Интегрированный урок «Белки – основа жизни»

Цели и задачи:

Образовательные задачи:

1. углубить знания о важнейших классах биологически значимых органических соединений – белках;
2. изучить особенности строения белков, их состав, структуру, функции и биологическую роль в жизнедеятельности живых организмов;
3. знать цветные реакции на белки, на обнаружение каких видов связи;
4. уметь доказывать амфотерные свойства белков;
5. уметь устанавливать причинно-следственные связи при изучении строения и свойств;
6. иметь представление о биологическом синтезе белков.

Воспитательные задачи:

1. показать материальное единство органического мира;
2. формирование научного мировоззрения;
3. выработка внимания, сознательной дисциплины;
4. воспитание трудолюбия, настойчивости;
5. патриотическое воспитание;
6. экологическое воспитание.

Развивающие задачи:

1. развитие умения сравнивать, обобщать, делать выводы;
2. развитие логического мышления учащихся;
3. развитие познавательного интереса учащихся, установление межпредметных связей;
4. формировать способность к самостоятельному приобретению знаний, самооценке;
5. развивать умение делать выводы на основе сравнения;
6. работать с дополнительной литературой, реактивами, выступать перед аудиторией, развивать мышление через установление причинно – следственных связей “строение вещества – свойства вещества – применение вещества”.

Урок изучения нового материала, форма его проведения – семинар.

Оборудование: интерактивная доска, компьютер; реактивы: раствор куриного белка, растворы гидроксида натрия, сульфата меди (II), концентрированной азотной кислоты, ацетата свинца (II), пероксида водорода, кусочки сырого картофеля, варёного и сырого мяса; химическая посуда, спиртовки, держатели.

Презентация.

Ход урока

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....
С.Я. Надсон (слайд 1)

Учитель биологии. Что такое жизнь? Как она появилась на Земле? Эти вопросы волновали людей всегда. Ни одно естественно – научное явление не вызвало такой острой борьбы мировоззрений, какая всегда сопровождала проблему живого. А причина этой борьбы – в объекте познания, его уникальности, неповторимости и сложности. Постепенно было накоплено достаточно экспериментального материала, чтобы дать следующее определение жизни (слайд 2).

“Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причём с прекращением этого обмена веществ, прекращается и сама жизнь, что приводит к разложению белка” (Ф. Энгельс)

Учитель химии. Из данного определения следует, что понятия “белок” и “жизнь” неразрывно связаны. Сегодня мы проследим эту связь на уроке, тема которого “Белки – основа жизни” (слайд 3).

В течение всего нашего урока мы постараемся с вами найти ответ на вопрос: почему белки – основа жизни?

Сегодня мы рассмотрим следующие вопросы, которые вы получили в качестве домашнего задания на прошлом уроке. (слайд 4).

Мы поделили класс на 4 группы. Каждая группа готовила ответ на свой вопрос.

Распространенность белков.

Учитель биологии. Все живые организмы, как животные, так и растительные, содержат белки, являющиеся важнейшими составляющими клеток и тканей. В организме человека белки также являются основными строительными блоками и находятся во всех его клетках.

Белки являются основными компонентами энзимов – биокатализаторов химических реакций, протекающих в живых организмах, а также гормонов – веществ, контролирующих деятельность тканей и органов.

Белки – основная структурная часть любого живого организма, а также неотъемлемая часть пищи животных и человека. Со строением белков напрямую связаны их функции. Белки выполняют следующие функции в организме: На этот вопрос отвечает представитель группы №1.

1 группа. Функции белков.

1. Ферментативная функция белков.(слайды 5- 19)

В каждой живой клетке непрерывно происходят сотни биохимических реакций, в ходе которых идут распад и окисление поступающих извне питательных веществ. Самая важная функция белков в организме – биокаталитическая. Белки – двигатели всех химических реакций, слаженно и последовательно протекающих в организме. Фермент – своеобразный робот, приспособленный для выполнения определённой химической реакции. Ферменты обладают совершенно фантастической, пока недостижимой ни в одном обычном химическом производстве “производительностью труда”.

2. Регуляторная функция белков.

Гормоны производятся в особых клетках мозга, находящихся в гипоталамической части и гипофизе, например, гормон роста, а также в клетках поджелудочной железы (инсулин и глюкагон). Гормоны, как правило, влияют на организм, изменяя активность ферментов. Так, белки – факторы роста активизируют ферменты синтеза ДНК в клетке и таким образом усиливают деление клеток. Это важно для восстановления тканей при ранениях и после операций. Но слишком интенсивное деление клеток ведёт к их чрезмерному росту (злокачественные опухоли). Блокировать избыточный синтез факторов роста – значить подавить рост злокачественной опухоли.

