Конспект урока биологии в 11 классе " Аминокислоты, пептиды, белки."

Тема урока: Аминокислоты, пептиды, белки. Цели урока: Обобщить и закрепить знания учащихся о химической организации клетки, строении и функциях белков и пептидов, роли водородных связей в образовании белков. Продолжить формирование умения проводить опыт и делать соответствующие выводы с привлечением знаний, полученных на предшествующих уроках. Углубить и расширить представления учащихся о функциях белков, их биологической значимости для живых организмов. Закреплять навыки выполнения тестовых заданий уровня А, В, С. Оборудование: таблицы «Аминокислоты», «Структура белков», плакаты «Структурная классификация аминокислот», штатив, пробирки, колбы, раствор яичного белка, реактивы Na OH, CuSO4, HNO3,медный купорос, ацетат свинца, капельница, пипетка, сухое горючее или грелка. Основные понятия: Пептид Полипептид Белок Протеин I, II, III, IV структура Денатурация Ковалентные связи Водопроводные связи Гидрофобные связи Ионные связи Ван-дер-Вальсовы силы Мономер Полимер -спираль -спираль Фибриллярные белки Глобулярные белки Мембранный белок Аминокислота Гидрофильность Гидрофобность Глобула Основные аминокислоты Кислые аминокислоты Нейтральные аминокислоты Незаменимые аминокислоты Заменимые аминокислоты Дисульфидная связь Фермент Протеом Протеасома Протеомика Белковая инженерия План урока I. Фронтальный опрос по теме «Пептиды, аминокислоты, белки» Индивидуальные задания по дидактическим карточкам (2–3 человека письменно) Индивидуальная работа у доски «Решение задач» (2 человека письменно) Работа с плакатом «Функции белков». Найти соответствие, убрать «лишнее» (письменно) Коллективная работа по вопросам с применением опорных конспектов, основных понятий и демонстрацией опытов (устно) II. Самостоятельная работа. Тест с уровнем знаний А, В, С III. Сообщения учащихся Болезни, обусловленные нарушением синтеза функционирования белков Протеомика Белковая инженерия Белковое питание и здоровье IV. Заключение. Резюме V. Подведение итогов Оцениваются: 4–5 человек за индивидуальную работу 2 – за решение задач 3–4 – за сообщение 2–4 – за демонстрацию опытов Все за тестовые задания. ХОД УРОКА Учитель: Белки являются важными химическими соединениями, входящими в состав всех живых клеток и живых организмов с функционированием белков связано формирование признаков, характерных для всех клеток и всего организма. Нарушение строения и функционирования белков может привести к заболеваниям. Цель нашего урока – обобщить, повторить материал по теме «Пептиды и белки», так как в ЕГЭ встречается много вопросов по данной теме, и выявить пробелы. Работаем индивидуально, попарно, коллективно по желанию. 1. Индивидуальное задание по дидактическим карточкам (письменно) Карточка №1 Карточка №2 Рассмотрите общую формулу и строение некоторых аминокислот. Рассмотрите общую формулу и строение некоторых аминокислот. а) Какими свойствами обладают аминокислоты, если аминогруппа (–NH2) по свойствам аналогична аммиаку, а карбоксильная группа (–CООН) карбоновой кислоте? б) В чем сходство и отличие в строении этих аминокислот? Какой группой определяется уникальность свойств каждой аминокислоты? Ответ учащегося: 1. Аминокислоты амфотерны, т.к. обладают и кислотными и основными свойствами. NH2 – придает основные свойства, СООН – кислые свойства. 2. Отличаются аминокислоты по радикалу, сходство, что имеют все аминогруппу, карбоксильную группу, которые связаны через атом углерода (а–с). 3. Уникальность свойств аминокислот определяется радикалом аланин. Валин – с гидрофобным радикалом – неполярные аминокислоты, глицин с гидрофильным радикалом, т.е. полярная аминокислота, заменимая в организме, аланин тоже заменимая, а валин абсолютно незаменимая. 2. Индивидуальная работа у доски. Решение задач Задание №1 Молекулярная масса белка 100000. Определить длину гена. Решение учащихся: Мм аминокислоты (1) – 100 Определяем количество аминокислот: 100000 : 100 = 1000 1 аминокислота кодируется 3 триплетами. Определяем количество нуклеидов: 1000 х 3 = 3000 нуклеидов. Длина нуклеида (1) 0,34 нм. Определяем длину гена: 0.34 нм х 300 = 1020 нм. Ответ: длина гена 1020 нм Задание №2 Участок молекулы ДНК кодирующий часть полипептидной цепи имеет строение Ц–А–Т–Т–Т–Т–Г–А–Т. Определить какими аминокислотами закодирована цепь ДНК Решение учащихся: Одна аминокислота соответствует 3 нуклеидам , проводим транскрипцию и РНК по принципу комплемент арности и по таблице находим аминокислоты 0.34 нм х 300 = 1020 нм Ответ: вал-лиз-лей 3. Работа с плакатом «Функции белков» на магнитной доске. Определить группу белков по выполняющей функции и исключить лишнее Ответ учащихся: Белок 1. коллаген 2. мукопротеин 3. гемоглобин 4. эластин 5. кератин 6. тубулин 7. флагелин 8. актин 9. меозин 10. альбулин 11. оксин 12. фитохром 13. гликопротеины 14. цитохромы 15. интерферон 16. антитела 17.. тромбопластин 18..