Molecules, Diet, Transport and Health

خلية الدم الحمراء التي تترك رئتك تحمل الأكسجين عبر الهيموجلوبين، تسير في شريان، وتضغط عبر شعيرة أضيق منها، وتحرر الأكسجين لخلية تستهلكه، ثم تعود عبر وريد. كل بنية في تلك الرحلة مُصنوعة من الجزيئات التي تبدأ بها هذه الوحدة، وكل سؤال امتحاني عنها يطلب منك ربط البنية بالوظيفة.

WBI11 الجزيئات، التغذية، النقل والصحة هي الوحدة الأولى IAS: ورقة مكتوبة مدتها 1 ساعة 30 دقيقة، 80 علامات، إلزامية جميعها. تُقيّم الموضوع 1 (الجزيئات، النقل والصحة) والموضوع 2 (الأغشية، البروتينات، الحمض النووي والتعبير الجيني). توقّع أسئلة بيانات حول دراسات صحية، وحسابات باستخدام الصيغة القياسية، وإجابات موسّعة تذكر البنى وتشرح الآليات.

الماء هو وسط النقل لأنه مذيب قطبي. في جزيء الماء، يسحب الأكسجين الإلكترونات المشتركة بقوة أكبر من الهيدروجين: كل رابطة O–H لها طرف سالب طفيف عند O وطرف موجب طفيف عند H. هذا هو nature ثنائي القطب للماء. تتشكل روابط هيدروجينية بين الشحنات المتقابلة للجزيئات المجاورة، وتذوب الجزيئات القطبية أو المشحونة (الجلوكوز، أيونات الصوديوم، الأحماض الأمينية) لأن تجمعات الماء تحيط بها.

ترتبط الكربوهيدرات وتنقسم بواسطة تفاعلين:

• التكثف يزيل جزيء ماء عندما تتكون رابطة غليكوسيدية بين سكرين.
• التحلل المائي يعيد إضافة الماء ويكسر تلك الرابطة.

جزيئان من الجلوكوز يتكثفان لتكوين المالتوز؛ الجلوكوز والفركتوز يعطيان السكروز؛ الجلوكوز والجالاكوز يعطيان اللاكتوز. السلاسل الطويلة تصنع السكريات متعددة: النشا النشوي (مرتبطة بـ 1,4، تلتف في حلزون، مضغوطة)، النشا المتفرع والجليكوجين (كلاهما سلايل 1,4 مع فروع 1,6؛ الجليكوجين هو مخزن الحيوان في الكبد والعضلات). التفرع يعني نهاية سلاسل عديدة، لذا يمكن إطلاق الجلوكوز بسرعة؛ والحلزون يعني أن الكثير من الطاقة يتسع في مساحة صغيرة.

العملي الأساسي 1: تقدير تركيز السكر والنشاء

الكربوهيدرات المختزلة تُختزل كاشف بنديكت الأزرق عند التسخين، مما يُعطي راسباً أحمر آجر. لتقدير تركيز غير معروف، قارن اللون بالمعايير ذات التركيز المعروف، أو اقرأ المحلول في جهاز قياس الألوان.

تحقق محلول. تعطي معايير 0، 0.5، 1، 2 و4٪ جلوكوز امتصاصات 0.02، 0.09، 0.18، 0.35، 0.64. يعطي المجهول 0.58. على الجزء المستقيم، يضيف كل 1٪ تقريبًا 0.16 امتصاص، لذا يكون المجهول قريبًا من $0.58/0.16 \approx 3.6\%$. إن القراءة خارج نطاق المعايير (استقراء ما بعد 4٪) أقل موثوقية من القياس ضمنها — وهي نقطة يحب الممتحنون أن تذكرها. يتحول اليود إلى أزرق داكن عند تفاعله مع النشا؛ وتعطي شدة اللون الأزرق الداكن نفس النوع من التقدير للنشا.

الثلاثي غليسيريد هو جزيء واحد من الجلسرول ثلاثي الفينيل مرتبط بثلاثة أحماض دهنية عبر ثلاث تفاعلات تكاثف تُكوّن روابط إسترية. الأحماض الدهنية المشبعة لا تحتوي على روابط C=C: سلاسلها مستقيمة تتراكم بشكل كثيف، لذا تكون دهون الحيوانات صلبة عند درجة حرارة الغرفة. أما الأحماض غير المشبعة فتحتوي على رابطة مزدوجة واحدة أو أكثر تنكس السلسلة، وتكون التراكب أضعف، مما يجعل الزيوت سائلة. تخزن الدهون طاقة أكبر لكل جرام من الكربوهيدرات لأنها أكثر اختزالاً.

