Н.Н. ФРОЛОВА, Е.В. ЧАЙКИНА,
ср. школа № 7, Москва

Белки

Cеминар-практикум по химии и биологии

Методические указания для преподавателей

1. Комплексный обобщающий семинар рекомендуется проводить после изучения тем «Химический состав клетки и ее строение» в биологии и «Аминокислоты» в курсе общей химии (II четверть 11-го класса). Продолжительность семинара 24 ч.

2. Вопросы по химии для подготовки к семинару надо дать учащимся не позднее чем за две недели до урока.

3. За две недели до занятия рекомендуется предложить учащимся повторить по биологии тему «Химический состав клетки и ее строение».

4. Преподаватель химии проводит мотивацию занятия, рассматривает вопросы состава и свойства белков. Преподаватель биологии обобщает и актуализирует знания о структуре белковых молекул, их функциях и применении.

5. В конце занятия преподаватели оценивают работу учащихся на данном занятии.Оборудование: кодопленки, кодоскоп, экран, диапроектор, слайды, химические препараты, демонстрационный столик, таблицы.

План занятия (написан на доске)

1. Состав и строение белка.

2. Свойства белка (денатурация, ренатурация, гидролиз, цветные реакции).

3. Функции белка и его синтез в клетке.

4. Применение белка, искусственный синтез пептидов.

Учитель химии. Сегодня мы проводим не совсем обычный урок – он охватывает проблемы химии и биологии одновременно. Цель нашего занятия – систематизировать и углубить знания по теме «Белок». Изучению белков мы уделяем особое внимание, потому что именно белки являются главной составной частью всего живого на Земле. Вспомните высказывание Ф.Энгельса о том, что такое жизнь: «Повсюду, где мы встречаем жизнь, мы находим, что она связана с каким-либо белковым телом, и всюду, где мы встречаем какое-либо белковое тело, не находящееся в процессе разложения, мы без исключения встречаем и явления жизни. Жизнь есть способ существования белковых тел». Ни одно из веществ не выполняет столь специфических и разнообразных функций в организме, как белок.
Давайте вспомним, какие соединения называются белками. (Природные полимеры, мономерами которых являются аминокислоты.)
Изучение какого процесса помогло установить строение белков? (Изучение гидролиза белков.)

• Какой процесс называется гидролизом?

• Какие соединения образуются при гидролизе белков?

• Какие соединения называются аминокислотами?

• Сколько аминокислот известно в природе?

• Сколько аминокислот встречается в белках?

Учитель химии демонстрирует кодопленку.

Учитель химии. Обратите внимание на то, какое положение в аминокислотах занимает аминогруппа. В соответствии с положением аминогруппы аминокислоты, входящие в состав белков, называются a-аминокислотами. Общую формулу любой из этих аминокислот можно записать следующим образом:

На кодопленке вы видите две аминокислоты, одна из которых содержит две карбоксильные группы –СООН, другая – две аминогруппы –NH2. Такие кислоты называют соответственно аминодикарбоновыми или диаминокарбоновыми.
Из курса химии вы знаете об оптических изомерах природных соединений. В состав практически всех белков входят только L-аминокислоты.
Аминокислоты – мономеры белков. Они могут соединяться друг с другом посредством амидной (пептидной) связи, которая образуется с выделением воды – это реакция конденсации.
Давайте составим уравнение реакции взаимодействия аминокислот глицина и аланина.
(Учащиеся работают самостоятельно, а затем сверяют свои результаты с записью на доске или кодопленке.)

Образовавшаяся структура называется дипептидом. Полимер из многих аминокислот называется полипептидом.

Учитель биологии. Продолжим изучение свойств белков, но сначала ответим на следующие вопросы.

1. Чем можно объяснить существующее в природе разнообразие белков? (Различиями в составе аминокислот и разной последовательностью их в полипептидной цепи.)

2. Каковы уровни организации белковой молекулы? (Первичная – последовательность аминокислот; вторичная – a-спиральная или b-складчатая структуры участков цепи; третичная – пространственная структура белка, образующаяся за счет взаимодействия аминокислотных остатков удаленных участков цепи: глобула у глобулярных белков, нитевидная структура у фибриллярных белков; четвертичная – объединение двух или более отдельных белковых молекул.)

3. Каков тип связи, возникающей между аминокислотами в первичной структуре? Как еще называется эта связь? (Ковалентная связь. Амидная, или пептидная, связь.)

