М.А. НИКИТИНА,
учитель химии
А.А. ПЕТРОВИЧЕВ,
учитель биологии
Т.В. ПЕТРОВИЧЕВА,
учитель биологии
С.В. ФОМИЧЕВ,
учитель физики,
г. Каменка, Пензенская обл.

Окончание. См. No 33/2003

Белки: строение и свойства

Обобщающий интегрированный урок-семинар в 11-м классе

Остановимся на двух очень важных функциях – каталитической и защитной.

5-й ученик. Я расскажу вам сказку. Умирая, старый араб завещал своим сыновьям 17 прекрасных белых верблюдов: старшему половину, среднему третью часть, младшему девятую часть. Когда араб умер, сыновья принялись делить свое наследство, но 17 не делится ни на 2, ни на 3, ни на 9. В это время через пустыню шел бедный ученый дервиш и вел за собой старого черного верблюда. Он подошел к братьям и спросил, о чем они горюют. Братья поведали о своем наследстве и невозможности его поделить. Тогда дервиш подарил им своего верблюда. У них стало 18 верблюдов и все получилось: старший получил 9 верблюдов, средний – 6 верблюдов, младший – 2 верблюда, остался старый верблюд ученого. «Что с ним делать?» – спросили братья. «Отдайте его мне», – попросил ученый, и братья вернули ему верблюда. Вот и ферменты так же, как и старый верблюд дервиша, помогают осуществлять реакции в организмах.

Учитель биологии. Белки– ферменты катализируют протекание в организме химических реакций. Эти реакции в силу энергетических причин сами по себе либо вообще протекать не могут, либо идут слишком медленно. Подавляющая масса биологических катализаторов по своей химической природе является белками.
В молекуле фермента имеется так называемый активный центр. Он состоит из двух участков – сорбционного и каталитического. Первый отвечает за связывание фермента с молекулой субстрата, а второй – за протекание собственно акта катализа (рис. 5). Молекулы ферментов обладают либо третичной, либо четвертичной структурой.

Рис. 5. Схема работы ферментов

Учитель физики. Функции ферментов как катализаторов химических реакций обусловлены особой частью их поверхности – активным центром. Как правило, он представляет собой углубление, по форме в точности соответствующее молекуле или молекулам, участвующим в химической реакции, катализатором которой служит данный фермент (рис. 5). (Примерно так же кресло в космическом корабле делают точно по фигуре конкретного космонавта.)
Как только нужная молекула «садится» на «кресло», ее окружение или вся молекула фермента несколько деформируется, подготавливаясь к дальнейшей работе. Чаще всего атомы молекулы фермента смещаются таким образом, что создается еще одно удобное место – для другой молекулы, партнера по химической реакции. Захватив и ее, молекула фермента снова изменяет свою форму, например, так, чтобы заставить обе захваченные молекулы соединиться между собой. Но продукт их реакции имеет иную форму, поэтому для него «кресло» уже не подходит. В результате он отделяется от молекулы фермента, и ее активный центр освобождается для следующей такой же операции.
Часто фермент катализирует две химические реакции одновременно, причем энергия, выделяющаяся в одной из таких реакций, передается почти без потерь и используется для другой реакции.
С помощью таких ферментов организм способен вырабатывать вещества, синтез которых требует затрат энергии. В неживой природе подобные процессы практически не происходит.

(Далее выполняется опыт № 6 «Наблюдение расщепления перекиси водорода ферментом каталазой».)

Защитная функция белков

Ученик. Защитная функция белков связана с выработкой лейкоцитами особых белковых веществ – антител – в ответ на проникновение в организм чужеродных белков или микроорганизмов. Антитела связывают, нейтрализуют и разрушают не свойственные организму соединения. Молекула антитела имеет константные и вариабельные участки, причем последние действуют подобно ключу, который подходит к определенному замку. Каждый организм способен производить тысячи видов антител различной специфичности, которые могут распознавать всевозможные виды чужеродных веществ. Чужеродное вещество, вызывающее образование антител, называется антигеном. Обычно антигены представляют собой белковую или полисахаридную молекулу на поверхности микроорганизма или находящуюся в свободном виде.

