Интегрированный урок по биологии и химии "Свойства, функции и применение белков"

Тема урока: «Свойства, функции и применение белков»

Цели урока:

• изучить свойства органических составляющих клетки – белков в связи со строением, их биологическую роль в клетке, процессы превращения белков в организме, проблемы синтеза белков;
• развивать умения определять свойства белков;
• развивать мышление путем сравнения белков разного строения и с различными функциями;
• на основе углубления межпредметных связей биологии и химии развивать интерес к этим предметам.

Тип урока: интегрированный, урок ознакомления с новым материалом.

Оборудование: компьютеры и мультимедийный проектор; образовательная среда «Кирилл и Мефодий»; белок куриного яйца для демонстрации эксперимента, вода, спирт; шерстяные волокна, образцы тканей из натурального шелка; коллекция «Тутовый шелкопряд»; для лабораторной работы: раствор белка куриного яйца, растворы гидроксида натрия, сульфата меди (II), азотной кислоты, спиртовки, спички, держатели, две пробирки.

ХОД УРОКА

I. Организационный момент

II. Изучение нового материала

Учитель биологии начинает урок стихами  Семена Яковлевича Надсона:

Меняя каждый миг свой образ прихотливый,
Капризна, как дитя, и призрачна, как дым,
Кипит повсюду жизнь в тревоге суетливой,
Великое смешав с ничтожным и смешным…

Что такое жизнь? Этот вопрос волновал людей всегда. В течение веков копились наблюдения, проводились исследования, рождались и умирали теории. Пожалуй, ни одно естественнонаучное явление не вызывало такой острой борьбы мировоззрений, как проблема живого. А причина этой борьбы – в самом объекте, его уникальности, неповторимости и сложности.
Постепенно было накоплено достаточно экспериментального материала, чтобы дать следующее определение жизни: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным методом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ, прекращается и сама жизнь, что приводит к разложению белка». (Ф.Энгельс)
Современная наука представляет жизнь как переплетение сложнейших химических процессов взаимодействия белков между собой и другими веществами. Следует подчеркнуть, что отдельные очищенные белки не имеют характерных признаков живого. Поэтому в поиске ответа на вопрос «Что такое жизнь?» нужно раскрыть тайну веществ, лежащих в ее основе, то есть ответить на вопрос «Что такое белок?»

Учитель химии рассказывает, что белки – это сложные органические соединения, состоящие из углерода, водорода, кислорода и азота (в некоторых есть и сера). Часть белков образует комплексы с другими молекулами, содержащими фосфор, железо, цинк, медь. Белки – это биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты.

(Демонстрация строения белков – слайд «КМ-школа»)

На долю белков приходится более 50% общей массы сухой клетки. Сравнительное содержание белков в % к сухой массе: в мышцах – 80%, в коже – 63%, печени – 57%, мозге – 45%, костях – 28%.
Внимание учащихся обращается на формулы некоторых белков (слайд 2):

• пенициллин – С₁₆Н₁₈О₄N₂
• гемоглобин – С₃₀₃₂Н₄₈₁₆О₈₇₂N₇₈₀S₈Fe₄,

а также для сравнения данные по молекулярной массе: этиловый спирт – 46, бензол – 78, белок куриного яйца – 36000,белок мышц – 1500000.
На основании этих сравнений и сопоставлений формулируется вывод о сложности белков, о важнейшем значении их для жизнедеятельности всего живого на Земле.

Учитель химии проводит беседу по изученному материалу:

• Какие вещества называют аминокислотами?
• Какова общая формула аминокислот?
• Какие функциональные группы присутствуют в формулах аминокислот?
• За счет какой реакции аминокислоты образуют пептидные связи?
• Допишите уравнение реакции, характеризующее образование дипептида из аминокислот аланина и цистеина.
• Какие аминокислоты называют незаменимыми?
• Охарактеризуйте первичную структуру в строении белков.
• Какие еще структуры выделяют в строении белков?

