מתכונת 10 בכימיה - כימיה אורגנית וביוכימיה 037382

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

מבחן מתכונת בכימיה, כימיה אורגנית וביוכימיה, במבנה של בחינת הבגרות ולפי מיקוד תשפ"ז. כל שאלה בו בנויה כמו שאלה מבגרות אחרת. לכל סעיף יש תשובה ופתרון מלא - פתרו בזמן של הבחינה, ורק אחר כך פתחו את הפתרונות.

מבנה המתכונת

מבנה המתכונת: פרק ראשון (30 נק'): שאלות 1–6 רב-ברירה חובה – 5 תשובות נכונות מתוך 6 מקנות 30 נקודות (6 לכל שאלה). פרק שני (70 נק'): יש לענות על 2 מתוך 3 שאלות, 35 נקודות לכל שאלה. משך: שעתיים.

פרק ראשון

שאלה 1 · הבחנה בין כהל ראשוני לאלדהיד

רב-ברירה

נתונות שלוש בדיקות I-III, שאפשר לבצע אותן במעבדה.
I  מדידה של ה- pH של תמיסה מימית של החומר
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)​ ומעקב אחר שינוי הצבע
באמצעות אילו בדיקות אפשר להבחין בין שתי התרכובות:
CH3–CH2–CH2OH(l)\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CH}_2\text{OH}_{(l)}CH3​–CH2​–CH2​OH(l)​ ו- CH3–CH2–CHO(l)\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CHO}_{(l)}CH3​–CH2​–CHO(l)​ ?

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

◂ פתרון מלא לשאלה 1

התשובה הנכונה: ב

תשובה:

ב – רק טמפרטורת הרתיחה מבחינה: בין מולקולות 1-פרופנול יש קשרי מימן ובין מולקולות פרופאנאל אין. שתי התרכובות אינן חומציות, ושתיהן מתחמצנות בדיכרומט.

תשובה: ב.
התרכובות: CH3–CH2–CH2OH\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CH}_2\text{OH}CH3​–CH2​–CH2​OH – 1-פרופנול, כהל ראשוני; CH3–CH2–CHO\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CHO}CH3​–CH2​–CHO – פרופאנאל, אלדהיד.
I – pH של תמיסה מימית: אינה מבחינה. אף אחת מהתרכובות אינה חומצה קרבוקסילית ואינה בסיס; שתיהן אינן מגיבות עם מים ליצירת יוני H3O+\text{H}_3\text{O}^+H3​O+ או OH−\text{OH}^-OH−, ולכן ה-pH של שתי התמיסות בערך 7.
II – טמפרטורת רתיחה: מבחינה. גודל ענני האלקטרונים דומה (3 אטומי פחמן ואטום חמצן אחד בכל מולקולה), אבל בין מולקולות הכהל נוצרים קשרי מימן (אטום H הקשור לאטום O), ואילו בין מולקולות האלדהיד יש רק משיכה דו-קוטבית וכוחות ואן דר ואלס, החלשים יותר. לכן טמפרטורת הרתיחה של 1-פרופנול גבוהה בהרבה (בערך 97∘C97^\circ\text{C}97∘C לעומת בערך 48∘C48^\circ\text{C}48∘C).
III – דיכרומט חומצי: אינה מבחינה. גם כהל ראשוני וגם אלדהיד מתחמצנים על ידי דיכרומט בסביבה חומצית (הכהל – לאלדהיד ולחומצה, האלדהיד – לחומצה קרבוקסילית). בשני המקרים צבע התמיסה משתנה מכתום לירוק.
טעות נפוצה: לחשוב שבדיקת החמצון מבחינה תמיד בין תרכובות – היא מבחינה רק כאשר אחת התרכובות מתחמצנת והאחרת לא (למשל כהל שלישוני או קטון).

שאלה 2 · הפקת אתיל בוטאנואט – זיהוי המגיב

רב-ברירה

אתיל בוטאנואט הוא אסטר בעל ריח של אננס, ומשתמשים בו כחומר טעם וריח. אפשר לקבל אותו בתגובה בין חומצה בוטאנואית לחומר נוסף, A , בחימום ובנוכחות זרז, על פי התגובה:
CH3CH2CH2COOH+A⇌CH3CH2CH2COOCH2CH3+H2O\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{COOH} + \text{A} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{COOCH}_2\text{CH}_3 + \text{H}_2\text{O}CH3​CH2​CH2​COOH+A⇌CH3​CH2​CH2​COOCH2​CH3​+H2​O
מהי הנוסחה של חומר A ?

א.
$\text{CH}_3\text{OH}$
ב.
$\text{CH}_3\text{COOH}$
ג.
$\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH}$
ד.
$\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}$

◂ פתרון מלא לשאלה 2

התשובה הנכונה: ד

תשובה:

ד – CH3CH2OH\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}CH3​CH2​OH (אתנול): הקבוצה –O–CH2CH3\text{–O–CH}_2\text{CH}_3–O–CH2​CH3​ באסטר מגיעה מן הכהל, והחלק CH3CH2CH2CO–\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CO–}CH3​CH2​CH2​CO– – מן החומצה.

תשובה: ד.
אסטר נוצר בתגובת עיבוי (אסטריפיקציה) בין חומצה קרבוקסילית לכהל: קבוצת ה-OH של החומצה ואטום ה-H של קבוצת ה-OH של הכהל יוצאים כמולקולת מים, ואטום החמצן של הכהל נקשר לאטום הפחמן של קבוצת C=O\text{C=O}C=O של החומצה.
באסטר CH3CH2CH2–CO–O–CH2CH3\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{–CO–O–CH}_2\text{CH}_3CH3​CH2​CH2​–CO–O–CH2​CH3​ :
•החלק CH3CH2CH2CO–\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CO–}CH3​CH2​CH2​CO– (ארבעה אטומי פחמן, כולל פחמן הקרבוניל) מגיע מן החומצה הבוטאנואית;
•החלק –O–CH2CH3\text{–O–CH}_2\text{CH}_3–O–CH2​CH3​ מגיע מן הכהל – אתנול.
מאזן אטומים: C4H8O2+A→C6H12O2+H2O\text{C}_4\text{H}_8\text{O}_2 + \text{A} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_2 + \text{H}_2\text{O}C4​H8​O2​+A→C6​H12​O2​+H2​O ; ההפרש הוא C2H6O\text{C}_2\text{H}_6\text{O}C2​H6​O – אתנול, CH3CH2OH\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}CH3​CH2​OH .
א – שגוי. ממתנול היה מתקבל מתיל בוטאנואט, CH3CH2CH2COOCH3\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{COOCH}_3CH3​CH2​CH2​COOCH3​ – פחמן אחד פחות.
ב – שגוי. חומצה אתאנואית היא חומצה קרבוקסילית; שתי חומצות אינן יוצרות אסטר זו עם זו בתגובה זו – לאסטריפיקציה נדרש כהל.
ג – שגוי. מ-1-בוטנול היה מתקבל בוטיל בוטאנואט, CH3CH2CH2COOCH2CH2CH2CH3\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{COOCH}_2\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_3CH3​CH2​CH2​COOCH2​CH2​CH2​CH3​ .
טעות נפוצה: לייחס את החלק שאחרי אטום החמצן היחיד (–O–R\text{–O–R}–O–R) לחומצה. הקבוצה R\text{R}R הקשורה לחמצן היחיד מגיעה תמיד מן הכהל.

שאלה 3 · השלב השני במנגנון סיפוח HI ל-2-מתיל-2-בוטן

רב-ברירה

בתגובת הסיפוח של מימן יודי, HI(g)\text{HI}_{(g)}HI(g)​ , ל-2-מתיל-2-בוטן, (CH3)2C=CH–CH3(l)(\text{CH}_3)_2\text{C=CH–CH}_{3(l)}(CH3​)2​C=CH–CH3(l)​ , מתקבל כתוצר עיקרי 2-יודו-2-מתילבוטאן, (CH3)2CI–CH2–CH3(l)(\text{CH}_3)_2\text{CI–CH}_2\text{–CH}_{3(l)}(CH3​)2​CI–CH2​–CH3(l)​ :
(CH3)2C=CH–CH3(l)+HI(g)→(CH3)2CI–CH2–CH3(l)(\text{CH}_3)_2\text{C=CH–CH}_{3(l)} + \text{HI}_{(g)} \rightarrow (\text{CH}_3)_2\text{CI–CH}_2\text{–CH}_{3(l)}(CH3​)2​C=CH–CH3(l)​+HI(g)​→(CH3​)2​CI–CH2​–CH3(l)​
איזה מארבעת הניסוחים א-ד הוא הניסוח הנכון של השלב השני של מנגנון תגובת הסיפוח הנתונה?

◂ פתרון מלא לשאלה 3

התשובה הנכונה: א

תשובה:

א – יון היודיד תורם זוג אלקטרונים לא קושר לקרבוקטיון (CH3)2C+–CH2CH3(\text{CH}_3)_2\text{C}^+\text{–CH}_2\text{CH}_3(CH3​)2​C+–CH2​CH3​ (החץ מהיון אל הפחמן הטעון) ונוצר 2-יודו-2-מתילבוטאן.

