О.А. СТОЛПОВСКИХ,
учитель биологии,
МОУ «Гимназия № 4», г. Оренбург

Элективный курс «Биохимия»

Далеко простирает химия руки свои в дела человеческие.

Д.И. Менделеев

Биохимия – это химия жизни, или, более строго, наука о химических основах процессов жизнедеятельности. Сфера биохимии столь же широка, как и сама жизнь. Всюду, где существует жизнь, протекают различные химические процессы.

В ходе изучения этого курса мы ответим на вопросы: «что происходит?», «как происходит?» и, самое главное, «почему это происходит?».

Пояснительная записка

Все познание реального мира исходит из опыта и завершается им.

А.Эйнштейн

Актуальность курса. Биохимия является базовой составляющей современной физико-химической биологии. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) определяет здоровье как состояние «полного физического, духовного и социального благополучия, которое не сводится к простому отсутствию болезней и недомоганий». Со строго биохимической точки зрения организм можно считать здоровым, если многие тысячи реакций, протекающих внутри клеток и во внеклеточной среде, обеспечивают его максимальную жизнеспособность и поддерживают физиологически нормальное состояние. Знание биохимии необходимо для решения проблем сохранения здоровья, выяснения причин различных болезней и поиска путей их эффективного лечения.

Данный элективный курс основывается на курсе «Биохимия», предложенном А.С. Коничевым и А.П. Коничевой, но отличается от последнего меньшим объемом теоретического материала и наличием большого количества лабораторных и практических работ. Создавая курс «Биохимия», я прежде всего ставила задачу приобретения учащимися экспериментальных умений и навыков. В программу включены разделы, касающиеся характеристики основных классов соединений, входящих в состав живой материи, обменных процессов, а также такие важные разделы биохимии, как изучение ферментов, витаминов, гормонов.

В содержании программы отражены научно-практические задачи биохимии, тесно связанные с актуальными вопросами биохимической экологии, что отражает современную тенденцию естественно-научного образования.

Многие вопросы, включенные в данный курс, не рассматриваются в школьной программе или изучаются фрагментарно.

Наблюдение собирает то, что ему предлагает природа, опыт же берет у природы то, что он хочет.

И.П. Павлов

Схема образования глюкозы в процессе пищеварения

Схема синтеза белка

Цели курса: расширить и систематизировать знания учащихся о структуре и функциях белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов, полученные в курсах общей биологии и органической химии; познакомить с современными достижениями и перспективными направлениями развития биохимии.

Задача курса: создание условий для формирования и развития у учеников:

– теоретических знаний и практических умений в области биологического эксперимента, позволяющих исследовать явления природы;
– интереса к изучению биологии и проведению эксперимента;
– умения самостоятельно приобретать и применять знания;
– творческих способностей, умения работать в группе, вести дискуссию, отстаивать свою точку зрения.

В процессе реализации данной программы учащиеся приобретают следующие конкретные умения:

– наблюдать и изучать явления и свойства веществ;
– описывать результаты наблюдений;
– выдвигать гипотезы;
– отбирать необходимое оборудование для проведения эксперимента;
– выполнять измерения;
– представлять результаты измерений в виде таблиц и графиков;
– интерпретировать результаты эксперимента;
– делать выводы;
– обсуждать результаты эксперимента, участвовать в дискуссии.

Перечисленные умения формируются на основе следующих знаний:

– цикл познания в естественных науках: факты, гипотеза, эксперимент, теория;
– роль эксперимента в познании;
– соотношение теории и эксперимента в познании;
– правила пользования химическим оборудованием.

Формы проведения занятий:

– лабораторные работы, наглядно отражающие биохимические закономерности, включают в себя формулирование цели работы, постановку задачи, перечень оборудования, описание хода работы, запись наблюдений, вопросы для проверки усвоения материала;
– решение биохимических задач, связанных с реальными жизненными ситуациями, проблемами здоровья человека;
– лекции;
– дискуссии;
– «круглые столы»;
– создание компьютерной презенатции Power Point;
– работа с Интернетом, СМИ.

