-פפטיד שמתחיל ב-Cys – Gly: IV, Cys – Gly – Asp → שיירים 7–9.
הרצף של פפטיד P (9 שיירים, מהקצה ה-N-טרמינלי לקצה ה-C-טרמינלי):
Asp – Cys – Thr – Met – Tyr – Ile – Cys – Gly – Asp\text{Asp – Cys – Thr – Met – Tyr – Ile – Cys – Gly – Asp}Asp – Cys – Thr – Met – Tyr – Ile – Cys – Gly – Asp
בדיקה: הרצף מכיל 9 שיירים, וכל אחד מהקטעים I–V מופיע בו ברצף רציף.

סעיף ג

(i)

תשובה:

ההיגד b הוא הנכון.

ההיגד b נכון. בהידרוליזה שבה נשברים רק הקשרים האמידיים (הפפטידיים), קשרי הדו-גופרית –S–S–\text{–S–S–}–S–S– (קשרים קוולנטיים בין אטומי ה-S של שני שיירי Cys) נשמרים. אם בין קטעי השרשרת יש קשרי דו-גופרית, יתקבלו בין התוצרים קטעי פפטיד שמחוברים זה לזה בקשר –S–S–\text{–S–S–}–S–S– (שני קטעים שאינם רציפים ברצף, הקשורים ביניהם דרך שיירי Cys). אם אין קשרים כאלה, כל שיירי ה-Cys בתוצרים יכילו קבוצת –SH\text{–SH}–SH חופשית. לכן התוצרים מאפשרים לקבוע אם יש בחלבון קשרי דו-גופרית.

(ii)

תשובה:

נוכחות שיירי Cys היא תנאי הכרחי אך לא מספיק: קשר דו-גופרית נוצר רק בין שתי קבוצות SH שמתקרבות זו לזו במבנה המרחבי (בתהליך חמצון); קבוצות SH רבות נשארות חופשיות.

ההיגד a אינו נכון. קשר דו-גופרית נוצר בתגובת חמצון בין קבוצות ה-–SH\text{–SH}–SH של שני שיירי Cys:
–CH2–SH+HS–CH2–→–CH2–S–S–CH2– (+2H++2e−)\text{–CH}_2\text{–SH} + \text{HS–CH}_2\text{–} \rightarrow \text{–CH}_2\text{–S–S–CH}_2\text{–} \ (+2\text{H}^+ + 2e^-)–CH2​–SH+HS–CH2​–→–CH2​–S–S–CH2​– (+2H++2e−)
קשר כזה נוצר רק כאשר שני שיירי ה-Cys קרובים זה לזה במבנה המרחבי של החלבון (בהתאם לקיפול השרשרת) ובתנאים המתאימים. נוכחות של שיירי Cys ברצף היא אפוא תנאי הכרחי לקשר דו-גופרית, אבל לא תנאי מספיק – שיירי Cys רבים בחלבונים נשארים עם קבוצת –SH\text{–SH}–SH חופשית. לכן אי אפשר לקבוע "בוודאות" שיש קשרי דו-גופרית רק מכך שהשרשרת מכילה 40 שיירי Cys.

סעיף ד

תשובה:

A: HS–CH2–CHCl–COOH\text{HS–CH}_2\text{–CHCl–COOH}HS–CH2​–CHCl–COOH (חומצה 2-כלורו-3-סולפנילפרופאנואית; אפשר גם Br או I במקום Cl).