3. Структурные и сократительные белки.

Все функции, которые выполняют белки в организме, по-своему удивительны. Но раньше всех привлекли внимание белки двух групп тканей – соединительной и мышечной. На другие белки животных и человека в давние времена обращали мало внимания. О них знали, но при этом удовлетворялись объяснениями, что они составляют “жидкости” и “слизи” организма. Их скорее всего считали выделениями тканей, чем функциональными образованиями. Белки соединительных тканей выполняют механическую функцию – они служат опорой тканей, “выстилают” кожу, обеспечивают прочность и эластичность кровеносных сосудов и трахей и т.д. Нерастворимые нити соединительной ткани состоят из фибриллярного белка – коллагена. В организме человека из белков больше всего коллагена. Это один из первых белков, который люди начали использовать в практике.

4. Защитные функции белков.

По схеме “ключа и замка” в организме действуют сложные системы, защищающие нас от наших самых многочисленных врагов – болезнетворных организмов. Эти системы обладают исключительной уникальностью: они реагируют не только на микроорганизмы или вирусы, но и просто на инородные вещества, которые могут нанести вред нашим клеткам, нарушить нормальное течение обменных процессов, а, следовательно, вызвать болезнь или даже смерть. Блуждающие клетки, которые были найдены в организме всех животных и человека, выполняют защитную функцию, поглощая и переваривая попавшие в организм микробы. Так возникла фагоцитарная теория иммунитета (Мечников назвал защитные клетки фагоцитами – пожирателями клеток). Фагоциты, открытые Мечниковым, были первым орудием иммунитета, которое стало известно науке, а фагоцитарная теория – первой теорией иммунитета.

Вскоре было открыто, что организм обладает ещё одним средством борьбы с болезнями – антителами. Это белковые вещества, вырабатываемые в организме в ответ на введение чужеродного белка. Всё, что вызывает в организме образование антител, называется антигенами. Оказалось, что антитела обладают удивительными свойствами. Они специфичны по отношению к антигену, который вызвал их образование. Так появились вакцины. При введении вакцины организм оказывался приготовленным к встрече с врагом, которого он обучался узнавать и уничтожать. Пауль Эрлих к фагоцитарной теории добавил новую, которая утверждает, что иммунитет – функция антител.

Учитель химии. А сейчас мы экспериментально проверим, как белки выполняют ферментативную функцию, выполнив лабораторный опыт “Ферментативное расщепление пероксида водорода ферментами клетки”, согласно инструкции, которая находится у вас на столах.

Лабораторный опыт “Ферментативное расщепление пероксида водорода ферментами клетки”

Инструкция

Цель: изучить роль ферментов в растительных и животных клетках.

Оборудование: пробирки, вода, сырой и варёный картофель, сырое мясо, пероксид водорода, пипетки.

Ход работы

1. Приготовьте 3 чистые пробирки с небольшим количеством воды (примерно 3 см по высоте). В первую положите 3 кусочка сырого картофеля, во вторую – варёного, в третью – кусочек сырого мяса.
2. В каждую пробирку добавьте по 6 -8 капель пероксида водорода.
3. В какой пробирке происходят изменения и какие? Чем это объяснить?
4. Сделайте вывод: Какова роль ферментов в клетках? Что такое ферменты?

Учитель биологии.

Вывод: Так как белки обладают совершенно особыми свойствами, обусловленными уникальным составом и особым строением, то они выполняют в организме человека многообразные функции: запасающие, защитные, каталитические, рецепторные, структурные Таким образом, приоритетная роль белков в клетке объясняется многообразием их функций. Поэтому они являются основой жизни.

Учитель химии:

Но чем же объясняется такое многообразие функций? Из курса органической химии вы уже знаете, что свойства вещества определяется его строением. Давайте проанализируем, какие особенности строения белков позволяют им выполнять биологические функции?

1. Каков их атомарный состав?

2 ученик: В состав белков входят следующие основные элементы: углерод, водород, кислород, азот и сера. В белках также обнаружены: фосфор, железо, медь, бром, марганец, и другие элементы, однако их количество невелико. (слайд 27)

Учитель химии: 2. Какие структурные звенья образуют белковые молекулы? Какие функциональные группы входят в их состав?

Основные сведения о составе и строении белков получены при изучении их гидролиза.

Установлено, в результате гидролиза любого белка получается смесь a – аминокислот, причём наиболее часто в составе белков встречаются 20 аминокислот

Вопрос: Что общего в строении этих аминокислот?

3 ученик: Они имеют в своём составе две функциональные группы - карбоксильную и аминогруппу.