תשובה: א.
שלב ראשון: אלקטרוני הקשר הכפול נמשכים לאטום המימן של HI (מטען חלקי חיובי). לפי כלל מרקובניקוב המימן נקשר לפחמן ה-CH\text{CH}CH של הקשר הכפול (פחמן 3, שקשור אליו אטום H אחד), ולא לפחמן 2 (שאין עליו אטומי H). נוצרים יון יודיד והקרבוקטיון שבו המטען החיובי על פחמן 2:
(CH3)2C=CH–CH3+HI→(CH3)2C+–CH2–CH3+I−(\text{CH}_3)_2\text{C=CH–CH}_3 + \text{HI} \rightarrow (\text{CH}_3)_2\overset{+}{\text{C}}\text{–CH}_2\text{–CH}_3 + \text{I}^-(CH3​)2​C=CH–CH3​+HI→(CH3​)2​C+–CH2​–CH3​+I−
שלב שני: יון היודיד, I−\text{I}^-I−, שיש לו זוגות אלקטרונים לא קושרים, תורם זוג אלקטרונים לפחמן הטעון חיובית ונוצר קשר C–I. החץ המעוקל מתאר את תנועת זוג האלקטרונים – הוא מתחיל בזוג האלקטרונים של I−\text{I}^-I− ומסתיים בפחמן הטעון:
(CH3)2C+–CH2–CH3+I−→(CH3)2CI–CH2–CH3(\text{CH}_3)_2\overset{+}{\text{C}}\text{–CH}_2\text{–CH}_3 + \text{I}^- \rightarrow (\text{CH}_3)_2\text{CI–CH}_2\text{–CH}_3(CH3​)2​C+–CH2​–CH3​+I−→(CH3​)2​CI–CH2​–CH3​
זה הניסוח שבתשובה א.
ב – שגוי: הקרבוקטיון המצויר הוא (CH3)2CH–CH+–CH3(\text{CH}_3)_2\text{CH–CH}^+\text{–CH}_3(CH3​)2​CH–CH+–CH3​ – המטען על פחמן 3. קרבוקטיון כזה היה נוצר אילו המימן היה נקשר לפחמן 2, בניגוד לכלל מרקובניקוב; התוצר שלו, 2-יודו-3-מתילבוטאן, אינו התוצר הנתון.
ג – שגוי: החץ מצויר מהקרבוקטיון אל יון היודיד – כיוון הפוך לתנועת האלקטרונים. לפחמן הטעון חיובית אין זוג אלקטרונים לתרום; התורם הוא יון היודיד.
ד – שגוי: בתגובה אין קרבאניון (C−\text{C}^-C−) ואין יון I+\text{I}^+I+. בשלב הראשון מתקבלים קרבוקטיון (פחמן טעון חיובית) ויון יודיד שלילי.

שאלה 4 · זיהוי דו-פפטיד: תראונין ולאוצין

רב-ברירה

לפניך ייצוג מקוצר לנוסחת מבנה של דו-פפטיד בתמיסה מֵימית.
מהו הרישום המקוצר המתאים לדו-פפטיד זה?

א.
Thr-Leu
ב.
Leu-Thr
ג.
Ser-Leu
ד.
Thr-Ile

◂ פתרון מלא לשאלה 4

התשובה הנכונה: א

תשובה:

א – Thr-Leu: השייר בקצה האמיני (עם NH3+\text{NH}_3^+NH3+​) הוא תראונין, והשייר בקצה הקרבוקסילי (עם COO−\text{COO}^-COO−) הוא לאוצין.

תשובה: א.
ברישום מקוצר של פפטיד כותבים את השיירים מהקצה האמיני (קבוצת NH3+\text{NH}_3^+NH3+​ החופשית) אל הקצה הקרבוקסילי (קבוצת COO−\text{COO}^-COO− החופשית).
- השייר הראשון (משמאל, עם –NH3+\text{–NH}_3^+–NH3+​): קבוצת הצד –CH(OH)–CH3\text{–CH(OH)–CH}_3–CH(OH)–CH3​ – קבוצת הצד של תראונין, Thr (לפי טבלת החומצות האמיניות בדפי הנתונים).
- השייר השני (מימין, עם –COO−\text{–COO}^-–COO−): קבוצת הצד –CH2–CH(CH3)2\text{–CH}_2\text{–CH(CH}_3\text{)}_2–CH2​–CH(CH3​)2​ – קבוצת הצד של לאוצין, Leu.
•בין השיירים – קשר פפטידי –CO–NH–\text{–CO–NH–}–CO–NH– .
לכן הרישום הוא Thr-Leu.
ב – שגוי: Leu-Thr הוא דו-פפטיד אחר, שבו לאוצין בקצה האמיני (סדר הפוך).
ג – שגוי: קבוצת הצד של סרין היא –CH2–OH\text{–CH}_2\text{–OH}–CH2​–OH ; בדו-פפטיד קבוצת ה-OH קשורה לאטום פחמן שקשורה אליו גם קבוצת CH3\text{CH}_3CH3​ – זה תראונין.
ד – שגוי: קבוצת הצד של איזולאוצין היא –CH(CH3)–CH2–CH3\text{–CH(CH}_3\text{)–CH}_2\text{–CH}_3–CH(CH3​)–CH2​–CH3​ (ההסתעפות על הפחמן הראשון של קבוצת הצד), ואילו בדו-פפטיד יש קבוצת CH2\text{CH}_2CH2​ ואחריה פחמן הקשור לשתי קבוצות CH3\text{CH}_3CH3​ – לאוצין.
טעות נפוצה: לבלבל בין לאוצין לאיזולאוצין – לשתיהן אותה נוסחה מולקולרית, ויש לבדוק את מקום ההסתעפות בקבוצת הצד.

שאלה 5 · נוקלאוטיד ללא קבוצת OH בפחמן '3 – עצירת התארכות הגדיל

רב-ברירה

בשיטה מקובלת לקביעת רצף הנוקלאוטידים ב- DNA , מוסיפים לתערובת שבה נבנה גדיל DNA חדש גם נוקלאוטידים "מיוחדים". בנוקלאוטיד מיוחד כזה, על אטום הפחמן '3 של הסוכר קשור אטום מימן במקום קבוצת OH (וגם על אטום הפחמן '2 – כמו בכל נוקלאוטיד של DNA ). לפניכם נוסחת המבנה של נוקלאוטיד כזה; B מייצג בסיס חנקני:
כאשר נוקלאוטיד מיוחד מתחבר לקצה של גדיל ה- DNA הנבנה, הגדיל אינו יכול להמשיך להתארך.
הסיבה לכך היא:

א.
הבסיס החנקני של הנוקלאוטיד המיוחד אינו יכול ליצור קשרי מימן עם הבסיס בגדיל המשלים.
ב.
בנוקלאוטיד המיוחד אין קבוצת זרחה, ולכן הוא אינו יכול ליצור קשר עם הנוקלאוטיד הבא.
ג.
בנוקלאוטיד המיוחד לא יכול להיווצר קשר N-גליקוזידי בין הבסיס החנקני לבין הסוכר.
ד.
בנוקלאוטיד המיוחד אין קבוצת OH על פחמן '3 , ולכן לא יכול להיווצר קשר פוספואסטרי עם קבוצת הזרחה של הנוקלאוטיד הבא.

◂ פתרון מלא לשאלה 5

התשובה הנכונה: ד

תשובה:

ד – אין קבוצת OH בפחמן '3, ולכן לא נוצר הקשר הפוספואסטרי לנוקלאוטיד הבא.

בתוך גדיל DNA הנוקלאוטידים קשורים זה לזה בקשרים פוספואסטריים: קבוצת הזרחה הקשורה לפחמן '5 של נוקלאוטיד חדש מגיבה, בתגובת דחיסה, עם קבוצת ה-OH שעל פחמן '3 של הסוכר בנוקלאוטיד האחרון בגדיל, ומשתחררת מולקולת מים. כך הגדיל מתארך בכיוון '5 ← '3 (מקצה '5 לקצה '3).
בנוקלאוטיד המיוחד, על פחמן '3 יש אטום H ולא קבוצת OH. אחרי שהנוקלאוטיד הזה מתחבר לגדיל (דרך קבוצת הזרחה שלו, שקיימת), אין בקצה '3 של הגדיל קבוצת OH שיכולה להגיב עם קבוצת הזרחה של הנוקלאוטיד הבא – לכן לא נוצר קשר פוספואסטרי נוסף והגדיל מפסיק להתארך (תשובה ד).
•א: הבסיס החנקני רגיל, ולכן הוא יוצר קשרי מימן רגילים עם הבסיס המשלים.
•ב: לנוקלאוטיד המיוחד יש קבוצת זרחה (על פחמן '5), כפי שרואים באיור.
•ג: הקשר N-גליקוזידי נוצר בין הבסיס לפחמן '1, והשינוי הוא בפחמן '3 – לכן קשר זה קיים כרגיל.