тромбин 19. гемоцианин 20. инсулин 21. самотропин 22. миоглобин 23. нейропептиды 24. каталаза 25. амилаза 26. пепсин 27. ферритин 28. трипсин Функции 1. Строительная или структурная: 1,2,4,5 2. Двигательная: 6,7,8,9 3. Рецепторная: 11,12,13 4. Защитная: 15,16,17,18 5. Регуляторная: 20,21,23 6. Ферментативная: 24,25,26,28 Лишнее Транспортная – 3 Запасающая транспортная – 10 Транспортная – 14 Транспортная – 19 Запасающая – 22 Запасающая – 27 В это время остальные дети работают коллективно по вопросам. 4. Фронтальная работа по вопросам (вопрос – ответ) 1. Что такое пептиды и белки? Ответ учащегося: Линейные полимеры, состоящие из остатков аминокислот, соединенных друг с другом пептидными связями. Цепи из небольшого числа аминокислотных остатков – пептиды, а цепи, состоящие более чем из 10 аминокислотных остатков называются полипептиды или белки. 2. Как вы понимаете простые и сложные белки? Ответ учащегося: Простые содержат только аминокислотные остатки. Сложные содержат еще и не аминокислотные компоненты: производные витаминов, углеводные и липидные компоненты.. 3. Полипептид глюкагон состоит из 29 аминокислотных остатков. На доске представлен фрагмент белка глюкагона. Проанализируйте и ответьте на вопрос: От чего зависит структура и физико- химические свойства белков и пептидов? Ответ учащегося: От числа, химической структуры и порядкового расположения аминокислотных остатков. 4. Какие функциональные группы входят в состав аминокислот? (использование таблицы) Ответ учащегося: Аминогруппа NH2, карбоксильная группа СООН, радикал. Все они соединены с углеродным атомом. В природе существует около 300 аминокислот, в природные белки входят 20 аминокислот. 5. Какими свойствами обладают аминокислоты? Ответ учащегося: амфотерными, т.к. аминогруппа придает аминокислоте основные свойства, а карбоксильная группа – кислотные свойства. По радикалу все аминокислоты отличаются друг от друга, т.к. радикал может содержать СН3, СООН, NH2 и другие химические группировки. 6. Как опытным путем доказать, что в белке имеются циклические аминокислоты, радикал которых содержит бензольные кольца. Учащийся показывает опыт. Опыт №1. С помощью ксантопротеиновой реакции (греч. Хаntos – желтый). К 5 каплям 1% раствора яичного белка добавляем 3 капли концентрированной азотной кислоты (осторожно!) и нагреваем. Появился осадок желтого цвета. После охлаждения в пробирку добавляем 5–10 капель 10% раствора едкого натра до появления оранжевого окрашивания (связано с образованием натриевой соли этих нитро соединений) 7. На какие три группы можно классифицировать аминокислоты? Ответ учащегося: структурную, электрохимическую, биологическую. 8. Используя таблицу, ответьте на вопрос: На чем основана каждая классификация а) структурная – на особенностях строения радикала выделяют алифатические незамещенные, алифатические замещенные, циклические аминокислоты (Приложение 2. Таблица №1) б) электрохимическая классификация строится по кислотно-основным свойствам радикала аминокислот (Приложение 2. Таблица № 2) 1. Кислые аминокислоты в радикале имеют дополнительную группу СООН–, ОН–, НS– 2. Основные аминокислоты имеют в радикале дополнительную группу NH2, гуанидиновую или имидазольную. 3. Нейтральные аминокислоты имеют радикал не проявляющий ни те ни другие свойства. Кислые и основные аминокислоты объединяются в группу полярных (гидрофильных) аминокислот. Сюда же входят нейтральные аминокислоты, радикалы которых полярны и образуют водородные связи с молекулой Н2О (связь С–О; С–N, О–Н, S–Н), остальные неполярные или гидрофобные. в) биологическая классификация распределяет аминокислоты на группы по степени незаменимости их для организма человека (Приложение 2. Таблица №3). 1. Незаменимые не могут синтезироваться организмом, у животных и человека 8 аминокислот, у крыс и мышей добавляется еще гистидин, а у кур – аргинин, гистидин, тирозин; 2. Частично заменимые, синтезируются сложным путем в организме; 3. Условно заменимые для синтеза необходимы незаменимые кислоты. Например, для синтеза тирозина требуется фенилаланин, цистита – метионин; 4. Заменимые синтезируются в организме. Углеродный скелет аминокислот образуется из глюкозы, а универсальным донором аминогруппы служит глутаминовая кислота. Учитель. Кроме 20 стандартных аминокислот в белках живых организмов встречается необычная кислота – селено цистеин. Она похожа на цистеин, но вместо атома серы в ее радикале расположен атом селена. Селеноцистеин обнаружен у разных организмов от древнейших бактерий до человека. Он входит в состав ферментов и в последние годы рассматривается как 21 белковая кислота, шифруется в ДНК и РНК. В РНК кодируется триплетом УГА. Этот триплет означает окончание трансляции, но если он окружен особыми сочетаниями триплетов, то в рибосоме с этим триплетом взаимодействует транспортная РНК. Так же в организме животных и человека встречаются аминокислоты, которые не входят в состав белков, но имеют важное биологическое значение. Например, тироксин, гормон щитовидной железы является производным тирозина, -аминомасляная кислота (ГАМК) одним из нейромедиаторов. 