الفرض الأول في علوم الطبيعة والحياة للفصل الأول، السنة الثانية ثانوي (علوم تجريبية)
المدة: ساعة واحدة (60 دقيقة) المحاور: تركيب البروتين: الاستنساخ والترجمة والشفرة الوراثية، الطفرات وتأثيرها على البروتين، النشاط الإنزيمي: تأثير pH ودرجة الحرارة، تخصص الإنزيم وعلاقته ببنية البروتين (الموقع الفعّال)
التمرين الأول: من المورثة إلى البروتين (8 نقاط)
تُنتج خلايا غدة لعابية ببتيدًا قصيرًا انطلاقًا من مورثة. يمثل الجزء التالي من السلسلة المستنسخة (الناسخة) لهذه المورثة، مكتوبًا في الاتجاه $3' \rightarrow 5'$:
$$3'-\ TAC\ TTT\ GGA\ CTT\ CCA\ ATC\ -5'$$
يعطي الجدول الآتي جزءًا من الشفرة الوراثية (الرامزات على مستوى ARNm):
| الرامزة | الحمض الأميني |
|---|---|
| AUG | ميثيونين (Met) |
| AAA ، AAG | ليزين (Lys) |
| CCU ، CCC ، CCA | برولين (Pro) |
| GAA ، GAG | حمض الغلوتاميك (Glu) |
| GGU ، GGA | غليسين (Gly) |
| UAA ، UAG ، UGA | رامزة توقف |
الأسئلة:
- أ) اكتب تتابع ARNm الناتج عن استنساخ هذا الجزء من المورثة، مع الإشارة إلى اتجاهه. (1,5 ن)
ب) سمِّ المرحلة التي يتم فيها تركيب ARNm، وحدّد مكان حدوثها في الخلية والإنزيم المسؤول عنها. (1 ن)
- أ) باستعمال جدول الشفرة الوراثية، حدّد تتابع الأحماض الأمينية في الببتيد الناتج. (1,5 ن)
ب) سمِّ المرحلة التي يتم فيها تركيب الببتيد وحدّد مكانها، ثم بيّن دور ARNt فيها. (1 ن)
- حدثت طفرة على مستوى هذا الجزء من المورثة، تمثلت في استبدال النكليوتيد الأول من الثلاثية الرابعة $CTT$ في السلسلة المستنسخة بالنكليوتيد $A$. حدّد الببتيد الناتج وبيّن أثر الطفرة على البروتين. (1,5 ن)
- حدثت طفرة أخرى (مستقلة عن السابقة) تمثلت في استبدال النكليوتيد الأخير من الثلاثية الثالثة $GGA$ في السلسلة المستنسخة بالنكليوتيد $G$. حدّد الببتيد الناتج، ثم فسّر النتيجة المحصل عليها. (1,5 ن)
الحل وسلم التنقيط
حل التمرين الأول (8 نقاط)
1. أ) تتابع ARNm (1,5 ن):
يكون ARNm مكملًا للسلسلة المستنسخة (مع $A \rightarrow U$) وفي الاتجاه المعاكس:
$$5'-\ AUG\ AAA\ CCU\ GAA\ GGU\ UAG\ -3'$$
- (1 ن) للتتابع الصحيح، (0,5 ن) لتحديد الاتجاه $5' \rightarrow 3'$.
ب) (1 ن): المرحلة هي الاستنساخ (0,25 ن)، تحدث في النواة (0,5 ن)، والإنزيم المسؤول هو ARN بوليميراز (0,25 ن).
2. أ) الببتيد (1,5 ن):
$$Met - Lys - Pro - Glu - Gly$$
الرامزة $UAG$ رامزة توقف فلا تُرمّز لحمض أميني. (1 ن للتتابع، 0,5 ن لتوضيح أن UAG توقف).
ب) (1 ن): المرحلة هي الترجمة (0,25 ن)، تحدث في الهيولى على مستوى الريبوسومات (0,25 ن). يحمل ARNt الحمض الأميني المناسب ويتعرف بمضاد رامزته على الرامزة المقابلة في ARNm، فيضمن وضع الأحماض الأمينية في الترتيب الصحيح (0,5 ن).
3. (1,5 ن): تصبح الثلاثية الرابعة في السلسلة المستنسخة $ATT$، فتصبح الرامزة المقابلة في ARNm هي $UAA$ (0,5 ن) وهي رامزة توقف. تتوقف الترجمة مبكرًا ويكون الببتيد الناتج: $Met - Lys - Pro$ (0,5 ن). الأثر: ببتيد أقصر بكثير من الطبيعي، فيفقد غالبًا وظيفته، وهي طفرة ذات أثر كبير (0,5 ن).
4. (1,5 ن): تصبح الثلاثية الثالثة $GGG$، فتصبح الرامزة $CCC$ (0,5 ن) وهي ترمّز أيضًا للبرولين، فيبقى الببتيد $Met - Lys - Pro - Glu - Gly$ دون تغيير (0,5 ن). التفسير: الشفرة الوراثية مضاعفة (متعددة)، أي أن عدة رامزات ترمّز لنفس الحمض الأميني، فالطفرة صامتة (0,5 ن).