הקבוצה NH2\text{NH}_2NH2​ ב-Cys נכנסה בתגובת התמרה: האמוניה היא נוקלאופיל (זוג אלקטרונים לא קושר על אטום N) שתוקף את אטום הפחמן הקשור להלוגן (פחמן בעל מטען חלקי חיובי), וההלוגן יוצא כיון הליד. כך מתקבל אמין מהלידו-אלקאן. לכן בחומר A יש אטום הלוגן באותו מקום שבו נמצאת קבוצת ה-NH2\text{NH}_2NH2​ ב-Cys (פחמן α\alphaα), וכל שאר המבנה זהה:
A:HS–CH2–CHCl–COOH\text{A}: \quad \text{HS–CH}_2\text{–CHCl–COOH}A:HS–CH2​–CHCl–COOH
(אפשר גם HS–CH2–CHBr–COOH\text{HS–CH}_2\text{–CHBr–COOH}HS–CH2​–CHBr–COOH או HS–CH2–CHI–COOH\text{HS–CH}_2\text{–CHI–COOH}HS–CH2​–CHI–COOH.)
ניסוח התגובה (נדרשות שתי מולקולות אמוניה: אחת היא הנוקלאופיל, והשנייה קולטת את ה-H+\text{H}^+H+ שמשתחרר):
HS–CH2–CHCl–COOH+2NH3→HS–CH2–CH(NH2)–COOH+NH4Cl\text{HS–CH}_2\text{–CHCl–COOH} + 2\text{NH}_3 \rightarrow \text{HS–CH}_2\text{–CH(NH}_2\text{)–COOH} + \text{NH}_4\text{Cl}HS–CH2​–CHCl–COOH+2NH3​→HS–CH2​–CH(NH2​)–COOH+NH4​Cl
בדיקת איזון: בכל צד 3 אטומי C, 11 אטומי H, 2 אטומי N, 2 אטומי O, אטום S ואטום Cl.

סעיף ה

תשובה:

ציסטאין, כמו כל חומצה אמינית, נמצא במוצק כדו-יון (NH3+\text{NH}_3^+NH3+​ ו-COO−\text{COO}^-COO−); בין הדו-יונים פועלים כוחות משיכה חשמליים חזקים (קשרים יוניים) בין קבוצות בעלות מטענים מנוגדים, ולכן נדרשת אנרגיה רבה לפירוקם – החומר מוצק.

הסבר: במולקולה של חומצה אמינית יש קבוצה חומצית (–COOH\text{–COOH}–COOH) וקבוצה בסיסית (–NH2\text{–NH}_2–NH2​) באותה מולקולה. בתגובת חומצה–בסיס פנימית עובר יון H+\text{H}^+H+ מקבוצת ה-COOH\text{COOH}COOH לקבוצת ה-NH2\text{NH}_2NH2​, ונוצר דו-יון (צוויטריון):
HS–CH2–CH(NH3+)–COO−\text{HS–CH}_2\text{–CH(NH}_3^+\text{)–COO}^-HS–CH2​–CH(NH3+​)–COO−
במצב מוצק החלקיקים הם דו-יונים: לכל חלקיק יש קבוצה טעונה חיובית (–NH3+\text{–NH}_3^+–NH3+​) וקבוצה טעונה שלילית (–COO−\text{–COO}^-–COO−). בין הקבוצה החיובית של דו-יון אחד לקבוצה השלילית של דו-יון שכן פועלים כוחות משיכה חשמליים חזקים (קשרים יוניים), ונוצר סריג דמוי סריג יוני. משיכות אלה חזקות בהרבה מכוחות ואן דר ואלס ומקשרי מימן שבין מולקולות לא טעונות בגודל דומה, ולכן נדרשת אנרגיה רבה כדי להרחיק את החלקיקים זה מזה. בטמפרטורת החדר אין די אנרגיה לכך, וציסטאין הוא מוצק (טמפרטורת ההיתוך שלו גבוהה, והוא מתפרק בחימום עוד לפני שהוא נותך).

שאלה 9 · בדיקת PCR לזיהוי סלמונלה: קשרים ב-DNA, תעתוק ופגיעה באנזים

שאלה פתוחה

יש לענות על כל הסעיפים א, ב, ג, ד, ועל אחד מן הסעיפים ה או ו.
חיידק הסלמונלה יכול לגרום למחלה בבני אדם והוא עלול להימצא במזון מן החי.
שירות מזון בלשכת הבריאות מבצע, בין השאר, בדיקות מעקב לזיהוי חיידקים במזון.
הזיהוי של מקטעי ה- DNA של הסלמונלה מתבצע בבדיקת PCR (Polymerase Chain Reaction).
הביוכימאי קארי מוליס זכה בפרס נובל בכימיה בשנת 1993 על המצאת PCR שבה ניתן לשכפל כמות קטנה של DNA לכמות גדולה.
הבדיקה מורכבת משלושה שלבים עיקריים:

א.

