Тип урока: обобщающий
Цель урока: На основе межпредметных связей биологии и химии, углубить и расширить ранее полученные учащимися на уроках знания о белках
Задачи урока:
- Образовательные:
- Расширить представления о белках: строении, физических и химических свойствах, важном значении белков для всех живых организмов.
- Провести связь между биологическими и химическими процессами.
- Воспитательные:
- Формирование диалектико – материалистического мировоззрения,
- Совершенствование навыков самообразования.
- Развитие интереса к наукам биологии и химии, понимание их неразрывной связи друг с другом.
Оборудование урока:
- Таблицы: а) строение молекулы белка;
б) уровни организации белковой молекулы;
в) строение молекул ДНК и РНК; - Объёмная модель молекулы ДНК;
- Мультимедийный проектор (для изображения моделей некоторых молекул белков, 20 аминокислот, входящих в состав молекулы белка, изображения некоторых формул молекул белков, молекулярный состав молекул: молока, пенициллина,гемоглобина)
- Оборудование для химических опытов: белок куриного яйца, хлопчатобумажная и шерстяная нить, спички, белый хлеб, азотная кислота (к.), гидроксид меди(2), этиловый спирт, пробирки, спиртовка, держатель для пробирок.
Ход урока
На доске эпиграф «Жизнь – есть способ существования белковых молекул»
Учитель биологии: Конечно, нельзя приписывать свойство жизни одному соединению, оно проявляется лишь в результате многообразных реакций, в которых участвуют различные соединения, но белки – это основа жизни и чтобы ответить на вопрос: «Что такое жизнь?», вы, прежде всего, должны раскрыть тайны веществ, лежащих в её основе, и ответить на вопрос: «Что такое белок?».
Учитель химии: Белки нельзя отнести ни к одному из ранее изученных соединений, так как их молекулы содержат различные функциональные группы. Это характеризует белок как качественно новый уровень развития материи, высшую форму развития вещества.
Учитель биологии: Белковые молекулы не только очень велики, но и чрезвычайно сложны. Белки - сложные полипептиды. Аланил - глицин и глицилаланин. ("О", "Н" - "НО", "ОН"). Из трех аминокислот - 6 изомерных трипептида. Чем больше различных аминокислот соединены между собой, тем больше число возможных полипептидов. Из 17 аминокислот - 3,56 1014 изомеров. Тело человека = 100.000 разных видов белковых молекул. Белок из 12 аминокислот имеет 288 различных пептидных связей и может существовать в виде 10280 в действительности - 1027 г.
Доклад ученика «Белки в природе
БЕЛКИ - высокомолекулярные азотсодержащие органические вещества, молекулы которых построены из аминокислот; являются структурной и функциональной основой жизнедеятельности всех живых организмов. В природе существует примерно 1010-1012 различных белков, обеспечивающих жизнедеятельность организмов всех степеней сложности, от вирусов до человека. Белками являются ферменты, антитела, многие гормоны и другие биологически активные вещества.
По физ.-хим. свойствам белки делят на фибриллярные и глобулярные, гидрофильные (растворимые в воде) и гидрофобные (нерастворимые в воде). Различают также простые белки - протеины и сложные белки, в состав молекул которых помимо белка входят вещества небелковой природы.
К протеинам относятся альбумины и глобулины, составляющие основную массу белков животного организма. Альбумины сыворотки крови человека во многом определяют свойства самой сыворотки и протекание ряда обменных процессов в организме в целом. Снижение концентрации альбуминов в сыворотке крови отмечают при различных тяжелых поражениях печени, т. к. эти белки синтезируются в этом органе. Глобулинами являются такие функционально важные белки, как иммуноглобулины и комплемент, эритропоэтины, принимающие участие в кроветворении и др.
К сложным белкам относятся белки, имеющие самое разнообразное назначение в организме: металлопротеины, липопротеины, гликопротеины, фосфопротеины и др. Небелковой частью молекул металлопротеинов являются ионы различных металлов, к-рые нельзя удалить из молекулы белка, не повредив ее белковую часть. Металлопротеинами являются многие ферменты, содержащие железо (цитохромы, каталаза), медь (тирозиназа), цинк (алкогольдегидрогеназа), а также дыхательные пигменты, в т. ч. гемоглобин, миоглобин и др. Липопротеины представляют собой хим. комплексы белков с липидами. Липопротеины выполняют важнейшую функцию депонирования и транспорта липидов, являются необходимой составной частью клеточных мембран. Концентрация разных липопротеинов в сыворотке крови служит диагностическим признаком ряда заболеваний (атеросклероза, ожирения и др.). Белки, в которых небелковая часть представлена углеводами (или углеводом), называют гликопротеинами. Гликопротеинами являются некоторые ферменты и гормоны, антитела и другие физиологически активные белки. Полагают, что специфическая активность этих соединений определяется именно углеводной частью их молекул. Сложные белки, молекулы к-рых содержат остатки фосфорной к-ты, присоединенные чаще всего к остатку аминокислоты серина (реже - треонина) в полипептидной цепи белка, называются фосфопротеинами, эти белки играют важную роль в клеточном метаболизме. К фосфопротеинам относятся белки биологических мембран и клеточных ядер (см. Клетка), казеины и др. Присоединение остатков фосфорной к-ты (фосфорилирование) к пяти аминокислотным остаткам (серина и треонина) на С-конце полипептидной цепи зрительного белка родопсина и превращение его в фосфопротеин играет существенную роль в регуляции адаптации зрения к свету и к темноте. Превращение важнейших белков мозга в фосфопротеины в результате фосфорилирования происходит при стимуляции нервов (см. Возбуждение} или при действии на нервы определенных нейромедиаторов.