4. Какие связи в основном обеспечивают вторичную структуру белковой молекулы? (Водородные связи, дисульфгидрильные мостики.)

5. Какие связи обеспечивают третичную структуру? (Водородные связи, гидрофобные и ионные взаимодействия.)

6. Какие связи обеспечивают четвертичную структуру белковой молекулы? (Электростатические, гидрофобные и ионные взаимодействия.)

7. Приведите пример известного вам белка, имеющего четвертичную структуру. (АТФаза, гемоглобин.)

А теперь решим следующую задачу (условие задачи проецируется через кодоскоп, демонстрируется слайд с мазками крови здорового человека и больного серповидно-клеточной анемией).
Заболевание серповидно-клеточная анемия сопровождается заменой в полипептидной цепи молекулы гемоглобина аминокислотного остатка глутаминовой кислоты на остаток валина. Фрагмент цепи нормального гемоглобина: –глу–глу–лиз–. Фрагмент цепи аномального гемоглобина: –вал–глу–лиз– (глу – глутаминовая кислота; лиз – лизин; вал – валин). Изобразите эти фрагменты в виде химических формул.

Решение.

Фрагмент цепи нормального гемоглобина:

Фрагмент цепи аномального гемоглобина:

Из приведенного примера следует, что первичная структура белковой молекулы может определять все ее последующие уровни организации. Изменения в структурной организации белка могут нарушать его функции, что в некоторых случаях приводит к развитию патологии – болезни.
Структура белка определяет его физико-химические свойства, например, растворимость.

Преподаватель химии демонстрирует кодопленку.

Классификация белков по их растворимости

Учитель химии. Белки для сохранения своей функциональной активности должны иметь природную (нативную) структурную организацию на всех уровнях.
Нарушения в первичной организации, приводящие к разрыву амидной связи с присоединением молекулы воды, называются гидролизом белка. При полном гидролизе белок распадается на составляющие его аминокислоты.
Нарушение вторичной и третичной структуры белка, т.е. потеря им нативной структуры, называется денатурацией белка.
Денатурацию белка вызывают различные факторы: значительные изменения температуры, повышение и понижение pH среды, воздействие ионов тяжелых металлов, некоторых химических соединений, например, фенолов.

Преподаватель химии демонстрирует опыты.

• Опыт 1. Белок + нагревание --> денатурация (выпадение осадка).

• Опыт 2. Белок + фенол --> денатурация (выпадение осадка).

• Опыт 3. Белок + Pb или CH₃COOH --> денатурация (выпадение осадка).

• Опыт 4. Белок + CuSO4 --> денатурация (выпадение осадка).

Учитель биологии. Денатурация происходит в результате разрушения водородных и дисульфидных ковалентных связей (но не пептидных связей, ионных и гидрофобных взаимодействий), которые обеспечивают формирование и поддержание вторичной и третичной структур белка. При этом белок теряет присущие ему биологические свойства.
Реакции, используемые для определения состава вещества, называются качественными.
Какие реакции являются качественными на белок?

Учитель химии демонстрирует следующие опыты.

Опыт 1. Ксантопротеиновая реакция (нитрование бензольных колец ароматических аминокислот белка):

белок (охлажд.) + HNO₃ (конц.) + нагрев --> желтое окрашивание

Опыт 2. Биуретовая реакция (позволяет определить количество пептидных связей):

белок + CuSO₄ + NaOH --> фиолетовое окрашивание (такую реакцию дает мочевина);
CuSO₄ + NaOH --> Cu(OH)₂ + Na₂SO₄;
белок + Cu(OH)₂ --> фиолетовое окрашивание.

Можно ли с помощью одного реактива распознать глицерин, белок, глюкозу? Можно! Этот реактив – гидроксид меди, он дает различное окрашивание растворов этих веществ:

а) глицерин + Сu(ОН)₂ --> ярко-синий раствор;
б) глюкоза + Сu(ОН)₂ + нагрев --> красный осадок;
в) белок + Сu(ОН)₂ --> фиолетовое окрашивание.

