בגרות בכימיה אורגנית וביוכימיה 037382 - קיץ 2025

ב-MTBE אטום החמצן קשור מצד אחד לקבוצת מתיל ומצד שני לקבוצת t-בוטיל. המתאנול, $\text{CH}_3\text{OH}$, תורם את החלק $\text{CH}_3\text{O}-$ (אטום החמצן שלו הוא הנוקלאופיל), ולכן האלקיל ברומיד צריך לתרום את קבוצת ה-t-בוטיל: אטום ה-Br קשור לאטום הפחמן המרכזי, שקשורות אליו שלוש קבוצות מתיל.

נוסחת המבנה: אטום פחמן מרכזי הקשור בקשרים יחידים לשלוש קבוצות $\text{CH}_3$ ולאטום Br (מבנה ארבעוני סביב הפחמן המרכזי).

(ייצוג מקוצר: $(\text{CH}_3)_3\text{CBr}$.)

זו תגובת התמרה: אטום החמצן של המתאנול (בעל זוגות אלקטרונים לא קושרים) נקשר לאטום הפחמן שהיה קשור ל-Br, ויון הברומיד עוזב. אטום המימן של קבוצת ה-OH של המתאנול משתחרר ויחד עם הברומיד נוצר HBr:

בדיקת איזון: משמאל – 5 אטומי C, 13 אטומי H, 1 O, 1 Br; מימין – 5 C, 13 H (12 ב-MTBE ו-1 ב-HBr), 1 O, 1 Br. ה-HBr נשאר מומס בתמיסה (המתאנול הוא הממס).

בתגובת ההתמרה הקשר בין אטום הפחמן להלוגן נשבר וההלוגן יוצא כיון הליד (קבוצה עוזבת). ככל שהקשר פחמן–הלוגן נשבר בקלות רבה יותר, התגובה מהירה יותר.

•לאטום יוד יש יותר רמות אנרגיה מאוכלסות (5) מאשר לאטום כלור (3), ולכן הוא גדול יותר. הקשר $\text{C-I}$ ארוך יותר וחלש יותר מהקשר $\text{C-Cl}$ – נדרשת פחות אנרגיה לשבירתו.

•ענן האלקטרונים של היוד גדול ובעל יכולת קיטוב עצמי גבוהה, ויון היודיד $\text{I}^-$ הגדול יציב יותר מיון הכלוריד (המטען השלילי מפוזר על נפח גדול יותר).

לכן היודיד הוא קבוצה עוזבת טובה יותר מהכלוריד, וקצב התגובה עם האלקיל יודיד גבוה יותר.

טעות נפוצה: לנמק לפי האלקטרושליליות – הקשר C–Cl אמנם קוטבי יותר, אך הגורם הקובע כאן הוא חוזק/אורך הקשר ויציבות הקבוצה העוזבת.

שתי התגובות הן תגובות התמרה של אותו אלקיל ברומיד (אותה קבוצה עוזבת, אותו שלד פחמני); ההבדל הוא בנוקלאופיל:

•בתגובה עם $\text{KOH}_{(aq)}$ הנוקלאופיל הוא יון $\text{OH}^-$ – יון בעל מטען שלילי מלא; צפיפות האלקטרונים על אטום החמצן שלו גבוהה, והוא נמשך בחוזק רב יותר אל אטום הפחמן בעל המטען החלקי החיובי ($\delta^+$) הקשור ל-Br.

•בתגובה להפקת MTBE הנוקלאופיל הוא מולקולת מתאנול נייטרלית – לאטום החמצן יש רק מטען חלקי שלילי, וזוגות האלקטרונים שלו זמינים פחות.

נוקלאופיל טעון שלילית חזק יותר מהנוקלאופיל הנייטרלי המתאים (כמו ש-$\text{OH}^-$ חזק מ-$\text{H}_2\text{O}$), ולכן מספר ההתנגשויות האפקטיביות ליחידת זמן גדול יותר וקצב התגובה עם KOH גבוה יותר. (בנוסף, התגובה עם KOH מתבצעת בתמיסה מימית – ממס קוטבי מאוד – שמייצב היטב את היונים הנוצרים.)

חומצה גופרתית מרוכזת היא חומר מייבש (סופחת מים). בחימום כהל עם $\text{H}_2\text{SO}_4$ מרוכזת מתרחשת תגובת אלימינציה (סילוק מים): מורחקים קבוצת ה-OH מאטום הפחמן המרכזי ואטום H מאטום פחמן שכן, ונוצר קשר כפול $\text{C=C}$:

כל שלושת אטומי הפחמן השכנים לפחמן הנושא את ה-OH שקולים (קבוצות $\text{CH}_3$), ולכן מתקבל אלקן אחד בלבד – A הוא מתילפרופן: $(\text{CH}_3)_2\text{C=CH}_2$.