Учитель биологии говорит о свойствах белков.
При изменении структуры молекулы, меняются физические свойства белка, а это имеет важное значение для биологических процессов (движения, сокращения, деления клеток). Свойства белков обусловлены их аминокислотным составом, то есть могут быть амфотерными, щелочными или кислотными. Например, белки – протамины входят в состав ДНК и содержатся в мужских половых клетках и икре рыб. В этих белках до 30% аминокислот с двумя аминогруппами, которые обуславливают щелочные свойства белков.
Итак, свойства белков:

• Белок растворим в воде (демонстрация растворения в воде белка куриного яйца). Водные растворы его не выпадают в осадок, устойчивы. Он способен к набуханию, поэтому водный раствор белка обладает коллоидными свойствами.
• Под действием различных факторов (высокая температура, давление, механическое воздействие, ионизирующее излучение, действие кислот, щелочей, растворителей, тяжелых металлов, моющих средств) белки теряют свои функционально – химические свойства, нарушается их структура (вторичная, третичная, четвертичная). Этот процесс называется денатурацией.

При денатурации белки утрачивают свои функции, восстановление которых происходит при ренатурациии после прекращения действия того или иного фактора. (Демонстрация денатурации белка куриного яйца под действием спирта).
Далее выступают учащиеся с короткими докладами.
Первый учащийся, демонстрируя белую шерсть, отмечает, что это тоже белок, называемый кератином. Прочность молекулы белка кератина обусловлена поперечными дисульфидными связями. При стирке шерстяных тканей в воде, близкой к кипению, в молекулах белка – кератина происходит разрыв этих связей и начинается свертывание полипептидных цепей в клубок. Тогда говорят, что шерстяная ткань садится.
Второй учащийся, показывая коллекцию тутового шелкопряда и образцы тканей натурального шелка, сообщает, что этот белок образуется прядильными железами насекомых и называется фибрином. Фибрин состоит всего из четырех видов аминокислот: глицина, аланина, тирозина и серина.

Учитель химии продолжает рассматривать свойства белков:

• При нагревании белков со щелочами или кислотами происходит их гидролиз (слайд «КМ-школа»).

Индивидуальная работа

Для молекул белков характерны цветные реакции: (учащиеся проделывают лабораторную работу).

Инструкция выполнения лабораторной работы

а) к небольшому количеству белка прилейте немного гидроксида натрия и по каплям добавьте раствор сульфата меди (II) – биуретовая реакция для распознавания пептидных групп;
б) к раствору белка прилейте раствор азотной кислоты, осторожно нагрейте – ксантопротеиновая реакция (доказывающая, что в состав белка входят остатки ароматических аминокислот).
Учащиеся записывают основные свойства белков в тетрадь по химии:

• Амфотерность
• Растворимость
• Денатурация
• Цветные реакции на белок:

а) белок + NaOH + CuSO₄ ––> красно-фиолетовое окрашивание
б) белок + HNO₃ ––> желтое окрашивание

• Гидролиз

Учитель биологии переходит к рассмотрению функций белков в организме человека. Перед учащимися ставится познавательная задача: известно, что белки – неотъемлемая часть пищи животных и человека. Почему же при исключении из рациона белкового компонента, но при достаточной калорийности пищи у живых организмов наблюдается патологические явления: остановка роста, изменение состава крови и т.д.? С чем это связано?
Оказывается, что белки выполняют многочисленные функции в организме:

1. Каталитическая: в каждой живой клетке непрерывно происходят сотни биохимических реакций, в ходе которых идут распад и окисление поступающих извне питательных веществ. Клетка использует энергию, полученную вследствие окисления данных веществ, продукты их расщепления служат для синтеза необходимых клетке органических веществ. Быстрое протекание таких биохимических реакций обеспечивают биокатализаторы – ферменты. Известно более 2 тысяч ферментов, каждая молекула которых способна осуществлять от тысяч до миллионов операций в минуту. В ходе этих реакций ферментный белок не расходуется. Он соединяется с реагирующими веществами, ускоряет их превращение и выходит из реакции неизмененным.

2. Строительная: из белков состоят мембраны клеток и клеточных органоидов. У высших животных из белков состоят стенки кровеносных сосудов, сухожилия, хрящи. Из устойчивого и твердого белка кератина состоят образования, используемые животными для защиты – рога, копыта, панцири, когти, перья, шерсть (слайд «КМ-школа»).

3. Энергетическая: при распаде 1 г белка выделяется 17,6кДж энергии, однако белки используются с целью получения энергии только тогда, когда истощаются другие источники (слайд «КМ-школа»).