9. Физические свойства аминокислот? – Легко растворяются в полярных растворителях (вода, этанол). – Не растворяются в неполярных растворителях (эфир, бензол, гексан). – Имеют высокую температуре плавления > 200оС. – Не поглощают свет в видимой области спектра, поэтому бесцветны. 10. Какие уровни организации белков имеются в природе и какими связями обусловлены? – Первичная, вторичная, четверичная структуры связи: пептидные, водородные, гидрофобные, ионные, дисульфидные, глобулярные. 11. Каким опытным путем доказать пептидную связь? – Биуретовая реакция на определение пептидной связи. Метод основан на способности пептидной связи в щелочной среде образовывать с сульфидом меди окрашенные комплексные соединения. Опыт 2 (учащийся) В пробирке вносим 5 капель 1% раствора яичного белка (вначале профильтровали через марлю и развели с дистиллированной водой 1:10), три капли 10% раствора гидроксида натрия и 1 каплю сульфата меди, все перемешиваем. Содержимое приобретает фиолетовое окрашивание. Раствор белка + NaОН + СuSО4 ––> фиолетовое окрашивание. Пептидная связь по своей природе является прочной ковалентной связью между атомом углерода карбоксильной –СО – NH –, или , располагаются в одной плоскости. Пептидная связь характерна для первичной структуры белка, где аминокислоты белков располагаются линейно. I – структура отличается количеством аминокислот, последовательностью и соотношением радикалов. При записи последовательности N конец записывается слева, а С конец справа. 12. Что собой представляет вторичная структурна белка? – II структура полипептидная цепь уложенная определенным образом с многочисленными водородными связями между атомами пептидных групп. Различают 2 вида структур: -спираль, -складчатый слой. -спираль имеет спиральную конфигурацию (жесткого цилиндра) образуется водородными связями, в связях участвуют все пептидные группы СО и NH, радикалы не участвуют в образовании спирали. Спираль устойчива, высота одного витка 0,54 нм, в один виток входит 3,6 – 4 аминокислот. -складчатый слой имеет вид изогнутой цепи, формируется с помощью водородных связей между водородом NH и кислородом СО-групп двух аминокислотных остатков, находящихся на большом расстоянии друг от друга. Радикалы могут располагаться как с наружной, так и внутренней сторон. 13. Что собой представляет третичная и четвертичная структура белка? – III структура – спираль, уложенная в глобу (шарик). Связи возникают между радикалами. Они могут быть разными: а) гидрофобными – неполярные радикалы собираются в группы, оттесненные молекулами воды (связь водородная между молекулами воды); б) ионные или солевые – между полярными радикалами; в) дисульфидные – между радикалами, содержащими серу (цистеин). Это прочные связи по природе ковалентные; г) Ван-дер-Вальсовы силы – взаимодействие электрически нейтральных молекул или атомов. – IV структура – агрегат, состоящий из 2-х или более полипептидных цепей, связанных между собой нековалентными связями. 14. Приведите примеры белков III и IV структур, относящихся к разным классам. – III структура: 1) фибриллярные белки – вытянутые в виде волокна, например, фиброин – белок натурального шелка; 2) мембранные белки – расположенные в мембране, например, рецепторы гармонов, натриевые и калиевые каналы, порин, родопсин; 3) глобулярные – растворимые в воде, шаровидные. Миозин – заканчивается глобой. – IV структура – гемоглобин 15. Какими свойствами обладают белки? – Белки 1) амфотерные – проявляют и кислые и основные свойства 2) гидрофобные и гидрофильные 3) обладают буферностью – поддерживают концентрацию ионов водорода на постоянном уровне 4) белки способны к самосборке 5) стабильность характерна белкам 6) спецефичность характерна белкам 7) способны к обратным конформационным изменениям 8) денатурация – разрушение II, III, IV структур под действием физических и хзимических факторов с сохранением первичной структуры 9) ренатурация – восстановление пространственной структуры и биологической активности, если не нарушена I структура белка. Опыт 3. Денатурация белка Куриный белок растворяем в 150 мл воды. Наливаем в пробирку 4–5 мл раствора и нагреваем на горелке до кипения. Раствор помутнел, т.