בגרות בכימיה אורגנית וביוכימיה 037382 - קיץ 2024

זו תגובת התמרה: יון ההידרוקסיד $\text{OH}^-$ (נוקלאופיל) תוקף את אטום הפחמן הקשור לברום (אטום פחמן בעל מטען חלקי חיובי, כי ברום אלקטרושלילי יותר), נוצר קשר C–O, והיון $\text{Br}^-$ עוזב.

(אפשר גם לכתוב עם יוני האשלגן: $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{Br} + \text{K}^+ + \text{OH}^- \rightarrow \text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH} + \text{K}^+ + \text{Br}^-$; יוני $\text{K}^+$ הם יוני צופה.)

התוצר A הוא 1-פרופאנול, $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH}$. בדיקת איזון: בכל צד 3 C, 8 H (כולל ה-H של $\text{OH}^-$), 1 O, 1 Br, ומטען כולל $-1$.

1-פרופאנול הוא כהל ראשוני (הפחמן הנושא את ה-OH קשור לאטום פחמן אחד בלבד). תמיסה חומצית של דיכרומט היא מחמצן חזק: כהל ראשוני מתחמצן תחילה לאלדהיד (פרופאנאל, $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CHO}$), והאלדהיד ממשיך להתחמצן לחומצה קרבוקסילית. לכן התוצר B הוא חומצה פרופאנואית, $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COOH}$.

ייצוג מלא (כל האטומים וכל הקשרים):

תיאור: שרשרת של שלושה אטומי פחמן. הפחמן הראשון קשור לשלושה אטומי H, השני לשני אטומי H, והשלישי קשור בקשר כפול לאטום O ובקשר יחיד לאטום O נוסף, שקשור לאטום H (קבוצה קרבוקסילית $\text{–COOH}$).

(לידיעה: הניסוח המאוזן של החמצון המלא הוא $3\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH} + 2\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-} + 16\text{H}_3\text{O}^+ \rightarrow 3\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COOH} + 4\text{Cr}^{3+} + 27\text{H}_2\text{O}$; התמיסה משנה את צבעה מכתום לירוק.)

נוקלאופיל תוקף אטום פחמן בעל מטען חלקי חיובי באמצעות זוג אלקטרונים לא קושר. לשני החלקיקים אותו אטום תוקף – חנקן עם זוג אלקטרונים לא קושר. אבל ל-$\text{NH}_2^-$ יש מטען שלילי שלם (ושני זוגות אלקטרונים לא קושרים), ולכן צפיפות האלקטרונים על אטום החנקן גבוהה יותר, והמשיכה החשמלית שלו לאטום הפחמן בעל המטען החלקי החיובי חזקה יותר. בהתאם, $\text{NH}_2^-$ הוא גם בסיס חזק בהרבה מ-$\text{NH}_3$ (קבוע $K_b$ גדול יותר), כלומר הוא נוטה יותר למסור את זוג האלקטרונים. לכן התגובה עם $\text{NH}_2^-$ מהירה יותר, והוא נוקלאופיל טוב יותר.

באופן כללי: מבין שני נוקלאופילים עם אותו אטום תוקף, החלקיק הטעון שלילית הוא הנוקלאופיל הטוב יותר.

זו תגובת התמרה (הפקת אמין מאלקיל הליד): זוג האלקטרונים הלא קושר של החנקן ב-$\text{NH}_3$ תוקף את הפחמן הקשור לברום, והיון $\text{Br}^-$ עוזב. מולקולת $\text{NH}_3$ נוספת מקבלת את היון $\text{H}^+$ מהחנקן.

בנוסחת מבנה: באטום הפחמן האמצעי, שקשור לשתי קבוצות $\text{CH}_3$ ולאטום H, אטום הברום מוחלף בקבוצה אמינית $\text{–NH}_2$.

התוצר D הוא 2-פרופאנאמין (אמין ראשוני). מקובל גם הניסוח בשלב אחד: $\text{CH}_3\text{CHBrCH}_3 + \text{NH}_3 \rightarrow \text{CH}_3\text{CH(NH}_2)\text{CH}_3 + \text{HBr}$.

בדיקת איזון (בניסוח עם $2\text{NH}_3$): בכל צד 3 C, 13 H, 2 N, 1 Br, ומטען כולל 0.