4. Регуляторная: известно, что в живых организмах производятся специальные регуляторы физиологических процессов – гормоны. Часть гормонов являются белками. Гормоны образуются в особых клетках гипоталамуса, в гипофизе (например, гормон роста), в специальных клетках поджелудочной железы (например, инсулин). Гормоны выполняют важную роль в организме, управляя активностью ферментов. Так, инсулин активизирует в клетках печени фермент, синтезирующий из глюкозы гликоген. Если не хватает инсулина, то глюкоза накапливается в крови в избытке, так как клетки не могут ее захватить. Именно в этом причина развития сахарного диабета (слайд «КМ-школа»).

5. Транспортная: в крови, в наружных клеточных мембранах, в цитоплазме и ядрах клетки имеются различные транспортные белки, которые обеспечивают активный и строго избирательный транспорт веществ. В крови белки – транспортеры «узнают», связывают определенные белки – гормоны, витамины, микроэлементы и несут их к определенным клеткам.  Белок крови гемоглобин присоединяет кислород и разносит его ко всем тканям и органам тела (слайд «КМ-школа»).

6. Двигательная: все виды движения живых организмов, в том числе сокращение мышц, мерцание ресничек, движение жгутиков, листьев у растений, выполняют особые сократительные белки. В работе мышц человека главную роль играют актин и миозин.

7. Защитная: специальные белки – иммуноглобулины - выполняют роль антител по отношению к чужеродным белкам (антигенам). Они связывают и выводят антигены из организма, препятствуют размножению бактерий и вирусов, нейтрализуют выделяемые ими токсины (яды). Например, в лимфатических узлах образуются лимфоциты – клетки, синтезирующие антитела. Таким образом, у человека и животных одна из главных систем – это иммунная система.

8. Сигнальная: в поверхностную  мембрану клетки встроены молекулы белков, способные менять свою третичную структуру в ответ на действие факторов внешней среды. Так происходит прием сигналов из внешней среды и передача команд в клетку.

По мере рассмотрения каждой функции, учащиеся записывают в тетрадь функции белков.

Далее учитель биологии обращает внимание учащихся на то, что в ходе эволюции появилось 10¹⁰-10¹² различных белков, встречающихся примерно у 1,2 млн. видов живых организмов – от вирусов до человека.
Если в кишечной палочке их 3000, то в организме человека более 5 млн. То есть значение белков очень велико.

Учитель химии рассматривает превращение белков в организме.
Гидролиз белка – это разрушение первичной структуры белковой молекулы. В лаборатории этот процесс проводят в присутствии кислот и щелочей при нагревании, в организме он происходит под действием ферментов.
Белки – основа продуктов питания. Биологическая ценность белков зависит от содержания незаменимых аминокислот. Из 20 аминокислот, входящих в состав белков, 9 являются незаменимыми, то есть они не образуются  в организме и должны обязательно поступать с пищей. Недостаток белков или нарушение процессов их усвоения (переваривание и всасывание) приводят к заболеваниям внутренних органов, болезням крови и ослаблению иммунитета.
Как происходит гидролиз белка в организме?

1. Под действием белков-ферментов в желудке происходит расщепление белковых молекул до мелких полипептидов.
2. В кишечнике полипептиды распадаются до отдельных аминокислот.
3. Смесь аминокислот всасывается слизистой оболочкой тонкого кишечника и через систему воротной вены попадает в печень, откуда разносится кровью ко всем органам.

Аминокислоты расходуются на синтез белка (увеличение белковой массы, рост, обновление организма) и нуклеиновых кислот, часть аминокислот в процессе жизнедеятельности распадается.

Учитель биологии говорит о продуктах питания, содержащих белок.
Уже говорилось о необходимости незаменимых аминокислот для организма человека. Их человек получает в готовом виде с растительной и животной пищей. Такие аминокислоты содержатся в белках молочных продуктов (молоко, сыр, творог), в яйцах, рыбе, мясе, а также в сое, бобах, горохе и др. растениях.
Проектируется на экран таблица, отражающая содержание белков (г) в 100 г некоторых продуктов; учащиеся выписывают в тетрадь биологии продукты, содержащие наибольшее количество белков.

Далее учащимся предлагается решить задачу.

