Белок – основа жизни
Предлагаемая программа спецкурса „Белок – основа жизни” предназна-чена для
учащихся X-XI классов. Программа построена с учетом имеющихся знаний у учащихся по
химии и биологии, она направлена на рассмотрение, уг-лубление этих знаний, а также
на формирование правильного понимания жиз-ненных процессов. Преподавание
спецкурса необходимо построить в зависимо-сти от уровня подготовленности учащихся.
Материал для преподавания в X классе может быть несколько упрощен, но не сведен лишь к изучению биоло-гических функций белков.
// При изучении спецкурса „Белок – основа жизни” в X классе рекоменду-ем подробно остановиться на вопросах, касающихся особенностей белковых тел как носителей жизни, аминокислотного состава белков, свойств белков и их функций организме человека.
При изучении спецкурса в XI классе следует особое внимание уделять химическому строению, структурам белковых молекул, методам выделения и очистки белков, их биологическому действию в живых организмах.
Спецкурс рассчитан на 30 часов, из них 14 часов отводится на лекции, 9 часов – на выполнение лабораторных работ, 5 часов – на семинарские занятия.
При проведении спецкурса предусмотрен учет и контроль знаний уча-щихся. Проверка знаний может осуществляться с помощью контрольных работ, опроса на занятиях, индивидуальных бесед, тестовых заданий.
В вариант программы могут быть внесены некоторые изменения: пере-становка тем, включение некоторых дополнительных вопросов для изучения. Изменения в планирование спецкурса могут быть внесены из-за отсутствия не-обходимого набора реактивов в кабинете химии. Однако внесенные изменения не должны нарушать логическую структуру курса и существенно отражаться на объеме и уровне знаний учащихся. Предлагаемый курса „Белок – основа жиз-ни” может быть использован как факультативные занятия по химии, биологии или как межпредметный комплекс.
Разработанный нами спецкурс может способствовать интеграции химии с другими естественнонаучными дисциплинами, позволяет знакомить учащихся с процессами, протекающими в окружающей среде, в организме человека и жи-вотных и приближает изучение химии к жизни.
2.2. Рабочая программа спецкурса I. Введение Химический состав организмов. Общее знакомство с белками. Роль бел-ковых тел в построении живой материи и в осуществлении процессов жизне-деятельности.
Особенности белковых тел как носителей жизни. Современные представления о 1 / Белок – основа жизни сущности жизни и роли белков в её осуществлении.
II. История открытия и изучения белков.
Внедрение первого препарата белкового вещества. Работы Я.Б. Беккари.
Эксперименты с белковыми веществами растительного происхождения (И.М.Руэль, А.
Пармантье и др.). Экспериментальные работы с белковыми ве-ществами животного происхождения (Ф. Кене, Ф. Вассерберг, И. Пленк).
Попытки А. Ф. Фукруа по установлению строения белков и сравнению белковых веществ различных тканей и жидкостей живого организма.
Первые данные об элементарном составе белков (Гей-Люссак и Тенар).
Работы по установлению эмпирических формул белковых веществ (Ш.А.Вюрц, Э.
Бауленхауер, Э. Фреши и А. Валансьен и др.).
Открытие аминокислот (Л.Н. Воклен, У.Г. Волластон, Г. Мульдер, А. Браконно и др.).
Способ связи аминокислот в белковой молекуле. Работы А.Я. Данилев-ского и Э.
Фишера. Синтез первого дипептида. Развитие представлений о структурах белковой молекулы (К.У. Линдерстрем-Ланг и др.).
Отечественная химия белка до 50-х годов XX-века. Открытие Московско-го биохимического института (1921). Работы Н.Д. Зелинского как логическое продолжение работ Э. Фишера.
Физико-химические методы исследования белков в 30-40 гг. XX века (Д.Л. Талмуд, П.В.
Афанасьев и др.). Вклад Ф.И. Гизе, А.И. Коднева, П.Т. Иль-енкова, А.Я. Данилевского, А.П. Сабанеева, Н.Н. Любавина и других отечест-венных ученых в развитие представлений о химическом строении белка.