כן. בתמיסה מהולה של חומצה גופרתית יש כמות גדולה של מים, וה-$\text{H}_2\text{SO}_4$ משמשת זרז. מתרחשת תגובת סיפוח של מים לקשר הכפול של A (התגובה ההפוכה לאלימינציה של סעיף ג i):

לפי כלל מרקובניקוב, אטום המימן נקשר לאטום הפחמן של הקשר הכפול הקשור ליותר אטומי מימן (קבוצת $\text{=CH}_2$), וקבוצת ה-OH נקשרת לאטום הפחמן המרכזי (הקשור לשתי קבוצות מתיל) – כך מתקבל t-בוטיל אלכוהול כתוצר העיקרי. (הקטיון הביניים $(\text{CH}_3)_3\text{C}^+$ – קרבוקטיון שלישוני – יציב יותר מהקרבוקטיון הראשוני האפשרי, ולכן זה המסלול העיקרי.)

ההבדל לעומת סעיף ג i: בחומצה מרוכזת יש מעט מים והחומצה סופחת אותם – התגובה נוטה לכיוון האלקן; בתמיסה מהולה עודף המים מטה את התגובה לכיוון הכהל.

כן, ניתן להבחין. תמיסת $\text{HCl}_{(aq)}/\text{ZnCl}_{2(aq)}$ היא מגיב לוקאס, המבחין בין כהלים ראשוניים, שניוניים ושלישוניים לפי מהירות התגובה.

- t-בוטיל אלכוהול הוא כהל שלישוני (הפחמן הנושא את ה-OH קשור לשלושה אטומי פחמן). הוא מגיב עם המגיב מיד, בטמפרטורת החדר, בתגובת התמרה שבה קבוצת ה-OH מוחלפת ב-Cl:

האלקיל כלוריד הנוצר אינו מסיס במים (אין לו קבוצה היוצרת קשרי מימן עם מים), ולכן מופיעה מיד עכירות ואחר כך שכבה נפרדת.

- אתאנול הוא כהל ראשוני; בטמפרטורת החדר הוא כמעט אינו מגיב עם מגיב לוקאס, והתמיסה נשארת צלולה.

ההבדל בתצפית (עכירות מיידית לעומת תמיסה צלולה) מאפשר להבחין בין שתי התמיסות.

כן, ניתן להבחין. תמיסת $\text{KMnO}_4$ היא מחמצן חזק, ויוני הפרמנגנט $\text{MnO}_4^-$ צבועים בסגול.

- אתאנול הוא כהל ראשוני: על אטום הפחמן הנושא את קבוצת ה-OH יש שני אטומי מימן, ולכן הוא מתחמצן – לאתאנאל ובהמשך לחומצה אתאנואית:

יוני הפרמנגנט מתחזרים (למשל ל-$\text{Mn}^{2+}$ חסר הצבע בסביבה חומצית), ולכן הצבע הסגול דוהה/נעלם.

- t-בוטיל אלכוהול הוא כהל שלישוני: על אטום הפחמן הנושא את ה-OH אין אטום מימן, ולכן אי אפשר ליצור קשר כפול $\text{C=O}$ בלי לשבור קשר $\text{C-C}$ – הוא אינו מתחמצן בתנאים אלה, והצבע הסגול נשאר.

ההבדל בתצפית מאפשר להבחין בין שתי התמיסות.

המבנה השניוני (סלילי $\alpha$ ומשטחי $\beta$ – שניהם נראים באיור) מיוצב על ידי קשרי מימן בין אטומי השלד הפוליפפטידי: בין אטום המימן של קבוצת $\text{N-H}$ של קשר פפטידי אחד לבין אטום החמצן של קבוצת $\text{C=O}$ של קשר פפטידי אחר. בסליל $\alpha$ קשרי המימן הם בין קבוצות באותו קטע של השרשרת (כל $\text{C=O}$ עם $\text{N-H}$ של השייר הרביעי אחריו), ובמשטח $\beta$ – בין קטעי שרשרת הסמוכים זה לזה. קבוצות הצד אינן משתתפות בקשרים אלה.