الانتشار يمد الخلايا فقط بسمك بضعة أجزاء من المليمتر. الكائن الحي الكبير يحتاج إلى النقل الكتلي: مضخة وأنابيب تنقل إمدادات كل خلية ونفاياتها. ثلاثة أنواع من الأوعية تطابق ثلاثة مهام:

قلب الثدييات عبارة عن مضختين في عضو واحد. الجانب الأيمن يرسل الدم إلى الرئتين؛ والجانب الأيسر، الذي يتميز بجدار البطين الأكثر سماكة، يرسل الدم إلى الجسم. تستقبل الأذينان، بينما توصل البطينان. تغذي الشرايين التاجية عضلة القلب نفسها — وانسدادها يسبب نوبة قلبية.

الدورة القلبية

يتكون انقباض واحد من ثلاث مراحل. انقباض الأذينين يضغط آخر كمية من الدم داخل البطينين. انقباض البطينين يرفع ضغط البطين فوق ضغط الشريان، فتفتح الصمامات نصف القمرية، ويدفع الدم للخارج. الانبساط يريح العضلة، وينخفض الضغط، ويغلق الصمامان نصف القمريان بقوة (الصوت الثاني للقلب)، وتمتلئ الحجرات من الأوردة.

اقرأ الشكل كما يريد الممتحن: حالة الصمام تحدد بواسطة فرق الضغط، وليس بأوامر. تفتح الصمامات الأذينية البطينية عندما يتجاوز ضغط الأذين ضغط البطين؛ وتفتح الصمامات نصف القمرية عندما يتجاوز ضغط البطين ضغط الأورطي.

الهيموغلوبين بروتين مكون من أربع سلاسل ببتيدية، كل سلسلة مطوية حول مجموعة هيم تحمل أيون Fe²⁺ واحد يرتبط بجزيء O₂ واحد — أربعة في المجموع. يرتبط الأكسجين الأول بتغيير شكل الجزيء بأكمله وتسهيل الارتباطات التالية: يمنح الارتباط التعاوني منحنى تفكك الأكسجين شكله السيمي (S) المسطح ثم الحاد.

في الرئتين (pO₂ عالية) يستوي المنحنى عند نحو 100٪ تشبع. في الأنسجة الهادئة عند نحو 1–2 kPa يكون المنحنى حادًا، لذا فإن انخفاضًا بسيطًا في pO₂ يُحرر كمية كبيرة من الأكسجين — تمامًا حيث هو مطلوب. عند التنفس الشديد في الأنسجة، يتم إطلاق المزيد من ثاني أكسيد الكربون؛ ترتبط أيونات الهيدروجين بالهيموغلوبين وتنزاح المنحنى بالكامل لليمين (تأثير بور)، مما يجبر على تحرير المزيد من الأكسجين في الأنسجة الأكثر نشاطًا.

تحقق محلول. عند pO₂ 2 kPa يقرأ المنحنى الطبيعي حوالي 30٪ تشبع والمنحنى منزاحًا حوالي 15٪ — أي أن الهيموغلوبين يحتفظ بحوالي ثلث كمية الأكسجين عند ذلك الضغط الجزئي، لذا يتم تحرير معظم مواقعه الأربعة إلى النسيج بسرعة.

تبدأ التصلب العصيدي بتلف في البطانة التي تبطن الشريان. يتزايد الاستجابة الالتهابية، وتتهاجم البروتينات الدهنية منخفضة الكثافة، وتبني الخلايا العضلية الملساء والنسيج الضام لوحًا دهنيًا، وينقبض الشريان ويتصلب، وقد يسد خثر دم أخيرًا أو ينفصل.

عملية التخثر بحد ذاتها سلسلة تفاعلات. عند حدوث ضرر، يُطلق الثرومبوبلاستين، الذي (مع أيونات الكالسيوم) يحول البروتين البلازمي الذائب البروثرومبين إلى الإنزيم الثرومبين؛ ثم يحول الثرومبين الفبرينوجين الذائب إلى شبكة غير قابلة للذوبان من الفبرين تحبس الصفائح الدموية والخلايا.