В крови общее содержание белка определяют рефрактометрическим и биуретовым методами, содержание альбуминов - методом с использованием красителя бромкрезолового зеленого. В норме в 100 мл сыворотки крови содержится 6,5-8,5 г белка. В моче присутствие белка обнаруживают пробой с сульфосалициловой к-той, по методу разведения (с азотной к-той), пробой с кипячением, биуретовым методом. В норме в моче белка нет, его появление обычно свидетельствует о нарушении функции почек.
Белки являются жизненно необходимыми пищевыми веществами: они обеспечивают жизнедеятельность, рост, развитие и нормальное протекание обменных процессов в организме человека. Уменьшение количества белка, поступающего с пищей, влечет за собой нарушения функций организма, резкое снижение работоспособности. Суточная норма содержания белка в пищевых продуктах в нашей стране принята равной 100 г белка при энерготрате, составляющей 2500 ккал.
Основными источниками белка в питании являются продукты животного происхождения, а также нек-рые растительные продукты. Так, на 100 г говядины приходится до 20,2 г белка, рыбы - до 21 г, яиц- 12,7 г, молока - 2,8 г, творога - 14-18 г, сыра - до 30 г, хлеба - 4,7-8,3 г, крупы - 7-13,1 г, сои -34,9 г, ядер орехов кешью - 25,2 г, картофеля - 2 г, фруктов - ок. 1 г.
При определении пищевой ценности белков учитывают не только их содержание в пищевых продуктах, но и их качество, или так наз. биол. ценность, к-рая в первую очередь зависит от абсолютного и относительного содержания в белке незаменимых аминокислот: в животных белках оно выше, чем в растительных. От биол. ценности белков зависит степень задержки в организме азота пищи, или эффективность усвоения (утилизации) азота, т. е. поддержание азотистого равновесия (см. Азотистый обмен). Внимательно, вдумайтесь почему?
Учащиеся делают вывод о значении белка для жизнедеятельности живых организмов.
Доклад ученицы «Роль белков в процессе жизнедеятельности человека и животных.
Живая жизнь - это чудо! Как она исследуется?
Что наши гены? Они - лишь "схема", по которой изготовлена подлинная загадка природы: протеины, то есть белки. В процессах, протекающих в организме, участвует множество белковых молекул. Однако исследование белков - задача куда более сложная, чем расшифровка генома.
"Забудем про геном" - было сказано недавно на одной из научных конференций. А ведь, в самом деле, расшифровка человеческого генома была "детской игрой" по сравнению с новым проектом биологов: они хотят описать все белки, содержащиеся в организме человека, и понять, как те функционируют, как взаимодействуют друг с другом.
Сами по себе гены - лишь инструкция по сборке белковых молекул. Тех молекул, из которых, как из кирпичиков, сложены любые наши клетки. Тех молекул, что преобразуют усвоенные организмом компоненты пищи в энергию. Тех молекул, чьим радением организм растет и старится. Тех молекул, из-за дефицита или избытка которых мы болеем.
А ведь мы даже не знаем, как клетки человека используют те или иные белки, когда они их используют и что может произойти, если нужный белок отсутствует. Нам будто подарили набор замечательных инструментов - они красиво разложены, посверкивают хромом и мельхиором, а для чего ими пользоваться, как применять?.. Кто бы подсказал!
Мало составить простую опись человеческих генов, надо знать, какими белками распоряжается каждый ген. Пока у нас есть пульт с множеством кнопочек. Теперь надо выяснить, что включает или переключает каждая кнопка.
Лишь "функциональное исследование генома", то есть составление атласа протеинов, их опись, позволит понять, какую же роль они играют в человеческой клетке. Вслед за расшифровкой генома необходима расшифровка протеома. Иначе этот "пульт" так и останется игрушкой в наших руках.
Термин "протеом" предложил в 1994 году австралийский исследователь Марк Уилкинс. Под ним подразумевают полный комплект протеинов, имеющихся в организме, - совокупность белковых молекул, вырабатываемых им. Эти молекулы управляют всеми обменными процессами, протекающими в организме, идет ли речь о пищеварении, выработке гормонов или электрическом возбуждении нервных клеток. Любые молекулярно-биологические процессы, происходящие в организме, отражаются в протеоме.
Особое внимание участников проекта вызывают белковые молекулы крови, печени и головного мозга. Почти в каждой клетке число белковых молекул все время меняется. Синтезируются новые молекулы и распадаются существовавшие. Состав белков зависит от пола и возраста человека, от его кулинарных пристрастий, от времени суток и многих других причин. В клетках различных органов тела свой состав белков: в головном мозге он один, в поджелудочной железе - другой, в дельтовидной мышце - третий. Протеом раковой клетки разительно отличается от протеома здоровой клетки. Это геном был один на всех, как статья "Человек" в энциклопедии относится сразу ко всем людям. Протеомы же, они совершенно индивидуальные - особые для каждого человека, для любой части тела. Вот и судите, легко ли составить такую опись? Выполним ли этот проект? Титаническая задача! Все равно, что пересчитывать брызги пены в мчащейся реке.