בשלב הראשון, מבוצעת הפרדה בין הגדילים של מקטעי ה-DNA , בטמפרטורה של כ- 95∘C95^\circ\text{C}95∘C .
מהו סוג הקשרים הנשברים במהלך ההפרדה בין הגדילים של מקטעי ה- DNA ? נמקו.

ב.

השלב השני, הוא שלב האיחוי של הפריימרים - קטעים קצרים של DNA שתפקידם להתחבר לגדיל, כך שבמקום החיבור נוצר סליל כפול, המסמן את האזור אותו עומדים לשכפל.
שלב זה מבוצע בטמפרטורה נמוכה יותר של כ- 50∘C50^\circ\text{C}50∘C , המאפשרת את יצירת הקשרים.
מהו סוג הקשרים הנוצרים במהלך האיחוי של הפריימרים אל מקטעי ה- DNA ? נמקו.

ג.

השלב השלישי, הוא שלב הארכה באמצעות Taq DNA פולימראז שהוא חלבון העמיד לחום, בו נבנה הגדיל המשלים של ה-DNA בהמשך למקום בו קשור הפריימר.
מהם שני סוגי הקשרים הנוצרים במהלך הארכה של הגדיל המשלים של מקטעי ה- DNA ? נמקו.

ד.

במהלך הבדיקה חוזרים על שלושת השלבים כ- 30 פעמים, כך שאותו מקטע DNA משוכפל פעמים רבות, מה שמאפשר לזהות אותו.
נתון מקטע DNA I של חיידק סלמונלה:
I.   5’ TTG AAT AAA AAG AGG 3’\text{5' TTG AAT AAA AAG AGG 3'}5’ TTG AAT AAA AAG AGG 3’

(i)

רשמו את רצף הנוקלאוטידים בקטע של גדיל ה- DNA המשלים לקטע הנתון של גדיל DNA . ציינו את קצה 3' ואת קצה 5' .

(ii)

רשמו את רצף הנוקלאוטידים בגדיל mRNA שיכול להתקבל בתהליך תעתוק של קטע הגדיל המשלים של ה- DNA שרשמתם בתת-סעיף ד i . ציינו את קצה 3' ואת קצה 5' .

(iii)

נתון מקטע II שהוא מקטע נוסף ברצף ה- DNA של חיידק סלמונלה, שאורכו שווה לזה של מקטע DNA I :
II.   5’ CGC CGA CCT GCT CAC 3’\text{5' CGC CGA CCT GCT CAC 3'}5’ CGC CGA CCT GCT CAC 3’
לאיזה מקטע יש טמפרטורת רתיחה גבוהה יותר - למקטע I או למקטע II ? נמקו.

ה.

סעיף ה הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ו.
גילוי Taq DNA פולימראז, שהוא חלבון עמיד לחום, קידם מאוד את יעילות הבדיקה, מאחר והוא חסך את הצורך להחליף את DNA פולימראז, אחרי כל מחזור של שלושת השלבים הנ"ל, עקב הטמפרטורה הגבוהה בבדיקה, שפוגעת בפעילות שלו.
הסבירו מדוע הטמפרטורה הגבוהה במהלך הבדיקה גרמה לפגיעה בפעילות של DNA פולימראז, שהוא חלבון.

ו.

סעיף ו הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ה.
הוספה של אוריאה, H2N-CO-NH2\text{H}_2\text{N-CO-NH}_2H2​N-CO-NH2​ , ל- DNA פולימראז, שהוא חלבון, גורמת להפסקת פעילותו.
הסבירו עובדה זו.

