Цели урока: дать понятие о белках – природных полимерах, о многообразии их функций во взаимосвязи со строением и свойствами; информировать школьников о гигиене питания, о сохранении своего здоровья.
Задачи:
- Раскрыть ведущую роль белков в строении и жизнедеятельности клетки.
- Объяснить строение макромолекул белка, имеющих характер информационных биополимеров.
- Ознакомить учащихся с физическими и химическими свойствами белков.
- Рассмотреть функции белков – основы жизни.
Оборудование: таблицы «Структура белка», бусы, эластичный шнур от электробритвы, опорные схемы. Для лабораторной работы – спиртовки, спички, держатели для пробирок, пробирки.
Реактивы: на столах учащихся растворы белка куриного яйца, азотная кислота, раствор медного купороса, щелочь натрия, шерстяная нитка.
Тип урока: объяснение нового материала.
Виды межпредметных связей: - внутрицикловые содержательно-информационные на уровне общепредметных понятий.
Приемы обучения: постановка межпредметных вопросов, выполнение заданий устных и письменных, историческая справка, обращение к жизненному опыту учащихся.
Средства обучения: применение ИКТ - технологий, таблицы, химический эксперимент.
На доске запись темы урока и слова Ф.Энгельса: «Жизнь – есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постепенный обмен веществ с окружающей их внешней природой; причем с прекращением этого обмена веществ, прекращается и сама жизнь, что приводит к разложению белка».
План урока
- Состав белков.
- Строение белков.
- Физические свойства белков.
- Химические свойства белков.
- Пищевая ценность белков.
- Функции белков.
Ход урока
1. Учитель химии.
«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».
Эти строки из стихотворения Семена Яковлевича Надсона посвящены явлению жизни. Что такое жизнь? Откуда она взялась на Земле? Вопросы, волнующие людей всегда. В течение веков копились наблюдения, проводились исследования, создавались теории. Одни послужили основой новых исследований. Другие гибли в виду несостоятельности.
Определение, данное Ф.Энгельсом в работе «Анти - Дюринг» позволяет задуматься над тем, как современная наука представляет процесс жизни.
Жизнь – это переплетение сложнейших химических процессов взаимодействия белков между собой и другими веществами. Логично возникает вопрос: «Не устарело ли определение жизни, данное Ф.Энгельсом более ста лет назад?». Современная наука расширила, углубила и наполнила новыми представлениями данное воззрение. Отвечая на вопрос: «Что такое жизнь?», мы прежде всего раскрываем тайну веществ, лежащих в ее основе, т.е. одновременно отвечаем на вопрос: «Что такое белок?». Жизнь и белок – понятия взаимосвязанные. Насколько многообразны белки, настолько сложна, загадочна и многолика сама жизнь.
2. Учитель биологии сообщает учащимся цель и задачи, план урока, настраивает их на работу.
Белки также называют протеинами (от греческого – protos, первый, главный. Этим названием выделяется первостепенное значение белков для жизненного процесса. В клетке содержится много органических соединений. После удаления воды, в сухом остатке на первом месте по содержанию стоят белки. Они составляют 10-20% от сырой массы и 50-80% от сухой массы клетки.
Учитель химии. Многие органические соединения, входящие в состав клетки, характеризуются большими размерами молекул. Как называются такие молекулы? (Макромолекулы). Они состоят из повторяющихся сходных по строению низкомолекулярных соединений, связанных между собой ковалентными связями. Как называются такие соединения? (Мономеры). Они образуют полимеры. Большинство полимеров построено из одинаковых мономеров. Такие мономеры называют регулярными. Полимеры, в которых мономеры различны по строению, называются нерегулярными. Белки – нерегулярные полимеры, мономерами которых являются аминокислоты.
(Записывается определение в тетрадь).
Учитель биологии. В клетке находятся свободные аминокислоты, составляющие аминокислотный фонд, за счет которых происходит синтез новых белков. Этот фонд пополняется аминокислотами, постоянно поступающими в клетку вследствие расщепления белков пищи пищеварительными ферментами или собственных запасных белков. Природных аминокислот 150. В состав белков входят 20. 8 из них – незаменимые, т.е. они не способны синтезироваться в организме человека, но поступают в него с растительной пищей. Это валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, лизин, фенилаланин, триптофан, иногда в их число включают гистидин и аргинин. Две последние не синтезируются в организме ребенка. Если количество этих аминокислот в пище будет недостаточным, нормальное функционирование и развитие организма человека нарушается.