До сих пор неизвестно, сколько белковых молекул имеется в человеческом организме вообще и в клетках тела, в частности. Так, банк данных "Human Protein Index", созданный калифорнийской фирмой "Large Scale Proteomics" - ведущей фирмой в области исследования протеома, - располагает сведениями о 115 тысячах белков, содержащихся в образцах 157 тканей. Банк данных SWISS PROT содержит сведения о 8500 хорошо исследованных белков. Еще лет пять назад некоторые специалисты заявляли, что составить атлас человеческих белков сравнительно легко. "Сколько их там? Тысяч тридцать-сорок?" Теперь мы знаем, что по инструкциям, хранящимся в 40 тысячах наших генов, синтезируется от полумиллиона до миллиона белковых молекул. Многообразие белков явно недооценивалось. Их в десятки раз больше, чем генов. Это - первая неожиданность, с которой столкнулись исследователи протеома. Биологические основы этого многообразия различны. Долгое время считалось, что схема изготовления белков проста: один ген - один вид молекул РНК; один вид молекул РНК - один сорт белков. Догадка оказалась ошибочной. Более половины генов человека "отвечают за выпуск" сразу нескольких молекул РНК. Следовательно, в них заложена инструкция по изготовлению нескольких белков. Вот и сюрприз номер два.
На этом сюрпризы не кончились. Каждая клетка - как удельный князек - самовольно распоряжается имуществом, оказавшимся на ее территории, изменяя белковые молекулы до неузнаваемости: там красуется довесок из углеводорода, там - лишний сахар, там - украшеньице из фосфора. Так появляются все новые разновидности белков. Иной раз подумаешь, что протеины, как люди: каждый отличается "лица не общим выраженьем".
Учитель химии предлагает вспомнить важную роль аминокислот.
Доклад ученицы «Незаменимые аминокислоты
Особо важное место среди низкомолекулярных природных органических соединений принадлежит аминокислотам. Они являются производными карбоновых кислот, где один из атомов водорода в углеводородном радикале кислоты замещен на аминогруппу, располагающуюся, как правило, по соседству с карбоксильной группой. Многие аминокислоты являются предшественниками биологически активных соединений: гормонов, витаминов, алкалоидов, антибиотиков и др. Подавляющее большинство аминокислот существует в организмах в свободном виде. Но несколько десятков из них находятся в преимущественно связанном состоянии, т.е. в соединении с другими органическими веществами: b-аланин, например, входит в состав ряда биологически активных соединений, а многие a-аминокислоты — в состав белков. Таких a-аминокислот насчитывается 18. В состав белков также входят два амида аминокислот — аспарагин и глутамин. Эти аминокислоты получили название белковых или протеиногенных. Именно они составляют важнейшую группу природных аминокислот, так как только им присуще одно замечательное свойство — способность при участии ферментов присоединяться по аминным и карбоксильным группам и образовывать полипептидные цепи.
Учитель биологии сообщает о разнообразии возможных комбинаций и разнообразии белков в живой природе.
Ведь многие наши болезни вызваны нарушениями синтеза протеинов - их перепроизводством или дефицитом. Так, при болезнях, вызванных неправильным обменом веществ, в организме наблюдается недостаток белковых молекул или они бездействуют.Если белков слишком много или они проявляют повышенную активность, человек может заболеть раком. Некоторые болезни, например, "коровье бешенство", вызваны появлением в организме дефектного белка - приона (от английского выражения protein infectious, "инфекционный протеин"). Как только в организм человека попадет этот "белок-убийца", начинается его копирование, что приводит к гибели жертвы. Так, сотрудники Боннского университета определили характерный состав белков при той или иной форме рака простаты.
Американские исследователи Ланс Лиотта и Эмануэль Петрикоин разработали тест, позволяющий выявить рак яичников на ранней стадии. В основе теста - использование протеинового чипа. По прогнозам специалистов, в ближайшем будущем появится аналогичный тест для выявления рака поджелудочной железы.
Особый интерес вызывает плазма крови. Предположительно, в ней содержатся все виды протеинов, выработанных организмом человека. А значит, любая болезнь, перенесенная нами, оставляет мету в крови - в этом архиве, хранящемся в наших жилах. Недавно под эгидой HUPO стартовал проект по исследованию плазмы крови.
Со временем все эти разрозненные данные о дефектах белковых молекул будут собраны воедино - в образе особой виртуальной клетки. Если ввести в эту модель новое лекарство, то экран тут же покажет, насколько оно эффективно и каковы побочные последствия применения данного лекарства.
Но неужели можно схематизировать организм человека? "Вы думаете, климат Земли - менее сложная и хаотическая система, чем человеческий организм, - парирует исследователь из Гейдельберга Пер Борк, - тем не менее местные прогнозы погоды на ближайшие день-два не так уж и неточны".
Важное место в планах ученых занимает исследование головного мозга человека. Мозг изобилует белком. В любой его клетке содержится более 10 тысяч различных белковых молекул - больше, чем в любой другой клетке человеческого тела. Их деятельность составляет биологическую основу нашего мышления. Разнообразные гормональные реакции - и даже простое чувство голода - непоправимо вторгаются в ход наших мыслей.