שאלה 6 · מציאת גדיל התבנית מרצף mRNA

רב-ברירה

לפניכם רצף נוקלאוטידים במקטע של mRNA:
5’ AUG UUC GGA CAU 3’\text{5' AUG UUC GGA CAU 3'}5’ AUG UUC GGA CAU 3’
מהו רצף הנוקלאוטידים בגדיל ה-DNA שעבר תעתוק (גדיל התבנית) ונוצר ממנו מקטע זה?

א.
$\text{3' TAC AAG CCT GTA 5'}$
ב.
$\text{5' TAC AAG CCT GTA 3'}$
ג.
$\text{5' ATG TTC GGA CAT 3'}$
ד.
$\text{3' UAC AAG CCU GUA 5'}$

◂ פתרון מלא לשאלה 6

התשובה הנכונה: א

תשובה:

א – 3’ TAC AAG CCT GTA 5’\text{3' TAC AAG CCT GTA 5'}3’ TAC AAG CCT GTA 5’.

ה-mRNA משלים לגדיל התבנית ומקביל-נגדי לו: מול קצה 5' של ה-mRNA נמצא קצה 3' של גדיל ה-DNA. כללי ההשלמה מ-RNA ל-DNA: A→T\text{A}\rightarrow\text{T}A→T, U→A\text{U}\rightarrow\text{A}U→A, G→C\text{G}\rightarrow\text{C}G→C, C→G\text{C}\rightarrow\text{G}C→G.
mRNA (5'→3')AUGUUCGGACAU
DNA תבנית (3'→5')TACAAGCCTGTA
לכן גדיל התבנית הוא 3’ TAC AAG CCT GTA 5’\text{3' TAC AAG CCT GTA 5'}3’ TAC AAG CCT GTA 5’ – תשובה א.
מדוע האחרות שגויות:
•ב. הבסיסים נכונים, אך כיוון הקצוות הפוך – הגדיל אינו מקביל-נגדי ל-mRNA.
•ג. זהו רצף הגדיל השני (המקודד) – זהה לרצף ה-mRNA עם T במקום U; הוא אינו משלים ל-mRNA ולכן אינו הגדיל שעבר תעתוק.
•ד. מופיע U – ב-DNA אין אורציל; במקומו תימין.

mRNA (5'→3')	AUG	UUC	GGA	CAU
DNA תבנית (3'→5')	TAC	AAG	CCT	GTA

פרק שני

שאלה 7 · איזומרים של הקסן – הפקת אמין, סיפוח HBr ומנגנון סיפוח HCl

שאלה פתוחה35 נקודות

לפחמימן C6H12\text{C}_6\text{H}_{12}C6​H12​ איזומרים רבים שהם אלקנים. בחמישה מהם שרשרת הפחמנים אינה מסועפת.

א.

רשום נוסחת מבנה לכל אחד מחמשת האלקנים שבהם שרשרת הפחמנים אינה מסועפת.

ב.

אחד האיזומרים של ברומוהקסאן, C6H13Br(l)\text{C}_6\text{H}_{13}\text{Br}_{(l)}C6​H13​Br(l)​ , הוא התוצר העיקרי בתגובת הסיפוח של מימן ברומי, HBr(g)\text{HBr}_{(g)}HBr(g)​ , ל-1-הקסן. איזומר זה מגיב עם אמוניה, NH3\text{NH}_{3}NH3​ , ומתקבל אמין.

(i)

רשום נוסחת מבנה לאיזומר המתאים של ברומוהקסאן.

(ii)

נסח את התגובה של האיזומר המתאים של ברומוהקסאן עם אמוניה.

ג.

מימן ברומי, HBr(g)\text{HBr}_{(g)}HBr(g)​ , מגיב עם ציס-3-הקסן ועם טרנס-3-הקסן.
בשתי התגובות מתקבל אותו תוצר, והוא התוצר היחיד של כל אחת מהתגובות.

(i)

נסח את התגובה של HBr(g)\text{HBr}_{(g)}HBr(g)​ עם אחד משני האיזומרים של 3-הקסן.

(ii)

הסבר מדוע בשתי התגובות מתקבל אותו תוצר, ומדוע הוא התוצר היחיד בכל תגובה.

ד.

פרופן, CH2=CH–CH3(g)\text{CH}_2\text{=CH–CH}_{3(g)}CH2​=CH–CH3(g)​ , מגיב עם מימן כלורי, HCl(g)\text{HCl}_{(g)}HCl(g)​ , ומתקבל 2-כלורופרופאן, על פי התגובה:
CH2=CH–CH3(g)+HCl(g)→CH3–CHCl–CH3(l)\text{CH}_2\text{=CH–CH}_{3(g)} + \text{HCl}_{(g)} \rightarrow \text{CH}_3\text{–CHCl–CH}_{3(l)}CH2​=CH–CH3(g)​+HCl(g)​→CH3​–CHCl–CH3(l)​
נסח את המנגנון של התגובה הנתונה.

◂ פתרון מלא לשאלה 7

סעיף א

תשובה:

1-הקסן, ציס-2-הקסן, טרנס-2-הקסן, ציס-3-הקסן, טרנס-3-הקסן.

שרשרת לא מסועפת של שישה פחמנים עם קשר כפול אחד. הקשר הכפול יכול להתחיל בפחמן 1, 2 או 3 (קשר כפול בין 4-5 או 5-6 זהה ל-2-3 או ל-1-2 כשממספרים מהצד השני):
1. 1-הקסן: CH2=CH–CH2–CH2–CH2–CH3\text{CH}_2\text{=CH–CH}_2\text{–CH}_2\text{–CH}_2\text{–CH}_3CH2​=CH–CH2​–CH2​–CH2​–CH3​
2. ציס-2-הקסן: CH3–CH=CH–CH2–CH2–CH3\text{CH}_3\text{–CH=CH–CH}_2\text{–CH}_2\text{–CH}_3CH3​–CH=CH–CH2​–CH2​–CH3​ – שתי הקבוצות הפחמימניות (CH3\text{CH}_3CH3​ ו-CH2CH2CH3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_3CH2​CH2​CH3​) באותו צד של הקשר הכפול.
3. טרנס-2-הקסן: אותה נוסחה – הקבוצות הפחמימניות בצדדים מנוגדים של הקשר הכפול.
4. ציס-3-הקסן: CH3–CH2–CH=CH–CH2–CH3\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CH=CH–CH}_2\text{–CH}_3CH3​–CH2​–CH=CH–CH2​–CH3​ – שתי קבוצות ה-CH2CH3\text{CH}_2\text{CH}_3CH2​CH3​ באותו צד של הקשר הכפול.
5. טרנס-3-הקסן: אותה נוסחה – שתי קבוצות ה-CH2CH3\text{CH}_2\text{CH}_3CH2​CH3​ בצדדים מנוגדים.
בנוסחת מבנה מלאה יש לצייר את הקשר הכפול עם הקבוצות סביב כל פחמן בזווית של כ-120°, כך שיראו בבירור באיזה צד נמצאת כל קבוצה.
ל-2-הקסן ול-3-הקסן יש איזומרים ציס וטרנס, כי לכל אחד מפחמני הקשר הכפול קשורות שתי קבוצות שונות (H וקבוצה פחמימנית), והקשר הכפול אינו מאפשר סיבוב. ל-1-הקסן אין איזומרים גאומטריים, כי לפחמן 1 קשורים שני אטומי H זהים.
טעות נפוצה: לרשום רק שלושה איזומרים (לפי מקום הקשר הכפול בלבד) ולשכוח את האיזומריה הגאומטרית.

סעיף ב

(i)

תשובה:

2-ברומוהקסאן: CH3–CHBr–CH2–CH2–CH2–CH3\text{CH}_3\text{–CHBr–CH}_2\text{–CH}_2\text{–CH}_2\text{–CH}_3CH3​–CHBr–CH2​–CH2​–CH2​–CH3​

2-ברומוהקסאן: CH3–CHBr–CH2–CH2–CH2–CH3\text{CH}_3\text{–CHBr–CH}_2\text{–CH}_2\text{–CH}_2\text{–CH}_3CH3​–CHBr–CH2​–CH2​–CH2​–CH3​
נימוק: ב-1-הקסן, CH2=CH–CH2–CH2–CH2–CH3\text{CH}_2\text{=CH–CH}_2\text{–CH}_2\text{–CH}_2\text{–CH}_3CH2​=CH–CH2​–CH2​–CH2​–CH3​ , פחמן 1 של הקשר הכפול קשור לשני אטומי H ופחמן 2 לאטום H אחד. לפי כלל מרקובניקוב אטום ה-H של HBr מתחבר לפחמן 1 ואטום ה-Br לפחמן 2, כי כך נוצר בשלב הראשון קרבוקטיון שניוני – יציב יותר מהקרבוקטיון הראשוני. לכן התוצר העיקרי הוא 2-ברומוהקסאן (ולא 1-ברומוהקסאן).