III. Элементарный состав белков. Методы выделения и фракционирова-ния белков.
Основные химические элементы, входящие в состав белка, их процентное содержание.
Понятие о факторе пересчета.
Способы гомогенизации материала: размалывание на специальных мель-ницах, измельчение в гомогенизаторах Уорринга и Поттера, ультразвуком, по-переменным замораживанием и оттаиванием, осмотическим шоком, методом азотной бомбы.
Экстракция белков растворами солей, буферными смесями (фосфатный, цитратный, боратный), органическими растворителями (водными растворами одно- и многоатомных спиртов, уксусной и дихлоруксусной кислот, ацетона и др.). Методы фракционирования белков: высаживание, осаждение ор-ганическими растворителями (метиловым и этиловым спиртами, ацетоном, ди-оксаном и др.); осаждение солями тяжёлых металлов (Hg2+, Zn2+, Ca2+, Ba2+, Pb2+, Cu2+, и др.), электрофорез жидкостный, на бумаге и блоке агар-агара.
Лабораторно – практические работы:
1. „Выделение белков из тканей и биологических жидкостей“.
2. „ Реакции осаждения белков“.
IV. Гомогенность и молекулярная масса белков.
Способы очистки белковых препаратов от низкомолекулярных примесей: диа-лиз, электродиализ, кристаллизация и ильфильтрация. Методы определения го-могенности белковых препаратов: по независимости растворимости от количе-ства твердой фазы, Белок – основа жизни по хроматографической, электроогорепической и гравита-ционной однородности, по кристалличности, по содержанию HS-группы и кон-цевых аминокислот.
Молекулярная масса белков. Понятие о физическом и химическом значениях молекулярной массы белков.
Методы определения молекулярной массы белка: гравитационный (ультрацен-трифугирование), вискозометрический, осмометрический, электронно-микроскопический, хроматографический, химический, оптический.
Ультрацентрифуги и их достоинство.
Лабораторно-практическая работа:
3. „Диализ белка“.
V. Аминокислотный состав белков.
Аминокислоты – основные структурные элементы всех белков. Разнообразие аминокислот. Природные аминокислоты. Понятие о рацемических и оптиче-ских активных аминокислотах. Особое значение для жизни -аминокислот.
Заменимые и незаменимые для человека аминокислоты.
VI. Строение белковой молекулы.
Способ связи аминокислот в белковой молекуле. Работы А.Я. Данилевского и Э.
Фишера. Пептиды. Методы синтеза пептидов. Синтез пептидов по методу Р.
Меррифильда.
Природные пептиды: карнозин, глутатион, офтальмовая кислота, окситоцин, вазопрессин, ораллондин и др.
Структура белковой молекулы. Доказательства полипептидной теории строения белка.
Первичная структура белков. Схема установления первичной структуры белка.
ОпределениеN- и C-концевых аминокислот, расщепление дисульфидных связей и окисление остатков цистеина в цистеиновую кислоту, селективный гидролиз трепсином и химотрипсином, фракционирование пептидов методом электрофо-реза и хроматографии, расшифровка первичной структуры выделенных пепти-дов, воссоздание полной структуры полипептидной цепи. Характеристика пер-вичной структуры A- и B-цепей инсулина, - и -цепей гемоглобина и других белков. Первичная структура и видовая специфичность белков.
Вторичная структура белков. Понятие об - и -конформациях полипептидной цепи.
Правые и левые -спирали, их реализация в белках и пептидах. Силы, удерживающие полипептидную цепь в -конформации. Связь первичной вто-ричной структуры белковой молекулы. Степень спирализации полипептидных цепей белков.
Третичная структура белков. Методы её выявления. Работы Дж. Кендрю, М. Петруца и Филипса по рентгеноструктурному анализу третичной структуры гемоглобина. Типы связей, обеспечивающих поддержание структуры белковой молекулы. Гидрофобные зоны в молекулах глобумерных белков. Приоритет отечественных исследователей (Д.Л.