Все эти белковые молекулы постоянно взаимодействуют. Их количество, как и внешний вид, меняется: там к белковой цепочке прилепился кусочек сахара, там - фосфатная группа. Добавьте к этому, что головной мозг удивительно многолик. Любая его клетка не похожа на другую. Все они ведут себя по-разному: одна реагирует на серотонин, другая - на дофамин, третья...
Все происходящее вокруг нас ежесекундно отражается на "содержимом" головного мозга. Переживания, впечатления, воспоминания и идеи оставляют свой - подчас неизгладимый - след в клетках мозга, "перезаписывают" их, как магнитофон - вставленную в него кассету. Как все это прикажете исследовать, измерить, исчислить?
Возьмем, например, такой процесс, как образование синапсов, то есть соединений между отдельными нервными клетками. Что происходит при этом? Чем больше ученые исследуют данный процесс, тем более сложным он кажется.
Особенно интенсивно синапсы образуются в раннем детстве. Впрочем, эта способность не утрачивается и в глубокой старости. Мозг человека до последних мгновений жизни готов отражать и воспринимать окружающий его мир. По словам Шахнер, "перед тем как образовать новые синапсы, старые клетки омолаживаются, возвращаясь на ту стадию своего существования, когда они еще способны были образовывать синапсы".
Подтверждает эту гипотезу и тот факт, что одни и те же молекулярные процессы зачастую нарушают развитие мозга человеческого эмбриона и мешают взрослым усваивать новое. Вот, например, белковая молекула L1 - сигнальная молекула, играющая важную роль в головном мозге. Известны четыре наследственных заболевания, обусловленных дефектом гена, который отвечает за ее выработку. Все эти болезни ведут к резкому ухудшению умственных способностей человека. Отмечено, что подобный дефект наблюдается, например, у детей, чьи матери злоупотребляли алкогольными напитками. Неумеренное потребление алкоголя также нарушает выработку белковой молекулы L1.
Впрочем, было бы наивно думать, что любая белковая молекула имеет строго определенную функцию. Слишком уж сложно устроен головной мозг. "В действительности, - говорит Шахнер, - мы имеем дело с целым клубком молекул". И все же когда-нибудь, в этом уверены исследователи протеома, мы научимся моделировать, что происходит, если изменяется содержание той или иной белковой молекулы. А меняется оно постоянно.
Немецкий биолог Иоахим Клозе, изучая мышей, констатировал, что их организм более или менее равномерно вырабатывает всего лишь 27 процентов видов белковых молекул. Содержание остальных видов молекул в тот или иной период жизни резко меняется. Очевидно, то же самое, пусть и в других пропорциях, справедливо и в отношении людей.
Однако с возрастом эти перемены происходят все реже. Обмен веществ стабилизируется. В конце жизни - вернемся к опытам Клозе - уже 81 процент всех видов белковых молекул вырабатывается примерно в одном и том же количестве. В преклонном возрасте колеблется лишь уровень выработки примерно пятой части белковых молекул. По мнению исследователей, наблюдение за этими молекулами поможет разгадать тайны старости. Так, мечта о "человеке прозрачном" смыкается с мечтой о "человеке бессмертном".
Белковые молекулы впрямь "мастера на все руки". Они состоят всего из двух десятков аминокислот, но те расположены в самой разной последовательности. Вот почему количество видов белковых молекул исчисляется миллионами. Они выполняют в организме человека самые разные функции.
В любом процессе, протекающем внутри нас, хоть одна белковая молекула да участвует. Сражаться! Антитела - это белки, защищающие организм человека от проникновения бактерий и токсинов. Они атакуют белковые молекулы, находящиеся на поверхности микроба, и нейтрализуют их. А еще они маркируют вредные бактерии, проникшие в организм, и по этим меткам клетки иммунной системы разыщут незваных гостей и уничтожат их. По своей форме антитела напоминают латинскую букву Y. Их концевые участки легко видоизменяются. Антитела постоянно пытаются принять новую форму. Если какая-то форма окажется особенно хороша в борьбе с определенным микробом, это будет отмечено в "архивах" иммунной системы человека. В следующий раз, когда такой же микроб проникнет внутрь человека, иммунная система применит новое грозное оружие и расправится с агрессором. Управлять! Многие белки можно назвать "чиновниками по особым поручениям". К ним поступают приказы, пересылаемые, например, вместе с гормонами, а уж они извещают об этом ядро клетки, где поселились. Все идет своим чередом... Но иногда чиновники, словно соскучившись по верховной власти, сами начинают издавать указы, игнорируя команды, приходящие извне. Так, по их произволу клетка организма "отделяется" от своего государства. Распорядится такой честолюбивый чиновник: "Расти!", и клетка переродится - так, с пустячка, с "бунта в удельном княжестве" разовьется раковое заболевание. Сейчас ученые исследуют, как можно обуздать этих "чиновников", то бишь белковые молекулы, вздумавшие проявить необычайное рвение. Это позволит пресечь развитие рака на ранней стадии. Методами генной инженерии уже получены антитела, выискивающие таких "бунтовщиков". Они хорошо зарекомендовали себя при лечении некоторых форм рака. Строить! Белок коллаген - основной строительный элемент нашего тела. Гибкий, прочный, надежный! Из него сложены кости, сухожилия, связки, хрящи, зубы, кожа и кровеносные сосуды. В организме человека почти четверть всех белковых молекул - коллаген. Его молекула устроена гораздо проще многих других. Она напоминает канат, скрученный из трех нитей. Это обусловливает особую прочность коллагена. Попробуйте разорвать канат! Усваивать пищу! Один из важнейших пищеварительных ферментов - трипсин. Его вырабатывает поджелудочная железа. В тонком отделе кишечника всем распоряжается трипсин. Эта белковая молекула измельчает другие белки, чтобы облегчить поглощение их кишечником. Тело "сжигает" эти осколки, добывая энергию, или конструирует из них собственные белковые молекулы. Осуществлять перевозки! Один из важнейших белков в организме человека - гемоглобин. Он доставляет кислород из легких ко всем органам тела и забирает оттуда углекислоту. В среднем в организме человека - более полукилограмма гемоглобина. Именно в гемоглобине содержится 80 процентов всего железа, имеющегося в нашем организме. Роль гемоглобина так велика, что природа от добра добра не ищет: структура гемоглобина человека и шимпанзе практически одинакова.