אמין הוא בסיס: לאטום החנקן בקבוצה האמינית יש זוג אלקטרונים לא קושר, שבאמצעותו הוא מקבל יון $\text{H}^+$ (פרוטון) ממולקולת מים. נוצרים יון אמוניום אורגני ויוני הידרוקסיד, ולכן התמיסה בסיסית:

בדיקת איזון: בכל צד 3 C, 11 H, 1 N, 1 O, ומטען כולל 0.

B היא חומצה קרבוקסילית (חומצה פרופאנואית) ו-D הוא אמין ראשוני (2-פרופאנאמין). בין חומצה קרבוקסילית לאמין מתרחשת תגובת עיבוי (דחיסה) ליצירת אמיד: הקבוצה $\text{–OH}$ של החומצה ואטום H מהקבוצה $\text{–NH}_2$ של האמין יוצאים כמולקולת מים, ונוצר קשר אמידי $\text{–CO–NH–}$. (בטמפרטורת החדר מתרחשת תחילה רק תגובת חומצה-בסיס ונוצר מלח, $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COO}^-\ {}^{+}\text{H}_3\text{N–CH(CH}_3)_2$; האמיד E מתקבל מהמלח בחימום, תוך הרחקת מים.)

ייצוג מקוצר של E:

כלומר: קבוצת אתיל קשורה לפחמן קרבונילי ($\text{C=O}$), שקשור לקבוצה $\text{NH}$, שקשורה לפחמן האמצעי של קבוצת 2-פרופיל (פחמן הקשור לשתי קבוצות $\text{CH}_3$ ולאטום H).

בדיקת איזון: $\text{C}_3\text{H}_6\text{O}_2 + \text{C}_3\text{H}_9\text{N} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_{13}\text{NO} + \text{H}_2\text{O}$ – בכל צד 6 C, 15 H, 1 N, 2 O.

הדרך הדו-שלבית האפשרית היא אלימינציה ואחריה סיפוח:

שלב 1 – אלימינציה (הרחקת מים): חימום 2-פרופאנול עם חומצה גופרתית מרוכזת (או מעל $\text{Al}_2\text{O}_3$) מרחיק מולקולת מים ונוצר פרופן:

שלב 2 – סיפוח HBr לפרופן: לפי כלל מרקובניקוב, אטום המימן מתחבר לאטום הפחמן של הקשר הכפול שקשורים אליו יותר אטומי מימן (הפחמן הקיצוני, $\text{CH}_2$), והברום מתחבר לפחמן האמצעי:

כלומר התוצר העיקרי הוא 2-ברומופרופאן, ולא 1-ברומופרופאן. גם התמרה ישירה של קבוצת ה-OH ב-2-פרופאנול בברום נותנת 2-ברומופרופאן, כי הברום נכנס במקום שבו הייתה קבוצת ה-OH (על הפחמן האמצעי). לכן אי אפשר לקבל 1-ברומופרופאן מ-2-פרופאנול בתגובה דו-שלבית.

שלב 1 – אלימינציה (הרחקת מים): חימום 1-פרופאנול עם חומצה גופרתית מרוכזת (או מעל $\text{Al}_2\text{O}_3$) מרחיק מולקולת מים – קבוצת ה-OH מפחמן 1 ואטום H מפחמן 2 – ונוצר פרופן:

שלב 2 – סיפוח HBr לפרופן: לפי כלל מרקובניקוב, אטום המימן מתחבר לפחמן הקיצוני ($\text{CH}_2$, שקשורים אליו יותר אטומי מימן), והברום מתחבר לפחמן האמצעי:

התוצר העיקרי הוא 2-ברומופרופאן. כך שבשני שלבים (אלימינציה ואחריה סיפוח) עובר הברום לפחמן האמצעי, אף שקבוצת ה-OH הייתה על הפחמן הקיצוני.

בדיקת איזון: $\text{C}_3\text{H}_8\text{O} \rightarrow \text{C}_3\text{H}_6 + \text{H}_2\text{O}$; $\text{C}_3\text{H}_6 + \text{HBr} \rightarrow \text{C}_3\text{H}_7\text{Br}$.

המבנה השניוני (סליל $\alpha$ ומשטח $\beta$) מיוצב בקשרי מימן בין אטום החמצן של קבוצת $\text{C=O}$ בקשר פפטידי אחד לבין אטום המימן של קבוצת $\text{N–H}$ בקשר פפטידי אחר. אלה קשרי מימן בין אטומי השלד של השרשרת, ולא בין הקבוצות הצדדיות.