يُعبّر عن ضغط الدم كرقم انقباضي مقسومًا على رقم انبساطي. ارتفاع ضغط الدم، التدخين، ارتفاع كوليسترول LDL في الدم، النظام الغذائي، قلة النشاط، العمر، الجنس والعوامل الوراثية هي عوامل خطر — وتتضاعف تأثيراتها ولا تُجمع: قد يكون لمخاطر متوسطة تأثير أكبر من خطر واحد شديد.

قراءة بيانات مخاطر الصحة

أسئلة 8 و9 من كل ورقة امتحان موجودة هنا. أربع عادات تغطي معظم الدرجات:

• الارتباط لا يعني السببية. قد تتغير متغيران معًا بسبب سبب خفي مشترك، أو قد يكون الرابط صدفة.
• احكم على الدراسة: ما حجم العينة؟ كيف تم اختيارها؟ ماذا تم التحكم فيه؟ هل كانت عمياء؟ هل توجد متغيرات مخللة مثل العمر أو التدخين؟
• قم بالحسابات بعناية: التغير المئوي، النسب بالصيغة القياسية، المعدلات للفرد.
• اسأل عن الغياب: من لم يستجيبوا، الدراسات غير المنشورة، الخطوط المستنتجة خارج نطاق البيانات.

تحقق عملي. وجد دراسة أن مرض اللثة يرتبط بتلف البطانة. قبل الادعاء بأن أحدهما يسبب الآخر، ستحتاج إلى آلية، ونمط الجرعة-استجابة، واستبعاد المتغيرات المخللة (النظام الغذائي، التدخين، العمر) — وسؤال "هل طُبقت المجموعات على نفس مستوى ضغط الدم؟" هو بالضبط سؤال حول المتغيرات المخللة.

تحدد التوازن الطاقي كتلة الجسم. يتم فحص زيادة الوزن والسمنة بواسطة مؤشر كتلة الجسم (الكتلة بالكيلوجرام مقسومة على مربع الطول بالمتر; 18.5–24.9 هو النطاق الصحي) ونسبة الخصر إلى الورك (WHR). يرفع الدهون المشبعة في النظام الغذائي كوليسترول LDL في الدم، بينما تقلل الدهون غير المشبعة والألياف القابلة للذوبانه.

تحقق عملي. امرأة كتلتها 74 كجم وطولها 1.66 متر: مؤشر كتلة الجسم $= 74 / 1.66^2 = 74/2.76 = 26.8$ — دخل للتو في نطاق زيادة الوزن. خصرها 84 سم ووركها 98 سم يعطي نسبة الخصر إلى الورك $= 84/98 = 0.86$.

جميع العلاجات تحمل مخاطر جنبًا إلى جنب مع الفوائد:

• أدوية خفض ضغط الدم (حاصرات بيتا، مثبطات إنزيم محول الأنجيوتنسين، مدرات البول) تخفض ضغط الدم.
• الستاتينات (مثل سيمفاستاتين) تحجب إنزيمًا في الكبد في تصنيع الكوليسترول، فتأخذ الخلايا LDL من الدم.
• مضادات التخثر (وارفارين) وأدوية مضادة للصفيحات (أسبرين) تقلل التخثر، مما يزيد خطر النزيف.

السؤال الذي يطلب منك "المناقشة" يريد الجانبين بالإضافة إلى حكم مستند إلى المعطيات المقدمة.

كل سطح لتبادل المواد هو غشاء يقوم بعملية تحكم. نموذج الجزيئات المتحركة السائلة هو الصورة المقبولة: طبقة مزدوجة من الدهون الفسفورية (سائلة لأن الذيل يمكنه الانزلاق)، مثبتة ببروتينات داخلية تمتد عبر الطبقة المزدوجة (قنوات، ناقلات)، وبروتينات خارجية، وكوليسترول يتحكم في السيولة، وبروتينات سكرية ودهون سكرية للتعرف.

أربع مسارات نقل:

• الانتشار — الحركة الصافية على طول تدرج التركيز، بدون استهلاك ATP.
• الانتشار المساعدة — عبر التدرج عن طريق قناة أو بروتين ناقل.
• النقل النشط — عكس التدرج، مدعوم بواسطة ATP، عبر بروتينات ناقلة تتغير شكلها.
• الانتشار الأسموزي — حركة الماء من جهد مائي أعلى إلى جهد مائي أقل عبر غشاء شبه منفذ. البلعمة والإخراج الخلوي ينقلان كميات كبيرة من المواد في حويصلات.