◂ פתרון מלא לשאלה 9

סעיף א

תשובה:

קשרי מימן בין הבסיסים החנקניים המשלימים (A–T ו-G–C) שבשני הגדילים.

קשרי מימן.
נימוק: שני הגדילים של הסליל הכפול מוחזקים זה לזה בקשרי מימן בין הבסיסים החנקניים המשלימים – A עם T (שני קשרי מימן) ו-G עם C (שלושה קשרי מימן). קשרי מימן הם קשרים בין-מולקולריים, חלשים בהרבה מהקשרים הקוולנטיים שבתוך כל גדיל (קשרים פוספואסטריים בשלד סוכר–זרחה וקשרים N-גליקוזידיים). בחימום ל-95∘C95^\circ\text{C}95∘C האנרגיה מספיקה כדי לשבור את קשרי המימן בין הבסיסים, והגדילים נפרדים, אך אינה מספיקה כדי לשבור את הקשרים הקוולנטיים – ולכן כל גדיל נשאר שלם (רצף הנוקלאוטידים נשמר).

סעיף ב

תשובה:

קשרי מימן בין בסיסי הפריימר לבסיסים המשלימים בגדיל ה-DNA.

קשרי מימן.
נימוק: הפריימר הוא קטע קצר של DNA שרצף הבסיסים שלו משלים לרצף באזור מסוים בגדיל ה-DNA. באיחוי נוצר קטע קצר של סליל כפול: כל בסיס בפריימר נקשר לבסיס המשלים לו בגדיל – A עם T ו-G עם C – בקשרי מימן (בין אטומי H הקשורים לאטומי N לבין אטומי N או O בעלי זוגות אלקטרונים לא קושרים בבסיס שמולם). אלה אותם קשרים שנשברו בשלב הראשון. בטמפרטורה הנמוכה יותר (כ-50∘C50^\circ\text{C}50∘C) לחלקיקים אנרגיה קינטית נמוכה יותר, ולכן קשרי המימן שנוצרים אינם נשברים מיד והפריימר נשאר קשור לגדיל.

סעיף ג

תשובה:

(1) קשרים פוספואסטריים (קוולנטיים) בין הנוקלאוטידים בגדיל החדש; (2) קשרי מימן בין הבסיסים בגדיל החדש לבסיסים המשלימים בגדיל התבנית.

1. קשרים פוספואסטריים (קשרים קוולנטיים): האנזים מוסיף לגדיל החדש נוקלאוטיד אחר נוקלאוטיד. כל נוקלאוטיד חדש נקשר בקשר פוספואסטרי – בין קבוצת הזרחה שעל פחמן 5' שלו לבין קבוצת ה-OH\text{OH}OH שעל פחמן 3' של הנוקלאוטיד האחרון בגדיל (בהמשך לפריימר). כך נבנה שלד הסוכר–זרחה של הגדיל החדש, בכיוון 5′→3′5' \rightarrow 3'5′→3′.
2. קשרי מימן: כל נוקלאוטיד שנוסף מכיל בסיס משלים לבסיס שמולו בגדיל התבנית (A מול T, G מול C), ובין שני הבסיסים נוצרים קשרי מימן (2 בזוג A–T, 3 בזוג G–C). כך הגדיל החדש והגדיל התבנית יוצרים יחד סליל כפול.

סעיף ד

(i)

תשובה:

3’ AAC TTA TTT TTC TCC 5’\text{3' AAC TTA TTT TTC TCC 5'}3’ AAC TTA TTT TTC TCC 5’  (או, בכתיבה מ-5' ל-3': 5’ CCT CTT TTT ATT CAA 3’\text{5' CCT CTT TTT ATT CAA 3'}5’ CCT CTT TTT ATT CAA 3’)