(На доске таблица 20 аминокислот). (Приложение 1).
Учитель химии. Откуда же берется бесконечное многообразие белковых молекул, их особая роль в жизненных процессах? Для того, чтобы ответить на эти вопросы, обратимся к составу и строению белков.
Состав белков
В состав белков входят атомы водорода (Н), углерода (С), азота (N), серы (S), кислорода (О) (запись на доске). Относительные молекулярные массы белков составляют от нескольких тысяч до 1 млн.
Как из 33 букв алфавита мы можем составить бесконечное число слов, так из 20 аминокислот – бесконечное множество белков. В организме человека насчитывается до 100 000 белков.
(Приложение 2).
Строение белков
Выступления учащихся.
1 ученик. В начале 20 века немецкий ученый Э.Г.Фишер предположил, что белки представляют собой полимеры аминокислот, соединенных пептидной связью. Идея о том, что белки – полимерные образования, высказывалась еще в конце 19 века А.Я.Данилевским, русским ученым. Эта теория получила подтверждение в современных работах.
Согласно полипептидной теории белки имеют:
- первичную структуру, которая показывает последовательность чередования различных аминокислотных звеньев в полипептидной цепи. Ученик демонстрирует бусы, где каждая бусинка – аминокислота, связи ковалентные, прочные. (рис 1). В образовании связей от каждой аминокислоты участвуют группы атомов –СО и –NH, которые образуют пептидную связь. Отсюда, название белков – полипептиды. Если в молекуле белка изменить чередование аминокислот, то получится новый белок, с новыми функциями.
Учитель биологии. Первичная структура белковой молекулы играет чрезвычайно важную роль. Изменение только одной аминокислоты на другую может привести либо к гибели всего организма, либо к появлению совершенно нового вида. Многим из вас известно такое заболевание, как серповидно-клеточная анемия, приводящее к смертельному исходу, причина которого – замена одного остатка аминокислоты глутамина на валин в молекуле гемоглобина.
2 ученик.
- вторичную структуру – тип укладки полипептидной цепи, наиболее часто встречается спираль. Демонстрируется шнур от электробритвы. После растяжения шнура, он вернулся в исходное состояние. Перед нами новая структура в виде спирали. Обращаем внимание на то, что витки спирали находятся на одинаковом расстоянии. Витки спирали удерживаются водородными связями между атомом водорода группы NH- одной аминокислоты и атомом кислорода группы СО- другой аминокислоты, расположенных на разных витках. Водородные связи слабые, но их много, за счет этого обеспечивается стабильность вторичной структуры. Радикалы аминокислот обращены наружу, что позволяет функциональным группам вступать в разные химические реакции.
3 ученик.
- третичную структуру, пространственная конформация закрученной в спираль полипептидной цепи. Демонстрируется клубок из электрошнура. В поддержании третичной структуры участвуют дисульфидные мостики –S-S- , именно этой структурой обусловлена биологическая активность белков; водородные связи, сложноэфирные связи между радикалами.
4 ученик.
- четвертичную структуру – структуру из нескольких полипептидных цепей. Демонстрируются два шнура, закрученных относительно друг друга.
Четвертичная структура – крупные белковые агрегаты, такие, как гемоглобин, хлорофилл, которые представляют собой сочетание нескольких белковых молекул с небелковыми фрагментами.
Например, гемоглобин (белок крови) – сложный белок, макромолекула которого состоит из 4 полипептидных цепей (глобул), соединенных с четырьмя гемами – небелковыми образованиями, которые придают крови красный цвет. В каждом геме содержится один атом двухвалентного железа, который может связывать одну молекулу кислорода. В результате, одна молекула гемоглобина переносит к тканям четыре молекулы кислорода.
Физические свойства
Учитель химии.
1) Существуют белки нерастворимые в воде (фибриллярные) – это белки покровных тканей. Другие растворяются в воде (глобулярные), образуя коллоидные растворы.
Опыт. Через раствор куриного белка пропускаем световой луч.
Наблюдаем в растворе наличие взвешенных частичек.
