الاختبار الأول في علوم الطبيعة والحياة للفصل الأول، السنة الثانية ثانوي (علوم تجريبية)
المدة: ساعتان (2 سا) المحاور: تركيب البروتين: الشفرة الوراثية، النسخ والترجمة، الطفرات وتأثيرها على البروتين، العلاقة بين بنية البروتين ووظيفته، النشاط الإنزيمي: التخصص الوظيفي للإنزيم وتأثير pH ودرجة الحرارة
التمرين الأول: مراجعة المعارف (5 نقاط)
الجزء الأول (نقطتان)
أجب بـ «صحيحة» أو «خاطئة» عن كل عبارة من العبارات الأربع الآتية، ثم صحّح العبارة الخاطئة (0,5 نقطة لكل عبارة):
- تتم عملية النسخ في الهيولى على مستوى الريبوزومات.
- الشفرة الوراثية مرادفة، أي أنّ الحمض الأميني الواحد قد تشفّر له أكثر من رامزة.
- يحتوي الجزيء $\mathrm{ARN_m}$ على القاعدة الآزوتية التيمين $T$.
- ينتج الموقع الفعال للإنزيم عن البنية الفراغية الثلاثية للسلسلة الببتيدية.
الجزء الثاني (3 نقاط)
أعد كتابة الفقرة الآتية في ورقة الإجابة، واملأ الفراغات المرقمة من (1) إلى (6) بالمصطلحات المناسبة من القائمة التالية (0,5 نقطة لكل مصطلح صحيح):
القائمة: الريبوزوم، ببتيدية، الركيزة، مضاد الرامزة، الموقع الفعال، $pH$.
«أثناء الترجمة يتعرّف (1) ........ الموجود على الجزيء $\mathrm{ARN_t}$ على الرامزة المكمّلة له في الجزيء $\mathrm{ARN_m}$ داخل (2) ........ ، ثم ترتبط الأحماض الأمينية فيما بينها بروابط (3) ........ لتتشكل السلسلة الببتيدية. وعندما يتخذ البروتين بنيته الفراغية النهائية يصبح قادرًا على الارتباط بـ (4) ........ عن طريق (5) ........ الذي يتكامل معها في الشكل. وتتأثر شحنات الجذور $R$ للأحماض الأمينية بتغيّر (6) ........ الوسط.»
الحل وسلم التنقيط
الجزء الأول (نقطتان)
- خاطئة (0,25). التصحيح: تتم عملية النسخ في النواة، أما الريبوزومات فهي مقر الترجمة في الهيولى (0,25).
- صحيحة (0,5).
- خاطئة (0,25). التصحيح: يحتوي $\mathrm{ARN_m}$ على اليوراسيل $U$ بدل التيمين (0,25).
- صحيحة (0,5).
الجزء الثاني (3 نقاط)
(0,5 نقطة لكل مصطلح)
- مضاد الرامزة
- الريبوزوم
- ببتيدية
- الركيزة
- الموقع الفعال
- $pH$
التمرين الثاني: تركيب بروتين وأثر الطفرات (7 نقاط)
يمثّل الجدول الآتي جزءًا من الشريط المستنسخ (الناسخ) لمورثة تشفّر ببتيدًا قصيرًا، بالاتجاه من $3'$ إلى $5'$:
$$3'-\ TAC\ CTT\ GGT\ CAA\ AAA\ ATT\ -5'$$
جزء من جدول الشفرة الوراثية (الرامزات على $\mathrm{ARN_m}$):
| الرامزة | AUG | GAA | GAU | CCA | CCU | GUU | UUU | UAA |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| المعنى | ميثيونين (بداية) | حمض الغلوتامات | حمض الأسبارتات | برولين | برولين | فالين | فينيل ألانين | رامزة توقف |
الأسئلة:
- سمِّ المرحلتين الأساسيتين لتركيب البروتين انطلاقًا من المورثة، وحدّد مكان حدوث كل منهما في الخلية. (1 نقطة)
- اكتب تسلسل نيوكليوتيدات الجزيء $\mathrm{ARN_m}$ الناتج عن نسخ هذا الجزء من المورثة، مع تحديد اتجاهه. (1 نقطة)
- اعتمادًا على جدول الشفرة الوراثية، استخرج تسلسل الأحماض الأمينية في الببتيد المتشكّل. (1,5 نقطة)
- حدثت طفرة في المورثة غيّرت الثلاثية الثانية من الشريط المستنسخ من $CTT$ إلى $ATT$. حدّد تسلسل $\mathrm{ARN_m}$ الجديد والببتيد الناتج، ثم استنتج نوع الطفرة ونتيجتها. (1,5 نقطة)
- في حالة طفرة ثانية غيّرت الثلاثية الثالثة من $GGT$ إلى $GGA$، حدّد الببتيد الناتج وفسّر النتيجة. (1 نقطة)
- بيّن لماذا قد تؤدي الطفرة الأولى إلى فقدان الوظيفة الحيوية للبروتين، بينما لا تؤثر الطفرة الثانية فيها، مستعينًا بالعلاقة بين تسلسل الأحماض الأمينية وبنية البروتين ووظيفته. (1 نقطة)
الحل وسلم التنقيط
1. (1 نقطة)
- المرحلة الأولى: النسخ، وتتم في النواة (0,5).