Учитель биологии. Назовите известные вам функции полипептидов. (Строительная. Полипептиды входят в состав клеточных стенок грибов и микроорганизмов и участвуют в построении мембран. Из белка кератина состоят волосы, ногти, когти. А белок коллаген является основой сухожилий и связок. Еще одна важная функция белка – ферментативная, каталитическая. Белки обеспечивают также все виды биологической подвижности. Кроме того, белки выполняют транспортную, гормональную, или регуляторную, рецепторную, гемостатическую, токсигенную, защитную и энергетическую функции.)
Дайте определение ферментам. (Ферменты – белки, обладающие каталитической активностью, т.е. ускоряющие протекание реакций.)
Все ферменты высокоспецифичны к своему субстрату и, как правило, катализируют только одну вполне определенную реакцию. Посмотрите на схематическое изображение строения фермента. (Преподаватель биологии демонстрирует кодопленку со схематичным изображением фермента.) Каждый фермент имеет активный центр, в котором происходит химическое превращение субстрата реакции. Иногда центров связывания субстрата может быть несколько. Структура центра связывания дополнительна к структуре субстрата, т.е. они подходят друг к другу, «как ключ подходит к замку».
На работу ферментов влияют многочисленные факторы: рН, температура, ионный состав среды, присутствие малых органических молекул, которые связываются с ферментом или входят в его структуру и называются иначе кофакторами (коферментами). Коферментами иногда выступают некоторые витaмины, такие как пиридоксин (B₆) и кобаламин (B₁₂).

Учитель биологии знакомит учащихся с практическим применением ферментов.

Клиническое значение ферментов

1. Широко известны заболевания, вызываемые ферментной недостаточностью. Примеры: неперевариваемость молока (нет фермента лактазы); гиповитаминозы (витаминная недостаточность) – отсутствие коферментов снижает активность ферментов (гиповитаминоз витамина B1 приводит к заболеванию бери-бери); фенилкетонурия (вызывается нарушением ферментативного превращения аминокислоты фенилаланина в тирозин).

2. Определение активности ферментов в биологических жидкостях имеет большое значение для диагностики заболеваний. Например, по активности ферментов в плазме крови определяют вирусный гепатит.

3. Ферменты используют как реактивы при диагностике некоторых заболеваний.

4. Ферменты используют для лечения некоторых болезней. Примеры некоторых препаратов ферментной природы: панкреатин, фестал, лидаза.

Использование ферментов в промышленности

1. В пищевой промышленности ферменты используют при приготовлении безалкогольных напитков, сыров, консервов, колбас, копченостей.

2. В животноводстве ферменты используют при приготовлении кормов.

3. Ферменты используют при изготовлении фотоматериалов.

4. Ферменты используют при обработке льна, конопли.

5. Ферменты используются для смягчения кожи в кожевенной промышленности.

6. Ферменты входят в состав стиральных порошков.

Учитель биологии. Рассмотрим другие функции белков. Двигательные функции осуществляются специальными сократительными белками, к которым относятся, например, актин и миозин, входящие в состав мышечных волокон.
Еще одна важная функция белков – транспортная. Белки, например, переносят через клеточную мембрану в клетку ионы калия, аминокислоты, сахара и другие соединения. Белки также являются межтканевыми переносчиками.

Регулируя обмен веществ внутри клеток и между клетками тканями всего организма, белки выполняют гормональную, или регуляторную функцию. Например гормон инсулин участвует в регуляции и белкового и жирового обменов.
На поверхности клеточных мембран находятся белковые рецепторы, которые избирательно связывают гормоны, медиаторы, выполняя тем самым рецепторную функцию.
Гомеостатическая функция белков заключается в образовании томба при остановке кровотечения.
Некоторые белки и пептиды, выделяемые организмами, например болезнетворными микроорганизмами или некоторыми ядовитыми животными, я вляются токсичными для других живых организмов – это токсикогенная функция белков.
Очень важна защитная функция белков. Антитела – это белки, которые вырабатываются иммунной системой организма при вторжении в него чужеродного белка, бактерии, вируса. Они опознают «чужака» и участвуют в его уничтожении.
К белкам, являющимся энергетическим резервом, относится, например, казеин – основной белок молока.

Ответьте на следующие вопросы.

1. Почему врачи рекомендуют «сбивать» температуру у больного, если она превышает 38 °С? (Из-за возможной тепловой денатурации белков).

2. С чем связано отторжение пересаженных (трансплантированных) органов и тканей у пациентов? (Антитела, выполняя защитную функцию, опознают чужеродный белок пересаженных органов и вызывают реакции его отторжения.)

3. Почему из сваренных яиц никогда не появится цыпленок? (Белки яйца необратимо потеряли свою нативную структуру из-за тепловой денатурации.)

4. Почему происходит уменьшение веса мяса и рыбы после их тепловой обработки? (Во время тепловой обработки происходит денатурация белков мяса или рыбы. Белки становятся практически нерастворимыми в воде и отдают значительную часть содержащейся в них воды, при этом масса мяса уменьшается на 20–40%.)