(ii)

תשובה:

CH3–CHBr–(CH2)3–CH3(l)+NH3(aq)→CH3–CH(NH2)–(CH2)3–CH3(l)+HBr(aq)\text{CH}_3\text{–CHBr–(CH}_2\text{)}_3\text{–CH}_{3(l)} + \text{NH}_{3(aq)} \rightarrow \text{CH}_3\text{–CH(NH}_2\text{)–(CH}_2\text{)}_3\text{–CH}_{3(l)} + \text{HBr}_{(aq)}CH3​–CHBr–(CH2​)3​–CH3(l)​+NH3(aq)​→CH3​–CH(NH2​)–(CH2​)3​–CH3(l)​+HBr(aq)​

תגובת התמרה: למולקולת האמוניה יש זוג אלקטרונים לא קושר על אטום החנקן, והיא משמשת נוקלאופיל. היא תוקפת את אטום הפחמן הקשור ל-Br (שנושא מטען חלקי חיובי), ויון הברומיד יוצא. מתקבל אמין ראשוני – 2-הקסאנאמין (2-אמינוהקסאן):
CH3–CHBr–CH2–CH2–CH2–CH3(l)+NH3(aq)→CH3–CH(NH2)–CH2–CH2–CH2–CH3(l)+HBr(aq)\text{CH}_3\text{–CHBr–CH}_2\text{–CH}_2\text{–CH}_2\text{–CH}_{3(l)} + \text{NH}_{3(aq)} \rightarrow \text{CH}_3\text{–CH(NH}_2\text{)–CH}_2\text{–CH}_2\text{–CH}_2\text{–CH}_{3(l)} + \text{HBr}_{(aq)}CH3​–CHBr–CH2​–CH2​–CH2​–CH3(l)​+NH3(aq)​→CH3​–CH(NH2​)–CH2​–CH2​–CH2​–CH3(l)​+HBr(aq)​
בדיקת איזון: בכל צד 6 אטומי C, 16 אטומי H, אטום N אחד ואטום Br אחד.
כשמשתמשים בעודף אמוניה, ה-HBr מגיב עם אמוניה נוספת (NH3\text{NH}_3NH3​ כבסיס), ואפשר לנסח גם:
C6H13Br+2NH3→C6H13NH2+NH4+(aq)+Br−(aq)\text{C}_6\text{H}_{13}\text{Br} + 2\text{NH}_{3} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_{13}\text{NH}_{2} + \text{NH}_4^{+}{}_{(aq)} + \text{Br}^{-}{}_{(aq)}C6​H13​Br+2NH3​→C6​H13​NH2​+NH4+​(aq)​+Br−(aq)​

סעיף ג

(i)

תשובה:

CH3–CH2–CH=CH–CH2–CH3(l)+HBr(g)→CH3–CH2–CHBr–CH2–CH2–CH3(l)\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CH=CH–CH}_2\text{–CH}_{3(l)} + \text{HBr}_{(g)} \rightarrow \text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CHBr–CH}_2\text{–CH}_2\text{–CH}_{3(l)}CH3​–CH2​–CH=CH–CH2​–CH3(l)​+HBr(g)​→CH3​–CH2​–CHBr–CH2​–CH2​–CH3(l)​

לדוגמה, עם ציס-3-הקסן (הנוסחה זהה עבור טרנס-3-הקסן):
CH3–CH2–CH=CH–CH2–CH3(l)+HBr(g)→CH3–CH2–CHBr–CH2–CH2–CH3(l)\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CH=CH–CH}_2\text{–CH}_{3(l)} + \text{HBr}_{(g)} \rightarrow \text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CHBr–CH}_2\text{–CH}_2\text{–CH}_{3(l)}CH3​–CH2​–CH=CH–CH2​–CH3(l)​+HBr(g)​→CH3​–CH2​–CHBr–CH2​–CH2​–CH3(l)​
זו תגובת סיפוח: הקשר הכפול נפתח, אטום H מתחבר לאחד מפחמני הקשר הכפול ואטום Br לפחמן השני. התוצר: 3-ברומוהקסאן. בדיקת איזון: בכל צד 6 אטומי C, 13 אטומי H ואטום Br אחד.

(ii)

תשובה:

ההבדל בין ציס לטרנס נובע רק מכך שהקשר הכפול אינו מאפשר סיבוב; בסיפוח הוא הופך לקשר יחיד עם סיבוב חופשי, וההבדל נעלם. המולקולה סימטרית – פחמנים 3 ו-4 זהים – ולכן לא משנה לאיזה מהם יתחבר H ולאיזה Br: תמיד מתקבל 3-ברומוהקסאן.

אותו תוצר משני האיזומרים: ציס-3-הקסן וטרנס-3-הקסן נבדלים רק בסידור המרחבי של הקבוצות סביב הקשר הכפול – הבדל שקיים רק מפני שהקשר הכפול אינו מאפשר סיבוב. בתגובת הסיפוח הקשר הכפול נפתח והופך לקשר יחיד, שסביבו יש סיבוב חופשי, ולכן ההבדל הגאומטרי נעלם ומשני האיזומרים מתקבלת תרכובת בעלת אותה נוסחת מבנה.
תוצר יחיד: המולקולה של 3-הקסן סימטרית: לכל אחד משני פחמני הקשר הכפול (פחמן 3 ופחמן 4) קשורים אטום H וקבוצת CH2CH3\text{CH}_2\text{CH}_3CH2​CH3​ . לכן שני הקרבוקטיונים האפשריים בשלב הראשון זהים (שניהם שניוניים, על פחמן שקשור לקבוצת אתיל ולקבוצת פרופיל), ולא משנה לאיזה פחמן יתחבר אטום ה-H ולאיזה אטום ה-Br – בשני המקרים מתקבל 3-ברומוהקסאן (Br על הפחמן השלישי מקצה השרשרת).
לעומת זאת, ב-2-הקסן שני פחמני הקשר הכפול אינם זהים, ולכן מתקבלים שני תוצרים: 2-ברומוהקסאן ו-3-ברומוהקסאן.
טעות נפוצה: לחשוב שמאיזומר ציס מתקבל "תוצר ציס" ומאיזומר טרנס "תוצר טרנס" – בתוצר אין קשר כפול, ולכן אין בו איזומריה גאומטרית.

סעיף ד

תשובה:

סיפוח אלקטרופילי בשני שלבים: (1) H+\text{H}^{+}H+ מ-HCl מתחבר לפחמן 1 ונוצרים קרבוקטיון שניוני על פחמן 2 ויון Cl−\text{Cl}^{-}Cl−; (2) Cl−\text{Cl}^{-}Cl− נקשר לקרבוקטיון ומתקבל 2-כלורופרופאן.

מנגנון של תגובת סיפוח אלקטרופילי, בשני שלבים:
שלב 1 – התקפת האלקטרופיל ויצירת קרבוקטיון. הקשר במולקולת HCl קוטבי (Hδ+–Clδ−\text{H}^{\delta+}\text{–Cl}^{\delta-}Hδ+–Clδ−). זוג האלקטרונים של הקשר π בקשר הכפול C=C תוקף את אטום ה-H. הקשר H–Cl נשבר כך ששני האלקטרונים עוברים לאטום Cl ונוצר יון Cl−\text{Cl}^{-}Cl−. אטום ה-H נקשר לפחמן 1 (CH2\text{CH}_2CH2​), ועל פחמן 2 נוצר מטען חיובי – קרבוקטיון שניוני:
CH2=CH–CH3+H–Cl→CH3–C+H–CH3+Cl−\text{CH}_2\text{=CH–CH}_3 + \text{H–Cl} \rightarrow \text{CH}_3\text{–}\overset{+}{\text{C}}\text{H–CH}_3 + \text{Cl}^{-}CH2​=CH–CH3​+H–Cl→CH3​–C+H–CH3​+Cl−
ה-H מתחבר לפחמן 1 (הקשור לשני אטומי H) ולא לפחמן 2, כי כך נוצר קרבוקטיון שניוני (הפחמן הטעון קשור לשתי קבוצות CH3\text{CH}_3CH3​), יציב יותר מהקרבוקטיון הראשוני CH3–CH2–C+H2\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–}\overset{+}{\text{C}}\text{H}_2CH3​–CH2​–C+H2​ שהיה נוצר על פחמן 1 – זה הבסיס לכלל מרקובניקוב. שלב זה הוא השלב האיטי.
שלב 2 – התקפת הנוקלאופיל. יון הכלוריד, Cl−\text{Cl}^{-}Cl− , בעל זוגות אלקטרונים לא קושרים, תוקף את הפחמן הטעון חיובית ויוצר איתו קשר קוולנטי:
CH3–C+H–CH3+Cl−→CH3–CHCl–CH3\text{CH}_3\text{–}\overset{+}{\text{C}}\text{H–CH}_3 + \text{Cl}^{-} \rightarrow \text{CH}_3\text{–CHCl–CH}_3CH3​–C+H–CH3​+Cl−→CH3​–CHCl–CH3​
בניסוח המנגנון יש לסמן בחצים מעוקלים: חץ מהקשר הכפול אל אטום ה-H של HCl, חץ מהקשר H–Cl אל אטום ה-Cl (בשלב 1), וחץ מזוג אלקטרונים לא קושר של Cl−\text{Cl}^{-}Cl− אל הפחמן הטעון (בשלב 2).
טעות נפוצה: לחבר את ה-H לפחמן 2 וליצור קרבוקטיון ראשוני – אז היה מתקבל 1-כלורופרופאן, שאינו התוצר הנתון.