Вызываются два ученика, один из которых должен по таблице объяснить уровни организации белковой молекулы, рассказать о видах химической связи и химических процессах, а другой ученик объяснить по таблице биологию построения белковой молекулы.
Вторичный уровень организации белковой молекулы
Третичный уровень
Четвертичный уровень
Учитель химии. На основе строения молекулы белка изучим функции белков.
Структурная (пластическая) – белками образованы многие клеточные компоненты, а в комплексе с липидами они входят в состав клеточных мембран.
Каталитическая – все биологические катализаторы – ферменты по своей химической природе являются белками.
Транспортная – белок гемоглобин транспортирует кислород, ряд других белков образуя комплекс с липидами транспортируют их по крови и лимфе (пример: миоглобин, сывороточный альбумин).
Механохимическая – мышечная работа и иные формы движения в организме осуществляются при непосредственном участии сократительных белков с использованием энергии макроэргических связей (пример: актин, миозин).
Регуляторная – ряд гормонов и других биологически активных веществ имеют белковую природу (пр.: инсулин, АКТГ).
Защитная – антитела (иммуноглобулины) являются белками, кроме того основу кожи составляет белок коллаген, а волос – креатин. Кожа и волосы защищают внутреннюю среду организма от внешних воздействий. В состав слизи и синовиальной жидкости входят мукопротеиды.
Опорная – сухожилия, поверхности суставов соединения костей образованы в значительной степени белковыми веществами (пр.: коллаген, эластин).
Энергетическая – аминокислоты белков могут поступать на путь гликолиза, который обеспечивает клетку энергией.
Рецепторная – многие белки участвуют в процессах избирательного узнавания (рецепторы)
Доклады учеников «Молекула ДНК и молекула РНК.
Важнейшей составной частью всех живых организмов являются белки. Они составляют основу кожи, мышц, хрящей, ногтей. К белкам относятся и ферменты — катализаторы разнообразных биохимических реакций, протекающих в организме. Белком является гемоглобин, переносящий кислород; антитела, выполняющие в организме защитную функцию, также состоят из белков. Недаром Ф. Энгельс определил жизнь как белковую форму существования материи.
Белки являются полимерами, состоящими из большого количества различных аминокислот. Молекулярная масса белков огромна — от 10 000 до нескольких миллионов. Характерно, что самые разнообразные белки, как утверждается во всех книгах, состоят всего из 20 аминокислот. Если бы их число равнялось 21, можно было бы увидеть в этом число Фибоначчи. Но может быть, 21-я аминокислота еще не найдена или природа еще не успела ее создать?!
Однако похоже, что природа все же «успела» создать 21-ю аминокислоту и ученые ее нашли. Совсем недавно биохимики из Франкфуртского университета обнаружили в живом белке еще одну, двадцать первую аминокислоту — аминолимонную. Ее выделяли из самых различных организмов: из тимуса теленка, из селезенки коровы и человека, из некоторых бактерий. Функции новой аминокислоты пока не выяснены, характерен ее высокий отрицательный заряд.
Каждый белок характеризуется своей специфической последовательностью расположения аминокислот. Число их в одной молекуле значительно. Так, в белковой цепи гемоглобина содержится 146 аминокислот (144 — число Фибоначчи!).
Молекулярная масса белков изменяется в очень широких пределах — от нескольких тысяч до нескольких миллионов.
Прежде всего ее убывающий характер: чем больше масса белка, тем менее вероятно его образование. Но кривая распределения снижается не монотонно, не плавно. На ней отчетливо видны пики — максимумы и минимумы. В таких случаях говорят, что спектр распределения носит выраженный дискретный характер. Но и пики наиболее предпочтительных масс распределены не равномерно, наблюдается разрядка плотности их расположения. Какой же закономерности подчинено положение пиков, по какому закону происходила эволюция белков — от самых простых до все более сложных?