к. белок денатурировал. Получившийся осадок при нагревании не растворяется при охлаждении и разбавленный водой, значит обратного процесса – ренатурации не происходит, т.к. разрушена I структура белка. 16. Какие функции в клетке выполняют белки? Приведите примеры. 1. Двигательная – актин, миозин, белок мышц; тубулин образованы микротрубочкой клеток; флагмин – в состав жгутиков бактерий; динеин, кинезин – молекулярные двигатели. 2. Транспортная – гемоглобин – перенос О2 и Н2О; ферритин – транспортирует ионы железа; транспортные белки мембран образуют ионные каналы для перемещения Na+, К+. 3. Рецепторная – рецептор инсулина, глюкагон, т.е. белковые гормоны. 4. Защитная – антитела, протромбин, фибриноген; лизоцим – содержащийся в слюне; муцин – в слюне и желудке. 5. Структурная – кератин, белок, волос, перьев птиц, когтей пресмыкающихся и зверей. Коллаген – входит в состав сухожилий. Гистоны – белки ДНК. 6. Энергетическая – 1 г белка – 17,6 кДж. 7. Ферментативная – не всегда белки ферменты, но все ферменты – белки. Ферменты – биологические катализаторы 17. Какими свойствами обладают белки и при каких условиях функционируют? 1) высокая эффективность действия 2) специфичность действия 3) способность к регуляции Ферменты функционируют при строго определенных условиях в определенном диапазоне температуры, кислотности среды, концентрации ионов и т.д. 18. В каких случаях белок применяется как противоядие? – При отравлении солями тяжелых металлов. Опыт 4. В две пробирки наливаем по 1–2 капли раствора белка и медленно при встряхивании по каплям добавляем в 1 пробирку насыщенный раствор медного купороса, а в другую – ацетата свинца. В пробирке образовалось труднорастворимое солеобразное соединение белка. Данный опыт иллюстрирует применение белка, как противоядие при отравлении солями тяжелых металлов. II. Самостоятельная работа. Тест с заданиями уровня А, В, С (проверить можно взаимопроверкой или индивидуально) (Приложение 4) III. Сообщения учащихся (Приложение 1) 1. Болезни, обусловленные нарушением синтеза функционирования белков. 2. Протеомика. 3. Белковая инженерия. IV. Заключение. Резюме Белки являются важнейшими химическими соединениями, функционирующими в клетке и организме. Благодаря уникальным особенностям своей пространственной структуры они вступают во взаимодействия друг с другом и другими химическими соединениями, что сопровождается выполнением ими определенной работы. Нормально функционирующие белки принимают непосредственное участие в формировании фенотипа здорового человека. Мутации белок-кодирующих генов ведут к нарушению структуры или функционирования белков, что может явиться причиной болезни. Измененные белки человеческого организма и наивные белки болезнетворных микроорганизмов являются наиболее распространенными мишенями для лекарственного воздействия. Зная механизмы активации генов, транскрипции, трансляции, фолдинга белков и пострансляционных изменений белков, можно регулировать синтез белков с помощью фармакологических препаратов. В свою очередь, регулируя синтез белков и их активность, можно управлять процессом развития нормальных и патологических признаков. Изучая закономерности формирования третичной структуры белков, ученые конструируют белки с заранее заданными свойствами V. Подведение итогов урока Оцениваются: индивидуальная работа по карточкам 5–6 учащихся по вопросам – 6–7 учащихся тест с/работа – все учащиеся выступающие с сообщением – 3–4 демонстрация опытов – 2 –4 Приложения: Приложение 1: Сообщение учащихся Приложение 2: Таблицы Приложение 3: Опорные конспекты Приложение 4: Тестовые задания I и II вариант Приложение 1 1. Болезни, обусловленные нарушением синтеза функционирования белков Белки являются теми химическими соединениями, деятельность которых ведет к формированию нормальных признаков здорового организма. Прекращение синтеза того или иного белка или изменение его структуры ведет к формированию патологических признаков и развитию болезней. Назовем несколько заболеваний, обусловленных нарушением структуры или интенсивности синтеза белков. 1. Классическая гемофилия обусловлена отсутствием в плазме крови одного из белков, участвующих в свертывании крови; у больных людей наблюдается повышенная кровоточивость 2. Серповидноклеточная анемия обусловлена изменением первичной структуры гемоглобина: у больных людей эритроциты имеют серповидную форму, число эритроцитов уменьшено в результате ускоренного процесса их разрушения; гемоглобин связывает и переносит меньшее, чем в норме, количество кислорода. 