בגדיל המשלים כל בסיס מוחלף בבסיס המשלים לו: A ↔ T, G ↔ C. שני הגדילים אנטי-מקבילים – מול קצה 5' של הגדיל הנתון נמצא קצה 3' של הגדיל המשלים.
גדיל נתון:  5’ TTG AAT AAA AAG AGG 3’\text{5' TTG AAT AAA AAG AGG 3'}5’ TTG AAT AAA AAG AGG 3’
גדיל משלים: 3’ AAC TTA TTT TTC TCC 5’\text{3' AAC TTA TTT TTC TCC 5'}3’ AAC TTA TTT TTC TCC 5’
אותו גדיל משלים, כשקוראים אותו מקצה 5' לקצה 3': 5’ CCT CTT TTT ATT CAA 3’\text{5' CCT CTT TTT ATT CAA 3'}5’ CCT CTT TTT ATT CAA 3’.

(ii)

תשובה:

5’ UUG AAU AAA AAG AGG 3’\text{5' UUG AAU AAA AAG AGG 3'}5’ UUG AAU AAA AAG AGG 3’

בתעתוק גדיל ה-mRNA נבנה משלים לגדיל ה-DNA המשמש תבנית (כאן – הגדיל המשלים מתת-סעיף i) ואנטי-מקביל לו; ב-RNA מופיע U (אורציל) במקום T: מול A בתבנית – U, מול T – A, מול G – C, מול C – G.
גדיל תבנית (מ-i): 3’ AAC TTA TTT TTC TCC 5’\text{3' AAC TTA TTT TTC TCC 5'}3’ AAC TTA TTT TTC TCC 5’
גדיל mRNA:      5’ UUG AAU AAA AAG AGG 3’\text{5' UUG AAU AAA AAG AGG 3'}5’ UUG AAU AAA AAG AGG 3’
(גדיל ה-mRNA זהה ברצף לגדיל ה-DNA הנתון I, למעט U במקום T. ה-mRNA נבנה בכיוון 5′→3′5' \rightarrow 3'5′→3′, בעוד התבנית נקראת מ-3' ל-5'.)

(iii)

תשובה:

למקטע II: יש בו 11 זוגות G–C (3 קשרי מימן כל אחד) לעומת 4 במקטע I, ולכן בין גדיליו 41 קשרי מימן לעומת 34.

למקטע II (במקטע הדו-גדילי שלו) טמפרטורה גבוהה יותר להפרדת הגדילים.
נימוק: בשני המקטעים 15 זוגות בסיסים (אורך שווה), אבל ההרכב שונה:
•מקטע I: 4 זוגות G–C ו-11 זוגות A–T → מספר קשרי המימן בין הגדילים: 4×3+11×2=344 \times 3 + 11 \times 2 = 344×3+11×2=34.
•מקטע II: 11 זוגות G–C ו-4 זוגות A–T → 11×3+4×2=4111 \times 3 + 4 \times 2 = 4111×3+4×2=41.
בין G ל-C נוצרים 3 קשרי מימן, ובין A ל-T רק 2. במקטע II שיעור זוגות ה-G–C גדול בהרבה, ולכן יש בין שני גדיליו יותר קשרי מימן. כדי להפריד בין הגדילים צריך לשבור את כל קשרי המימן האלה, ולכן נדרשת אנרגיה רבה יותר – טמפרטורה גבוהה יותר.

סעיף ה

תשובה:

בטמפרטורה גבוהה נשברים הקשרים והאינטראקציות החלשים (קשרי מימן, אינטראקציות הידרופוביות וואן דר ואלס) המייצבים את המבנה השניוני והשלישוני – דנטורציה; צורת האתר הפעיל משתנה והאנזים אינו יכול להיקשר למצעים.