כימוטריפסין A הוא חלבון כדורי (פקעת) הנמצא בסביבה מימית. לחלק מהחומצות האמיניות קבוצות צד לא קוטביות (פחמימניות, למשל Val, Leu, Ile, Phe), שאינן יוצרות קשרי מימן עם מים. בקיפול השרשרת קבוצות צד אלה מתקבצות בפנים הפקעת, הרחק ממולקולות המים, ונמשכות זו לזו בכוחות ואן דר ואלס (אינטראקציות הידרופוביות). קבוצות הצד הקוטביות והטעונות פונות החוצה, אל המים, ויוצרות עמם קשרי מימן ואינטראקציות יון–דו-קוטב. כך נשמר הקיפול המרחבי (המבנה השלישוני) של החלבון: פתיחת הפקעת הייתה חושפת את הקבוצות ההידרופוביות למים ומפרקת את האינטראקציות ביניהן.

קשר דו-גופרית נוצר בין קבוצות ה-$\text{-SH}$ של קבוצות הצד של שני שיירי ציסטאין (Cys): $\text{-CH}_2\text{-S-S-CH}_2\text{-}$. זהו קשר קוולנטי – חזק בהרבה מקשרי מימן ומאינטראקציות הידרופוביות. שיירי הציסטאין יכולים להיות רחוקים זה מזה ברצף השרשרת, אך קרובים במרחב לאחר הקיפול; קשר הדו-גופרית ביניהם "נועל" את שני חלקי השרשרת זה לזה ומקבע את המבנה המרחבי. בכימוטריפסין A, הבנוי מכמה שרשראות פוליפפטידיות, חלק מחמשת קשרי הדו-גופרית מחברים גם בין השרשראות השונות ומחזיקים אותן יחד.

במקטע יש שני שיירי פרולין (Pro). בפרולין אטום החנקן של הקבוצה האמינית הוא חלק מטבעת – הוא קשור לשני אטומי פחמן (קבוצת $\text{CH}_2$ של קבוצת הצד ואטום $\text{C}_\alpha$).

•כאשר פרולין נקשר בקשר פפטידי, לאטום החנקן שלו אין אטום מימן. לכן קבוצת ה-$\text{N}$ שלו אינה יכולה ליצור קשר מימן $\text{N-H}\cdots\text{O=C}$ – הקשר שמייצב את סליל ה-$\alpha$.

•הטבעת הקשיחה של פרולין מגבילה את הסיבוב סביב הקשר $\text{N-C}_\alpha$ ויוצרת כיפוף בשרשרת, שאינו מתאים לפיתול הסדיר של הסליל.

לכן קטע שבו מופיעים שיירי פרולין (כאן שניים, בסמיכות) אינו יכול להיערך כסליל $\alpha$.

הכימוטריפסין מבקע את הקשר הפפטידי שאחרי (בצד הקרבוקסילי של) Phe, Trp או Tyr. באוקטא-פפטיד יש Trp (מקום 3) ו-Phe (מקום 6), ואין Tyr. לכן נשברים שני קשרים פפטידיים: בין Trp ל-Asp ובין Phe ל-Gln (בכל הידרוליזה מגיבה מולקולת מים אחת – שתי מולקולות מים בסך הכול):

$\text{Gly-Ser-Trp}\ |\ \text{Asp-Thr-Phe}\ |\ \text{Gln-Val}$

התוצרים:

•תלת-פפטיד: $\text{Gly-Ser-Trp}$

•תלת-פפטיד: $\text{Asp-Thr-Phe}$

•דו-פפטיד: $\text{Gln-Val}$

טעות נפוצה: לבקע בצד האמיני של Phe/Trp (לפניהן) – אז היו מתקבלים רצפים אחרים (למשל Gly-Ser, Trp-Asp-Thr) שאינם מתאימים לנתון.

הדו-פפטיד הוא $\text{Gln-Val}$: Gln בקצה ה-N (הקצה האמיני) ו-Val בקצה ה-C (הקצה הקרבוקסילי). הקבוצה הקרבוקסילית של Gln קשורה בקשר פפטידי ($\text{-CO-NH-}$) לקבוצה האמינית של Val. קבוצות הצד לקוחות מטבלת החומצות האמיניות: ב-Gln – $\text{-CH}_2\text{CH}_2\text{CONH}_2$, ב-Val – $\text{-CH(CH}_3\text{)}_2$.