3. Гигантизм обусловлен повышенным количеством гормона роста; больные имеют чрезмерно высокий рост. 4. Дальтонизм обусловлен отсутствием пигмента колбочек сетчатки, участвующем в формировании восприятия цвета; дальтоники не различают некоторые цвета. 5. Диабет связан с так называемой недостаточностью гормона инсулина, которая может быть обусловлена разными причинами: уменьшением количества или изменением строения выделяемого инсулина, уменьшением количества или изменением структуры рецептора инсулина. У больных людей наблюдается повышенное количество глюкозы в крови и развиваются сопутствующие этому патологические признаки. 6. Злокачественная холестеринемия обусловлена отсутствием в цитоплазматической мембране клеток нормального рецепторного белка, узнающего транспортный белок, переносящий молекулы холестерина; в организме больных нужный клеткам холестерин не проникает в клетки, а в больших количествах скапливается в крови, откладывается в стенке кровеносных сосудов, что ведет к их сужению и быстрому развитию гипертонии в раннем возрасте. 7. Прогрессирующая ксеродерма обусловлена нарушением работы ферментов, которые в норме осуществляют восстановление в клетках кожи участков ДНК, повреждающихся УФ-лучами; больные не могут находиться на свету, так как в этих условиях у них возникают многочисленные кожные язвы и воспаление. 8. Муковисцидоз обусловлен изменением первичной структуры белка, формирующего в наружной плазматической мембране канал для ионов СГ; у больных в воздухоносных путях скапливается большое количество слизи, что ведет к развитию заболеваний органов дыхания. 2. Протеомика Ушедший XX век характеризовался возникновением и бурным развитием научных дисциплин, которые расчленяли биологическое явление на составляющие его компоненты и стремились объяснить явления жизни через описание свойств молекул, в первую очередь биополимеров, входящих в состав живых организмов. Этими науками были биохимия, биофизика, молекулярная биология, молекулярная генетика, вирусология, клеточная биология, биоорганическая химия. В настоящее время развиваются научные направления, которые пытаются, исходя из свойств составляющих, дать целостную картину всего биологического явления. Для этой новой, интегративной стратегии познания жизни требуется громадный объем дополнительной информации. Науки нового века - геномика, протеомика и биоинформатика уже начали поставлять для нее исходный материал. Геномика биологическая дисциплина, изучающая структуру и механизм функционирования генома в живых системах. Геном - совокупность всех генов и межгенных участков любого организма. Структурная геномика изучает строение генов и межгенных участков, играющих большое значение в регуляции активности генов. Функциональная геномика изучает функции генов, функции их белковых продуктов. Предметом изучения сравнительной геномики являются геномы разных организмов, сравнение которых позволит понять механизмы эволюции организмов, неизвестные функции генов. Геномика возникла в начале 90-х годов XX века вместе с проектом "Геном человека". Задача этого проекта состояла в том, чтобы определить последовательность всех нуклеотидов в геноме человека с точностью до 0,01%. К концу 1999 года полностью раскрыто строение генома многих десятков видов бактерий, дрожжей, круглого червя, дрозофилы, растения арабидопсиса. В 2003 году расшифрован геном человека. Геном человека содержит около 30 тысяч белок-кодирующих генов. Только для 42% из них известна их молекулярная функция. Оказалось, что с дефектами генов и хромосом связано лишь 2% всех наследственных заболеваний; 98% заболеваний связаны с нарушением регуляции нормального гена. Гены проявляют свою активность в синтезируемых белках, выполняющих в клетке и организме различные функции. В каждой конкретной клетке в определенный момент времени функционирует определенный набор белков - протеом. Протеомика - наука, изучающая совокупность белков в клетках при разных физиологических состояниях и в разные периоды развития, а так же функции этих белков. Между геномикой и протеомикой есть существенная разница - геном стабилен для данного вида, тогда как протеом индивидуален не только для разных клеток одного организма, но и для одной клетки в зависимости от ее состояния (деление, покой, дифференцировка т.