שאלה 8 · ריבונוקלאז: מבנה שניוני ושלישוני

שאלה פתוחה35 נקודות

יש לענות על כל הסעיפים א, ב, ג, ד, ועל אחד מן הסעיפים ה או ו.
ריבונוקלאז הוא אנזים המופרש מן הלבלב אל המעי הדק, ומזרז את הפירוק של מולקולות RNA שבמזון.
מולקולת ריבונוקלאז בנויה משרשרת פוליפפטידית אחת המקופלת במבנה כדורי.

א.

בשרשרת הפוליפפטידית של ריבונוקלאז יש אזורים במבנה שניוני של סליל α\alphaα ואזורים במבנה שניוני של משטח β\betaβ .

(i)

מהו סוג הקשרים המייצבים את המבנה של סליל α\alphaα ? האם קשרים אלה נוצרים בין אטומים של קבוצות הצד, או בין אטומים של שלד השרשרת? פרטו.

(ii)

החומצה האמינית פרולין, Pro , מופיעה לעיתים רחוקות בתוך סליל α\alphaα .
היעזרו בנוסחת המבנה של פרולין בדפי הנתונים, והסבירו מדוע.

ב.

בשרשרת של ריבונוקלאז יש, בין השאר, שיירים של ואלין, Val , ושל סרין, Ser .
קבעו עבור כל אחת משתי החומצות האמיניות אם קבוצת הצד שלה נמצאת בדרך כלל בפנים המבנה הכדורי או על פני השטח שלו. נמקו, והסבירו כיצד סידור זה תורם למסיסות של ריבונוקלאז במים.

ג.

לפניכם קטע Q משרשרת פוליפפטידית של חלבון כדורי:
– Thr – Met – Ala – Ile – Tyr –
רשמו ייצוג מקוצר לנוסחת המבנה של הקטע הנתון.

ד.

(i)

רשמו רצף נוקלאוטידים אפשרי ב- mRNA , שבתהליך התרגום נוצר ממנו קטע Q הנתון.
ציינו קצה '3 ואת קצה '5 .

(ii)

רשמו רצף נוקלאוטידים אפשרי בגדיל ה- DNA , שבתהליך התעתוק נוצר ממנו רצף הנוקלאוטידים שרשמתם בתת-סעיף ד i . ציינו קצה '3 ואת קצה '5 .

ה.

סעיף ה הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ו.
לפניכם שלושה היגדים I-III , המתייחסים לחומצות האמיניות המרכיבות את קטע Q (שייצוג מקוצר לנוסחת המבנה שלו רשמתם בסעיף ג).
קבעו עבור כל אחד מן ההיגדים אם הוא נכון או לא נכון.
I. מבין חמש החומצות האמיניות, רק במולקולה של מתיונין, Met , יש אטום גופרית.
II. לכל חמש החומצות האמיניות יש קבוצות צדדיות הידרופוביות.
III. הדיפפטיד Ala-Ile זהה לדיפפטיד Ile-Ala .

ו.

סעיף ו הוא סעיף בחירה. אם תבחרו לענות עליו, אל תענו על סעיף ה.
לפניכם שלושה היגדים I-III , המתייחסים לשתי חומצות אמיניות הנמצאות בשרשרת הפוליפפטידית של ריבונוקלאז: סרין, Ser , ותראונין, Thr .
קבעו עבור כל אחד מן ההיגדים אם הוא נכון או לא נכון.
I. לשתי החומצות האמיניות יש קבוצות צדדיות הידרופיליות.
II. בקבוצה הצדדית של כל אחת משתי החומצות האמיניות יש קבוצה של כוהל שניוני.
III. קבוצת ה- OH שבקבוצה הצדדית של סרין יכולה להגיב, בתנאים מתאימים, עם חומצה אצטית, CH3COOH\text{CH}_3\text{COOH}CH3​COOH , ונוצר אסטר.

◂ פתרון מלא לשאלה 8

סעיף א

(i)

תשובה:

קשרי מימן בין אטומי שלד השרשרת: אטום H של קבוצת N-H\text{N-H}N-H ואטום O של קבוצת C=O\text{C=O}C=O בקשרים פפטידיים (בדרך כלל ארבעה שיירים זה מזה).

סליל α\alphaα מיוצב על ידי קשרי מימן. קשרים אלה נוצרים בין אטומי השלד של השרשרת – בין אטום H של קבוצת N−H\text{N}-\text{H}N−H בקשר פפטידי אחד לבין אטום O של קבוצת C=O\text{C=O}C=O בקשר פפטידי של חומצה אמינית הנמצאת ארבעה שיירים לפניה, באותו קטע של השרשרת.
קבוצות הצד אינן משתתפות בקשרים אלה: הן פונות כלפי חוץ מן הסליל.

(ii)

תשובה:

כאשר פרולין קשור בקשר פפטידי, לאטום החנקן שלו אין אטום H (הוא קשור לשלושה אטומי פחמן), ולכן אין קבוצת N-H\text{N-H}N-H שתיצור קשר מימן עם C=O\text{C=O}C=O; הטבעת גם מקשיחה את השרשרת.

בפרולין, אטום החנקן של הקבוצה האמינית הוא חלק מטבעת: הוא קשור לפחמן α ולקבוצת CH2\text{CH}_2CH2​ של קבוצת הצד (ובחומצה האמינית החופשית – לשני אטומי H בלבד, −NH2+−-\text{NH}_2^+-−NH2+​−).
כאשר פרולין נקשר בקשר פפטידי, אטום החנקן שלו קשור לשלושה אטומי פחמן (פחמן α, CH2\text{CH}_2CH2​ של הטבעת ופחמן הקרבוניל של החומצה האמינית הקודמת) – ואין עליו אטום H.
לכן:
•אין בשייר של פרולין קבוצת N−H\text{N}-\text{H}N−H שיכולה ליצור קשר מימן עם קבוצת C=O\text{C=O}C=O – וחסר קשר מימן שמייצב את הסליל;
•הטבעת מגבילה את הסיבוב סביב הקשר שבין N לפחמן α, והשרשרת אינה יכולה להתפתל לצורה הדרושה לסליל.
משום כך פרולין "שובר" את הסליל, ומופיע בדרך כלל בקצוות שלו או באזורי כיפוף של השרשרת.

סעיף ב

תשובה:

Val – בפנים (קבוצת צד הידרופובית, אינטראקציות ואן דר ואלס עם קבוצות לא קוטביות אחרות); Ser – על פני השטח (קבוצת −OH-\text{OH}−OH הידרופילית, קשרי מימן עם המים). הקבוצות ההידרופיליות שבחוץ יוצרות קשרי מימן עם המים – והחלבון מתמוסס.

- ואלין – בפנים המבנה הכדורי. קבוצת הצד שלו, −CH(CH3)2-\text{CH(CH}_3)_2−CH(CH3​)2​, פחמימנית ולא קוטבית (הידרופובית) – אינה יוצרת קשרי מימן עם המים. בפנים המולקולה היא נקשרת לקבוצות צד לא קוטביות אחרות באינטראקציות ואן דר ואלס, הרחק מהמים.
- סרין – על פני השטח. קבוצת הצד שלו, −CH2OH-\text{CH}_2\text{OH}−CH2​OH, קוטבית (הידרופילית): אטום ה־H הקשור לאטום O ואטום ה־O בעל זוגות אלקטרונים לא קושרים יוצרים קשרי מימן עם מולקולות המים.
מסיסות: בקיפול הכדורי, קבוצות הצד ההידרופיליות (כמו של Ser) פונות החוצה, ויוצרות קשרי מימן (והקבוצות הטעונות – אינטראקציות יון–דו-קוטב) עם מולקולות המים שמקיפות את החלבון. הקבוצות ההידרופוביות (כמו של Val) "מוסתרות" בפנים ואינן נוגעות במים. לכן פני המולקולה הידרופיליים, והחלבון מתמוסס היטב במים.