בצורה שבה הוא נמצא ב-pH=7 (קצה N טעון חיובית וקצה C טעון שלילית):

(גם רישום בצורה הלא מיוננת, $\text{H}_2\text{N-CH(CH}_2\text{CH}_2\text{CONH}_2\text{)-CO-NH-CH(CH(CH}_3\text{)}_2\text{)-COOH}$, מתאר את אותו דו-פפטיד.)

הדו-פפטיד הוא $\text{Gln-Val}$: Gln בקצה ה-N ו-Val בקצה ה-C. בתרגום ה-mRNA נקרא בכיוון 5'→3', והחומצה האמינית הראשונה (קצה N) מקודדת על ידי הקודון הקרוב לקצה 5'.

מטבלת הקודונים:

•גלוטאמין (Gln): CAA או CAG.

•ואלין (Val): GUU, GUC, GUA או GUG.

אפשרות אחת: $\text{5' CAA GUU 3'}$ (כל צירוף של קודון ל-Gln ואחריו קודון ל-Val נכון, למשל $\text{5' CAG GUG 3'}$).

טעות נפוצה: לרשום את קודון ה-Val לפני קודון ה-Gln ביחס לקצה 5' – זה יקודד את הדו-פפטיד Val-Gln.

החומצות האמיניות גלוטאמין (Gln) וואלין (Val) נמצאות בצורת דו-יון (צוויטריון): בכל חלקיק יש קבוצה $\text{-NH}_3^+$ טעונה חיובית וקבוצה $\text{-COO}^-$ טעונה שלילית (כפי שהן מוצגות בטבלת החומצות האמיניות ב-pH=7). בין הדו-יונים השכנים פועלים כוחות משיכה חשמליים (יוניים) חזקים בין הקבוצה הטעונה חיובית של חלקיק אחד לקבוצה הטעונה שלילית של חלקיק אחר, ובנוסף קשרי מימן (למשל בין $\text{-NH}_3^+$ ל-$\text{-COO}^-$, ובגלוטאמין גם קבוצת האמיד שבקבוצת הצד). החלקיקים מסודרים בסריג דמוי סריג יוני, ונדרשת אנרגיה רבה כדי להתגבר על המשיכה ביניהם – לכן טמפרטורות ההיתוך שלהן גבוהות, והן מוצקות בתנאי החדר (בדומה לתרכובות יוניות, ובשונה ממולקולות קטנות בעלות מסה דומה שבין מולקולותיהן רק כוחות בין-מולקולריים).

ה-mRNA משלים לגדיל ה-DNA שעבר תעתוק (גדיל התבנית) ומקביל-נגדי לו. מול כל נוקלאוטיד ב-RNA נמצא הבסיס המשלים ב-DNA: $\text{G}\rightarrow\text{C}$, $\text{C}\rightarrow\text{G}$, $\text{A}\rightarrow\text{T}$, $\text{U}\rightarrow\text{A}$; מול קצה 5' של ה-mRNA נמצא קצה 3' של ה-DNA.

התשובה: $\text{3' CAT CGG ATG ATC GGT 5'}$.

השרשרת השנייה משלימה לגדיל התבנית (סעיף i) ומקבילה-נגדית לו – לכן רצפה זהה לרצף ה-mRNA, אלא שבמקום U מופיע T (ב-DNA אין אורציל), והכיוון זהה לזה של ה-mRNA:

התשובה: $\text{5' GTA GCC TAC TAG CCA 3'}$.

שני הגדילים קשורים זה לזה בקשרי מימן בין בסיסים משלימים. תימין מזדווג עם אדנין בשני קשרי מימן: אחד מהם הוא בין אטום החמצן של קבוצת $\text{C=O}$ בתימין לבין אטום H של קבוצת $\text{-NH}_2$ באדנין.

קשר מימן נוצר בין אטום H הקשור לאטום אלקטרושלילי לבין זוג אלקטרונים לא קושר של אטום קטן ובעל אלקטרושליליות גבוהה (F, O, N). לפי טבלת האלקטרושליליות: O – 3.5, S – 2.5. לאטום הגופרית אלקטרושליליות נמוכה ומטען חלקי שלילי קטן, והוא גדול יותר (שלוש רמות אנרגיה מאוכלסות לעומת שתיים בחמצן) – ענן האלקטרונים שלו מפוזר. לכן בתימין הפגום, במקום קשר מימן $\text{N-H}\cdots\text{O}$ נוצרת משיכה חלשה בהרבה (או שהקשר אינו נוצר כלל). מכאן שבמולקולת DNA המכילה תימין פגום הקשרים בין הגדילים חלשים יותר.