بالنسبة للانتشار، تنص قانون فليك: المعدل يتناسب طردياً مع (مساحة السطح × فرق التركيز) ÷ مسافة الانتشار. أسطح تبادل الغازات تستوفي ثلاثة شروط: مساحة كبيرة جداً، تدرج محافظ عليه، وجدار سميك خلية واحدة أو اثنتين. ولهذا السبب تبدو الحويصلات الهوائية والشعيرات الدموية وخياشيم الأسماك بهذا الشكل.

الحامض الأميني يحمل مجموعة أمينية، ومجموعة كاربوكسيل، وهيدروجين، ومجموعة R على ذرة كربون مركزية واحدة؛ يرتبط اثنان من خلال رابطة ببتيدية في تفاعل تكثف. البنية الأولية هي التسلسل؛ تربط الروابط الهيدروجينية لولبها لتشكل البنية الثانوية؛ تطوي الروابط الهيدروجينية والأيونية和二硫化键 البنية الثالثية؛ تتجمع السلاسل المنفصلة لتكوين البنية الرابعة — الهيموجلوبين هو المثال الكلاسيكي.

الإنزيم هو بروتين يكون موقعه النشط متوافقاً مع شكل جزيء واحد. الارتباط ليس صلباً: نموذج الملاءمة المستحثة يجعل كل من الجزيء والموقع مرناً حتى يصبحا متكاملين. ولهذا السبب تتغير درجة الحرارة ودرجة الحموضة معدل التفاعل — لأنها تؤثر على البنية الثالثية — ولماذا الموقع النشط محدد.

المثبطات التنافسية ترتبط بالموقع النشط وتصبح أقل عدداً كلما زاد تركيز المادة المتفاعلة؛ المثبطات غير التنافسية ترتبط بمواقع أخرى وتشوه الموقع، sehingga ينخفض المعدل بغض النظر عن التركيز.

تحقق محلول. يُستشهد بـ Q10 عند 2.4: بين 10 °C و20 °C يكون المعدل أسرع 2.4 مرات؛ بين 45 °C و55 °C نفس العامل يعني أن الإنزيم المفسد ينهار بمعدل متزايد. Q10 يصف فقط؛ ولا يشرح.

النيوكليوتيد الأحادي هو سكر خماسي (ديوكسيريبوز أو ريبوز)، وفوسفات، وقاعدة نيتروجينية. التكثف بين الفوسفات وسكر الجيران يصنع سلسلة تمسكها روابط فوسفات ثنائية الإستر. الحمض النووي يتكون من شريطين متعاكسين الاتجاه: A يرتبط مع T (برابطتين هيدروجينيتين)، G مع C (ثلاث روابط)، ملفوفين في شكل حلزون مزدوج.

التضاعف نصف محافظ: يفتح الهيليكا الشريطين، كل منهما قالب، ويضيف بوليميراز DNA نيوكليوتيدات حرة في اتجاه 5' إلى 3'. زرع Meselson وStahl البكتيريا أولاً على نيتروجين ثقيل ¹⁵N ثم خفيف ¹⁴N؛ بعد دورة تضاعف واحدة كان كل الحمض النووي بكثافة متوسطة، وبعد دورتين نصفه خفيف — تماماً ما يتنبأ به النموذج نصف المحافظ ويمنع البدائل.

الجين هو تسلسل قواعد يشفر تسلسلاً من الأحماض الأمينية. الكود هو كود ثلاثي: ثلاث قواعد لكل حمض أميني. وهو غير متداخل (يُقرأ في مجموعات متتالية)، متعدد (معظم الأحماض الأمينية لها عدة كودونات، لذا بعض الطفرات تكون صامتة)، ويحمل كودونات بداية ونهاية.

تحقق محلول. جين يتكون من 300 زوج قاعدة يشفر بروتيناً مكوناً من 99 حمض أميني بالإضافة إلى كودون توقف: $99 \times 3 + 3 = 300$. ✓

النسخ: يرتبط بوليميراز RNA بالجين، يستخدم شريطاً واحداً كقالب يبني mRNA. الترجمة: في السيتوبلازم، يقرأ الريبوسوم كودونات mRNA، وتسلم جزيئات tRNA التي تتزاوج مضادات الكودونات الخاصة بها مع تلك الكودونات الأحماض الأمينية بالترتيب؛ تربط الروابط الببتيدية بينها.

تحدث الطفرات نتيجة أخطاء في التضاعف. الاستبدال يستبدل قاعدة واحدة: يتغير حمض أميني واحد، أو لا يتغير شيء (بسبب التعددية). الإدراج أو الحذف يضيف أو يزيل قاعدة وينزح إطار القراءة جميع القواعد التي تليه — نزوح الإطار — مما يدمر البروتين عادة.