בשני המבנים מדובר בקשרי מימן בין $\text{C=O}$ ל-$\text{N–H}$ של קשרים פפטידיים; ההבדל הוא בין אילו חלקים של השרשרת הם נוצרים:

- סליל $\alpha$: קטע השרשרת מתפתל לסליל, וקשרי המימן נוצרים בתוך אותו קטע – בין קבוצת $\text{C=O}$ של שייר מסוים לבין קבוצת $\text{N–H}$ של השייר הנמצא ארבעה מקומות אחריו ברצף. קשרי המימן מקבילים בערך לציר הסליל ומחזיקים את סיבוביו.

- משטח $\beta$: קטעים מתוחים של השרשרת (או של שרשרות שונות) מסודרים זה לצד זה, וקשרי המימן נוצרים בין קטעים סמוכים – בין $\text{C=O}$ בקטע אחד לבין $\text{N–H}$ בקטע השכן, ניצבים בערך לכיוון הקטעים. כך נוצר משטח "מקופל".

"חותכים" את הדו-פפטיד בקשר הפפטידי $\text{–CO–NH–}$:

•החלק השמאלי: $\text{H}_2\text{N–CH(CH}_3\text{)–CO–}$ – לפחמן α קשורה קבוצת מתיל, $\text{–CH}_3$; זהו שייר של אלנין (Ala), בקצה N.

•החלק הימני: $\text{–NH–CH(COOH)–(CH}_2)_4\text{–NH}_2$ – לפחמן α קשורה שרשרת של ארבע קבוצות $\text{CH}_2$ שבסופה קבוצה אמינית; זהו שייר של ליזין (Lys), בקצה C.

לכן A הוא Ala–Lys.

החומצות האמיניות שאינן ב-A הן גליצין (Gly) וגלוטמין (Gln). הדו-פפטיד נוצר בתגובת דחיסה: הקבוצה הקרבוקסילית של חומצה אמינית אחת מגיבה עם הקבוצה האמינית (של פחמן α) של השנייה, נוצר קשר פפטידי $\text{–CO–NH–}$ ומשתחררת מולקולת מים.

אפשרות אחת – Gly–Gln (גליצין בקצה N, גלוטמין בקצה C):

ייצוג מלא (כל האטומים וכל הקשרים):

אפשרות שנייה נכונה באותה מידה – Gln–Gly: $\text{H}_2\text{N–CH(CH}_2\text{CH}_2\text{CONH}_2\text{)–CO–NH–CH}_2\text{–COOH}$.

טעות נפוצה: יצירת הקשר הפפטידי דרך קבוצת האמיד $\text{–CONH}_2$ שבשרשרת הצד של גלוטמין, במקום דרך הקבוצה האמינית והקבוצה הקרבוקסילית הקשורות לפחמן α. כמו כן, בייצוג מלא יש לרשום את כל אטומי המימן ואת כל הקשרים.

בודקים כל מקום לפי סוג הקבוצה הצדדית (טבלת החומצות האמיניות בדפי הנתונים):

- מקום 19: Pro (אדם) ← Ser (שמרים). לפרולין קבוצה צדדית פחמימנית (טבעתית) לא קוטבית – הידרופובית. לסרין קבוצה צדדית $\text{–CH}_2\text{OH}$ קוטבית, שיכולה ליצור קשרי מימן עם מולקולות מים – הידרופילית. ההחלפה מגדילה את ההידרופיליות.

- מקום 24: Glu (אדם) ← Asp (שמרים). לשתיהן קבוצה צדדית קרבוקסילית (חומצית), שב-pH של התא נמצאת כיון $\text{–COO}^-$ ויוצרת אינטראקציות יון-דו קוטב וקשרי מימן עם מים. שתיהן הידרופיליות – אין שינוי משמעותי בהידרופיליות (Asp קצרה ב-$\text{CH}_2$ אחד בלבד).

- מקום 28: Ala (אדם) ← Ser (שמרים). לאלנין קבוצה צדדית $\text{–CH}_3$ לא קוטבית – הידרופובית; לסרין קבוצה $\text{–CH}_2\text{OH}$ הידרופילית. ההחלפה מגדילה את ההידרופיליות.

לסיכום: בשמרים יש שתי חומצות אמיניות הידרופיליות במקום שתי חומצות אמיניות הידרופוביות שבאדם, ולכן אוביקוונטין של שמרים הידרופילי יותר (גם אם ההבדל קטן, כי מדובר ב-2 שיירים מתוך 76).