- المرحلة الثانية: الترجمة، وتتم في الهيولى على مستوى الريبوزومات (0,5).
2. (1 نقطة)
الـ $\mathrm{ARN_m}$ مكمّل للشريط المستنسخ، مع استبدال $T$ بـ $U$ (0,5):
$$5'-AUG\ GAA\ CCA\ GUU\ UUU\ UAA\ -3'$$
تحديد الاتجاه $5'\rightarrow 3'$ (0,5).
3. (1,5 نقطة)
قراءة الرامزات بالتتابع انطلاقًا من رامزة البداية (0,5):
- $AUG$: ميثيونين
- $GAA$: حمض الغلوتامات
- $CCA$: برولين
- $GUU$: فالين
- $UUU$: فينيل ألانين
- $UAA$: رامزة توقف لا تشفّر لحمض أميني (0,25)
الببتيد: ميثيونين – حمض الغلوتامات – برولين – فالين – فينيل ألانين (5 أحماض أمينية) (0,75).
4. (1,5 نقطة)
- الثلاثية الجديدة $ATT$ تُنسخ إلى $UAA$ (0,5)، فيصبح $\mathrm{ARN_m}$: $5'-AUG\ UAA\ CCA\ GUU\ UUU\ UAA\ -3'$ (0,25).
- الترجمة تتوقف عند الرامزة الثانية $UAA$، فيتشكّل ببتيد من حمض أميني واحد فقط هو الميثيونين (0,25).
- نوع الطفرة: استبدال نيوكليوتيدة بأخرى، أدّى إلى ظهور رامزة توقف مبكرة (طفرة لا معنى لها) (0,25). النتيجة: ببتيد قصير جدًّا (0,25).
5. (1 نقطة)
- الثلاثية $GGA$ تُنسخ إلى $CCU$ (0,25)، وهي ترمّز لنفس الحمض الأميني برولين (0,25). الببتيد الناتج لا يتغيّر: ميثيونين – حمض الغلوتامات – برولين – فالين – فينيل ألانين (0,25).
- التفسير: الشفرة الوراثية مرادفة، فالرامزتان $CCA$ و $CCU$ تشفّران للحمض الأميني نفسه، فالطفرة صامتة (0,25).
6. (1 نقطة)
- تسلسل الأحماض الأمينية يحدّد البنية الفراغية للبروتين، وهذه البنية تحدّد وظيفته (0,25).
- في الطفرة الأولى يتغيّر التسلسل جذريًّا بتشكّل ببتيد قصير فتضيع البنية الفراغية فتفقد الوظيفة (0,5).
- في الطفرة الثانية يبقى التسلسل والبنية والوظيفة دون تغيير (0,25).
التمرين الثالث: النشاط الإنزيمي لأميلاز اللعاب (8 نقاط)
في حصة أعمال مخبرية بثانوية في مدينة تلمسان، أراد التلميذ ياسين ومجموعته دراسة نشاط إنزيم الأميلاز اللعابي الذي يحلّل النشاء إلى سكر المالتوز. قاسوا السرعة الابتدائية للتفاعل (بوحدة اعتباطية) في ظروف مختلفة، مع بقاء تركيز الإنزيم والركيزة ثابتين.
التجربة 1: تأثير pH الوسط عند درجة حرارة $37\ ^{\circ}\mathrm{C}$
| $pH$ | 2 | 4 | 6 | 7 | 8 | 10 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| السرعة الابتدائية | 0 | 18 | 80 | 100 | 62 | 5 |
التجربة 2: تأثير درجة الحرارة عند $pH=7$
| درجة الحرارة ($^{\circ}\mathrm{C}$) | 0 | 20 | 37 | 50 | 70 |
|---|---|---|---|---|---|
| السرعة الابتدائية | 5 | 45 | 100 | 60 | 0 |
ثم وُضعت عينتان من الإنزيم لمدة 10 دقائق، الأولى عند $0\ ^{\circ}\mathrm{C}$ والثانية عند $70\ ^{\circ}\mathrm{C}$، بعد ذلك أُعيدت كل عينة إلى $37\ ^{\circ}\mathrm{C}$ وقيست السرعة من جديد، فكانت 100 للعينة الأولى و0 للعينة الثانية.