הסבר: הפעילות של אנזים תלויה במבנה המרחבי שלו – בעיקר בצורת האתר הפעיל, שאליו נקשרים המצעים (כאן – גדיל התבנית, הפריימר והנוקלאוטידים). המבנה השניוני (סלילי α\alphaα ומשטחי β\betaβ) והמבנה השלישוני של החלבון מיוצבים בעיקר בקשרים ובאינטראקציות חלשים יחסית: קשרי מימן, אינטראקציות הידרופוביות ואינטראקציות ואן דר ואלס בין קבוצות צד (וגם אינטראקציות יוניות).
בטמפרטורה גבוהה (כ-95∘C95^\circ\text{C}95∘C) האנרגיה הקינטית של חלקי השרשרת גדלה מאוד, והקשרים החלשים האלה נשברים. השרשרת מאבדת את צורתה המרחבית ו"נפרשת" – תהליך הנקרא דנטורציה. המבנה הראשוני (רצף החומצות האמיניות, הקשרים הפפטידיים הקוולנטיים) אינו נפגע, אבל צורת האתר הפעיל משתנה, המצעים כבר אינם מתאימים לו ואינם נקשרים אליו – והאנזים מאבד את פעילותו. לכן היה צריך להוסיף אנזים חדש אחרי כל מחזור.

סעיף ו

תשובה:

מולקולות האוריאה יוצרות קשרי מימן עם קבוצות החלבון ומתחרות בקשרי המימן הפנימיים המייצבים את המבנה השניוני והשלישוני; המבנה המרחבי נהרס (דנטורציה), צורת האתר הפעיל משתנה והאנזים מפסיק לפעול.

הסבר: הפעילות של DNA פולימראז, כמו של כל אנזים, תלויה במבנה המרחבי שלו ובצורת האתר הפעיל. את המבנה השניוני והשלישוני מייצבים בעיקר קשרי מימן (בין קבוצות C=O\text{C=O}C=O ו-N–H\text{N–H}N–H של השלד, ובין קבוצות צד קוטביות), וגם אינטראקציות הידרופוביות.
במולקולת האוריאה, H2N–CO–NH2\text{H}_2\text{N–CO–NH}_2H2​N–CO–NH2​, יש שתי קבוצות NH2\text{NH}_2NH2​ (אטומי H הקשורים ל-N) ואטום O בעל זוגות אלקטרונים לא קושרים, ולכן היא יוצרת בקלות קשרי מימן. בריכוז גבוה מולקולות האוריאה יוצרות קשרי מימן עם קבוצות C=O\text{C=O}C=O ו-N–H\text{N–H}N–H של השלד ועם קבוצות הצד של החלבון, במקום קשרי המימן הפנימיים שבין חלקי השרשרת; כך נשברים קשרי המימן המייצבים את סלילי ה-α\alphaα, את משטחי ה-β\betaβ ואת המבנה השלישוני (האוריאה גם מקלה על "חשיפת" קבוצות הידרופוביות ומחלישה את האינטראקציות ההידרופוביות).
החלבון עובר דנטורציה: המבנה המרחבי נהרס (המבנה הראשוני נשמר), צורת האתר הפעיל משתנה, המצעים אינם נקשרים אליו – ופעילות האנזים נפסקת.