Талмуда, Б.Н. Талмуда и П.В. Афанасьева) в разработке учения об ориентации гидрофобных и гидрофильных радикалов в процессе свёртывания полипептидной цепи в глобулу. Динамичность третич-ной структуры белков.
Четвертичная структура белков. Субъединицы, протомеры и эпимолеку-лы (мультимеры). Конкретные примеры четвертичной структуры белков (ин-сулин, Белок – основа жизни гемоглобин, вирус табачной мозаики и т.п.). Типы связей между субъе-диницами в эпимолекуле.
Лабораторно-практические работы:
4. „Кислотный и ферментативный гидролиз белка“.
5. „Биуретовая и мингидриновая реакции на белки“.
VII. Свойства белков Реакционная способность белков. Химические свойства белков. Оптические свойства белков. Амфотерность. Гезоэлектическое состояние белковой молеку-лы. Нативные и денатурированные белки. Механизм денатурации белков.
Лабораторные работы:
6. „Качественные реакции на белки“.
VIII. Номенклатура и классификация белков.
Простые (протеины) и сложные (протеиды) белки. Классификация протеи-нов по форме белковой молекулы, по происхождению, по аминокислотному со-ставу. Характеристика некоторых простых белков (клупеин, фиброин шёлка, яичный и сывороточный альбумины). Классификация протеидов. Белковый компонент и прстепическая? Группа в протеидах. Металлопротеиды (ферри-пин). Фосфопротеины (казеин, фосфопротеиды яйца, пепсин). Гликопротеиды, хромопротеиды, мепопротеиды? Нуклеотиды; тонкая организация их структу-ры.
IX. Биологические функции белков.
Белки – ферменты. Белки – гормоны. Белки – антибиотики и др. Характери-стика наиболее изученных представителей белков и полипептидов: окситоцин, вазопрессин, инсулин, гормон роста, рибонуклеаза, интерфероны и некоторые другие. Превращение белков в организме.
X. Современные исследования в области химии белка.
Органическая химия и биохимия: подходы к изучению сложных природных соединений.
Синтез аминокислот и белков. Формирование энзимологии. Изу-чение химической природы биокатализаторов.
Химия и клетка. Химические методы изучения клетки. Цитохимия и биохи-мия, проблема организации клетки.
Биохимические исследования в медицине.
Создание биохимических кафедр и лабораторий.
2.3. Планирование спецкурса „Белок – основа жизни“ для изучения в XI классе средней школы.
При планировании спецкурса мы учитывали рекомендации данные в мето-дической литературе [7,18,22,28].
Поскольку учащиеся имели весьма ограниченные знания по обозначенной проблеме, мы отобрали для изучения наиболее интересные темы с тем, чтобы заинтересовать их, развить навыки экспериментальной работы в школьной хи-мической лаборатории и развить умение самостоятельной работы с литерату-рой.
Нами также учитывался уровень подготовленности учащихся, и поэтому мы сочли Белок – основа жизни нужным разработать планирование спецкурса для XI классов средней школы.
Таблица. Тематическое планирование спецкурса „Белок – основа жизни“.
занятия Содержание изучаемого материа-ла Темы методы и средства обучения Коли-чество часов 1 I. Введение Химический состав организмов. Общее знакомство с белками. Особенности белковых тел как носителей жизни. Лекция.
Словесные: рассказ, беседа.
Наглядные: демонстрация на-глядных пособий (иллюстра-ций, фотографий, таблиц). 2 II. История открытия и изучения белков.
Выделение первого препарата белково-го происхождения. Попытки установле-ния строения белков. Данные об эле-ментарном составе белков. Работы за-рубежных учёных-химиков. Лекция.
Словесные: рассказ, беседа.