שני הגדילים מוחזקים יחד בקשרי מימן בין בסיסים משלימים (A–T ו-G–C). כדי שייווצרו קשרי מימן אלה, כל בסיס צריך להיות ממוקם מול הבסיס המשלים בגדיל השני, כך שהאטומים היוצרים את קשרי המימן (N–H מצד אחד ו-O או N מהצד השני) יהיו קרובים זה לזה ובכיוון המתאים.

כאשר נוצר קשר קוולנטי בין שני בסיסים סמוכים באותו גדיל, הבסיסים נמשכים זה אל זה ומשנים את מיקומם ואת הזווית שלהם; הגדיל מתעוות במקום זה. בעקבות זאת אטומי הבסיסים הפגועים אינם ממוקמים עוד מול האטומים המתאימים בבסיסים המשלימים, וקשרי המימן ביניהם אינם נוצרים או נחלשים. מספר קשרי המימן בין הגדילים קטן – ולכן הקשרים בין הגדילים נחלשים.

בריבוזום מתרחש תהליך התרגום: רצף הקודונים ב-mRNA מתורגם לרצף חומצות אמיניות, ונוצרת השרשרת הפוליפפטידית – כך נוצרים כל החלבונים בתא. לחלבונים תפקידים חיוניים בתא החיידק – אנזימים המזרזים את התגובות בתא (גם את שכפול ה-DNA והתעתוק), חלבוני מבנה, חלבוני הובלה ועוד. כאשר האנטיביוטיקה פוגעת בתפקוד הריבוזומים של החיידק, החיידק אינו יכול לייצר חלבונים, ולכן אינו יכול לתפקד, לגדול ולהתרבות – החיידקים מתים או מפסיקים להתרבות, ומערכת החיסון מסלקת אותם. כך המחלה נרפאת. (התרופות פועלות על ריבוזומים של חיידקים, השונים במבנם מהריבוזומים בתאי האדם, ולכן אינן פוגעות בייצור החלבונים בגוף החולה.)

היגד II נכון. התרופה נקשרת לשרשרת פוליפפטידית שכבר החלה להיבנות בריבוזום – כלומר התרגום התחיל וחלק מהחומצות האמיניות כבר נקשרו זו לזו בקשרים פפטידיים. היציאה המוקדמת של השרשרת מהריבוזום עוצרת את הוספת החומצות האמיניות לפני שהגיע קודון העצירה, ולכן מתקבלות שרשרות פוליפפטידיות קצרות מהרגיל (לא שלמות, ולכן גם אינן מתפקדות כחלבון התקין).

היגד I שגוי: שרשרות פוליפפטידיות נוצרות (התרגום מתחיל והשרשרת מתארכת עד שהתרופה גורמת ליציאתה) – אלא שהן קצרות מהרגיל.

קביעת סוג הגדיל: אילו זה היה הגדיל המקודד (רצפו כרצף ה-mRNA, ונקרא מקצה 5'), השינוי היה GCC→GCU – שני הקודונים מקודדים לאלנין, ולא הייתה מוחלפת חומצה אמינית, בסתירה לנתון. לכן הקטע הנתון הוא גדיל התבנית שממנו מתועתק ה-mRNA (ה-mRNA משלים לו ונבנה בכיוון 5'→3'). משווים בין הרצפים: בשלישייה החמישית $\text{CCG}\rightarrow\text{TCG}$ – הנוקלאוטיד C הוחלף ב-T.

רושמים את ה-mRNA (משלים, 5'→3') ואת הקודונים:

לפי טבלת הקודונים: GGC מקודד לגליצין (Gly), ו-AGC מקודד לסרין (Ser). שאר הקודונים לא השתנו (Pro, Ala, Phe, Ala, ..., His).

לכן: חומצה אמינית I – גליצין; חומצה אמינית II – סרין.

האנטיקודון ב-tRNA משלים לקודון ב-mRNA ומקביל-נגדי לו: מול קצה 3' של האנטיקודון נמצא קצה 5' של הקודון. $\text{G}\rightarrow\text{C}$, $\text{A}\rightarrow\text{U}$, $\text{C}\rightarrow\text{G}$.

מולקולות ה-tRNA נכנסות לריבוזום לפי סדר הקודונים, והריבוזום נע על ה-mRNA בכיוון 5'→3'. לכן הקודון של האנטיקודון (1) קרוב לקצה 5', אחריו קודון (2) ובסוף קודון (3):

(קודונים אלה מקודדים ללאוצין, פנילאלנין וארגינין.)