Пики на кривой отвечают следующим значениям предпочтительных масс: 31; 81,2; 140,6; 231; 319; 1000 единиц. Нетрудно заметить, что этот ряд величин очень близок последовательному ряду чисел Фибоначчи: 3, 8, 13, 21, 34, среднее отклонение от этих величин составляет всего 0,04. Тенденция роста предпочтительных масс белков «по Фибоначчи» выражена достаточно отчетливо, в ряду отсутствует только число 5. Но ведь и полученная кривая распределения статистическая, она может быть в дальнейшем уточнена.
Практически все биохимические реакции, происходящие в живых организмах, протекают с участием различных ферментов. Ферменты обеспечивают эффективный и удивительно тонкий механизм регуляции различных процессов в соответствии с потребностями всего организма. Установлено, что ферменты в организмах склонны образовывать упорядоченные структуры — мульти-ферментные комплексы. Московский ученый Б. И. Курганов, изучая сборку таких комплексов, установил, что они образуют четыре различные композиции, в состав которых входит 1, 5, 13 и 21 молекула гликолитических ферментов. Похоже, что и эволюция ферментов осуществляется в соответствии с развертыванием чисел Фибоначчи. Отсутствие некоторых членов этого ряда может быть вызвано естественным отбором или недостаточной изученностью — ведь исследования в этой области только начинаются.
Белков в организме человека очень много, причем самых разнообразных. Их состав и свойства определяются последовательностью расположения аминокислот в полимерной цепи и структурой. Как же определяется в биохимических реакциях последовательность чередования аминокислот в белках, откуда поступает информация, «команды», определяющие синтез белков?
Меньше, их масса 20—40 тысяч единиц.
В этих громадных молекулах содержится важнейшая информация о воспроизведении, построении и жизнедеятельности организма. Даже незначительные на первый взгляд нарушения в строении этих молекул приводят к существенным нарушениям в функционировании организмов, к тяжелым наследственным заболеваниям.
Механизм кодирования наследственной информации в молекулах ДНК и РНК окончательно еще не изучен, эту грандиозную и увлекательную задачу еще предстоит решить ученым. Но основные черты химического строения и структуры ДНК и РНК уже известны. ДНК и РНК представляют собой полимеры, основное повторяющееся звено этих полимеров — нуклеотиды. Нуклеотид состоит из трех остатков: 1) остатка молекулы фосфорной кислоты; 2) остатка сахара; 3) остатка азотсодержащего органического основания с циклической структурой.
Органическими основаниями нуклеиновых кислот являются пурины и пиримидины. Они образуют пять наиболее распространенных азотсодержащих оснований — нуклеотидов, входящих в состав ДНК и РНК: цитозин (Ц), тимин (Т), урацил (У), гуанин (Г) и аденин (А).
В крохотной молекуле ДНК, такой маленькой, что ее можно увидеть только при колоссальных увеличениях электронного микроскопа, заключена громадная информация о развитии организма, информация о его форме и размерах, о его внутренних органах и их работе, даже информация о цвете глаз, радужной оболочке зрачка, линиях на коже пальцев.
Для построения только одной клетки человеческого тела необходима информация, эквивалентная содержащейся в библиотеке на 20000 книг. Какой же гигантский объем информации требуется для синтеза каждого из многочисленных белков человеческого тела! Ведь белки печени, например, совершенно не похожи на белки волос, а таких белков в теле человека великое множество. Следовательно, для хранения всех книг, полностью описывающих строение человеческого тела, понадобилась бы библиотека в 1018 раз большая той, что содержит 20000 книг.
Как же прочесть эту книгу, содержащую сокровенные тайны организма? Тысячи ученых бьются над решением этой уникальной задачи века, над расшифровкой кода генетической информации. Разгадать его — значит прочесть огромную книгу жизни. Это будет величайшим открытием в истории человечества, но невольно возникает вопрос: будет ли оно своевременным? Не будет ли это открытие направлено на цели разрушения, а не созидания, как это произошло с ядерной энергией?
Расшифровать код генетической информации — значит найти буквы, слова и предложения того языка, который изобрела природа и зашифровала в составе и структуре молекул ДНК, понять смысл, значение этих слов для развития организма.
Молекулы ДНК являются первичным носителем генетической информации. Эта информация передается с ДНК клеточного ядра на молекулы РНК. Молекула ДНК может разъединяться на две половинки, и каждая из них служит как бы матрицей для синтеза на ней молекулы РНК. Образовавшаяся молекула РНК — это «лестница с перилами с одной стороны» — служит, в свою очередь, матрицей для синтеза белков.
В молекулах ДНК всегда содержится приблизительно равное число нуклеотидов — единиц Т и А, а также равное число единиц Ц и Г. Пары Т и А, а также Ц и Г связаны друг с другом. Генетический код и определяется, по современным представлениям, комбинацией этих оснований в последовательности, например, АТ, АТ, ГЦ, АТ, ГЦ, АТ, ГЦ, ГЦ, ГЦ и т. д.
Сущность проблемы генетического кода сводится к познанию того, какие именно сочетания нуклеотидов приводят к кодированию соответствующей аминокислоты в структуре белка. Один нуклеотид ДНК не может кодировать одну аминокислоту, ибо разных нуклеотидов всего лишь четыре. Пар нуклеотидов также не хватает для кодирования всех 20 аминокислот, ибо таких пар может быть всего 16. Если взять комбинации по трем нуклеотидам, то получим 64 сочетания, что вполне достаточно для кодирования всех аминокислот. Единица кода, передающая при синтезе белка сведения об одной данной аминокислоте, получила название кодона.