д.). Множество протеомов, свойственное многоклеточным организмам, создает огромную трудность их изучения. Пока даже неизвестно точное число белков в человеческом организме. По некоторым оценкам их сотни тысяч; лишь несколько тысяч белков уже выделены, еще меньшая их часть подробно изучена. Идентификация и описание белков - это чрезвычайно сложный технически процесс, требующий комбинации биологических и компьютерных методов анализа. Однако разрабатываемые в последние годы методы выявления продуктов активности генов – молекул иРНК и белков - позволяют надеяться на быстрый прогресс в этой области. Уже сейчас созданы методы, позволяющие одновременно выявлять сотни клеточных белков одновременно и сравнивать белковые наборы в разных клетках и тканях в норме и при разных патологиях. Одним из таких методов является использование биологических чипов, позволяющих обнаруживать в изучаемом объекте сразу тысячи разных веществ: нуклеиновых кислот и белков. Открываются большие возможности для практической медицины: имея протеомную карту, подробный атлас всего комплекса белков, врачи, наконец, получат долгожданную возможность лечить само заболевание, а не симптомы. Геномика и протеомика оперирует с такими огромными массивами информации, что возникла острая потребность в биоинформатике - науке, которая собирает, сортирует, описывает, анализирует и перерабатывает новую информацию о генах и белках. Используя математические методы и вычислительную технику, ученые строят генные сети, моделируют биохимические и иные клеточные процессы. Через 10-15 лет геномика и протеомика достигнут такого уровня, что станет возможным изучать метаболом - комплексную схему взаимодействий всех белков в живой клетке. Эксперименты на клетках и организме будут заменены на опыты с компьютерными моделями. Появится возможность создания и применения индивидуальных лекарственных средств, разработки индивидуальных профилактических мероприятий. Особенно сильное влияние новые знания окажут на биологию развития. Станет возможным получать целостное и вместе с тем достаточно детализированное представление об индивидуальных клетках, начиная от яйцеклетки и сперматозоида и вплоть до дифференцированных клеток. Это позволит впервые на количественной основе следить за взаимодействием индивидуальных клеток на разных стадиях эмбриогенеза, что всегда было заветной мечтой ученых, изучающих биологию развития. Открываются новые горизонты в решении таких проблем как канцерогенез и старение. Достижения геномики, протеомики и биоинформатики окажут решающее влияние на теорию эволюции и систематику организмов. 3. Белковая инженерия Физические и химические свойства природных белков часто не удовлетворяют условиям, в которых эти белки будут использоваться человеком. Требуется изменение его первичной структуры, которое обеспечит формирование белка с иной, чем прежде, пространственной структурой и новыми физико- химическими свойствами, позволяющими и в иных условиях выполнять присущие природному белку функции. Конструированием белков занимается белковая инженерия. Для получения измененного белка используют методы комбинаторной химии и осуществляют направленный мутагенез - внесение специфических изменений в кодирующие последовательности ДНК, приводящие к определенным изменениям в аминокислотных последовательностях. Для эффективного конструирования белка с заданными свойствами необходимо знать закономерности формирования пространственной структуры белка, от которой зависят его физико- химические свойства и функции, то есть необходимо знать как первичная структура белка, каждый его аминокислотный остаток влияет на свойства и функции белка. К сожалению, для большинства белков неизвестна третичная структура, не всегда бывает известно, какую именно аминокислоту или последовательность аминокислот нужно изменить, чтобы получить белок с нужными свойствами. Уже сейчас ученые с помощью компьютерного анализа могут предсказывать свойства многих белков, исходя из последовательности их аминокислотных остатков. Подобный анализ значительно упростит процедуру создания нужных белков. Пока же для того, чтобы получить измененный белок с нужными свойствами, идут в основном иным путем: получают несколько мутантных генов и находят тот белковый продукт одного из них, который обладает нужными свойствами. Для направленного мутагенеза используют разные экспериментальные подходы. Получив измененный ген, его встраивают в генетическую конструкцию и вводят ее в прокариотические или эукариотические клетки, осуществляющие синтез белка, кодируемого этой генетической конструкцией. Потенциальные возможности белковой инженерии заключаются в следующем. 1. Изменив прочность связывания преобразуемого вещества - субстрата - с ферментом, можно повысить общую каталитическую эффективность ферментативной реакции. 2. Повысив стабильность белка в широком диапазоне температур и кислотности среды, можно использовать его в условиях, при которых исходный белок денатурирует и теряет свою активность. 3. Создав белки, способные функционировать в безводных растворителях, можно осуществлять каталитические реакции в нефизиологических условиях. 4.