טבלת התשובות

שאלה	סעיף	תשובה
1	-	ד – 3-מתיל-1-בוטן: לפי כלל מרקובניקוב היוד נקשר לפחמן 2 ומתקבל 2-יודו-3-מתילבוטאן.
2	-	ג – II הוא ציס-1,2-דיכלורואתן ו- III הוא טרנס-1,2-דיכלורואתן.
3	-	ב – יון הברומיד (בעל זוג אלקטרונים לא קושר) תוקף את הקרבוקטיון השניוני $(\text{CH}_3)_2\text{CH}^+$ ונוצר 2-ברומופרופאן.
4	-	א – Val: קבוצת הצד שלה פחמימנית (הידרופובית), ואילו ב-Thr יש קבוצת OH היוצרת קשרי מימן עם המים.
5	-	ב – הבסיס הוא תימין (טבעת אחת עם קבוצת $\text{CH}_3$ ), והסוכר הוא דאוקסיריבוז (אין OH בפחמן 2') – נוקלאוטיד של DNA.
6	-	ג – ב-DNA הנוקלאוטידים מכילים דאוקסיריבוז ואת הבסיסים A, G, C, T; ב-RNA – ריבוז ואת הבסיסים A, G, C, U.
7	א	A – 2-פרופאנול, $\text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_3$ ; B – 1-פרופאנול, $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH}$ ; C – אתאנול, $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}$ .
	ב i	$\text{CH}_3\text{CH(OH)CH}_{3(l)} + \text{HCl}_{(aq)} \xrightarrow{\text{ZnCl}_2} \text{CH}_3\text{CHClCH}_{3(l)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)}$ ; D = 2-כלורופרופאן.
	ב ii	2-יודופרופאן, $\text{CH}_3\text{CHICH}_3$ (גם 2-ברומופרופאן, $\text{CH}_3\text{CHBrCH}_3$ , מתאים): הקשר C–I ארוך וחלש יותר מהקשר C–Cl, ו- $\text{I}^-$ קבוצה עוזבת טובה יותר.
	ג i	$\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH}_{(l)} \xrightarrow{\text{H}_2\text{SO}_{4(l)}} \text{CH}_2\text{=CHCH}_{3(g)} + \text{H}_2\text{O}_{(l)}$ ; G = פרופן.
	ג ii	A – 2-פרופאנול: בסיפוח מים לפרופן לפי כלל מרקובניקוב ה-H נקשר ל- $\text{CH}_2$ וה-OH לפחמן האמצעי.
	ד	לא. E הוא 1-כלורופרופאן; בסיפוח HCl לפרופן לפי כלל מרקובניקוב מתקבל בעיקר 2-כלורופרופאן (חומר D).
	ה	מ-A מתקבל פרופאנון (קטון), מ-C – חומצה אתאנואית. מדידת pH (אינדיקטור אוניברסלי) או הוספת $\text{NaHCO}_{3(s)}$ : בכלי עם החומצה ה-pH נמוך יותר ומשתחררות בועות $\text{CO}_2$ ; בכלי עם הקטון – אין בועות.
	ו	תגובת אסטריפיקציה: $\text{CH}_3\text{COOH} + \text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH} \overset{\text{H}^+}{\rightleftharpoons} \text{CH}_3\text{COOCH}_2\text{CH}_3 + \text{H}_2\text{O}$ (מתקבל אתיל אתאנואט).
8	א i	קשרי מימן בין אטום O של קבוצת C=O לבין אטום H של קבוצת N–H בשלד הפפטידי.
	א ii	בסליל $\alpha$ קשרי המימן נוצרים בין קבוצות של שיירים קרובים באותו קטע של השרשרת (כל C=O עם N–H של השייר הרביעי אחריו), בכיוון ציר הסליל; במשטח $\beta$ – בין קבוצות של קטעי שרשרת שונים הנמצאים זה לצד זה.
	ב i	$\text{H}_2\text{N–CH(CH}_2\text{CH}_2\text{SCH}_3\text{)–CO–NH–CH(CH}_2\text{C}_6\text{H}_4\text{OH)–CO–NH–CH(CH(CH}_3\text{)CH}_2\text{CH}_3\text{)–COOH}$
	ב ii	Asp – Cys – Thr – Met – Tyr – Ile – Cys – Gly – Asp
	ג i	ההיגד b הוא הנכון.
	ג ii	נוכחות שיירי Cys היא תנאי הכרחי אך לא מספיק: קשר דו-גופרית נוצר רק בין שתי קבוצות SH שמתקרבות זו לזו במבנה המרחבי (בתהליך חמצון); קבוצות SH רבות נשארות חופשיות.
	ד	A: $\text{HS–CH}_2\text{–CHCl–COOH}$ (חומצה 2-כלורו-3-סולפנילפרופאנואית; אפשר גם Br או I במקום Cl).
	ה	ציסטאין, כמו כל חומצה אמינית, נמצא במוצק כדו-יון ( $\text{NH}_3^+$ ו- $\text{COO}^-$ ); בין הדו-יונים פועלים כוחות משיכה חשמליים חזקים (קשרים יוניים) בין קבוצות בעלות מטענים מנוגדים, ולכן נדרשת אנרגיה רבה לפירוקם – החומר מוצק.
9	א	קשרי מימן בין הבסיסים החנקניים המשלימים (A–T ו-G–C) שבשני הגדילים.
	ב	קשרי מימן בין בסיסי הפריימר לבסיסים המשלימים בגדיל ה-DNA.
	ג	(1) קשרים פוספואסטריים (קוולנטיים) בין הנוקלאוטידים בגדיל החדש; (2) קשרי מימן בין הבסיסים בגדיל החדש לבסיסים המשלימים בגדיל התבנית.
	ד i	$\text{3' AAC TTA TTT TTC TCC 5'}$ (או, בכתיבה מ-5' ל-3': $\text{5' CCT CTT TTT ATT CAA 3'}$ )
	ד ii	$\text{5' UUG AAU AAA AAG AGG 3'}$
	ד iii	למקטע II: יש בו 11 זוגות G–C (3 קשרי מימן כל אחד) לעומת 4 במקטע I, ולכן בין גדיליו 41 קשרי מימן לעומת 34.
	ה	בטמפרטורה גבוהה נשברים הקשרים והאינטראקציות החלשים (קשרי מימן, אינטראקציות הידרופוביות וואן דר ואלס) המייצבים את המבנה השניוני והשלישוני – דנטורציה; צורת האתר הפעיל משתנה והאנזים אינו יכול להיקשר למצעים.
	ו	מולקולות האוריאה יוצרות קשרי מימן עם קבוצות החלבון ומתחרות בקשרי המימן הפנימיים המייצבים את המבנה השניוני והשלישוני; המבנה המרחבי נהרס (דנטורציה), צורת האתר הפעיל משתנה והאנזים מפסיק לפעול.