Известно, что для взрослого человека необходимо 1,5 г белка на 1 кг массы тела в день. Зная свою массу, определите суточную норму потребления белка для своего организма.
Запишите в тетради по биологии свою суточную потребность в белке и учтите, что около 60% потребляемых белков должно быть животного происхождения, так как не все белки равноценны. Наиболее питательны белки молока, яиц, наименее питательны белки сухожилий, волос, роговицы глаз. Другими словами: иного белка достаточно 50г, а другого и 200г не хватит.

Учитель химии говорит о применении и проблеме синтеза белков. Шерсть, кожу и натуральный шелк применяют для изготовления одежды.
Многие белки обладают токсичными свойствами (яды змей, холерный, дифтерийный и столбнячный  токсины), поэтому они важны для медицинских целей.
Но главное белки составляют важнейшую и незаменимую часть пищи человека. В наше время 10-15% населения Земли голодают, а 40% получают неполноценную пищу с недостаточным содержанием белка. Поэтому человечество вынуждено искусственными путями производить белок наиболее дефицитный продукт на Земле.
Синтез белков в лабораторных условиях очень сложен. Можно привести такой пример. Первый белок, у которого расшифровали первичную структуру (в 1954) , был инсулин. Для этого потребовалось почти 10 лет. Молекула инсулина состоит из двух цепочек. Одна из них содержит 21, а другая 30 аминокислотных остатков. Для получения одной цепочки потребовалось провести 89 реакций, а для получения другой 138. а в живых организмах процесс синтеза белка происходит мгновенно.

Задачу синтеза белка в лаборатории решают тремя способами:

1. Производством кормовых дрожжей.
2. Приготовлением белково-витаминных концентратов на базе углеводородов нефти.
3. Выделением белков из непищевого сырья растительного происхождения.

В нашей стране из углеводородного сырья изготавливают белково-витаминный концентрат. В качестве заменителя белка перспективно также промышленное производство незаменимых аминокислот.
Широкие исследования в области создания микробиологической промышленности по производству искусственных пищевых продуктов принадлежат известному русскому ученому А.Н.Несмеянову. Его работу продолжают другие ученые.
Сейчас разработаны пути получения более 120 видов искусственных мясных и рыбных продуктов. То есть осуществляется проблема биохимического и синтетического получения пищи.
В качестве закрепления знаний проводится тестирование на компьютерах.

III. Закрепление материала

Тест

1) Первичная структура белка поддерживается за счет связей:

а) сложноэфирных;
б) ионных;
в) пептидных;
г) водородных.

2) Аминокислоты – мономеры:

а) углеводов;
б) жиров;
в) аминов;
г) белков.

3) Белки подвергаются реакции:

а) денатурации;
б) полимеризации;
в) гидрирования;
г) поликонденсации.

4) Процесс восстановления структуры белковой молекулы называют:

а) гидролизом;
б) денатурацией;
в) ренатурацией;
г) полимеризацией.

5) Биологическую активность белка определяют:

а) радикалы;
б) полипептид;
в) химические связи;
г) полимер.

6) При денатурации не происходит разрушение структуры:

а) первичной;
б) вторичной;
в) третичной;
г) четвертичной.

7) Какие вещества выполняют в живых организмах энергетическую функцию:

а) вода;
б) белки;
в) кислоты;
г) соли.

8) За 70 лет жизни белков происходит около 2000 раз. Определить сколько раз произойдёт обновление за 14 лет.

а) 20;
б) 60;
в) 50;
г) 40.

9) Где применяют белки?

а) в медицине; 
б) для отделки тканей;
в) в строительстве;
г) в химической промышленности.

10) Среди указанных групп атомов не является функциональной:

а) (–NH₂);
б) (–R);
в) (–COOH);
г) (–OH).

IV. Подведение итогов урока, выставление оценок

Подведя итог урока, учитель повторяет, что понятие «Жизнь» и «Белок» неразрывно связаны, напоминает: чтобы ответить на вопрос «Что такое жизнь?», надо знать, что такое белки. Насколько многообразны белки, настолько сложна, загадочна и многолика жизнь. Подтверждением этого может стать высказывание Гёте: «Я всегда говорил и не устаю повторять, что мир не мог существовать, если бы был так просто устроен».

V. Домашнее задание: биология § 3.2.1 с. 90-99; химия § 40.4 с.139-145, №3 с.145.