סעיף ג

תשובה:

−NH-CH(CH(OH)CH3)-CO-NH-CH(CH2CH2SCH3)-CO-NH-CH(CH3)-CO-NH-CH(CH(CH3)CH2CH3)-CO-NH-CH(CH2C6H4OH)-CO−-\text{NH-CH(CH(OH)CH}_3\text{)-CO-NH-CH(CH}_2\text{CH}_2\text{SCH}_3\text{)-CO-NH-CH(CH}_3\text{)-CO-NH-CH(CH(CH}_3\text{)CH}_2\text{CH}_3\text{)-CO-NH-CH(CH}_2\text{C}_6\text{H}_4\text{OH)-CO}-−NH-CH(CH(OH)CH3​)-CO-NH-CH(CH2​CH2​SCH3​)-CO-NH-CH(CH3​)-CO-NH-CH(CH(CH3​)CH2​CH3​)-CO-NH-CH(CH2​C6​H4​OH)-CO−

הקטע הוא חלק פנימי של שרשרת, ולכן אין בו קצה אמיני חופשי ואין קצה קרבוקסילי חופשי: השלד הוא רצף של יחידות −NH−CH(R)−CO−-\text{NH}-\text{CH(R)}-\text{CO}-−NH−CH(R)−CO− המחוברות בקשרים פפטידיים, מצד N (Thr) לצד C (Tyr).
קבוצות הצד (לפי טבלת חומצות האמינו בדפי הנתונים):
•Thr: −CH(OH)−CH3-\text{CH(OH)}-\text{CH}_3−CH(OH)−CH3​
•Met: −CH2−CH2−S−CH3-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{S}-\text{CH}_3−CH2​−CH2​−S−CH3​
•Ala: −CH3-\text{CH}_3−CH3​
•Ile: −CH(CH3)−CH2−CH3-\text{CH(CH}_3)-\text{CH}_2-\text{CH}_3−CH(CH3​)−CH2​−CH3​
•Tyr: −CH2−C6H4−OH-\text{CH}_2-\text{C}_6\text{H}_4-\text{OH}−CH2​−C6​H4​−OH (טבעת בנזן שקבוצת OH קשורה אליה)
−NH−CH(CH(OH)CH3)−CO−NH−CH(CH2CH2SCH3)−CO−NH−CH(CH3)−CO−NH−CH(CH(CH3)CH2CH3)−CO−NH−CH(CH2C6H4OH)−CO−-\text{NH}-\text{CH(CH(OH)CH}_3)-\text{CO}-\text{NH}-\text{CH(CH}_2\text{CH}_2\text{SCH}_3)-\text{CO}-\text{NH}-\text{CH(CH}_3)-\text{CO}-\text{NH}-\text{CH(CH(CH}_3)\text{CH}_2\text{CH}_3)-\text{CO}-\text{NH}-\text{CH(CH}_2\text{C}_6\text{H}_4\text{OH})-\text{CO}-−NH−CH(CH(OH)CH3​)−CO−NH−CH(CH2​CH2​SCH3​)−CO−NH−CH(CH3​)−CO−NH−CH(CH(CH3​)CH2​CH3​)−CO−NH−CH(CH2​C6​H4​OH)−CO−

סעיף ד

(i)

תשובה:

5’ ACU AUG GCC AUC UAU 3’\text{5' ACU AUG GCC AUC UAU 3'}5’ ACU AUG GCC AUC UAU 3’ (תשובה אפשרית אחת)

התרגום מתבצע לאורך ה־mRNA מקצה '5 לקצה '3, וקצה N של הפפטיד מתאים לקצה '5 של ה־mRNA. לכן הקודון של Thr נכתב ראשון מצד '5.
חומצה אמיניתThrMetAlaIleTyr
קודוןACUAUGGCCAUCUAU
רצף אפשרי: 5’ ACU AUG GCC AUC UAU 3’\text{5' ACU AUG GCC AUC UAU 3'}5’ ACU AUG GCC AUC UAU 3’
(אפשרויות נוספות: Thr – ACU/ACC/ACA/ACG; Ala – GCU/GCC/GCA/GCG; Ile – AUU/AUC/AUA; Tyr – UAU/UAC. ל־Met יש קודון אחד בלבד – AUG.)

חומצה אמינית	Thr	Met	Ala	Ile	Tyr
קודון	ACU	AUG	GCC	AUC	UAU

(ii)

תשובה:

3’ TGA TAC CGG TAG ATA 5’\text{3' TGA TAC CGG TAG ATA 5'}3’ TGA TAC CGG TAG ATA 5’

גדיל התבנית ב־DNA משלים ל־mRNA ואנטי-מקביל לו (מול U – A, מול A – T, מול G – C, מול C – G):
mRNA: 5’ ACU AUG GCC AUC UAU 3’\text{5' ACU AUG GCC AUC UAU 3'}5’ ACU AUG GCC AUC UAU 3’
DNA: 3’ TGA TAC CGG TAG ATA 5’\text{3' TGA TAC CGG TAG ATA 5'}3’ TGA TAC CGG TAG ATA 5’
(אותו רצף בכתיבה מקצה '5: 5’ ATA GAT GGC CAT AGT 3’\text{5' ATA GAT GGC CAT AGT 3'}5’ ATA GAT GGC CAT AGT 3’.)

סעיף ה

תשובה:

I – נכון; II – לא נכון (לתראונין קבוצת צד הידרופילית, −CH(OH)CH3-\text{CH(OH)CH}_3−CH(OH)CH3​); III – לא נכון.

I – נכון. לפי טבלת חומצות האמינו, קבוצת הצד של Met היא −CH2CH2SCH3-\text{CH}_2\text{CH}_2\text{SCH}_3−CH2​CH2​SCH3​ – יש בה אטום S. בקבוצות הצד של Thr, Ala, Ile ו־Tyr יש רק אטומי C, H ו־O, ובשלד של כל חומצה אמינית יש רק C, H, N ו־O.
II – לא נכון. לקבוצות הצד של Ala, Ile ו־Met אופי הידרופובי, אבל קבוצת הצד של תראונין, −CH(OH)CH3-\text{CH(OH)CH}_3−CH(OH)CH3​, מכילה קבוצת −OH-\text{OH}−OH שיוצרת קשרי מימן עם מולקולות המים – היא הידרופילית. (גם בקבוצת הצד של Tyr יש קבוצת OH שיכולה ליצור קשרי מימן.)
III – לא נכון. בדיפפטיד חשוב סדר החומצות האמיניות: הרישום מתחיל מקצה N.
•Ala-Ile: Ala בקצה N (קבוצה אמינית חופשית), Ile בקצה C (קבוצה קרבוקסילית חופשית): H2N-CH(CH3)-CO-NH-CH(CH(CH3)CH2CH3)-COOH\text{H}_2\text{N-CH(CH}_3)\text{-CO-NH-CH(CH(CH}_3)\text{CH}_2\text{CH}_3)\text{-COOH}H2​N-CH(CH3​)-CO-NH-CH(CH(CH3​)CH2​CH3​)-COOH
•Ile-Ala: Ile בקצה N ו־Ala בקצה C: H2N-CH(CH(CH3)CH2CH3)-CO-NH-CH(CH3)-COOH\text{H}_2\text{N-CH(CH(CH}_3)\text{CH}_2\text{CH}_3)\text{-CO-NH-CH(CH}_3)\text{-COOH}H2​N-CH(CH(CH3​)CH2​CH3​)-CO-NH-CH(CH3​)-COOH
לשני הדיפפטידים אותה נוסחה מולקולרית, אבל נוסחות מבנה שונות – אלה שני חומרים שונים (איזומרים).

סעיף ו

תשובה:

I – נכון; II – לא נכון (בסרין קבוצת כוהל ראשוני, −CH2OH-\text{CH}_2\text{OH}−CH2​OH); III – נכון.

I – נכון. בקבוצת הצד של סרין (−CH2OH-\text{CH}_2\text{OH}−CH2​OH) ובקבוצת הצד של תראונין (−CH(OH)CH3-\text{CH(OH)CH}_3−CH(OH)CH3​) יש קבוצת −OH-\text{OH}−OH קוטבית, שיוצרת קשרי מימן עם מולקולות המים – שתיהן הידרופיליות.
II – לא נכון. בתראונין, הפחמן הקשור לקבוצת OH קשור לשני אטומי פחמן (פחמן α וקבוצת CH3\text{CH}_3CH3​) – זהו כוהל שניוני. אבל בסרין הפחמן הקשור לקבוצת OH (−CH2OH-\text{CH}_2\text{OH}−CH2​OH) קשור לאטום פחמן אחד בלבד (פחמן α) – זהו כוהל ראשוני.
III – נכון. קבוצת OH של כוהל מגיבה עם חומצה קרבוקסילית בתגובת עיבוי (הפקת אסטר), בנוכחות חומצה כזרז, ומשתחררת מולקולת מים:
HOCH2CH(NH2)COOH+CH3COOH→CH3COOCH2CH(NH2)COOH+H2O\text{HOCH}_2\text{CH(NH}_2)\text{COOH} + \text{CH}_3\text{COOH} \rightarrow \text{CH}_3\text{COOCH}_2\text{CH(NH}_2)\text{COOH} + \text{H}_2\text{O}HOCH2​CH(NH2​)COOH+CH3​COOH→CH3​COOCH2​CH(NH2​)COOH+H2​O
(בדיקה: C: 5 = 5; H: 11 = 11; N: 1 = 1; O: 5 = 5.) בתוצר נוצרה הקבוצה הפונקציונלית של אסטר, −CO−O−-\text{CO}-\text{O}-−CO−O−.