Учитель биологии. Функции иммунной системы обеспечивают лимфоциты двух типов: Т- и В-клетки. При взаимодействии с антигеном Т-лимфоциты, несущие на мембране рецепторы, способные распознать этот антиген, начинают размножаться и образуют клон Т-клеток. Клетки этого клона вступают в борьбу с несущими антиген микроорганизмами или вызывают отторжение чужеродной ткани. В-лимфоциты распознают антиген таким же образом, как и Т-клетки, но реагируют иначе: они синтезируют антитела, которые нейтрализуют антигены.
Рассмотрим химические и физические свойства белков.

Учитель физики. Почему белки стали предметом изучения не только биологии, химии, но и физики? Все дело в том, что живой организм так сложен и многообразен, что точно описать все его свойства средствами одной науки не представляется возможным. Например, белки обладают рядом особенностей, которые не свойственны никаким другим органическим соединениям. К таким особенностям относят многообразие физических и химических превращений, способность к внутримолекулярным взаимодействиям, способность отвечать на внешние воздействия определенным изменением структуры и восстанавливать ее исходное состояние после прекращения воздействия.
При исследованиях свойств молекул белков используют следующие физические методы и подходы. По оптическим спектрам определяются энергетические параметры процессов, происходящих в молекулах. Электронографические и нейтронографические исследования позволяют определить расстояния между атомами в молекулах, т.е. структуру молекулы. Рентгенографическим методом определяется распределение электронной плотности в молекуле. Важные данные о структуре и свойствах молекул можно получить, используя методы электронного парамагнитного резонанса и ядерного магнитного резонанса, исследуя преломление света, измеряя дипольные моменты и поляризацию, магнитную и диэлектрическую проницаемость и т.д.
В последнее время быстрое развитие получают методы, основанные на использовании радиоизлучения в микроволновой области частот и ультрафиолетового излучения. В частности, проводятся эксперименты по «реставрации» структуры ДНК с помощью мягкого ультрафиолетового излучения.

Ученик. Физика – наука о формах движения и взаимодействия материи. Поэтому к области исследований физики относятся и различные формы движения и взаимодействия живой материи. Физиков интересуют как механизм восприятия света, использование световой энергии в фотосинтезе, распространение нервного импульса, физические свойства костей и других тканей, акустические явления в живой природе, механические модели различных органов и т.д.
В частности, большой интерес физиков вызывают сократительная и структурная функции белков, т.к. в результате взаимодействия белков, процессов, происходящих внутри них, происходит передвижение человека в пространстве, сокращение и расслабление сердца и т.п.
Анализ работы любого механизма требует знания характеристик его составных частей (демонстрируются «Основные физические характеристики белковых тел» из опорного конспекта урока). Плотность белков сравнима со средней плотностью воды. Организм человека на 80–85% состоит из воды и это позволяет ему легко удерживаться на поверхности воды при минимальных энергетических затратах (условие плавания тел).
Небольшая величина модуля упругости и значение предела прочности на растяжение позволяют судить о механических свойствах мышечной ткани.

Сухожилия и связки:
Е = 1000–1500 Мпа,
 = 50–70 Мпа.

Кость:
Е = 23000 Мпа,
= 100–120 Мпа.

Используя материалы с такими характеристиками, природа создала человеческое тело легким, прочным, гибким, обладающим максимальной надежностью при минимальном расходе материала.
Ткань, богатая белками, имеет незначительное удельное электрическое сопротивление, следовательно, большую удельную электропроводность. Большая удельная теплоемкость и теплопроводность необходимы живому организму для эффективного отвода избытка энергии из организма за счет теплообмена с окружающей средой. В то же время проблема переохлаждения решается проще: в холодном климате у животных образуется дополнительный жировой слой с низким значением теплопроводности, в случае смены температуры животное избавляется от жирового запаса, т.е. происходит саморегулирование теплового обмена с окружающей средой.
(Учитель физики предлагает учащимся самостоятельно сформулировать вывод о значении параметра «удельная теплота сгорания» и записать его в тетрадь, а также ответить на вопрос № 1 «Свойства белков».)

