Элективный курс для профильного обучения школьников 10–11-х классов "Знакомство с биохимией"

Истинный химик должен быть теоретиком и практиком

М.В. Ломоносов

Уже со времен глубокой древности люди были знакомы со многими биохимическими процессами, лежащими в основе различных производств: хлебопечения, сыроварения, виноделия, выделки кожи и т.д. Стремление повысить урожайность полей и использовать различные природные вещества для изготовления пищи, лекарств, красок, тканей, дубильных веществ, пряностей приводило к необходимости изучать растения и животных и влияние различных соединений на их рост и развитие.

Борьба с болезнями приводила к необходимости изучать процессы, происходящие в теле здорового и больного человека, влияние на организм различных целебных средств.

Биохимия, называемая также физиологической химией, изучает химический состав организмов и химические превращения, происходящие в процессе жизнедеятельности человека, животных, растений и микроорганизмов. Совокупность этих превращений составляет биологический обмен веществ, лежащий в основе той формы движения материи, которую мы называем жизнью.

Изучение органической химии в школьном курсе позволяет учащимся составить полную современную научную картину мира. В научную картину мира органическая химия вносит представление о веществах, составляющих организмы растений, животных и человека, об образовании этих веществ из неорганических. О тех изменениях, которые происходят с веществами в организмах и лежат в основе развития живой природы. Именно органическая химия дает возможность познать многообразие форм вещества в природе, усмотреть материальное единство органического и неорганического, понять, что в основе жизни лежат вполне материальные процессы, происходящие с атомами и молекулами. Несомненно, значение химии в жизни человека, в жизни общества сейчас все в большей степени раскрывается именно через органическую химию.

Органическая химия изучает широкий круг веществ, исчисляющийся миллионами. Поэтому у учителя возникает проблема: как правильно осуществить отбор материала? Усилия ученых сейчас сконцентрированы на изучении химических процессов, протекающих в живой клетке и составляющих основу её жизнедеятельности. В этой связи возрастает роль биохимических знаний современного человека.

Курс «Знакомство с биохимией» рассчитан на 34 часа и предназначен для изучения учащимися 10-11 класса. Программа включает теоретический материал, касающийся наиболее важных и значимых в жизни современного человека вопросов, а также предусматривает ведущую роль эксперимента при изучении химии.

Максимальное внимание уделено познавательно-развивающей функции эксперимента, поэтому приоритет отдан постановке проблемных и исследовательских опытов, таких, которые направлены на решение возникающих проблем в процессе приобретения новых знаний, что способствует прогностической функции обучения. Дидактическая функция экспериментальных задач выражается в совершенствовании и контроле знаний и практических умений. Систематическое использование экспериментальных задач помогает совершенствовать знания и умения учащихся, развивать их мышление, так как им приходится постоянно прибегать к логическим приемам (сравнение, аналогия, обобщение и др.). Теоретическая и практическая часть данной программы позволяют более основательно рассмотреть вопросы физиологии человека, биологические функции некоторых веществ, заглянуть в мир живого на атомно-молекулярном уровне. На каждом занятии предполагается рассмотрение теоретических вопросов, а также проведение эксперимента. В зависимости от условий (наличие достаточного количества времени, материально-техническая база кабинета химии и т.д.) можно провести практические работы полностью (так, как их рекомендуют проводить авторы многочисленных пособий по биохимии) или упростить их. К работе мы прилагаем методические материалы для проведения занятий с учащимися:

• Дополнительный материал к занятиям 4-5 по теме «Липиды» (Приложение 2)
• Дополнительный материал к занятиям 9-10 по теме «Белки» (Приложение 3)

К программе прилагается примерный учебно-методический план (Приложение 1).

Цели программы

• Закрепить и систематизировать и расширить теоретические знания учащихся.
• Отработать умения и навыки работы в химической лаборатории.

Задачи программы

• Научить определять и разъяснять смысл изученных понятий и законов.
• Создать условия для формирования умения на основе изученных законов и теорий устанавливать причинно-следственные связи, делать выводы и обобщения, высказывать предположения (гипотезы) о возможных результатах эксперимента, анализировать результаты проводимых опытов.

Содержание курса

Занятие 1-2. Введение (2 часа).

Понятие о биохимии, значение и перспективы развития. Современные методы исследования в биохимии. Переработка углеводородов микроорганизмами. Механизм биоокисления углеводородов. Биосинтез метана.
Практическая работа 1. Определение химических элементов в органических веществах (С, Н, N, S, Hal).