Строение аминокислот, составляющих белки можно выразить общей структурной формулой. (слайд 28)

(Записать на доске - ученик). Они являются амфотерными органическими основаниями и за счёт своих функциональных групп могут взаимодействовать между собой, образуя пептиды.

Записать образование дипептида глицин-аланин.

К какому типу относится эта реакция? (Поликонденсации).

Учитель химии. Как видим, природные белки являются высокомолекулярными соединениями.

Какое же строение имеет молекула белка? На этот вопрос нам даст ответ представитель 2 группы учащихся. По ходу его рассказа мы будем заполнять с вами таблицу, образец которой лежит у вас на столе. Начертите её в тетради.

Таблица “Строение и уровни организации структуры белка”

1. Первичная структура белка. (слайды 20-25)

Подобно тому, как из 33 букв русского алфавита составлено множество разнообразных слов, так из набора 20 ? – аминокислот может быть образовано практически безграничное количество белков.

Последовательность чередования различных аминокислотных звеньев в полипептидной цепи и называется первичной структурой белковой молекулы.

Аминокислотные остатки соединены в макромолекуле белка пептидными связями. Пептидная связь возникает в результате реакции поликонденсации аминокислот при взаимодействии карбоксильной и аминогрупп соседних молекул.

Первичная структура белка играет чрезвычайно важную роль. Изменение только одной аминокислоты на другую может привести либо к гибели всего организма, либо к появлению совершенно нового вида. Замена одного остатка аминокислоты глутамина на валин в молекуле гемоглобина (содержит 574 аминокислотные группы) вызывает тяжелейшее заболевание – анемию, приводящую к смертельному исходу. Пептидные связи обеспечивают определённую стабильность первичной структуры. Однако вытянутые полипептидные цепи в природе не встречаются – они образуют структуры более высокого порядка – это вторичные структуры.

2. Вторичная структура белка.

Вторичная структура белка характеризуется пространственной конфигурацией, которую принимает молекула белка. Наиболее часто вторичной структурой белка является спираль, которую удерживают водородные связи, образующиеся между группой - C = O (карбонильной)

и - N –H (амидной), находящиеся на разных витках. На один виток спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка. Радикалы аминокислотных звеньев обращены наружу, что позволяет их функциональным группам вступать в разнообразные химические реакции. Такую структуру имеет ? – кератин (шерсть, волосы, рога, ногти).

3. Третичная структура белка – это способ расположения спирали в пространстве. Она поддерживается взаимодействием разных функциональных групп полипептидной цепи. Так, например, между атомами серы образуется дисульфидный мостик (- S – S-), а между карбоксильной и гидроксильной группами имеется сложноэфирный мостик, а между карбоксильной группой и аминогруппой может возникнуть солевой мостик. Для этой структуры характерны и водородные связи

4. Существуют белки, макромолекулы которых могут объединяться в более крупные агрегаты. Подобное полимерное образование и называется четвертичной структурой. Примером такого белка является гемоглобин, который представляет собой комплекс из четырёх макромолекул. Оказывается, что только при таком строении гемоглобин способен присоединять и транспортировать кислород в организме.

Учитель химии:Вывод:: Белки очень разнообразны, так как каждый из них характеризуется специфической последовательностью аминокислотных звеньев; белки – это высшая, самоорганизующаяся форма развития вещества, в которой первичная структура определяет его биологическую активность; белки полифункциональны; это биологические полимеры - полипептиды. Из-за наличия разнообразных функциональных групп, белки нельзя отнести к какому - либо одному из известных нам классов органических соединений. В нём объединяются признаки разных классов, и в своём сочетании они дают совершенно новое качество. Белок – высшая форма развития органических веществ.

Учитель биологии.

Классификация белков (слайд 26).

По степени сложности белки делят на простые – протеины, состоящие только из остатков аминокислот, и сложные – протеиды, состоящие из белковой и небелковой частей.

Сложные белки кроме полипептидов содержат: нуклеопротеиды – нуклеиновые кислоты; гликопротеиды – полисахариды; хромопротеиды – пигменты; липопротеиды – липиды;

фоспротеиды – остатки фосфорной кислоты.

По растворимости в отдельных растворителях можно выделить следующие группы белков:

Альбумины – белки с небольшой молекулярной массой, хорошо растворимые в воде и солевых растворах (белок куриного яйца);

Глобулины – белки, растворимые в соляных растворах, входят в состав мышечных волокон; крови, молока (лактоглобулин молока);

Проламины – растворяются в растворе этилового спирта, это белки семян злаков (зеины содержатся в кукурузе, авенины – в овсе, глиадины в пшенице);

Глютелиды – растворяются только в растворах щелочей (глютенин клейковины пшеницы)

Учитель химии:

Определив значение белков, изучив их состав и строение, можно перейти к изучению физико-химических свойств белков. Мы рассмотрим с вами денатурацию, качественные реакции на белки и гидролиз. Эта часть урока - экспериментальная. Вы будете проводить опыты, иллюстрирующие свойства белков. Техника безопасности!

