Белки синтез

Учитель 1 категории ГОУ ЛНР «Краснолучская школа № 11»

Шкребтий Наталья Александровна

Межпредметный урок-семинар на тему:

 « Белки. Состав, строение, особенности. Проблемы синтеза».

Реактивы и оборудование: таблица «Потребность человеческого организма в аминокислотах и их содержание в продуктах», кинофильм «Белки».

Методы, приемы и способы обучения:  рассказ с элементами лекции, сообщения, лабораторные исследования, демонстрация кинофильма.

Ход урока:

Учитель химии: В чем состоит тайна жизни? С какими материальными объектами она связана? Это один из главных вопросов, на который пытается ответить наука на протяжении всей истории.  И уже давно ученые поняли, что важнейшую, а может быть и основную роль во всех жизненных процессах играют белки.

      Сначала было только предположение. Символом зарождения жизни всегда считали яйцо. Именно поэтому белок птичьих яиц дал название всему классу белков, которые, мы теперь это знаем, содержится в любой клетке организма. Есть еще один класс биополимеров, без которых  невозможна жизнь – нуклеиновые кислоты. Они- администраторы клеток, а белки их рабочие. Без них не может произойти ни одна реакция.

     Последние 2-3 десятилетия явления жизни очень стремительно и успешно изучаются физическими, химическими и математическими методами. Научно- техническая революция распространилась и на биологию. Вслед за биохимией и биофизикой возникла биоорганическая химия и молекулярная биология. Все они вместе создали новое направление -  физико - химическую биологию.

      Химия не только обогатила биологию своими методами. Биологи стали мыслить химически. Но сейчас и химик, который изучает физиологически- активные соединения, среди которых биополимеры, а из полимеров- белки и нуклеиновые кислоты, задумывается над вопросами по сути биологическими:  как эти соединения ведут себя в клетке, как они работают в окружении других молекул?

     Расщепление живых объектов, прежде всего клеток, на составные элементы было одним из наиболее плодотворных программ биологии. Казалось бы, чисто биологические объекты начали изучать с позиции химии и физики. Клетка оказалась в центре внимания физико - химической биологии, а вместе с ней и белок.  Именно поэтому мы и проводим это занятие совместно с биологами.

    Ни одно вещество химики не изучали так долго, как  белки, прежде, чем удалось раскрыть тайну их строения. Давайте проследим, как  это было.

Первый ученик  около доски рассказывает об открытии белков и их строении.

Трое учеников работают с карточками, пишут формулы три-пептидов, дают им названия, называют аминокислоты.

Учитель химии продолжает:  В последние годы ученым удалось расшифровать химическую природу специфики белков.  В чем она состояла?  Наглядно ее можно проследить во время переливания крови.

Пятый ученик рассказывает об этом процессе.

Далее рассказ ведет учитель биологии:  Благодаря современным методам физико- химического анализа, с использованием мощных ультрацентрифуг, электрофореза, стало возможным выделить из  живых организмов большое количество белков и вычислить их относительную молекулярную массу и каждой аминокислоты отдельно.  Установили, что каждой аминокислоте в разных белках соответствовало четко обозначенное место.  Одним из первых белков, для которого установили точный порядок аминокислот, был гормон инсулин.  Доказательный пример, который  подтвердил роль этого правила, в изучении человеческой болезни – серповидной анемии.  У тех, кто страдает  этой болезнью, клетки эритроцитов  крови  вместо специфической приобрели серповидную форму. Удалось выяснить, что это явление связано с  неправильным строением белка, который входит в состав гемоглобина эритроцитов и отвечает за перенос кислорода от легких ко всем органам организма.

         Белок гемоглобина содержит 600 аминокислот.  Когда провели анализ их полной последовательности во всех четырех цепях гемоглобина, то выяснилось незначительное отклонение от крови здорового человека. У пораженных  серповидной анемией только одна аминокислота стала не на свое место, и страшная болезнь подкосила человека.

         Подобно тому, как из отдельных букв алфавита складываются разные слова, так из набора аминокислот можно создать практически безграничное  количество белков.

 Демонстрируется кинофильм «Белки». После просмотра фильма класс обобщает материал о структуре белковых молекул.

Шестой ученик  Для белков характерно существование нескольких структурных уровней, которые зависят  как от химического состава, так и от состава окружающей среды. Первичную структуру определяет последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Она обеспечивается крепкими связями.

       Конфигурацию белковой молекулы определяет структура аминокислот, которая входит в ее состав. Вторичную структуру определяют в основном слабые силы притяжения- водородные связи. У большинства белков она имеет вид спирали. Каждый ее виток образован несколькими ее аминокислотами.

Седьмой ученик  Третичная структура молекулы поддерживается гидрофобными связями. В некоторых белках в поддержке третичной структуры макромолекул существенную роль играют S-S-связи.

Учитель химии  Как мы уже знаем, белки – наиболее важная составляющая часть клетки, главного носителя жизни. В организме новорожденного две тысячи миллиардов клеток. На протяжении всей последующей жизни они размножаются, специализируются, работают, и каждая из  них – это миниатюрный завод, четко налаженное производство со своим энергоснабжением, транспортом, поточными линиями и даже  конвейерами по сборке новых деталей.