Наглядные: демонстрация фо-тографий, таблиц, белко¬вых препаратов. 3 Отечественная химия белка до 50-х го-дов XX века. Работы отечественных учёных-химиков. Семинар.
Словесные: рассказ учителя, доклады и содоклады учащих-ся.
Наглядные: демонстрация фо-тографий, схем, таблиц. 4 III. Элементарный состав белков. Мето-ды выделения и фракционирования бел-ков.
Основные химические элементы вхо-дящие в состав белка. Способы гомоге-низации и экстракция белков.
Лекция.
Словесные: рассказ, беседа.
Наглядные: демонстрация таб¬лиц, демонстрационный экспе¬римент.
Лабораторно-практиче¬ская работа. 5-6 Лабораторно-практическая работа:
„Выделение белков из тканей биологи-ческих жидкостей“.
- выделение казеина из молока;
- получение раствора яичного альбу-мина;
- белки мяса;
- растительные альбумины. Словесные: беседа.
Наглядные: демонстрация при-боров, схем, таблиц.
Наглядно-действенные: выпол-нение практической работы. 7 Методы фракционирования белков. Способы очистки белковых препаратов от низкомолекулярных примесей. Лекция.
Словесные: рассказ, беседа.
Наглядные: демонстрация схем, таблиц, демонстрационный эксперимент.
8-9 Лабораторно-практическая работа:
„Реакции осаждения белков“.
- при нагревании;
- концентрированными минеральны-ми кислотами;
Белок – основа жизни - солями тяжелых металлов;
- фенолом;
- спиртом. Лабораторно-практическая ра-бота:
Словесные: беседа.
Наглядные: демонстрация схем, таблиц, приборов.
Наглядно-действенные: выпол-нение практической работы. 10-11 IV. Гомогенность и молекулярная масса белков.
Методы определения гомогенности белковых препаратов. Методы опреде-ления молекулярной массы белка. Ультрацентрифуги и их устройство. Лекция.
Словесные: рассказ, фронталь-ная беседа.
Наглядные: демонстрация таб-лиц, рисунков, схемы „Устрой-ство центрифуги“. 12 Лабораторно-практическая работа:
„Диализ белка“. Лабораторно-практическая ра-бота:
Словесные: беседа.
Наглядно-действенные: выпол-нение практической работы. 13-14 V. Состав белков.
Аминокислотный состав белков. Разно-образие аминокислот. Природные ами-нокислоты.
Особое значение для жизни -аминокислот. Заменимые и незамени-мые для человека аминокислоты. Лекция.
Словесные: рассказ, беседа.
Наглядные: демонстрация таб-лиц „Аминокислоты, постоянно встречающиеся в составе белка для взрослого организма“, ри-сунков, схем. 15 Семинарское занятие „Методы выделе-ния и фракционирования белков. При-родные аминокислоты. Заменимые и незаменимые для человека аминокисло-ты“ Семинар.
Словесные: рассказ учителя, доклады и содоклады учащих-ся, беседа.
Наглядные: демонстрация таб-лиц, схем, фотографий. 16 Контрольная работа Контроль знаний.
Словесные: беседа.
Наглядные: таблицы, схемы. 17 VI. Строение белковой молекулы.
Способ связи аминокислот в белковой молекуле. Работы А.Я. Данилевского и Э.
Фишера. Пептиды. Доказательство полипептидной теории строения белка. Лекция.
Словесные: рассказ, беседа.
Наглядные: демонстрационный эксперимент, таблицы, схемы установок 18 Лабораторно-практическая работа:
„Гидролиз белка“.
- кислотный гидролиз;
- ферментативный гидролиз. Лабораторно-практическая ра-бота.
Словесные: беседа.
Наглядно-действенные: выпол-нение практической работы. 19 Первичная структура белков. Схема ус-тановления первичной структуры белка.
Характеристика первичной структуры А- и В-цепей инсулина; - и - цепей гемоглобина.
Лекция.
Словесные: рассказ, беседа.