Изменив каталитический центр фермента, можно повысить его специфичность и уменьшить число нежелательных побочных реакций 5.Повысив устойчивость белка к расщепляющим его ферментам, можно упростить процедуру его очистки. 6. Изменив белок таким образом, чтобы он мог функционировать без обычного для него не аминокислотного компонента (витамина, атома металла и т.п.), можно использовать его в некоторых непрерывных технологических процессах. 7.Изменив структуру регуляторных участков фермента, можно уменьшить степень его торможения продуктом ферментативной реакции по типу отрицательной обратной связи и тем самым увеличить выход продукта. 8.Можно создать гибридный белок, обладающий функциями двух и более белков. 9.Можно создать гибридный белок, один из участков которого облегчает выход гибридного белка из культивируемой клетки или извлечение его из смеси. Познакомимся с некоторыми достижениями генной инженерии белков. 1.Заменив несколько аминокислотных остатков лизоцима бактериофага Т4 на цистеин получен фермент с большим числом дисульфидных связей, благодаря чему этот фермент сохранил свою активность при более высокой температуре. 2.Замена остатка цистеина на остаток серина в молекуле р-интерферона человека, синтезируемого кишечной палочкой, предотвращала образование межмолекулярных комплексов, при котором примерно в 10 раз уменьшалась противовирусная активность этого лекарственного средства. 3.Замена остатка треонина в положении 51 на остаток пролина в молекуле фермента тирозил-тРНК-синтетазы повысило каталитическую активность этого фермента в десятки раз: он стал быстрее присоединять тирозин к тРНК, переносящей эту аминокислоту в рибосому в ходе трансляции. 4.Субтилизины - богатые серином ферменты, расщепляющие белки. Они секретируются многими бактериями и широко используются человеком для биодеградации. Они прочно связывают атомы кальция, повышающие их стабильность. Однако в промышленных процессах присутствуют химические соединения, которые связывают кальций, после чего субтилизины теряют свою активность. Изменив ген, ученые удалили из фермента аминокислоты, участвующие в связывании кальция, и заменили одну аминокислоту на другую с целью повышения стабильности субтилизина. Измененный фермент оказался стабильным и функционально активным в условиях, близких к промышленным. 5.Была показана возможность создания фермента, функционирующего по типу рестриктаз, расщепляющих ДНК в строго определенных местах. Ученые создали гибридный белок, один фрагмент которого узнавал определенную последовательность нуклеотидных остатков в молекуле ДНК, а другой расщеплял ДНК в этом участке. 6.Активатор тканевого плазминогена - фермент, который используют в клинике для растворения сгустков крови. К сожалению, он быстро выводится из системы кровообращения и его приходится вводить повторно или в больших дозах, что приводит к побочным эффектам. Внеся три направленные мутации в ген этого фермента, получили долгоживущий фермент, обладающий повышенным сродством к разрушаемому фибрину и с такой же фибринолитической активностью, как у исходного фермента. 7.Произведя замену одной аминокислоты в молекуле инсулина, ученые добились того, что при подкожном введении этого гормона больным, страдающим диабетом, изменение концентрации этого гормона в крови было близко к физиологическому, возникающему после приема пищи. 8.Существует три класса интерферонов, обладающих противовирусной и противораковой активностью, но проявляющих разную специфичность. Заманчиво было создать гибридный интерферон, обладающий свойствами интерферонов трех типов. Были созданы гибридные гены, включающие в себя фрагменты природных генов интерферонов нескольких типов. Часть этих генов, будучи встроенными в бактериальные клетки, обеспечивали синтез гибридных интерферонов с большей, чем у родительских молекул, противораковой активностью. 9.Природный гормон роста человека связывается не только с рецептором этого гормона, но и с рецептором другого гормона - пролактина. Для того, чтобы избежать нежелательных побочных эффектов в процессе лечения, ученые решили устранить возможность присоединения гормона роста к пролактиновому рецептору. Они добились этого, заменив некоторые аминокислоты в первичной структуре гормона роста с помощью генетической инженерии. 