التهاب الرئة الكيسي هو نموذج هذا المقرر: حذف ثلاثة قواعد يزيل حمض الفينيل ألانين واحد من بروتين CFTR، مما يؤدي إلى فشل نقل الكلوريد، وتبقى المخاط كثيفة، وتنسد الممرات الهوائية. الأليل متنحي: الحاملون أصحاء. الفحص الجيني يمكنه تحديد الحاملين، وفحص الأجنة (التشخيص الجيني قبل الزرع) أو الأجنحة (البزل السليي، أخذ عينة من المشيمة). أسئلة الفحص دائماً ترتبط بالأخلاقيات: من يتم فحصه، من يُبلغ، وماذا يحدث عند نتيجة إيجابية.

1. اشرح لماذا يحرر الأميلوبكتين الجلوكوز أسرع من الأميلوز، مشيراً إلى الروابط وأطراف السلاسل.
2. احسب مؤشر كتلة الجسم لرجل وزنه 91 كجم وطوله 1.83 م وصنّف حالته.
3. أثناء انقباض البطينين، أي الصمامات مفتوحة وأيها مغلق، ولماذا؟
4. تشبع الأكسجين عند 4 كيلو باسكال ينخفض من حوالي 60 % إلى حوالي 34 % عندما يرتفع CO₂. اشرح السبب الجزيئي.
5. صف سلسلة التخثر بالترتيب، من تلف البطانة إلى الفبرين.
6. دراسة تفيد أن الأشخاص الذين يأكلون المزيد من الزبادي لديهم نوبات قلب أقل. اذكر ثلاث فحوصات ستقوم بها قبل القبول بادعاء سببية.
7. اشرح لماذا يقلل المثبط التنافسي معدل التفاعل عند تركيز ركيزة منخفض ولكن ليس عند تركيز مرتفع جداً.
8. استبعد ميليسون وستانل النسخ المحافظ. أي ملاحظة، بعد دورة واحدة، أدت إلى ذلك؟
9. طفرة الإزاحة في إطار القراءة عادة ما تكون أسوأ من الاستبدال. اشرح ذلك، مستخدماً كلمتي triplet و degenerate.
10. اذكر فائدتين ومخاطرين للفحص الجيني لحاملي التهاب الرئة الكيسي.

الإجابات: 1 النقاط المتفرعة الكثيرة 1,6 تعطي نهايات سلاسل عديدة للهجوم عليها إنزيمياً في نفس الوقت؛ 2 $91/1.83^2 = 27.2$، وزن زائد؛ 3 الصمام الأذيني البطيني مغلق، والصفراوي مفتوح، لأن ضغط البطين يتجاوز الشريان الأبهر لكن لا يتجاوز الضغط من الأذين الأعلى؛ 4 أيونات الهيدروجين من CO₂ ترتبط بالهيموغلوبين، مما يغير شكله ويقلل من تقبله للأكسجين (تأثير بور)؛ 5 التلف يكشف عن الكولاجين، الصفائح الدموية وإطلاق الخلايا التالفة للثرومبوبلاستين، الثرومبوبلاستين + Ca²⁺ يحول البروثرومبين إلى ثرومبين، الثرومبين يحول الفبرينوجين إلى فبرين، شبكة الفبرين تحتبس الخلايا؛ 6 حجم العينة والاختيار، العوامل الخلط مثل العمر/التمارين/النظام الغذائي، المقارنة العمياء، الآلية أو العلاقة بين الجرعة والاستجابة؛ 7 يتنافس المثبط مع الموقع النشط، لذا عند تركيز ركيزة مرتفع جداً يكون كل اصطدام تقريباً بالموقع هو للركيزة؛ 8 بعد دورة واحدة كان جميع الحمض النووي عبارة عن شريط وسطي واحد — النسخ المحافظ يتوقع شريط ثقيل وشريط خفيف؛ 9 طفرة الإزاحة تغير كل triplet بعد الطفرة، لذا فإن البروتين بأكمله من تلك النقطة هو تسلسل أحماض أمينية مختلف، بينما allowing degeneracy allows many substitutions to change nothing; 10 فوائد — تخطيط عائلي مدروس، علاج مبكر أو تغيير نمط الحياة؛ مخاطر — القلق، التمييز من قِبل شركات التأمين أو أصحاب العمل، نتائج إيجابية أو سلبية خاطئة.