Наглядные: демонстрация таб-лиц, рисунков, схемы установки первичной структуры белка. Белок – основа жизни 20 Вторичная структура белков. Понятие об - и -конформациях полипептидной цепи.
Правые и левые -спирали, их реализация в пептидах и белках Лекция.
Словесные: рассказ, беседа.
Наглядные: демонстрация таб-лиц, рисунков. 21 Третичная структура белков. Методы её выявления. Типы связей, обеспечиваю-щих поддержание структуры белковой молекулы.
Четвертичная структура белков. Кон-кретные примеры четвертичной струк-туры белков (инсулин, гемоглобин, ви-рус табачной мозаики и др.). Лекция.
Словесные: лекция Наглядные: демонстрация фо-тографий „Третичная структура белка“, „Четвертичная структу-ра белка“. Демонстрация моде-лей белков: инсулина, гемогло-бина и др. 22-23 VI. Свойства белков.
Химические, физические. Аморфность. Изоэлектрическое состояние белковой молекулы. Механизм денатурации бел-ков.
Лабораторная работа:
„Денатурация белков“ Лекция.
Словесные: рассказ, беседа.
Наглядные: демонстрационный эксперимент, иллюстрирующий химические свойства белков.
Наглядно-действенные: выпол-нение лабораторной работы. 24-25 Лабораторно-практическая работа:
„Качественные реакции на белки“. Лабораторно-практическая ра-бота.
Словесные: беседа.
Наглядно-действенные: выпол-нение практической работы. 26 VII. Номенклатура и классификация белков. Лекция.
Словесные: рассказ, беседа.
Наглядные: таблицы. 27 Характеристика некоторых простых и сложных белков. Семинар.
Словесные: доклады учащихся.
Наглядные: демонстрация фо-тографий и моделей. 28 VIII. Биологические функции белков. Семинар.
Словесные: рассказ учителя, доклады учащихся.
Наглядные: демонстрация бел-ковых препаратов, схем, таб-лиц. 29 IX. Современные исследования в облас-ти химии белка. Семинар.
Словесные: рассказ учителя, доклады учащихся.
Наглядные: демонстрация схем, фотографий, моделей. 30 Контрольная работа. Контроль знаний.
Словесные: беседа.
Наглядные: таблицы, схемы. 2.4. Учебно-материальная база организации учебного процесса.
Для проведения спецкурса „Белок – основа жизни“ необходима соответст-вующая учебно-материальная база, включающая основные химические реакти-вы, оборудование.
Также нами подобраны наглядные пособия в виде схем, таблиц, рисунков, где отражены структуры белковой молекулы, аминокислотный состав белков, фрагмент первичной структуры молекулы инсулина и др.
Белок – основа жизни Кроме имеющихся в продаже нами использовались и рекомендованы посо-бия, которые могут быть выполнены учителем или учащимися. (Примеры неко-торых таблиц, используемых при проведении занятий. См. в приложении № ).
Нами составлена таблица, в которой отражен перечень реактивов, оборудо-вания и дополнительного материала для проведения лабораторного экспери-мента.
Таблица. Перечень необходимых реактивов и оборудования для проведения лабораторно-практических работ и демонстрационного эксперимента.
п/п Название лабо-раторно - прак-тических работ Реактивы Оборудование Материал, содержа-щий белок 1. „Выделение белков из тканей и биологических жидкостей“.