5. О чем свидетельствует образование «хлопьев» или помутнение бульона во время варки мяса? (Если мясо погрузить в холодную воду и нагревать, то растворимые белки из наружных слоев мяса переходят в воду. Во время варки происходит их денатурация, при этом образуются хлопья, пена, всплывающая на поверхность воды, или мелкая суспензия, делающая раствор мутным.)

Все белковые молекулы имеют конечный срок жизни – со временем они разрушаются. Поэтому в организме идет постоянное обновление белков. В связи с этим вспомним основы биосинтеза белка. Ответьте на следующие вопросы.

1. Где происходит синтез белка в клетке? (На рибосомах.)

2. В каком клеточном органоиде хранится информация о первичной структуре белка. (В хромосомах, носителем информации является ДНК.)

3. Что понимают под термином «ген»? (Последовательность нуклеотидов, кодирующую синтез одного белка.)

4. Как называются основные этапы биосинтеза белка? (Транскрипция, трансляция.)

5. В чем состоит транскрипция? (Это считывание информации с ДНК путем синтеза информационной РНК, комплементарной считываемому участку ДНК.)

6. В какой части клетки идет транскрипция? (В ядре.)

7. В чем состоит трансляция? (Это синтез белка из аминокислот в последовательности, записанной в иРНК; он проходит при участии транспортных тРНК, доставляющих соответствующие аминокислоты в рибосому.)

8. В какой части клетки идет трансляция? (В цитозоле, на рибосомах, в митохондриях.)

Биосинтез белка идет в организме в течение всей жизни, наиболее интенсивно – в детстве. Интенсивность синтеза белков в некоторых случаях можно регулировать. Действие многих антибиотиков основано на подавлении синтеза белка, в том числе и у бактерий–возбудителей болезни. Например, антибиотик тетрациклин препятствует связыванию тРНК с рибосомами.
Давайте послушаем краткие сообщения о белковых препаратах, используемых в современной медицине.

Антигистаминные препараты

Современный напряженный ритм жизни сопровождается увеличением числа заболеваний, таких как инфаркт, гипертония, ожирение, всевозможные виды аллергий. Аллергия – чрезмерная чувствительность организма к специфическим внешним раздражителям. Для всех этих болезней характерно повышенное содержание в крови гистамина. Гистамины – вещества, образующиеся при декарбоксилировании аминокислоты гистидина. Антигистаминные препараты препятствуют этой реакции, и уровень гистамина снижается.

Интерферон

В процессе эволюции в борьбе с вирусами у животных возник механизм синтеза защитного белка интерферона. Программа образования интерферона как и любого белка закодирована в ДНК в клеточном ядре и включается после заражения клеток вирусом. Охлаждение, нервное потрясение, отсутствие витаминов в пище приводит к снижению способности вырабатывать интерферон. В настоящее время препарат интерферона для медицинских целей изготавливают из лейкоцитов донорской крови или с помощью генной инженерии. Интерферон используют для предупреждения и лечения вирусных инфекций – гриппа, герпеса, а также при злокачественных новообразованиях.

Инсулин

Инсулин – белок, состоящий из 51 аминокислоты. Он выделяется в ответ на повышение уровня глюкозы в крови. Инсулин контролирует углеводный обмен и вызывает следующие эффекты:

– увеличение скорости превращения глюкозы в гликоген;
– ускорение переноса глюкозы через клеточные мембраны в мышцах и жировой ткани;
– усиление синтеза белка и липидов;
– повышение скорости синтеза АТФ, ДНК и РНК.

Инсулин необходим для жизни, т. к. это единственный гормон, снижающий концентрацию глюкозы в крови. Недостаточная секреция инсулина приводит к нарушению метаболизма, известного под названием сахарного диабета. Препараты инсулина получают из поджелудочной железы крупного рогатого скота или с помощью генной инженерии.

Учитель химии. Инсулин был первым белком, у которого удалось расшифровать первичную структуру. На установление последовательности аминокислот в инсулине было затрачено почти 10 лет. В настоящее время расшифрована первичная структура очень большого числа белков, в том числе значительно более сложного строения.
Синтез веществ белковой природы был впервые осуществлен на примере двух гормонов гипофиза (вазопрессина и окситоцина).
В заключение преподаватели выставляют учащимся отметки за работу на уроке по химии и биологии.