המבנה השלישוני הוא המבנה המרחבי שמתקבל מקיפול כל שרשרת הפוליפפטיד. בגלל הקיפול, שיירים הרחוקים זה מזה ברצף (המבנה הראשוני) יכולים להימצא קרובים זה לזה במרחב.

לאוצין, איזולאוצין וואלין הן חומצות אמיניות שהקבוצות הצדדיות שלהן פחמימניות (אלקיליות), לא קוטביות – כלומר הידרופוביות. בסביבה המימית של התא, השרשרת מתקפלת כך שהקבוצות ההידרופוביות פונות לפנים החלבון, הרחק מהמים, ואילו הקבוצות ההידרופיליות פונות החוצה, אל המים. בפנים החלבון מתקבצות הקבוצות ההידרופוביות של Leu8, Ile44 ו-Val70 זו ליד זו, ובין ענני האלקטרונים שלהן פועלות אינטראקציות ואן דר ואלס (אינטראקציות הידרופוביות), שתורמות ליציבות המבנה השלישוני. כך נוצרת קירבה ביניהן למרות המרחק ברצף.

שייר הליזין נמצא באמצע השרשרת של המולקולה השנייה, ולכן הקבוצה האמינית של פחמן α שלו והקבוצה הקרבוקסילית שלו כבר תפוסות בקשרים פפטידיים בתוך השרשרת (הקו המנוקד האנכי באיור). הקבוצה הפנויה היחידה בליזין היא הקבוצה האמינית שבקצה שרשרת הצד, $\text{–(CH}_2)_4\text{–NH}_2$. הקבוצה הקרבוקסילית של Gly (קצה C של המולקולה הראשונה) מגיבה עם קבוצה זו בתגובת דחיסה, ונוצר קשר פפטידי (אמידי).

ייצוג מקוצר:

כלומר: משמאל – שייר הגליצין: $\text{–NH–CH}_2\text{–CO–}$ (הקבוצה $\text{–NH–}$ שלו קשורה לשאר המולקולה הראשונה); הפחמן הקרבונילי של Gly קשור לקבוצה $\text{–NH–}$ שבקצה שרשרת הצד של ליזין; לאחר מכן ארבע קבוצות $\text{CH}_2$ ופחמן α של ליזין, שקשורים אליו אטום H, הקבוצה $\text{–NH–}$ והקבוצה $\text{–CO–}$ שממשיכות את שרשרת המולקולה השנייה.

התרגום מתבצע לאורך ה-mRNA מקצה 5' לקצה 3', ולכן הקודון הראשון (בקצה 5') מקודד לחומצה האמינית שבקצה N של הפפטיד (Glu). לפי טבלת הקודונים:

אפשרות אחת:

כל צירוף של קודון מתאים לכל חומצה אמינית, בסדר הזה ומקצה 5', הוא תשובה נכונה (למשל $\text{5' GAG AGC UAC CUG 3'}$).

טעות נפוצה: לרשום את הרצף בכיוון ההפוך (3'←5') בלי לשנות את סימון הקצוות, או להשתמש ב-T במקום U ב-RNA.

הגדיל המשלים בנוי לפי זיווג הבסיסים A–T ו-G–C, והוא אנטי-מקביל לגדיל הנתון: מול קצה 3' של הגדיל הנתון נמצא קצה 5' של הגדיל המשלים.

תשובה: $5'\ \ \text{AAG GCT ATC CTA GTC}\ \ 3'$

בתוך גדיל ה-DNA הנוקלאוטידים קשורים בקשרים קוולנטיים מסוג פוספואסטרי (קשר אסטרי בין חומצה זרחתית לכהל).

כל קשר כזה נוצר בין קבוצת הזרחה (אטום הזרחן, P) של נוקלאוטיד אחד, הקשורה לפחמן 5' של הדאוקסיריבוז שלו, לבין הסוכר דאוקסיריבוז של הנוקלאוטיד הסמוך – דרך אטום החמצן שעל פחמן 3' שלו (במקור קבוצת OH). הקשר נוצר בתגובת דחיסה, בהשתחררות מולקולת מים. כך נוצר שלד של סוכר–זרחה–סוכר–זרחה לאורך הגדיל.