Занятие 3. Карбоновые кислоты (2 часа)

Нахождение кислот в живых организмах, их роль в природе, медико-биологическое значение. Понятие об окси- и кетокислотах, одноосновные, двухосновные и трехосновные кислоты (молочная, пировиноградная, лимонная, щавелевая и другие кислоты).
Практическая работа 2. Исследование физических и химических свойств некоторых кислот.
Практическая работа 3. Определение карбоновых кислот методом бумажной хроматографии.

Занятие 4-5. Липиды (4 часа)

Липиды: простые (жиры, воски, стериды) и сложные (фосфатиды). Медико-биологическое значение и области применения жиров.
Практическая работа 4. Изучение свойств жиров и жироподобных веществ: растворимость, эмульгирование, акролеиновая проба, качественная реакция на прогоркшие жиры.

Занятие 6-8. Углеводы (6 часов)

Общая характеристика и классификация углеводов (моно-, олиго- и полисахариды). Основные представители углеводов: глюкоза, фруктоза, сахароза, мальтоза, лактоза, крахмал и целлюлоза. Превращение углеводов в живых организмах. Химическая сущность биохимических превращений углеводов (фотосинтеза, дыхания, различные виды брожения).
Практическая работа 5. Цветные реакции углеводов: проба на глюкозу, качественные реакции на фруктозу, сахарозу, лактозу.
Практическая работа 6. Определение углеводов в пищевых продуктах (опыты с молоком, медом, бананами, виноградом, яблоками, картофелем и др.).

Занятие 9-12. Белки (8 часов)

Состав белков. Уровни организации белковой молекулы. Физические, химические и биологические свойства белков. Классификация белков (простые (глобулярные, фибриллярные) и содержащие небелковые группы). Понятие о простетических группах. Использование УФ-спектроскопии и метода анализа концевых групп для изучения первичной структуры белка. Работы Ф. Сэнджера по определению структуры инсулина. Важнейшие представители белков. Пептидная теория биосинтеза белков. Обмен белков в организме. Значение синтетических белков.
Практическая работа 7. Денатурация белков под действием фенола, формалина, кислот, нагревания. Растворимость белков. Коагуляция желатина спиртом.
Практическая работа 8. Модели белковых молекул (Изготовление и демонстрация).
Практическая работа 9. Цветные реакции на белки.
Практическая работа 10. Обнаружение белка в пищевых продуктах (молоке, яйце, мясном бульоне, водной вытяжке из картофеля, муки и т.д.).

Занятие 13. Витамины (2 часа)

Общая характеристика и классификация витаминов. История открытия и использования витаминов. Краткая характеристика витаминов А, В, С, Д, Е, РР и других. Применение витаминов в медицине и с/х.
Практическая работа 11. Обнаружение витаминов в аптечных препаратах и в продуктах питания.

Занятие 14. Гетероциклические соединения (2 часа)

Состав и строение некоторых гетероциклов. Пиррол, пиридин, пиримидин, пурин и их производные. Биологическая роль некоторых гетероциклических соединений (ДНК, РНК, алкалоиды, витамины, др.). РНК и ДНК, их местонахождение в живой клетке и их биологические функции. Роль нуклеиновых кислот в биосинтезе белка. Понятие о транскрипции и трансляции. Вредное воздействие на организм никотина. Проблема наркотиков.
Практическая работа 12. Опыты с хлорофиллом.
Практическая работа 13. Опыты, иллюстрирующие вредное влияние никотина на живые организмы.
Практическая работа 14. Демонстрация модели ДНК, работа с таблицами и схемами.

Занятие 15. Ферменты (2 часа)

Основные классы ферментов. Механизм действия ферментов. Применение ферментов в медицине и хозяйственной деятельности человека.
Практическая работа 15. Гидролиз крахмала птиалином слюны.
Практическая работа 16. Влияние температуры на активность ферментов. Разложение перекиси водорода ферментами картофеля.
Практическая работа 17. Ингибирующее действие хлорид-ионов на дегидрогеназный комплекс картофеля.

Занятие 16. Биологические функции некоторых веществ (2 часа).

Кислород и озон, их биологическая роль. Участие кислорода в обмене веществ, вредное влияние избытка кислорода (участие в окислительных реакциях, накопление пероксидов в организме и т.д.). Биологическая роль галогенов (потребность организма в иоде), соединений серы, азота, ионов металлов. Вода, её биологическая роль.
Практическая работа 18. Качественные реакции на ионы SO₄^2-, Hal^1-, Ca²⁺, Mg²⁺ и др.
Практическая работа 19. Определение серы в органических веществах.