Вывод (делают ученики): раствор куриного белка является коллоидным.
2) Молекулы нерастворимых белков очень прочные. Так человеческий волос прочнее меди и может соперничать со специальными видами стали. Пучок волос площадью 1 см2 выдерживает вес в 5 тонн. А на женской косе в 200 тыс. волосинок можно поднять груженый КАМАЗ весом 20 тонн.
Химические свойства белков
1. Денатурация.
При нагревании под действием сильных кислот и оснований, солей тяжелых металлов происходит необратимое осаждение (свертывание) белков, называемое денатурацией.
Запись определения: процесс утраты белковой молекулой своей структурной организации называется денатурацией.
При денатурации происходят изменения во вторичной и третичной структуре белка, а первичная структура сохраняется. При этом их биологические функции полностью уничтожаются. В переводе с греческого пептид означает сваренный, это слово как раз и отражает первое свойство белка – свертывание при нагревании.
Вопрос: «К каким продуктам в быту мы применяем термин «свернуться?» Это белок куриного яйца (альбумин) и молоко.
Опыт. Учащиеся нагревают раствор яичного белка на пламени спиртовки.
Наблюдают, что содержимое пробирки белеет и образуются сгустки неправильной формы – свернувшийся белок.
Именно поэтому все живое гибнет в огне, при кипячении в воде и на «горячих» планетах Солнечной системы невозможна жизнь.
В некоторых случаях полученный осадок при избытке воды вновь растворяется, т.е. происходит ренатурация. Процесс восстановления структурной организации белковой молекулы называется ренатурацией. (Определение записывается в тетрадь). Это возможно если на белок было оказано воздействие слабым раствором спирта, кислоты, солями легких металлов.
Учитель биологии. Ренатурация лежит в основе раздражимости клеток. Так под действием гормонов регулируется действие ферментов, рецепторов, транспортеров.
Иногда денатурация белка имеет определенное значение. Например, паук выделяет капельку секрета и приклеивает ее к какой-нибудь опоре. Затем продолжая выделять секрет, он слегка натягивает ниточку и этого слабого натяжения достаточно, чтобы белок денатурировался. Из растворимой формы перешел в нерастворимую, и нить приобрела прочность.
Учитель химии.
2. Гидролиз.
Под действием ферментов, растворов кислот, щелочей происходит разрушение первичной структуры белка в результате разрыва пептидных связей. Гидролиз приводит к образованию аминокислот и пептидов. Ученики пишут уравнение гидролиза дипептида и делают вывод, что белки амфотерны.
Учитель биологии. Гидролиз - основа процесса пищеварения. В организм человека ежедневно должно поступать 60-80 грамм белка. В желудке под действием ферментов и соляной кислоты белковые молекулы разрушаются с образованием аминокислот. Попадая в кровь они разносятся по всем клеткам организма, где участвуют в строительстве собственных белковых молекул, свойственных только данному виду.
Учитель химии.
3. Цветные (качественные) реакции на белки.
А) биуретовая реакция (на обнаружение пептидных связей –СОNH-) .
Опыт. Ученики к раствору белка приливают немного щелочи натрия NaOH и по каплям добавляют раствор сульфата меди (II) CuSO4.
Раствор белка + NaOH + CuSO 4 → красно-фиолетовое окрашивание
Наблюдают красно-фиолетовое окрашивание.
Б) ксантопротеиновая реакция (на бензольные кольца, содержащиеся в некоторых аминокислотах.
Опыт. Ученики к раствору белка приливают концентрированную азотную кислоту HNO 3 .
Наблюдают желтое окрашивание.
4. Качественное определение серы.
Демонстрационный опыт 1. К раствору белка приливаем раствор ацетата свинца (СН3СОО)2Рb, затем щелочь NaOH и нагреваем.
Наблюдаем выпадение черного осадка PbS, что указывает на содержание серы.
(СН3СОО)2Рb + S2- → PbS + 2СН3СОО-
Демонстрационный опыт 2. При горении белки издают характерный запах жженого рога. Поджигаем шерстяную нитку. Этот запах определяется содержанием в белках атома серы.
Пищевая ценность белков
Учитель биологии. Какова же ценность белков для организма человека?