Учитель химии. Химические свойства веществ, в том числе и белков, определяются строением и свойствами радикалов. Они обеспечивают исключительное разнообразие химических реакций, свойственных белковым телам, и оказывают наряду с другими факторами существенное влияние на функциональную активность белков. Именно при помощи радикалов реализуется одно из выдающихся свойств белков – их необыкновенно многообразная химическая активность.

Ученик. Одним из общих свойств белков является способность к гидролизу. Гидролиз происходит при нагревании белков с растворами кислот или щелочей, или при действии ферментов. Конечными продуктами гидролиза являются аминокислоты, об этом уже было сказано в начале урока. Так, например, полный гидролиз одного трипептида приводит к образованию трех аминокислот (демонстрируется схема гидролиза, рис. 6).

Рис. 6

Гидролиз белков сводится к гидролизу полипептидных связей. Он осуществляется и при переваривании белков: белковые молекулы гидролизуются до аминокислот, которые, будучи хорошо растворимыми в водной среде, проникают в кровь, поступают во все ткани и клетки организма. Здесь аминокислоты расходуется, в основном, на синтез белков, гормонов и других биологически активных веществ.

Учитель химии. Наличие в растворе белков можно определить с помощью качественных реакций. (Проводятся цветные реакции, которые являются качественными реакциями на полипептиды.)

Ученик. Известно, что многие белки имеют спиральную вторичную структуру. Другой пример вторичной структуры – в виде «гармошки» – -структура (демонстрируется схема структур).
Структура поддерживается за счет: так называемой водородной связи взаимодействия между карбонильным кислородом (С=О) и атомом водорода при азоте. Водородная связь противостоит тепловому движению звеньев этой структуры, стремящемуся разорвать эту структуру.
Что же происходит при повышении температуры? Из курса физики 10-го класса мы знаем, что температура – величина, характеризующая интенсивность движения атомов, и она пропорциональна среднеквадратичной скорости атомов, следовательно, средней кинетической энергии (т.к. E = mv²/2 = 3/2kT). Таким образом повышение температуры (увеличение внутренней энергии движения) вызывает увеличение амплитуды колебаний атомов звеньев структуры. При больших амплитудах колебаний водородная связь разрушится, при этом увеличится нагрузка на соседние связи спиральной структуры и в конечном итоге структура белка быстро распадется. Это напоминает то, как портится застежка «молния»: стоит разойтись одной паре зубчиков, как немедленно начинают расходиться соседние (рис. 7.)

Рис. 7

Молекула после разрушения связей тоже «расползается», она больше не может противостоять хаосу теплового движения. За счет внутренней подвижности – поворотов звеньев вокруг валентных связей цепи – макромолекула приобретает новую конформацию: она сворачивается в клубок, как бы плавится. Этот процесс называется денатурацией белка. В некоторых случаях при изменении температуры в обратном направлении, т.е. снижении интенсивности хаотического движения, можно вновь получить макромолекулу исходной структуры, т.е. денатурация может быть обратимой.
Однако при дальнейшем повышении температуры могут разрушаться ковалентные связи в первичной структуре. Расстояние между атомами в звене С–С составляет 0,153 нм и это значительно больше, чем у С=О (0,124 нм) и С=N (0,132 нм) (рис. 8). При достижении некоторой критической температуры связь разрушается, а с ней и макромолекула. Самопроизвольное восстановление цепи макромолекулы на этом этапе уже невозможно, т.е. такая денатурация необратима.

Рис. 8

(Учитель химии предлагает учащимся самостоятельно сформулировать ответ на вопрос: почему связь С=С не может восстановится самопроизвольно при снижении температуры?)