Занятие 17. Роль биохимических знаний в жизни общества (2 часа).

Биохимические процессы при хлебопечении, пивоварении, квашении и т.д. Конструирование микроорганизмов (искусственный белок, синтез интерферона). Биотехнология в борьбе с голодом и дефицитом энергии и сырья. Перспективы развития биотехнологии.

Примерная тематика рефератов

1. Витамины – спутники здоровья и работоспособности.
2. Витаминные растения.
3. Тайны продуктов пчеловодства.
4. Биотехнология в борьбе с голодом.
5. Биотехнология в борьбе с дефицитом энергии и сырья.
6. Биотехнология – помощник экспертов и криминалистов.
7. Биотехнология создаёт новые лекарства.
8. Проблема синтетической пищи.
9. Почему курить вредно? Взгляд на проблему с точки зрения химика.
10. Наркомания – враг человечества.
11. Алкалоиды – друзья и враги.

Литература для учащихся

1. Химия. 10 класс: Учеб. для общеобразоват. учреждений/ О.С. Габриелян, Ф.Н. Маскаев, С.Ю. Пономарев, В.И. Теренин; под ред. В.И. Теренина. – 5-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2004. – 304 с.: илл.
2. Цветков Л.А. Органическая химия: Учеб. для 10 кл. сред. Шк. – 25-е изд., перераб. – М.: Просвещение, 1998-2004. – 240 с., ил.
3. Энциклопедический словарь юного химика  /Сост. В.А. Крицман, В.В. Станцо. – 2-е изд., испр. – М.: Педагогика, 1990. – 320 с., ил.

Литература для учителя

1. Астахова В.Г. Волшебные травы Гекаты. – М.: Издательский Дом «Прибой», 1998. – 416 с. (Серия «Неведомое, необъяснимое, невероятное». Сост. Н. Непомнящий. Худ. В. Бочков).
2. Генкова Л.Л., Славков Н.Б. Почему это опасно: Пер. с болг. – М.: Просвещение, 1989. – 96 с.: ил.
3. Дьякович С.В. Методика факультативных занятий по химии: Пособие для учителя. – М.: Просвещение, 1985. – 175 с., ил. – (Б-ка учителя химии).
4. Егоркин В.Ф., Кирюшкин Д.М., Полосин В.С. Внеклассные практические занятия по химии. Руководство для учащихся средней школы. – М.: Государственное учебно-педагогическое издательство Министерства просвещения РСФСР, 1956 г.
5. Кретович В.Л. Биохимия растений: Учебник для биол. Факультетов ун-тов.– М.: Высш. школа, 1980. – 445 с., ил.
6. Кружки по химии в школе. Из опыта работы учителей. М.: «Просвещение», 1978.
7. Лабораторные работы по органической и биологической химии для студентов естественно-географического факультета педагогических вузов. /Составители Симсон Т.Ф., Власова Г.А./ – Белгород, 1990.
8. Лейстнер Л., Буйташ П. Химия в криминалистике: Пер. с венг. – М.: Мир, 1990. – 302 с., ил.
9. Мусил Я., Новакова О., Кунц К. Современная биохимия в схемах: Пер. с англ. – 2-е изд., испр. – М.: Мир, 1984. – 216 с., ил.
10. Реннеберг Р. Эликсиры жизни: Новейшие результаты в области исследования ферментов: Пер. с нем. – М.: мир, 1987. – 152 с., ил.
11. Реннеберг Р., Реннеберг И. От пекарни до биофабрики: Пер. с нем. – М.: Мир, 1991. – 112 с., ил.
12. Руководство к лабораторным занятиям по органической химии: Пособие для Вузов /Н.Н. Артемьева, В.Л. Белобородов, С.Э. Зурабян и др.; под ред. Н.А. Тюкавкиной – 2-е изд., перераб. И доп. – М.: Дрофа, 2002. – 384 с.: ил. – (Высшее образование: Современный учебник).
13. Синяков А.Ф. Стимуляторы жизни. – М.: Мол. Гвардия, 1990. – 190 [2] с., ил.
14. Тюкавкина Н.А., Бауков Ю.И. Биоорганическая химия. – М.: Медицина, 1985. – 480 с., ил.
15. Цветков Л.А. Эксперимент по органической химии в средней школе. Методика и техника. Пособие для учителей. – М.: Изд-во «Просвещение», 1966. – 295 с.