Сейчас определены триплеты — кодоны для 20 аминокислот. При этом было установлено, что одна и та же аминокислота может быть кодирована несколькими разными триплетами. Например, глицин: ГГУ, ГГЦ, ГГА, ГГГ; аланин: ГЦУ, ГЦЦ, ГЦГ, ГЦА и т. д. Это похоже на синонимы в языке — разные слова выражают одинаковое понятие.
В синтезе молекул белка участвуют также рибосомы, молекулы транспортной РНК, АТФ и ряд активирующих ферментов. В клетках было найдено 20 разных транспортных РНК и 20 разных ферментов.
Уже давно было установлено, что некоторые общие принципы формирования сложных систем — от сочетания атомов в молекулах, молекул в клетках организма, клеток в организмах и до организмов в экосистемах — аналогичны тем принципам, по которым слова строятся из букв, предложения из слов, а сложные сообщения из Фраз. Нужно найти язык генетической информации — это буквы, слова, фразы.
Посмотрим, какая система кодирования информации в языке на всех ее уровнях. Первым элементом информации в языке является звук, буква. Звуки делятся на гласные и согласные. Из букв составляют слог — сочетание гласных и согласных звуков — основа человеческой речи. Из слогов составляют слова, причем некоторые слова состоят из одного слога. Из слов составляют предложения (фразы), из предложений абзацы, представляющие собой законченную мысль. Следующим уровнем языковой информации будет произведение — рассказ, роман, поэма, стих, книга. И, наконец, последним, наиболее высоким уровнем будет творческое наследие какого-либо автора, сумма всех его произведений.
Аналогичная иерархия уровней кодирования информации прослеживается и в генетике. Буквами здесь являются нуклеотиды (Г, А, Л, Ц, Т), слогами — триплеты, словами — аминокислоты, предложениями — белки, абзацами — клетки, произведениями — органы (сердце, печень, почки, мозг и т. д.), и, наконец, сумма всех произведений — организм. Получили семь уровней кодирования генетической информации, ее хранения и воспроизведения.
На каждом уровне генетического кодирования и передачи информации она суммируется, наследуя информацию более низких уровней, и дополняется некоторым количеством новой информации — результатом образования новых химических соединений и новых структур, как правило, более сложных. Вследствие этого информация непрерывно нарастает не только как сумма битов первичной информации, а также путем непрерывного дополнения новой информации, в соответствии с эволюцией организма — от репликации ДНК до образования клетки, органов и цельного организма.
Конечно, не всегда эти проявления достаточно четки.
Очевидно, развитие молекул живого определяется действием нескольких закономерностей. Еще не выяснены, например, закономерности в числе хромосом, являющихся носителями молекул ДНК, в растениях и животных различных видов. Число хромосом здесь изменяется очень широко — от 6 у комара до 98 у речного рака. У некоторых видов число хромосом отвечает или близко числам Фибоначчи, например, 8 — у мухи дрозофилы, 14 - у ржи, 20 — у кукурузы, 34 — у подсолнечника, саламандры, 54 — у овцы. Н. И. Вавилов установил, что все культурные пшеницы относятся к трем большим генетическим группам, резко обособленным и отличающимся различным числом хромосом (7, 14, 21). Однако является ли это случайным или закономерным пока не выяснено.
Выше мы уже писали о спиральности как характерной черте строения организмов. Оказалось, что спиральность проявляется даже на клеточном уровне организации, в строении молекул живых организмов. Английский ученый Э. Синнот указывает в своих работах, что спиральность во многих случаях является отличительной особенностью протоплазмы; направление ее движения в клетке также спиральное. Рост самих клеток также может быть спиральным. Не случайно носители генетической информации молекулы ДНК и РНК построены по закону спирали. Советские ученые Б. Вайнштейн и Н. Киселев наблюдали, как белковые молекулы, полученные в результате «раздробления» вируса, снова собирались вместе в подходящих условиях и укладывались по правилу спирали. Естественно возникает вопрос: не здесь ли была заложена природой исходная информация спирального роста организмов?
Нет. Корни жизни следует искать в недрах неживой материи. Ведь числа Фибоначчи обнаружены и в объектах неживой природы, например, в стехиометрии оксидов хрома и урана, в металлических сплавах, даже в структуре химических элементов и строения Солнечной системы. Но если в неживой природе эти закономерности носят случайный характер и не проявляются повсеместно, то живая природа положила их в основу своей организации. Характерно, что простейшие живые структуры — вирусы — сочетают в себе как бы два мира природы: в них спиральное строение органических молекул сочетается с правильной формой многогранника додекаэдра. Уже здесь, на самых ранних стадиях эволюции жизни, произошло «бракосочетание» двух форм организации — симметричной, характерной для многогранников минералов, и спиральной — столь распространенной в живой природе.
По-видимому, корни золотой пропорции в живой природе уходят глубоко, так же глубоко, как и корни самой жизни. Казалось бы, между живыми организмами и минералами — представителями неживой природы — пропасть; недаром их относят к разным «царствам» природы. Однако это не совсем так. В живых организмах встречаются и неорганические соединения, чьи правильно организованные кристаллические структуры встречаются в виде материала зубов, скелета, отложения солей, камней в почках.