Учитель химии. Прошу вас ответить на вопросы опорного конспекта под заголовком «Свойства белков», и ответы внести в тетради.

Сегодня мы говорим о том же, о чем говорили ученые в конце XIX в. Ученые связывали белок с живыми организмами, утверждали, что свойства живого организма во многом зависят от свойств белка. Живой организм постоянно находится под воздействием внешних факторов, способных вызвать денатурацию белка. Как влияют на белок соли тяжелых металлов, вы уже видели на примере биуретовой реакции. Поэтому нужно всячески избегать контактов с солями, содержащими Pb²⁺, Cu²⁺, Hg²⁺ и другие ионы тяжелых металлов.
Не менее губительное действие на живой организм оказывают и органические вещества, например этанол. Прошу вас провести опыт № 7, сделать из него соответствующие выводы, записать их в тетрадь и запомнить на всю жизнь.

Учитель физики. Есть еще один фактор риска, хотя и не видимый, но от этого не менее опасный.
В настоящее время много говорят о радиоактивности как особом типе загрязнения окружающей среды. Поэтому каждый человек должен иметь представление о сущности физических процессов, от которых зависит его жизнь.
Радиоактивность – процесс самопроизвольного превращения неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающийся испусканием трех типов лучей, которые Э.Резерфорд назвал -, - и -лучами (рис. 9).

Рис. 9

Испускание -лучей обнаружил А.Беккерель еще в 1898 г. Позже было доказано, что они представляют собой поток быстро движущихся электронов. Два года спустя француз П.Витяр установил, что -лучи – это лучи, подобные рентгеновским (Х-лучам), обладающим большой проникающей способностью. В январе 1899 г. Резерфорд идентифицировал -лучи, оказавшиеся дважды ионизированными атомами гелия.
Все перечисленные виды радиации (корпускулярная и волновая) поглощаются биологическими системами с одинаковыми последствиями: атомы ионизируются, т.е. происходит изменение электрического заряда. В результате биологическое повреждение производят не только сами - и -частицы, но и быстро движущиеся электроны, выбитые из атомов. Действие -лучей также приводит к возбуждению электронных оболочек и ионизации атомов.
По силе разрушительного действия, по плотности выделения энергии на единицу проходимого лучами расстояния, все перечисленные виды радиации сильно отличаются друг от друга. Проникающая способность -лучей в сотни и тысячи раз выше, чем у других видов излучения. Тяжелые -частицы создают зону чрезвычайно высокой плотности ионизации, легкие же -частицы и -лучи создают зону низкой плотности ионизации. Однако эти характеристики относительны, т.к. возможны различные типы биологических повреждений.

Ученик. Выделяют следующие два типа биологических повреждений, вызываемых радиацией.
«Пулеобразный». В этом случае вторичные электроны разрушают химические связи непосредственно в структуре белка, где они были выбиты. Сама -частица также разрывает связи первичной структуры. Такое прямое воздействие, протекающее очень быстро, вызывает «ядерный загар» (кожа становится коричневой) или «ядерное бешенство» (возникает сильное возбуждение – ложный сверхтонус).
Косвенный. Разрушения в биологической структуре вызывают реактивные частицы, которые образовались вдали от нее и попали в нее в результате блужданий. При таком типе поражения тяжелые частицы менее опасны, т.к. они создают область ионизации небольших размеров. Легкие же частицы, создавая небольшую концентрацию свободных ион-радикалов, более опасны, т.к. чем меньше концентрация ион-радикалов, тем меньше вероятность их рекомбинации, а это означает увеличение расстояния, на которое они могут перемещаться в ткани, и времени проявления радиоактивного поражения.

Учитель физики. При одинаковой поглощенной энергии или дозе излучения -частицы в 10–30 раз более опасны по биологическому воздействию чем -, -излучение или рентгеновское излучение. Международным комитетом по радиоактивной защите (МКРЗ) -радиоактивные нуклиды (уран, радий, торий) признаны наиболее токсичными из всех радиоактивных элементов.
А теперь ответьте на вопросы раздела «Белок и окружающая среда».