- выделение ка-зеина из молока; 10 % раствор HCl;
10 % раствор NaOH;
конц. HNO3; 1 % раствор CuSO4, молибденовый реактив; лакмусовая бу-мага, дистиллированная вода. Химические стаканы (V=50 мл); мерные ци-линдры, стеклянные па-лочки и воронка; бюрет-ка, фильтры бумажные, пробирки с обратным хо-лодильником, штативы с пробирками, песчаные бани Молоко - получение рас-твора яичного альбумина; дистиллированная вода. химические стаканы ( 500 и 100 мл); цилиндры (500 и 250 мл); мерная колба (100 мл); воронка, стек-лянная палочка с резино-вым наконечником, складчатые фильтры. белок ку-риного яй-ца - белки мяса; 10 % раствор NaCl; химические стаканы; стеклянная палочка; бу-мажный складчатый фильтр (или двойной слой марли). обезжи-ренное мя-со - растительные альбумины; 100 мл дистиллированной воды химические стаканы, центрифуга, воронка, складчатый фильтр; кол-бы. пшеничная мука 2 „Реакция осаж-дения белков” - свёртывание белков при на-гревании; 1 % раствор уксусной ки-слоты; 10 % раствор ук-сусной кислоты, насы-щенный раствор NaCl; 5 пробирок, спиртовка, пипетки. раствор белка - осаждение бел-ков концентри-рованными ми-неральными ки-слотами Концентрированные HNO3; H2SO4; HCl; 3 пробирки; пипетки; стеклянные палочки раствор белка -осаждение бел-ков органиче-скими кислота-ми 5 % раствор трихлорук-сусной кислоты;
20 % раствор сульфоса-лициловой кислоты 2 пробирки; пипетки раствор белка - осаждение бел-ков солями тя-жёлых металлов раствор CuSO4, раствор ацетата свинца 2 пробирки; пипетки раствор белка - осаждение бел-ков фенолом и формалином насыщенный водный рас-твор фенола, формалин 2 пробирки; пипетки раствор белка - осаждение бел-ков спиртом кристаллический NaCl пробирка; пипетка раствор белка 3. „Диализ белка“ насыщенный раствор (NH4)2SO4; 5 % раствор BaCl2; 1% раствор CuSO4;
10 % раствор NaOH стаканы (100 мл); целло-фан в виде квадратов 150x150 мм;
стеклянные палочки; резиновые ко-лечки; штатив с пробир-ками; пипетки с деления-ми % рас-твор яич-ного аль-бумина 4. „Гидролиз бел-ка“ - кислотный гидролиз; Концентрированная HCl;
Белок – основа жизни 10 % раствор NaOH;
1 % раствор CuSO4 Штатив с пробирками, круглодонная колба с воздушным холодильни-ком; капельницы раствор яичного белка ферментативный гидролиз дистиллированная вода;
1 % раствор пепсина 2 пробирки; водяная ба-ня; колба (V=100 мл) раствор яичного белка 5. „Денатурация белков“ насыщенный раствор (NH4)2SO4; концентриро-ванная HNO3;
этиловый спирт; 1 % раствор ук-сусной кислоты; 10 % раствор NaOH 6 пробирок;
пипетка; спиртовка; двойной слой марли; зажим для проби-рок раствор яичного белка 6. „Качественные реакции на бел-ки“.
- Биуретовая ре-акция (обнару-жение в молеку-лах белков пеп-тидных связей) 30 % раствор NaOH;
1 % раствор CuSO4 пробирки, пипетка раствор белка - Нингидриновая реакция 1 % раствор мингидрина в 95 % -ом растворе аце-тона пробирки, колбы, пипет-ка, водяная баня раствор белка - Ксантопротеи-новая реакция концентрированная HNO3; 3 пробирки; пипетка;
спиртовка; зажим для пробирок раствор яичного белка, миозина, желатина - Реакция на ти-розин (реакция Миллона) реактив Миллона 4 пробирки; пипетки, спиртовка; зажим для пробирок раствор яичного белка, миозина, желатина, тирозина - Реакция на цистеин (реак-ция Фоля). 30 % раствор NaOH; 5 % раствор ацетата свинца 3 пробирки; пипетки; спиртовка; зажим для пробирок раствор яичного белка, миозина, желатина - Реакция на ар-гинин (реакция Саканути) Кристаллический резор-цин; 3 % раствор H2O2; концентрированная H2SO4 3 пробирки, пипетка, стеклянная ложечка. раствор яичного белка, миозина, желатина - Реакция на триптофан (ре-акция Шульца-Распайля) раствор сахарозы;
«