Восьмой ученик   Все функции белкового организма по своему необычны. Но прежде всего обратили на себя внимание белки двух групп – соединительной и мышечной ткани.  На другие белки животных и человека еще в начале 20 столетия обращали мало внимания.  О них знали, но при этом довольствовались пояснениями, что это «жидкость» организма.  А  вот сухожилия, мышцы – это  было  интересно, так как одной из наиболее важных  и наиболее развитых наук в то время была анатомия, физиология.  Биохимия еще не существовала совсем. Интересы анатомии влияли на выбор объектов для исследования.  Белки соединительных тканей выполняют механическую функцию,  служат опорой: «выстилают» кожу, обеспечивают крепость и эластичность кровеносных сосудов и тканей.

       Нерастворимые нити соединительных тканей состоят из фибриллярного белка – коллагена. При его кипячении образуется известный нам желатин. В СССР были синтезированы полипептиды, которые близки по своим свойствам к тропоколлагенам.

       Другой белок соединительной ткани – эластин. В отличие от коллагена при кипячении он не образует желатин.  И еще одно отличие наблюдается при аналитических исследованиях – коллаген был одним из  главных белков белой соединительной ткани, а эластин – желтой. Особенно интересные белки волос и шерсти: альфа- и бета- кератин.

Девятый ученик   делает сообщение: Мышцы выполняют две функции в организме – двигательную и опорную. Их сокращение – интересное явление. В полете пчела на протяжении секунды тысячу раз  взмахивает крыльями, птичка колибри, когда она «зависает»  в воздухе, чтобы собрать клювом нектар с цветка, делает крылышками 60 взмахов в секунду.  Даже у человека есть быстродействующие места -  мышцы глаз сокращаются за 0,01 секунды. В 1939 году советские биохимики установили, что  основной сокращающийся белок мышц – миозин – имеет  высокую ферментативную активность. Он катализирует расщепление аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) – очень важного соединения, в котором накапливается   вырабатываемая в клетке энергия. При  этом химическая энергия расщепленных  АТФ преобразуется в механическую  мышечного сокращения. Позднее   было доказано, что сокращение зависит не только от миозина, но и от другого мышечного белка – актина.

Учитель биологии дальше ведет  урок   Наверное, вы уже  устали. Проведем небольшую физкультминутку.

Потом перед классом ставятся вопросы: почему организм утомляется, как изменяются в этот момент молекулы белков?

Десятый ученик дает ответ

Учитель химии продолжает:  Обратимся к важнейшей функции – биокаталитической. Белки – двигатели всех химических реакций, которые согласованно и последовательно происходят в организме. Фермент – своеобразный робот, который приспособлен для выполнения  определенной химической реакции. Если она сложная, то ее поэтапно проводят несколько ферментов. Выясняется, что они имеют просто фантастические возможности. Одна молекула фермента каталазы за секунду разлагает 100 тысяч молекул перекиси водорода и это еще не рекорд. Фермент холинэстераза из электрического органа морского ската имеет активность на порядок выше – 1 млн. реакций за секунду.

Одиннадцатый ученик  На ферментативном уровне основаны процессы брожения. С давних пор они использовались при производстве вин, уксуса, пива и хлебопекарных изделий.

    В 1857 г. Луи Пастер показал, что дрожжи представляют собой живой организм, а брожение – физиологический процесс.

Двенадцатый ученик    Ферменты как катализаторы образуют с исходными веществами нестойкие промежуточные соединения. Постепенно они распадаются и дают конечный продукт данной реакции. При этом освобождается фермент.

Учитель биологии   Полстолетия назад король Дании Христиан Х вручил известному биохимику  Ландерстрем – Лангу  высокую научную награду – медаль Эстера – за исследование и изучения строения и особенностей белков и ферментов. После торжественной церемонии король попросил ученого рассказать о  ферментах. Тот рассказал такую историю: « … умирал старый араб.  Все его богатство состояло из 17 прекрасных белых верблюдов. Он собрал своих сыновей и огласил им свою последнюю волю: « Старший- опора семьи – должен получить после моей смерти половину верблюдов среднему завещаю треть, а мой меньший – любимый – должен получить 1/9 часть отары». Похоронив отца, три брата начали делить животных. Но выполнить волю отца им никак не удавалось, так как они не могли поделить 17 верблюдов пополам, на 3 и на 9 частей.  Именно тогда через пустыню проходил дервиш. Бедный, он вел одного черного верблюда, нагруженного книгами. Братья обратились к нему за помощью, и тот сказал: « Выполнить волю вашего отца очень просто. Я дарую вам своего  верблюда, а вы попробуете разделить богатство». У братьев стало 18 верблюдов и тогда все проблемы исчезли.  Старший получил половину верблюдов – 9, средний – 6, младший -  2.  После разделения выяснилось, что один верблюд лишний, а дервиш сказал: « Отдайте мне назад одного верблюда за то, что я помог разделить богатство, иначе мне самому придется тащить книги через пустыню».  Вот этот верблюд – закончил свой рассказ ученый – подобен ферменту.  Он сделал возможным такой процесс, который без его участия был бы немыслим, а сам остался без изменений».

Учитель биологии продолжает     Основу мышц, волос, кожи составляют белки. Они также входят в состав молока, крови и тканевой жидкости.  Протоплазма любой клетки состоит из множества белков с разными особенностями и функциями.  Исследования ученых – биохимиков дали возможность расшифровать химический состав белков и структуру.

Учитель химии предлагает выполнить лабораторную работу  с проведением качественных реакций на белок. Далее делаются выводы о биохимической структуре белка и ведется фронтальная беседа, подводящая к решению проблемы: «В чем состоит тайна жизни?». Учащиеся сами находят ответ, учитель подводит итоги урока.