שאלה 9 · ניוון שרירים מסוג דושן: גדיל תבנית, תעתוק, תרגום, קוד מנוון ומוטציה נקודתית

שאלה פתוחה35 נקודות

ניוון שרירים מסוג דושן היא מחלה תורשתית שבה השרירים נחלשים בהדרגה, בגלל חוסר בחלבון התקין דיסטרופין. אצל חלק מהחולים, בגן לדיסטרופין יש מוטציה נקודתית שיוצרת קודון עצירה מוקדם.
לפניך קטע של גדיל DNA פגום (הרצף מוצג לצורך השאלה). גדיל זה משמש תבנית בתהליך התעתוק, והרצף רשום מקצה 5′5'5′ לקצה 3′3'3′ :
5′5'5′ GTC CTA CCA CTT AGG 3′3'3′

א.

(i)

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

(ii)

רשום את רצף החומצות האמיניות בקטע החלבון המתקבל בתרגום של קטע ה־ mRNA שרשמת.
ציין את קצה N ואת קצה C .

ב.

בתהליך התרגום המתרחש על הריבוזום משתתפות מולקולות tRNA שבתא.

(i)

כמה מולקולות tRNA נדרשות לצורך תרגום הקטע של mRNA שרשמת בתת־סעיף א i ? נמק.

(ii)

ציין שני הבדלים בין המבנה של קטע ה־ mRNA שרשמת בתת־סעיף א i לבין המבנה של קטע ה־ DNA .

ג.

(i)

הסבר מהו התפקיד של מולקולות mRNA ומהו התפקיד של מולקולות tRNA .

(ii)

מספר הסוגים של tRNA בתא חי גדול ממספר הסוגים של חומצות אמיניות בחלבונים. הסבר מדוע.

ד.

בקטע ה־ DNA הנתון בתחילת השאלה יש מוטציה נקודתית, שבגללה תהליך התרגום אינו מסתיים בסוף הקטע.

(i)

הצע קודון של mRNA אפשרי שיכול להתקבל בתעתוק של קטע ה־ DNA ללא המוטציה הנקודתית.
ציין בקודון שהצעת את קצה 3′3'3′ ואת קצה 5′5'5′ . הסבר את הצעתך.

(ii)

רשום את רצף הנוקלאוטידים באנטיקודון של tRNA המתאים לקודון שהצעת בתת־סעיף ד i .
ציין את קצה 3′3'3′ ואת קצה 5′5'5′ .

◂ פתרון מלא לשאלה 9

סעיף א

(i)

תשובה:

5′5'5′ CCU AAG UGG UAG GAC 3′3'3′

בתעתוק, ה-RNA פולימראז קורא את גדיל התבנית מקצה 3′3'3′ לקצה 5′5'5′ , וה-mRNA נבנה מקצה 5′5'5′ לקצה 3′3'3′ – משלים לתבנית ומנוגד לה בכיוונו. התאמת הבסיסים: A→U, T→A, G→C, C→G.
שלב 1 – כותבים את התבנית בכיוון 3′→5′3' \rightarrow 5'3′→5′ (הופכים את סדר הרצף הנתון):
DNA (תבנית): 5′5'5′ GTC CTA CCA CTT AGG 3′3'3′ = 3′3'3′ GGA TTC ACC ATC CTG 5′5'5′
שלב 2 – רושמים את הבסיסים המשלימים:
DNA: 3′3'3′ GGA TTC ACC ATC CTG 5′5'5′
mRNA: 5′5'5′ CCU AAG UGG UAG GAC 3′3'3′
טעות נפוצה: להשלים את הרצף כפי שהוא רשום ( 5′→3′5' \rightarrow 3'5′→3′ ) ולרשום את ה-mRNA באותו כיוון – כך מתקבל mRNA הפוך בכיוונו.

(ii)

תשובה:

N – Pro – Lys – Trp – C (הקודון הרביעי, UAG, הוא קודון עצירה).

מתרגמים את ה-mRNA מקצה 5′5'5′ לקצה 3′3'3′ לפי טבלת הקודונים:
•CCU → Pro (פרולין)
•AAG → Lys (ליזין)
•UGG → Trp (טריפטופאן)
•UAG → קודון עצירה – התרגום נעצר, והקודון GAC שאחריו אינו מתורגם.
החומצה האמינית הראשונה היא קצה ה-N, והאחרונה – קצה ה-C:
N – Pro – Lys – Trp – C

סעיף ב

(i)

תשובה:

3 – אחת לכל קודון שמתורגם לחומצה אמינית (CCU, AAG, UGG); לקודון העצירה UAG אין tRNA, והקודון שאחריו אינו נקרא.

נדרשות 3 מולקולות tRNA.
כל מולקולת tRNA מביאה לריבוזום חומצה אמינית אחת, ונקשרת בעזרת האנטיקודון שלה לקודון אחד ב-mRNA. בקטע מתורגמים לחומצות אמיניות שלושה קודונים – CCU (Pro), AAG (Lys) ו-UGG (Trp). הקודון UAG הוא קודון עצירה: אין tRNA שהאנטיקודון שלו מתאים לו, ובהגעה אליו התרגום מסתיים – ולכן גם הקודון GAC שאחריו אינו מתורגם. סך הכול: 3 מולקולות tRNA.

(ii)

תשובה:

למשל: (1) הסוכר בנוקלאוטידים של mRNA הוא ריבוז, וב-DNA – דאוקסיריבוז; (2) ב-mRNA מופיע הבסיס אורציל (U) במקום תימין (T). (גם: mRNA הוא חד-גדילי, ו-DNA הוא דו-גדילי.)

ההבדלים בין RNA ל-DNA (כל שניים מהם):
1. הסוכר: בנוקלאוטידים של mRNA הסוכר הוא ריבוז – יש בו קבוצת OH על פחמן 2′2'2′ ; בנוקלאוטידים של DNA הסוכר הוא דאוקסיריבוז – על פחמן 2′2'2′ יש אטום H בלבד.
2. הבסיסים החנקניים: ב-mRNA מופיע אורציל (U), וב-DNA במקומו מופיע תימין (T) (בקטע: ב-DNA יש T, וב-mRNA אין T כלל ויש U).
3. מספר הגדילים: mRNA בנוי מגדיל אחד, ואילו מולקולת DNA בנויה משני גדילים משלימים הקשורים זה לזה בקשרי מימן בין הבסיסים (סליל כפול).
(משותף לשניהם: נוקלאוטידים המחוברים בקשרים פוספואסטריים, ובסיסים A, G, C.)

סעיף ג

(i)

תשובה:

mRNA – תבנית הנושאת את המידע של הגן לריבוזום; tRNA – מביא חומצה אמינית מתאימה לכל קודון.

mRNA (רנ"א שליח): מתקבל בתעתוק של גן ונושא עותק של המידע הגנטי – רצף הקודונים – מה-DNA אל הריבוזום. רצף הקודונים ב-mRNA משמש תבנית הקובעת את סדר החומצות האמיניות בחלבון הנבנה.
tRNA (רנ"א מעביר): כל מולקולה נושאת חומצה אמינית מסוימת ומעבירה אותה לריבוזום. בעזרת האנטיקודון שלה היא נקשרת לקודון המשלים ב-mRNA, וכך החומצה האמינית הנכונה נכנסת למקום הנכון בשרשרת – ה-tRNA "מתרגם" את רצף הנוקלאוטידים לרצף של חומצות אמיניות.

(ii)

תשובה:

לרוב החומצות האמיניות מתאימים כמה קודונים (קוד מנוון), ולכן לאותה חומצה אמינית יש כמה סוגי tRNA בעלי אנטיקודונים שונים.

בחלבונים יש 20 סוגים של חומצות אמיניות, אבל בקוד הגנטי יש 61 קודונים המתורגמים לחומצות אמיניות (64 צירופים פחות 3 קודוני עצירה). לכן לרוב החומצות האמיניות מתאים יותר מקודון אחד (הקוד הגנטי "מנוון"; למשל לליזין 2 קודונים ולפרולין 4).
כל סוג של tRNA נקשר לקודון ב-mRNA בעזרת אנטיקודון בעל רצף מסוים, המשלים לקודון. כדי שיהיה אפשר לתרגם את הקודונים השונים של אותה חומצה אמינית, נדרשים כמה סוגי tRNA בעלי אנטיקודונים שונים – שכולם נושאים את אותה חומצה אמינית. לכן מספר סוגי ה-tRNA גדול ממספר סוגי החומצות האמיניות.

סעיף ד

(i)

תשובה:

למשל 5′5'5′ UGG 3′3'3′ (מקודד ל-Trp) – שונה מקודון העצירה UAG בנוקלאוטיד אחד בלבד.

בקטע הפגום הקודון הרביעי ב-mRNA הוא 5′5'5′ UAG 3′3'3′ – קודון עצירה – ולכן התרגום נעצר באמצע הקטע (אחרי Trp) ואינו מגיע לסוף הקטע. מוטציה נקודתית היא שינוי של נוקלאוטיד אחד ב-DNA; לכן ב-DNA התקין הקודון הזה היה שונה מ-UAG בנוקלאוטיד אחד, ולא היה קודון עצירה.
הצעה: 5′5'5′ UGG 3′3'3′ – מקודד לטריפטופאן (Trp). הוא מתקבל מתעתוק של הרצף 3′3'3′ ACC 5′5'5′ בגדיל התבנית התקין (במקום 3′3'3′ ATC 5′5'5′ – החלפת T ב-C).
(תשובות אפשריות נוספות, שגם הן שונות מ-UAG בנוקלאוטיד אחד ואינן קודון עצירה: 5′5'5′ CAG 3′3'3′ – Gln; 5′5'5′ AAG 3′3'3′ – Lys; 5′5'5′ GAG 3′3'3′ – Glu; 5′5'5′ UUG 3′3'3′ – Leu; 5′5'5′ UCG 3′3'3′ – Ser; 5′5'5′ UAU 3′3'3′ או 5′5'5′ UAC 3′3'3′ – Tyr. לא מתאים UAA – גם הוא קודון עצירה.)