Сообщение учащегося. Белок – важный компонент пищи человека. Основные источники пищевого белка: мясо, молоко, продукты переработки зерна, хлеб, рыба, овощи. Потребность в белке зависит от возраста, пола, вида деятельности. Необходимо помнить, что некоторые аминокислоты при тепловой обработке, длительном хранении продуктов могут образовывать неусвояемые организмом соединения, т.е. становиться «недоступными». Это снижает ценность белка.
Животные и растительные белки усваиваются организмом неодинаково. Если белки молока, молочных продуктов, яиц усваиваются на 96%, мяса и рыбы на 93-95%, то белки хлеба – на 62-86%, овощей – на 80%, картофеля и некоторых бобовых – на 70%. Однако смесь этих продуктов может быть биологически более полноценной.
Суточная потребность взрослого человека в белке разного вида 1-1,5 г на 1 кг массы тела, т.е. приблизительно 85-100 г. Доля животных белков должна составлять приблизительно 55% от общего его количества в рационе.
Учитель биологии. Белки являются основой всего живого на Земле и выполняют в организмах многообразные функции.
Функции белков в организме
Выступления учеников.
Учащиеся слушают и записывают функции белков в таблицу. (Приложение 3).
Обобщение и закрепление изученного материала
1. Устные ответы на вопросы учителя по данной теме:
- Белок иначе называют…
- Что является мономерами белка?
- Сколько незаменимых АК известно?
- Какие вещества называются белками?
- Каков атомарный состав белков?
- Какая связь поддерживает вторичную структуру?
- Вторичная структура белковой молекулы в пространстве напоминает…
- За счет каких взаимодействий образуется третичная структура?
- Что в переводе с греческого означает “протеин”?
- На какие две группы делят белки по их отношению к Н2О?
- Что такое “денатурация”?
- Как называется процесс взаимодействия белков с Н2О?
- Как распознают белки?
- Перечислите функции белков.
2. Письменное задание.
Тест по теме урока.
1) Какие органические вещества в клетке на первом месте по массе?
а) углеводы б) белки в) липиды г) нуклеиновые кислоты
2) Сколько аминокислот образует все многообразие белков?
а) 170 б) 26 в) 20 г) 10
3) Сколько аминокислот являются незаменимыми для человека?
а) таких аминокислот нет б) 20 в) 10 г) 7
4) Какие белки называются неполноценными?
а) В которых отсутствуют некоторые аминокислоты?
б) В которых отсутствуют некоторые незаменимые аминокислоты?
в) В которых отсутствуют некоторые заменимые аминокислоты?
г) Все известные белки являются полноценными.
5) В результате какой реакции образуется пептидная связь?
а) реакции гидролиза б) реакции гидратации в) реакции конденсации г) все выше перечисленные реакции могут привести к образованию пептидной связи
6) Между какими группировками аминокислот образуется пептидная связь:
а) между карбоксильными группами соседних аминокислот;
б) между аминогруппами соседних аминокислот;
в) между аминогруппой одной аминокислоты и радикалом другой;
г) между аминогруппой одной аминокислоты и карбоксильной группой другой?
7) Какие связи стабилизируют вторичную структуру белков?
а) ковалентные б) водородные в) ионные г) такие связи отсутствуют
8) Какую структуру имеет молекула гемоглобина?
Рефлексия
Что заинтересовало вас сегодня на уроке более всего?
Как вы усвоили пройденный материал?
Какие были трудности? Удалось ли их преодолеть?
Пригодятся ли вам знания, полученные сегодня на уроке.
Итог урока
Учителя подводят итог урока. Выставляют оценки.
Учащиеся записывают домашнее задание: учить конспект, уметь записывать уравнения химических реакций. Составить кроссворд по теме «Белки – основа жизни».
Образовательные ресурсы
- Библиотека электронных наглядных пособий «Химия 8-11 классы», разработчик «Кирилл и Мефодий», 2003 г.
- Библиотека электронных наглядных пособий «Биология 8-11 классы», разработчик «Кирилл и Мефодий», 2003 г
- Интегрированное межпредметное электронное издание по естественнонаучному циклу (биология, химия, экология), разработчик «Физикон», 2005 г.
- Электронное издание по курсу «Биотехнология», разработчик «Новый диск», 2003 г.
- Электронное издание «Химия 8-11. Виртуальная лаборатория», разработчик МарГТУ, 2004 г.