Физические свойства белков.

Группа 3. Белки обладают большой относительной молекулярной массой, например инсулин-6000, каталаза – 62 000, гемоглобин – 65 000, фибриноген – 340 000. Поэтому растворы белков коллоиды.

В зависимости от рН среды белки могут вести себя как катионы или как анионы. При определённом значении рН среды число положительных и отрицательных зарядов в молекуле одинаково. Такое значение рН называют изоэлектрической точкой. В этой точке белки электронейтральны, а их вязкость и растворимость наименьшие. Этим свойством белка пользуются для выделения их из растворов, например при получении белковых продуктов. Ещё одно интересное свойство белков – способность связывать воду, т.е. гидрофильность. Благодаря этому белки могут набухать, образовывать студни, стабилизировать суспензии и эмульсии.

Большое значение имеет способность белков к пенообразованию. В качестве пенообразователей белки широко используют в кондитерской промышленности для изготовления пастилы, зефира, суфле. (слайд с рисунками)

Химические свойства белков (слайды 29-36).

1. Одно из важнейших свойств белка - их способность к гидролизу.

Гидролиз белка достигается при помощи кипячения белка с сильными минеральными кислотами (кислотный гидролиз) или щелочами (щелочной гидролиз). Гидролиз идёт с образованием аминокислот.

Записать на доске гидролиз трипептида: глицин – аланин – глицин (кислотный гидролиз)

В организме гидролиз идёт с образованием аминокислот. Ферменты действуют только в кислой среде и только при температуре тела.

Учитель химии. Для белков характерны качественные реакции, при помощи которых их можно отличить от других органических веществ.

Для изучения этих свойств мы проведём лабораторную работу.

Выполнение и результаты лабораторной работы будем фиксировать в таблице, образец которой находится у вас на столе. (Приложение 1).

Вывод. Итак мы изучили основные физические и химические свойства белков, выяснили как знание этих свойств можно применить в повседневной жизни.

Учитель биологии. А теперь давайте выясним какую роль играют белки в жизни человека? Какова их пищевая ценность?

Белковая пища.(слайды 38-41)

Сообщение ученика “Белковая пища”.

“Белки в процессе пищеварения подвергаются гидролизу до составляющих их аминокислот. Аминокислоты разносятся по клеткам организма, где из них синтезируются новые белки. Человеческий организм может самостоятельно синтезировать лишь 12 аминокислот из 20. Остальные 8 называют незаменимыми, и они должны обязательно содержаться в белках, поступающих с пищей. Почти все эти аминокислоты имеются в животной пище: мясе, молоке, яйцах, рыбе. Большинство растительных белков беднее незаменимыми аминокислотами. Поэтому при питании только растительной пищей может возникнуть их недостаток, отражающийся на здоровье человека. Суточная потребность взрослого человека в белке составляет примерно 80 г . Доля животных белков должна составлять 55 % от общего количества в рационе. Она может меняться с возрастом, при больших нагрузках, заболеваниях. Наибольшую биологическую ценность имеют белок материнского молока и белок куриного яйца. Наша белковая пища должна быть разнообразной.

В странах, где не хватает животных белков, в рацион вводят продукты из соевых бобов. Из соевого белка изготавливают искусственные мясные продукты, окрашенные как говядина, свинина или курятина, и имеющие их вкус.

Богаты белком орехи. Особенно кокосовые и арахисовые. В странах, где они выращиваются, за их счёт может покрываться значительная часть суточной потребности в белке”.

Сообщение ученика “Синтез белка” ...

Рефлексия. (Приложение 2)

Общий вывод: дальнейшее развитие науки, разработка новых методов синтеза белков позволит создать искусственно все составные части пищи. Для этого хватит химических запасов, которые хранятся в земной коре, атмосфере и океане.

Подводя итог урока, ещё раз повторяем, что понятия “жизнь” и “белок” неразрывно связаны. Чтобы ответить на вопрос “Что такое жизнь?”, нужно знать, что такое белки. Насколько многообразны белки, настолько сложна, загадочна и многолика сама жизнь. Слова Гёте – тому подтверждение: “Я всегда говорил и не устаю повторять, что мир бы не мог существовать, если бы был так просто устроен”.

Домашнее задание (слайд 43).