(ii)

תשובה:

3′3'3′ ACC 5′5'5′ (כלומר 5′5'5′ CCA 3′3'3′)

האנטיקודון משלים לקודון ומנוגד לו בכיוונו (A↔U, G↔C):
קודון ב-mRNA: 5′5'5′ U G G 3′3'3′
אנטיקודון ב-tRNA: 3′3'3′ A C C 5′5'5′
(אותו רצף כתוב מ- 5′5'5′ ל- 3′3'3′ : 5′5'5′ CCA 3′3'3′ . לקודון 5′5'5′ CAG 3′3'3′ , למשל, היה מתאים האנטיקודון 3′3'3′ GUC 5′5'5′ .)

טבלת התשובות

שאלה	סעיף	תשובה
1	-	ב – רק טמפרטורת הרתיחה מבחינה: בין מולקולות 1-פרופנול יש קשרי מימן ובין מולקולות פרופאנאל אין. שתי התרכובות אינן חומציות, ושתיהן מתחמצנות בדיכרומט.
2	-	ד – $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}$ (אתנול): הקבוצה $\text{–O–CH}_2\text{CH}_3$ באסטר מגיעה מן הכהל, והחלק $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CO–}$ – מן החומצה.
3	-	א – יון היודיד תורם זוג אלקטרונים לא קושר לקרבוקטיון $(\text{CH}_3)_2\text{C}^+\text{–CH}_2\text{CH}_3$ (החץ מהיון אל הפחמן הטעון) ונוצר 2-יודו-2-מתילבוטאן.
4	-	א – Thr-Leu: השייר בקצה האמיני (עם $\text{NH}_3^+$ ) הוא תראונין, והשייר בקצה הקרבוקסילי (עם $\text{COO}^-$ ) הוא לאוצין.
5	-	ד – אין קבוצת OH בפחמן '3, ולכן לא נוצר הקשר הפוספואסטרי לנוקלאוטיד הבא.
6	-	א – $\text{3' TAC AAG CCT GTA 5'}$ .
7	א	1-הקסן, ציס-2-הקסן, טרנס-2-הקסן, ציס-3-הקסן, טרנס-3-הקסן.
	ב i	2-ברומוהקסאן: $\text{CH}_3\text{–CHBr–CH}_2\text{–CH}_2\text{–CH}_2\text{–CH}_3$
	ב ii	$\text{CH}_3\text{–CHBr–(CH}_2\text{)}_3\text{–CH}_{3(l)} + \text{NH}_{3(aq)} \rightarrow \text{CH}_3\text{–CH(NH}_2\text{)–(CH}_2\text{)}_3\text{–CH}_{3(l)} + \text{HBr}_{(aq)}$
	ג i	$\text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CH=CH–CH}_2\text{–CH}_{3(l)} + \text{HBr}_{(g)} \rightarrow \text{CH}_3\text{–CH}_2\text{–CHBr–CH}_2\text{–CH}_2\text{–CH}_{3(l)}$
	ג ii	ההבדל בין ציס לטרנס נובע רק מכך שהקשר הכפול אינו מאפשר סיבוב; בסיפוח הוא הופך לקשר יחיד עם סיבוב חופשי, וההבדל נעלם. המולקולה סימטרית – פחמנים 3 ו-4 זהים – ולכן לא משנה לאיזה מהם יתחבר H ולאיזה Br: תמיד מתקבל 3-ברומוהקסאן.
	ד	סיפוח אלקטרופילי בשני שלבים: (1) $\text{H}^{+}$ מ-HCl מתחבר לפחמן 1 ונוצרים קרבוקטיון שניוני על פחמן 2 ויון $\text{Cl}^{-}$ ; (2) $\text{Cl}^{-}$ נקשר לקרבוקטיון ומתקבל 2-כלורופרופאן.
8	א i	קשרי מימן בין אטומי שלד השרשרת: אטום H של קבוצת $\text{N-H}$ ואטום O של קבוצת $\text{C=O}$ בקשרים פפטידיים (בדרך כלל ארבעה שיירים זה מזה).
	א ii	כאשר פרולין קשור בקשר פפטידי, לאטום החנקן שלו אין אטום H (הוא קשור לשלושה אטומי פחמן), ולכן אין קבוצת $\text{N-H}$ שתיצור קשר מימן עם $\text{C=O}$ ; הטבעת גם מקשיחה את השרשרת.
	ב	Val – בפנים (קבוצת צד הידרופובית, אינטראקציות ואן דר ואלס עם קבוצות לא קוטביות אחרות); Ser – על פני השטח (קבוצת $-\text{OH}$ הידרופילית, קשרי מימן עם המים). הקבוצות ההידרופיליות שבחוץ יוצרות קשרי מימן עם המים – והחלבון מתמוסס.
	ג	$-\text{NH-CH(CH(OH)CH}_3\text{)-CO-NH-CH(CH}_2\text{CH}_2\text{SCH}_3\text{)-CO-NH-CH(CH}_3\text{)-CO-NH-CH(CH(CH}_3\text{)CH}_2\text{CH}_3\text{)-CO-NH-CH(CH}_2\text{C}_6\text{H}_4\text{OH)-CO}-$
	ד i	$\text{5' ACU AUG GCC AUC UAU 3'}$ (תשובה אפשרית אחת)
	ד ii	$\text{3' TGA TAC CGG TAG ATA 5'}$
	ה	I – נכון; II – לא נכון (לתראונין קבוצת צד הידרופילית, $-\text{CH(OH)CH}_3$ ); III – לא נכון.
	ו	I – נכון; II – לא נכון (בסרין קבוצת כוהל ראשוני, $-\text{CH}_2\text{OH}$ ); III – נכון.
9	א i	$5'$ CCU AAG UGG UAG GAC $3'$
	א ii	N – Pro – Lys – Trp – C (הקודון הרביעי, UAG, הוא קודון עצירה).
	ב i	3 – אחת לכל קודון שמתורגם לחומצה אמינית (CCU, AAG, UGG); לקודון העצירה UAG אין tRNA, והקודון שאחריו אינו נקרא.
	ב ii	למשל: (1) הסוכר בנוקלאוטידים של mRNA הוא ריבוז, וב-DNA – דאוקסיריבוז; (2) ב-mRNA מופיע הבסיס אורציל (U) במקום תימין (T). (גם: mRNA הוא חד-גדילי, ו-DNA הוא דו-גדילי.)
	ג i	mRNA – תבנית הנושאת את המידע של הגן לריבוזום; tRNA – מביא חומצה אמינית מתאימה לכל קודון.
	ג ii	לרוב החומצות האמיניות מתאימים כמה קודונים (קוד מנוון), ולכן לאותה חומצה אמינית יש כמה סוגי tRNA בעלי אנטיקודונים שונים.
	ד i	למשל $5'$ UGG $3'$ (מקודד ל-Trp) – שונה מקודון העצירה UAG בנוקלאוטיד אחד בלבד.
	ד ii	$3'$ ACC $5'$ (כלומר $5'$ CCA $3'$ )

פרק ראשון

שאלה 1 · הבחנה בין כהל ראשוני לאלדהיד

תשובה: ב.

שאלה 2 · הפקת אתיל בוטאנואט – זיהוי המגיב

תשובה: ד.

שאלה 3 · השלב השני במנגנון סיפוח HI ל-2-מתיל-2-בוטן

תשובה: א.

שאלה 4 · זיהוי דו-פפטיד: תראונין ולאוצין

תשובה: א.

שאלה 5 · נוקלאוטיד ללא קבוצת OH בפחמן '3 – עצירת התארכות הגדיל

שאלה 6 · מציאת גדיל התבנית מרצף mRNA

מדוע האחרות שגויות:

פרק שני

שאלה 7 · איזומרים של הקסן – הפקת אמין, סיפוח HBr ומנגנון סיפוח HCl

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

סעיף ד

שאלה 8 · ריבונוקלאז: מבנה שניוני ושלישוני

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

סעיף א

סעיף ב

סעיף ג

סעיף ד

סעיף ה

סעיף ו

שאלה 9 · ניוון שרירים מסוג דושן: גדיל תבנית, תעתוק, תרגום, קוד מנוון ומוטציה נקודתית

סעיף א

שלב 2 – רושמים את הבסיסים המשלימים:

N – Pro – Lys – Trp – C

סעיף ב

נדרשות 3 מולקולות tRNA.

סעיף ג

סעיף ד

רוצים להשלים את חוויית הלמידה?

כל האתר במבט אחד