Усвоив материал этого элективного курса, ученик должен знать:

– элементный состав клетки;
– неорганические и органические вещества клетки;
– свойства воды и ее роль в клетке.

Ученик должен уметь:

• Охарактеризовать следующие термины и понятия, объяснить взаимосвязь между ними:

– полимеры, мономеры;
– углеводы, моносахариды, дисахариды, полисахариды;
– липиды, жиры, глицерин, жирная кислота;
– аминокислота, полипептид, белок;
– катализатор, фермент, активный центр;
– нуклеиновая кислота, нуклеоитд;
– АТФ, ГТФ, ЦТФ, ТТФ, УТФ, РНК, ДНК;
– конформация, первичная, вторичная, третичная, четвертичная структуры;
– ренатурация, денатурация.

• Объяснять значение микро-, макро- и ультрамикроэлементов в клетке.

Содержание курса

Введение (1 ч)

Биохимия и здоровье, определение биохимии, задачи биохимии, области исследования. Биохимия и другие биологические науки. Общий экспериментальный подход, используемый в биохимии. Основные достижения биохимии.

Химический состав организма (2 ч)

Элементный состав организма. Понятие о главных биогенных элементах. Макро- и микроэлементы. Закономерности распространения элементов в живой природе. Потребности организмов в химических элементах. Химический состав организма человека.

Белки (З ч)

Роль белков в построении и функционировании живых систем. Аминокислотный состав белков. Типы связи аминокислот в белковой молекуле. Пептиды. Природные пептиды, их физиологическое значение. Структура белковых молекул. Функциональная классификация белков и характеристика отдельных групп. Белки как детоксиканты ксенобиотиков в организме.

Практические работы. Обнаружение азота и серы в белках. Обнаружение белка в мясном бульоне. Качественные реакции на аминокислоты и белки. Приготовление раствора белка (яичного альбумина). Денатурация белка.

Ферменты (2 ч)

Разнообразие каталитически активных молекул. Различия в свойствах ферментов и катализаторов небелковой природы. Специфичность действия ферментов. Понятие о субстратной специфичности и аллостерическом центре в молекуле фермента. Понятие о коферментах. Механизм действия ферментов. Активаторы и ингибиторы ферментов. Практическое использование ферментов.

Практические работы. Наблюдение расщепления пероксида водорода ферментом каталазой. Специфичность действия ферментов. Влияние на активность ферментов температуры, рН, активаторов и ингибиторов.

Витамины (2 ч)

История открытия витаминов. Роль витаминов в питании человека. Авитаминозы, гиповитаминозы и гипервитаминозы. Витамерия. Жирорастворимые витамины. Водорастворимые витамины.

Практические работы. Качественные реакции на витамины.

Нуклеиновые кислоты (3 ч)

История открытия нуклеиновых кислот, их химический состав. Характеристика пуриновых и пиримидиновых оснований. Два типа нуклеиновых кислот. Различие между ДНК и РНК. Центральный постулат молекулярной биологии – ДНК–РНК–белок – и его развитие. Строение и функции ДНК. Содержание ДНК в организме и локализация ее в клетке. Размер и форма молекул ДНК. Первичная структура ДНК. Успехи и перспективы расшифровки структуры геномов микроорганизмов, растений и животных. Проект «Геном человека». Вторичная структура ДНК. Комплементарность азотистых оснований и ее значение для воспроизведения структуры генов. Полиморфизм вторичной структуры ДНК. Третичная структура ДНК. Сверхспирализация ДНК. Избыточность и комплементарность молекул ДНК. РНК и их классификация. Сравнительная характеристика видов РНК по их структуре и функциям.

Практические работы. Выделение ДНК из печени.

Углеводы (2 ч)

Классификация углеводов. Простые углеводы и их представители (рибоза, глюкоза, фруктоза, галактоза). Сложные углеводы. Дисахариды (сахароза, лактоза, мальтоза). Полисахариды, их структура и представители (гликоген, крахмал, целлюлоза, хитин). Функции углеводов.