10. Разрабатывая средства против ВИЧ-инфекции, ученые получили гибридный белок, один фрагмент которого обеспечивал специфическое связывание этого белка только с пораженными вирусом лимфоцитами, другой фрагмент осуществлял проникновение гибридного белка внутрь пораженной клетки, а еще один фрагмент нарушал синтез белка в пораженной клетке, что приводило к ее гибели. Таким образом, мы убедились в том, что, изменяя специфические участки белковой молекулы, можно придавать новые свойства уже существующим белкам и создавать уникальные ферменты. Белки являются основной мишенью для лекарственных средств. Сейчас известно около 500 мишеней для действия лекарств. В ближайшие годы их число возрастет до 10 000, что позволит создать новые, более эффективные и безопасные лекарства. В последнее время разрабатываются принципиально новые подходы поиска лекарственных средств: в качестве мишеней рассматриваются не одиночные белки, а их комплексы, белок-белковые взаимодействия и фолдинг белков. Таблица №1 Упрощенная структурная классификация аминокислот Приложение 2 Ациклические  Алифатические незамещенные Аланин Глицин Валин Лейцин Алифатические замещенные Циклические  Серин Треонин Цистеин Метионин ФенилаланинТирозин Триптофан Гистидин Пролин Изолейцин Аспарагиновая кислота Глутаминовая кислота Аспаргин Глутамин Мезин Аргинин Таблица №2 Неполярные и полярные аминокислоты (к ­ кислоты, о – основные радикалы, н – нейтральные) Неполярные аминокислоты с гидрофобными радикалами Полярные аминокислоты с гидрофильными радикалами Аланин Валин Изолейцин Лейцин Метионин Пролин Триптофак Фенилаланин Аргин (о) Аспаргин (н) Аспаргиновая кислота (к) Гистадин (о) Глицин (н) Глутамин (н) Глутаминовая кислота (к) Лизин (о) Серин Тирозин (к) Треонин Цистеин (к) Таблица №2 Классификация аминокислот по биологическому  или физиологическому значению для человека Абсолютно незаменимые Частично заменимые Условно заменимые Заменимые Валин Изолейцин Лейцин Лизин Метионин Треонин Аргин Гистидин Типозин Цистеин Аланин Аспаргин Аспаргиновая кислота Глицин Глутамин Триптофак Фенилаланин Глутаминовая кислота ПролинСерин ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Опорные конспекты ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Вариант I Вариант II Уровень А ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ 1 .Мономером белка является: а) глюкоза, б) аминокислота в) жирная кислота г) нуклеотид 2.Что собой представляет I структура белка: а) последовательность соединений аминокислот, б) спираль, в) глоба, г) агрегат, состоящий из нескольких глоб 3. Чем обусловлены физико- химические свойства белков: а) химической структурой аминокислот, б) порядковым расположением, в) числом аминокислотных остатков г) все ответы верны 4.Гидролиз белков используют: а) для получения аминокислот, б) для получения студней, в) для снижения растворимости белков в воде, г) для качественного обнаружения белков. 5.Для проведения биуретовой реакции потребуется реагент: а) HNOз, б) (СНЗСООО)2Рб, в) Н2SО4, г) СuSО4 2.Простые белки состоят из а) аминокислот и глюкозы, б) жирных аминокислот, в) аминокислот и нуклеотидов, г) только из аминокислот 2.Что собой представляет III структура белка: а) последовательность соединений аминокислот, б) спираль, в) глоба, г) агрегат, состоящий из нескольких глоб. 3, Какими свойствами обладают белки: а) денатурация, б) амфотерность, в) ренатурация, г) все ответы верны 4. По реакции поликонденсации образуются высокомолекулярные вещества: а) белок, б) крахмал, в) полиэтилен, г) полихлорвинил. 5. Выпадение черного осадка при взаимодействии раствора белка с ацетатом свинца (II) в щелочной среде указывает на наличие в белке: а) бензольных ядер, б) пептидной связи, в) серосодержащих групп, г) гидроксильных групп. б.Появление желтой окраски при взаимодействии раствора белка с концентрированной азотной кислотой указывает на наличие в белке остатков аминокислот, содержащих: а) сульфидную группу, б) гидроксильную группу, в) бензольное ядро, г) альдегидную группу. Задание В-1 6. Все пептидные связи в молекуле белка разрушаются: а) при гидролизе, б) под действием солей натрия, в) при слабом нагревании, г) при воздействии разбавленного раствора этанола. II I Найти соответствие между белками и их функцией А – строительная В – рецепторная 1. коллаген 2. гемоглобин 3. опсин 4. актин 5. глобулин 6. миозин 7. фитохром 8. кератин 9. эластин 10. 1. коллаген 2. гемоглобин 3. опсин 4. актин 5. глобулин А – транспортна В – двигательная тубу лин 6. миозин 7. фитохром 8. кератин 9. эластин 10. тубул ин Задание В2 Найти неверные ответы, записать верные 1. Белки – это высокомолекулярные биополимеры 2. Белки при распаде выделяют энергию 1 г – 39,6 кдж. энергии 3. Гормоны белковой структуры выполняют структурную функцию 4. Белок крови тубулин 5. Все ферменты – белки 1. Мономер белка – нуклеонид 2. Белки выделяют 17,6 кдж энергии 3. Актин белок крови 4. Денатурация – это восстановление разделительной структуры белка 5. Белки образуют одну структурную форму Задание В3 С1 Проанализируйте и докажите верность цитаты: «Ферменты – возбудители жизни и первый акт жизненной деятельности». И.П. Павлов