التجربة 3: التخصص
وُضعت ثلاثة أنابيب عند $37\ ^{\circ}\mathrm{C}$ و $pH=7$ لمدة 15 دقيقة، ثم أُجري الكشف بمحلول اليود (يلوّن النشاء بالأزرق) وبمحلول فهلنغ (يعطي راسبًا أحمر مع السكريات المرجعة مثل المالتوز، ولا يتفاعل مع السكروز):
| الأنبوب | المحتوى | كاشف اليود | كاشف فهلنغ |
|---|---|---|---|
| 1 | نشاء + أميلاز | لا لون أزرق | راسب أحمر |
| 2 | سكروز + أميلاز | لا لون أزرق | لا راسب |
| 3 | نشاء + سكراز (إنزيم يحلّل السكروز) | لون أزرق | لا راسب |
الأسئلة:
- ارسم المنحنى البياني الذي يمثّل تغيّر السرعة الابتدائية بدلالة $pH$ الوسط، باستعمال السلم: $1\ \text{cm}$ لكل وحدة $pH$ و $1\ \text{cm}$ لكل 10 وحدات من السرعة. (1,5 نقطة)
- حلّل نتائج التجربتين 1 و2، وحدّد القيمتين المُثْلَيَيْن لكل من $pH$ ودرجة الحرارة. (1,5 نقطة)
- فسّر نتائج التجربة 3، ثم استنتج خاصية الإنزيم التي تبرزها. (1,5 نقطة)
- اشرح، بالاعتماد على بنية البروتين، سبب انخفاض نشاط الأميلاز عند القيم القصوى لـ $pH$. (1,5 نقطة)
- قارن بين تأثير الدرجة $0\ ^{\circ}\mathrm{C}$ وتأثير الدرجة $70\ ^{\circ}\mathrm{C}$ على الإنزيم، مفسّرًا اختلاف النتيجتين بعد العودة إلى $37\ ^{\circ}\mathrm{C}$. (1 نقطة)
- يمر الغذاء بعد البلع إلى المعدة حيث $pH$ يساوي تقريبًا 2. ماذا يحدث لنشاط أميلاز اللعاب هناك؟ علّل. (1 نقطة)
الحل وسلم التنقيط
1. رسم المنحنى (1,5 نقطة)
- المحور الأفقي لـ $pH$ والمحور العمودي للسرعة مع السلم المطلوب وعنوان كل محور (0,5).
- تعيين النقاط $(2;0)$، $(4;18)$، $(6;80)$، $(7;100)$، $(8;62)$، $(10;5)$ بدقة (0,5).
- وصل النقاط بمنحنى جرسي مستمر، وكتابة عنوان للمنحنى (0,5).
2. تحليل التجربتين (1,5 نقطة)
- التجربة 1: تزداد السرعة بارتفاع $pH$ من 2 إلى 7 لتبلغ قيمتها العظمى (100) عند $pH=7$، ثم تنخفض بشدة عند $pH$ أكبر (0,5). $pH$ الأمثل هو 7 (0,25).
- التجربة 2: تزداد السرعة بارتفاع درجة الحرارة من $0$ إلى $37\ ^{\circ}\mathrm{C}$ حيث تبلغ 100، ثم تنخفض عند $50\ ^{\circ}\mathrm{C}$ وتنعدم عند $70\ ^{\circ}\mathrm{C}$ (0,5). درجة الحرارة المثلى هي $37\ ^{\circ}\mathrm{C}$ (0,25).
3. التجربة 3 (1,5 نقطة)
- الأنبوب 1: اختفاء النشاء (غياب اللون الأزرق) وظهور سكر مرجع (راسب أحمر)، إذن الأميلاز حلّل النشاء (0,5).
- الأنبوب 2: الأميلاز لم يحلّل السكروز (لا راسب) (0,25).
- الأنبوب 3: بقاء النشاء (لون أزرق) وعدم ظهور سكر مرجع، إذن السكراز لا يحلّل النشاء (0,25).
- الاستنتاج: كل إنزيم يؤثر في ركيزة واحدة فقط، وهي خاصية التخصص (الإنزيم متخصص نحو ركيزته) (0,5).
4. التفسير (1,5 نقطة)
- للإنزيم بنية فراغية ثلاثية تحافظ عليها روابط بين جذور الأحماض الأمينية $R$، ومنها روابط شاردية (0,25).
- تغيّر $pH$ يغيّر شحنات الجذور $R$ المتأينة (0,25) فتتغيّر الروابط الشاردية وتتغيّر البنية الفراغية (0,5).
- يتشوّه الموقع الفعال فلا يبقى متكاملًا مع شكل الركيزة (0,25)، فلا يتشكّل المعقد إنزيم–ركيزة وتنخفض السرعة (0,25).
5. المقارنة (1 نقطة)
- عند $0\ ^{\circ}\mathrm{C}$ تنخفض السرعة لأن حركة الجزيئات تضعف ولا يتغيّر الإنزيم، فعند العودة إلى $37\ ^{\circ}\mathrm{C}$ يستعيد نشاطه كاملًا: التثبيط عكوس (0,5).
- عند $70\ ^{\circ}\mathrm{C}$ تتغيّر بنية الإنزيم الفراغية بسبب تخريب الروابط (تمسّخ)، ويتغيّر الموقع الفعال بشكل نهائي فلا يستعيد نشاطه بعد العودة إلى $37\ ^{\circ}\mathrm{C}$: التأثير غير عكوس (0,5).
6. (1 نقطة)
- عند $pH=2$ تنعدم سرعة التفاعل (حسب التجربة 1)، فيتوقف نشاط أميلاز اللعاب في المعدة (0,5).
- التعليل: الوسط شديد الحموضة يغيّر شحنات الجذور $R$ ويشوّه بنية الإنزيم والموقع الفعال، فلا يرتبط بالنشاء (0,5).