פרק ראשון

שאלה 1 · בחירת אלקן לקבלת יודו-אלקאן (כלל מרקובניקוב)

תשובה: ד.

שאלה 2 · זיהוי זוג איזומרים ציס וטרנס

תשובה: ג.

שאלה 3 · השלב השני במנגנון סיפוח HBr לפרופן

תשובה: ב.

שאלה 4 · השפעת החלפת חומצה אמינית על מסיסות פפטיד

תשובה: א.

שאלה 5 · זיהוי נוקלאוטיד לפי נוסחת המבנה

תשובה: ב.

שאלה 6 · ההבדל בין מבנה DNA למבנה RNA

תשובה: ג.

פרק שני

שאלה 7 · כהלים לחיטוי ידיים: תגובות של אתאנול ואיזומרים של פרופאנול

יש לענות על כל הסעיפים א, ב, ג, ד, ועל אחד מן הסעיפים ה או ו.

הסבירו את הקביעה.

סעיף א

A – 2-פרופאנול; B – 1-פרופאנול; C – אתאנול.

סעיף ב

סעיף ג

החומר המתקבל הוא A – 2-פרופאנול.

סעיף ד

קביעה: חומר E אינו יכול להתקבל (כתוצר העיקרי) בתגובה זו.

סעיף ה

התוצרים:

סעיף ו

שאלה 8 · חלבון הספייק של נגיף הקורונה: מבנה, הידרוליזה וציסטאין

יש לענות על כל הסעיפים א, ב, ג, ועל אחד מן הסעיפים ד או ה.

Cys

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

סעיף ד

סעיף ה

שאלה 9 · בדיקת PCR לזיהוי סלמונלה: קשרים ב-DNA, תעתוק ופגיעה באנזים

יש לענות על כל הסעיפים א, ב, ג, ד, ועל אחד מן הסעיפים ה או ו.

הסבירו עובדה זו.

סעיף א

קשרי מימן.

סעיף ב

קשרי מימן.

סעיף ג

סעיף ד

סעיף ה

סעיף ו

רוצים להשלים את חוויית הלמידה?

כל האתר במבט אחד