Практические работы. Выявление углеводов.

Липиды (2 ч)

Общая характеристика и классификация липидов. Структура и функции липидов. Роль липидов в построении биологических мембран. Воска, их строение, функции и представители (спермацет, пчелиный воск). Стероиды. Стеролы. Структура и функции стероидов.

Практические работы. Выявление липидов. Гидролиз жиров под действием липазы. Влияние желчи на активность липазы.

Гормоны и их роль в обмене веществ (2 ч)

Классификация гормонов. Стероидные гормоны, механизм действия стероидных гормонов. Пептидные гормоны и механизм их действия. Применение гормонов в медицине и сельском хозяйстве.

Практические работы. Качественные реакции на гормоны.

Проблемы биохимической экологии (1 ч)

Антропогенные биоактивные вещества и проблемы химического загрязнения биосферы. Экологически безопасные способы воздействия на различные виды животных, растений и микроорганизмов.

Вопросы для контроля

• Какие химические элементы преобладают в составе живых организмов?

• Что такое микроэлементы?

• Какие неорганические ионы содержатся в клетке?

• Какова роль воды в жизнедеятельности клетки?

• Назовите функции нерастворимых неорганических веществ в клетке.

• Какие цветные реакции доказывают наличие белка?

• Что такое денатурация? Может ли она быть обратимой?

• Какие химические свойства характерны для белков? Приведите примеры.

• Почему соли тяжелых металлов вызывают отравление организма?

• Почему при попадании кислоты на кожу происходит ожог?

• Как проявляется активность фермента каталазы в живых и мертвых тканях?

• Как влияет измельчение ткани на активность фермента?

• Различается ли активность фермента в живых тканях растений и животных?

• Как бы вы предложили измерить скорость разложения пероксида водорода?

• Как вы считаете, все ли организмы содержат каталазу – фермент, обеспечивающий разложение пероксида водорода?

• Укажите основные особенности первичной, вторичной, третичной и четвертичной структур белка.

• Каковы основные функции белка?

• Какие углеводы содержатся в клетках животных и растений? Охарактеризуйте биологические функции углеводов.

• На основании каких общих особенностей вещества относят к липидам?

• Каковы биологические функции липидов?

• Какие группы химических соединений представлены в числе липидов?

• Перечислите основные разновидности нуклеиновых кислот.

• Что такое принцип комплементарности?

• Сравните функции ДНК и различных видов РНК.

• Как используются в клетке макроэргические соединения?

Литература

1. Агол В.И., Богданов А.А. Структура и биосинтез нуклеиновых кислот. – М.: Высшая школа, 1989.

2. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия. – М.: Медицина, 2002.

3. Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология. Т 1–3. – М.: Мир, 1990.

4. Гринстейн Б., Гринстейн А. Наглядная биохимия. – М.: Медицина, 2000.

5. Ерохин Ю.М. Сборник задач и упражнений по химии (с дидактическим материалом): Учеб. пособие для студентов сред. проф. учеб. заведений / Ю.М. Ерохин, В.И. Фролов. – М.: Издательский центр «Академия», 2003, с. 252–260.

6. Ленинджер А. Биохимия. Т. 1–3. – М.: Мир, 1985.

7. Мари Р. и др. Биохимия человека. – М.: Мир, 1993.

8. Макаров К.А. Химия и здоровье. – М.: Просвещение. 1985.

9. Программы элективных курсов. Биология. 10–11 классы. Профильное обучение/ Авт.-составители В.И. Сивоглазов, В.В. Пасечник. – M.: Дрофа, 2005.

10. Пуговкин А.П. Практикум по общей биологии: пособие для учащихся 10–11 классов общеобразовательных учреждений / А.П. Пуговкин, Н.А. Пуговкина. – М.: Просвещение, 2002.

11. Пустовалова Л.М. Практикум по биохимии. – Ростов-на-Дону: Феникс, 1999.

12. Филлипович Ю.Б. Основы биохимии. – М: Агар Флинта, СПб.: Лань, 1999.