קטע ה-DNA הנתון נוצר בתעתוק הפוך משלים ואנטי-מקביל לקטע ה-mRNA. לכן ה-mRNA המקורי משלים לגדיל הנתון, עם זיווג A–U (ב-RNA יש U במקום T), T–A, G–C, C–G:

תשובה: $5'\ \ \text{AAG GCU AUC CUA GUC}\ \ 3'$ (זהה לגדיל המשלים מסעיף א-i, כאשר U במקום T).

קוראים את ה-mRNA מקצה 5' לקצה 3' בשלשות, ומתרגמים לפי טבלת הקודונים:

רצף החומצות האמיניות (מקצה N לקצה C): Val – Leu – Leu – Tyr.

הקוד הגנטי הוא קוד מנוון ("עודף"): יש 64 קודונים, ו-61 מהם מקודדים ל-20 חומצות אמיניות בלבד, ולכן לרוב החומצות האמיניות מתאים יותר מקודון אחד. למשל ל-Val ארבעה קודונים (GUU, GUC, GUA, GUG), ל-Leu שישה קודונים (UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG) ול-Tyr שני קודונים (UAU, UAC). לכן רצפי mRNA שונים, שבהם קודון אחד או יותר מוחלף בקודון אחר לאותה חומצה אמינית, יתורגמו לאותו רצף Val–Leu–Leu–Tyr.

דוגמה: $5'\ \ \text{GUU CUG CUA UAU}\ \ 3'$

בדיקה: GUU – Val, CUG – Leu, CUA – Leu, UAU – Tyr, כלומר Val–Leu–Leu–Tyr. (מספיק לשנות קודון אחד, למשל $\text{5' GUG CUU CUC UAU 3'}$.)

זיהוי הבסיסים (מלמעלה למטה): בסיסים עם שתי טבעות הם פורינים (A, G) ובסיסים עם טבעת אחת הם פירימידינים (C, T).

•גדיל I: שורה 1 – פורין עם קבוצת $\text{NH}_2$ = A; שורה 2 – פירימידין עם $\text{NH}_2$ = C; שורה 3 – פורין עם $\text{C=O}$ ו-$\text{NH}_2$ = G; שורה 4 – פירימידין עם קבוצת מתיל = T.

•גדיל II (מלמעלה למטה): T, G, C, A – משלימים לגדיל I (A–T בשני קשרי מימן, C–G בשלושה).

זיהוי הקצוות: בגדיל I, בראש הקטע קבוצת הזרחה קשורה לקבוצת $\text{CH}_2$ של פחמן 5' של הסוכר העליון, ובתחתית הקטע יוצא אטום חמצן מפחמן 3' של הסוכר התחתון. לכן הגדיל I מכוון מ-5' (למעלה) ל-3' (למטה). גדיל II אנטי-מקביל: בראשו יוצא החמצן של פחמן 3', ובתחתיתו קבוצת הזרחה על פחמן 5'.

כלומר: גדיל I – $5'\ \text{ACGT}\ 3'$; גדיל II – $3'\ \text{TGCA}\ 5'$, ובכתיבה מ-5' ל-3': $5'\ \text{ACGT}\ 3'$.

גדיל I בנוי מהנוקלאוטידים של A, C, G, T (ראו סעיף ה). כל נוקלאוטיד ב-DNA בנוי משלושה מרכיבים:

1. הסוכר 2-דאוקסיריבוז (טבעת מחומשת עם אטום חמצן; בפחמן 2' אין קבוצת OH);

2. בסיס חנקני הקשור לפחמן 1' של הסוכר בקשר N-גליקוזידי (דרך אטום חנקן של הבסיס);

3. קבוצת זרחה הקשורה בקשר אסטרי לאטום החמצן שעל פחמן 5' (דרך קבוצת $\text{CH}_2$).

לפחמן 3' קשורה קבוצת OH חופשית (שבגדיל יוצרת את הקשר לזרחה של הנוקלאוטיד הבא).

לדוגמה – הנוקלאוטידים של ציטוזין ושל תימין:

(אפשר לצייר את קבוצת הזרחה גם בצורה המיוננת, $\text{–O–PO}_3^{2-}$, כמו באיור של ה-DNA. כל זוג מבין ארבעת הנוקלאוטידים של A, C, G, T נכון; את נוסחאות הבסיסים ואת הסוכר אפשר לקחת מדפי הנתונים.)

טעות נפוצה: לצייר ריבוז (עם OH על פחמן 2') במקום דאוקסיריבוז, או לחבר את הבסיס או את הזרחה לאטום פחמן לא נכון בסוכר.