التمرين الثاني: النشاط الإنزيمي لأميلاز اللعاب (12 نقطة)
في حصة أعمال مخبرية بثانوية بقسنطينة، أراد تلاميذ السنة الثانية ثانوي دراسة خصائص أميلاز اللعاب، وهو بروتين يحلل النشاء إلى مالتوز. أُنجزت التجارب الآتية:
التجربة 1: وُضع في عدة أنابيب حجم متساوٍ من محلول النشاء وحجم متساوٍ من مستخلص أميلاز اللعاب، عند درجة حرارة $37\ °C$، مع تغيير pH الوسط. قيست سرعة التفاعل (كمية المالتوز الناتجة بـ mg في الدقيقة):
| pH الوسط | 2 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 10 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| السرعة (mg/min) | 0 | 4 | 13 | 19 | 20 | 12 | 2 |
التجربة 2: وُضع مزيج من النشاء والأميلاز في أنبوبين A و B عند pH مناسب:
- الأنبوب A: وُضع في حمام جليدي ($0\ °C$) لمدة 10 دقائق فلم يُلاحظ تحلل للنشاء، ثم نُقل إلى حمام مائي عند $37\ °C$ فعاد التحلل.
- الأنبوب B: وُضع في حمام مائي عند $80\ °C$ لمدة 10 دقائق فلم يُلاحظ تحلل للنشاء، ثم نُقل إلى $37\ °C$ فلم يعد التحلل.
التجربة 3: عند إضافة مستخلص الأميلاز إلى محلول ألبومين (بروتين) عند $37\ °C$ و pH = 7، لا يُلاحظ أي تحلل للألبومين.
الأسئلة:
- مثّل بيانيًا تغيرات سرعة التفاعل بدلالة pH الوسط (السلم: 1 cm لكل وحدة pH على محور الفواصل، و1 cm لكل $4\ mg/min$ على محور التراتيب). (2,5 ن)
- حلّل المنحنى المحصل عليه، ثم حدّد قيمة pH الأمثل لهذا الإنزيم. (2 ن)
- فسّر انخفاض سرعة التفاعل عندما يبتعد pH الوسط عن القيمة المثلى، بالاعتماد على بنية الإنزيم. (2 ن)
- قارن بين تأثير درجة الحرارة المنخفضة وتأثير درجة الحرارة المرتفعة على الإنزيم انطلاقًا من نتائج التجربة 2، ثم فسّر الاختلاف. (2 ن)
- ماذا تستنتج من نتيجة التجربة 3 بخصوص خاصية الإنزيم؟ فسّرها على المستوى الجزيئي. (2 ن)
- اكتب معادلة التفاعل الإنزيمي العام (إنزيم + مادة التفاعل) محدّدًا المركب الوسيط والنواتج. (1,5 ن)
الحل وسلم التنقيط
حل التمرين الثاني (12 نقطة)
1. رسم المنحنى (2,5 ن):
- (0,5 ن) تسمية المحورين مع الوحدات واحترام السلم.
- (1 ن) تعيين النقاط بدقة: (2;0)، (4;4)، (5;13)، (6;19)، (7;20)، (8;12)، (10;2).
- (0,5 ن) ربط النقاط بمنحنى مستمر على شكل جرس.
- (0,5 ن) العنوان.
2. التحليل (2 ن): ترتفع السرعة من 0 عند pH = 2 إلى قيمة عظمى $20\ mg/min$ عند pH = 7 (0,75 ن)، ثم تنخفض لتصل إلى $2\ mg/min$ عند pH = 10 (0,75 ن). نستنتج أن للإنزيم نشاطًا أعظميًا عند pH أمثل يقارب 7 (حوالي 6,5 إلى 7) (0,5 ن).
3. التفسير (2 ن): الإنزيم بروتين تتحدد وظيفته ببنيته الفراغية (الثلاثية الأبعاد) (0,5 ن). يؤثر pH في شحنات الجذور الجانبية للأحماض الأمينية (R) ويغيّر تأينها (0,5 ن)، فتتغير الروابط التي تحافظ على البنية الفراغية وتتغير شحنة الموقع الفعّال وشكله (0,5 ن)، فيقل تثبيت مادة التفاعل وتنخفض السرعة، وعند pH متطرف يفقد الإنزيم بنيته ونشاطه (0,5 ن).
4. المقارنة (2 ن):
- عند $0\ °C$: يتوقف النشاط (التثبيط) ويُستعاد عند $37\ °C$، فالتأثير عكوس، لأن الحرارة المنخفضة تُبطئ الحركة الجزيئية فقط دون تغيير البنية (0,75 ن).
- عند $80\ °C$: يتوقف النشاط ولا يعود عند $37\ °C$، فالتأثير غير عكوس (0,5 ن)، لأن الحرارة المرتفعة تؤدي إلى تخرّب (تمسخ) البنية الفراغية للإنزيم وتشوه الموقع الفعّال نهائيًا (0,5 ن).
- (0,25 ن) للمقارنة المنظمة.
5. الاستنتاج (2 ن): الأميلاز إنزيم نوعي (متخصص) يؤثر في النشاء ولا يؤثر في الألبومين (0,75 ن). التفسير: للإنزيم موقع فعّال له شكل وشحنات مكملة لمادة التفاعل (النشاء) فقط (0,5 ن)، فلا يتشكل المعقد (إنزيم - مادة تفاعل) إلا مع المادة التي تتكامل بنيتها مع الموقع الفعّال، بينما لا يتكامل الألبومين معه (0,75 ن).
6. المعادلة (1,5 ن):
$$E + S \rightleftharpoons ES \rightarrow E + P$$
- (0,5 ن) E: الإنزيم (الأميلاز)، S: مادة التفاعل (النشاء).
- (0,5 ن) ES: المعقد الوسيط (إنزيم - مادة تفاعل).
- (0,5 ن) P: النواتج (المالتوز) ويتجدد الإنزيم E في نهاية التفاعل.