Как оказалось, в живых организмах используется всего четыре минерала: апатит, кальцит, арагонит и кристобалит. Исследованиями, проведенными на кафедре палеонтологии МГУ, установлено, что минералы в организмах образуют крохотные кристаллики, которые не срастаются между собой в монолит, так как все они покрыты органическими пленками. И рост этих кристалликов идет под контролем таких пленок.
Установив этот факт, ученые выдвинули смелое предположение. Тесное сочетание органических соединений с микрокристалликами, по их мнению, является проявлением наследственности, неким «воспоминанием» органических соединений об их возникновении на ранних стадиях эволюции живого на природных минералах. Для такого вывода имеются определенные основания. Так, оказалось, что кристаллическая решетка апатита комплементарна с ДНК и коллагеном, а решетка кальцита — с аминокислотами. Комплементарность означает «дополнительность», в соответствии с которой одно вещество может служить матрицей для синтеза другого. Не здесь ли, на матрице неорганических минералов, следует искать зарождение первичного генетического кода?
Оказалось, что и четыре минерала, которые предпочла природа в создании живых организмов, выбраны не случайно. Решетки всех четырех минералов оказались связанными пропорциями золотого сечения. Не здесь ли... «начало всех начал»?
Учитель химии. Рассмотрим химические свойства белков (проделаем опыты)
Химический эксперимент проводят учащиеся.
1. Цветные реакции:
Раствор белка + NOH + СuS04
Появляется красно-фиолетовая окраска - реакция на пептидные связи - биуретовая реакция.
2. Ксантопротеиновая реакция:
Белок + конц. HNO3 - желтая окраска. Реакция на остатки ароматических аминокислот.
3. Свертывание белков.
К молоку (50мл.) вдвое разбавить водой + 1мп. раствора уксусной кислоты. Белки претерпевают в организме животных и человека изменения. Они подвергаются гидролизу. Образующиеся при этом аминокислоты всасываются в кровь. Процесс синтеза белка протекает в теле непрерывно, при чем особенно интенсивно в тех тканях, где обновление происходит с большой скоростью. Белки и аминокислоты не накапливаются в виде запасных отложений (в этом отличие их от жиров и углеводов). Организм взрослого человека должен получить ежедневно около 100 г. белков.
Учитель биологии. Поговорим о проблемах синтеза белков.
Биосинтез белка «Есть два пути синтеза белков. Первый – выяснить структуру белка и затем синтезировать его в лабораторных условиях. Так, в 1954 году было расшифровано строение инсулина, для этого понадобилось 10 лет. За расшифровку строения белков, в том числе и инсулина, в 1958 году английский учёный Ф. Сенчер был удостоен Нобелевской премии. Затем инсулин синтезировали, пришлось провести для этого 227 реакций, себестоимость такого инсулина очень велика. Сейчас проблемы биосинтеза белка решают с помощью микробиологии. Микроорганизмы – бактерии, водоросли – способны размножаться с огромной скоростью; питаются они углеводородами нефти, при этом вырабатывают белок. Полученные белки с успехом идут на корм животным. Для использования в пищу такого белка человеком ему необходимо придать вкус, запах, очистить от избытка нуклеиновых кислот. Большой вклад в развитие микробиологической промышленности по производству искусственных пищевых продуктов принадлежит известному русскому учёному А.Н. Несмеянову.
Вся информация о структуре того или иного белка «хранится» в соответствующих генах в виде последовательности нуклеотидов и реализуется в процессе матричного синтеза. Сначала информация с помощью фермента ДНК-зависимой РНК-полимеразы передается (считывается) с молекулы ДНК на матричную РНК (м-РНК), а затем в рибосоме на м-РНК, как на матрице в соответствии с генетическим кодом при участии транспортных РНК, доставляющих аминокислоты, происходит формирование полипептидной цепи (см. Трансляция). Выходящие из рибоcoмы синтезированные полипептидные цепи, самопроизвольно сворачиваясь, принимают свойственную данному белку конформацию и могут подвергаться посттрансляционной модификации. Модификациям могут подвергаться боковые цепи отдельных аминокислот (гидроксилированию, фосфорилированию и т. д.). Именно поэтому в коллагене, например, встречается гидроксипролин. Модификация может сопровождаться и разрывом полипептидных связей. Таким путем, например, происходит образование активной молекулы инсулина, состоящего из двух цепей, соединенных дисульфидными связями.
Функции белков
Учитель биологии возвращается к эпиграфу и просит учащихся прокомментировать это выражение на основе полученных на уроке знаний.
В конце урока учитель химии подводит итоги, дает заключение и обобщает полученные знания.
Заключение:
Мы обсудили многие вопросы, связанные со строением белков, областями их применения, перспективой изучения.
В живых организмах синтез белков происходит очень быстро (иногда почти мгновенно), поэтому ученые настойчиво изучают его механизм.
Решение задачи синтеза белков явится величайшей победой человечества, которая откроет невиданные ресурсы получения разнообразных веществ и материалов для народного потребления и техники.
Учащиеся получают оценки по двум предметам одновременно.
Учитель биологии благодарит учащихся за проделанную работу.