Учитель химии. Вот и подошел к концу наш урок. Мы пытались применить разрозненные знания по химии, физике и биологии к изучению белков. Мы рассмотрели их строение, свойства, научились отличать их от других веществ, узнали о воздействии на белок внешних факторов. Надеюсь, урок был вам полезен.

Экспериментальная часть урока

Опыт № 1. Обнаружение азота и серы в белках

К раствору белка добавить крепкий раствор щелочи и нагреть. Выделяется аммиак, который обнаруживается по посинению влажной лакмусовой бумажки. После нагревания, раствор разбавляют в 3–4 раза водой и приливают раствор ацетата свинца; образуется осадок сульфида свинца.

Опыт № 2. Биуретовая реакция

К 2–3 мл раствора белка добавить 2–3 мл 10%-ного раствора щелочи (гидроксида натрия). К смеси прилейте 2–3 мл раствора сульфата меди (II). Пробирку встряхните и наблюдайте изменение цвета.

Опыт № 3. Ксантопротеиновая реакция

В пробирку налейте 2 мл раствора белка. Добавьте по каплям 0,5 мл концентрированного раствора азотной кислоты. Осторожно нагрейте пробирку. Наблюдайте изменение цвета.

Опыт № 4. Обнаружение белка в мясном бульоне

Поместите в пробирку кусочек мяса, залейте водой. Нагрейте пробирку до кипения и кипятите содержимое 2–3 мин. – получится бульон. Через марлю с помощью воронки отфильтруйте бульон в другую пробирку. Определите наличие белка в бульоне с помощью биуретовой и ксантопротеиновой реакций. Сделайте вывод.

Опыт № 5. Определение натуральной шерсти

Подожгите шерстяную нить. Сделайте вывод о признаках горения.

Опыт № 6. Наблюдение расщепления пероксида водорода ферментом каталазой

Прилейте по 2 мл Н₂О₂ (пероксида водорода) в две пробирки с кусочками сырого и вареного картофеля, соответственно. Запишите наблюдаемые вами явления при действии пероксида водорода на живые и мертвые растительные клетки.

Опыт №7. Действие этилового спирта на белок

К раствору белка прилейте этиловый спирт. Полученную смесь растворите в щелочи (растворе гидроксида натрия). Проведите биуретовую реакцию. Сделайте вывод.

Вопросы и задания

Строение белков

1. Могут ли изменяться свойства белка при нарушении последовательности аминокислотных звеньев в линейной полимерной цепи?

2. Напишите уравнение реакции получения трипептида из дипептида (используя формулы цистеина и глицилаланина):

3. Чем отличается вторичная структура от первичной?

4. За счет чего у молекулы белка возникает и сохраняется вторичная структура?

5. Чем отличается третичная структура белка от первичной и вторичной?

Классификация белков

1. По каким признакам осуществляется классификация белков?

2. В чем принципиальное отличие фибриллярных белков от глобулярных?

3. Объясните, в чем состоит биологическое значение вакцинации.

Свойства белков

1. Что означает термин «удельная теплота сгорания»? Что означает число 5650 ккал/кг?

2. Какая структура белка разрушается при гидролизе?

3. Почему невозможен самопроизвольный процесс восстановления связи С–С при понижении температуры после денатурации?

4. Известно, что взрослому человеку необходимо 1,5 г белка на 1 кг массы тела в день. Зная свою массу, определите суточную потребность белка для своего организма.

5. Почему при отравлении солями тяжелых металлов (Hg, Cu, Pb) пострадавшим дают пить молоко?

Белок и окружающая среда

1. Какое действие оказывают различные виды радиации на молекулярном уровне?

2. Установлено, что при достаточной калорийности пищи, но при отсутствии в ней белка, у животных наблюдаются патологические явления: останавливается рост, изменяется состав крови и т.д. С чем это связано?

3. Какие характеристики живого вы связали бы со свойствами белков?