2.1. Объяснительная записка.
Предлагаемая программа спецкурса „Белок – основа жизни” предназначена для учащихся X-XI классов. Программа построена с учетом имеющихся знаний у учащихся по химии и биологии, она направлена на рассмотрение, углубление этих знаний, а также на формирование правильного понимания жизненных процессов. Преподавание спецкурса необходимо построить в зависимости от уровня подготовленности учащихся. Материал для преподавания в X классе может быть несколько упрощен, но не сведен лишь к изучению биологических функций белков.
При изучении спецкурса „Белок – основа жизни” в X классе рекомендуем подробно остановиться на вопросах, касающихся особенностей белковых тел как носителей жизни, аминокислотного состава белков, свойств белков и их функций организме человека.
При изучении спецкурса в XI классе следует особое внимание уделять химическому строению, структурам белковых молекул, методам выделения и очистки белков, их биологическому действию в живых организмах.
Спецкурс рассчитан на 30 часов, из них 14 часов отводится на лекции, 9 часов – на выполнение лабораторных работ, 5 часов – на семинарские занятия.
При проведении спецкурса предусмотрен учет и контроль знаний учащихся. Проверка знаний может осуществляться с помощью контрольных работ, опроса на занятиях, индивидуальных бесед, тестовых заданий.
В вариант программы могут быть внесены некоторые изменения: перестановка тем, включение некоторых дополнительных вопросов для изучения. Изменения в планирование спецкурса могут быть внесены из-за отсутствия необходимого набора реактивов в кабинете химии. Однако внесенные изменения не должны нарушать логическую структуру курса и существенно отражаться на объеме и уровне знаний учащихся. Предлагаемый курса „Белок – основа жизни” может быть использован как факультативные занятия по химии, биологии или как межпредметный комплекс.
Разработанный нами спецкурс может способствовать интеграции химии с другими естественнонаучными дисциплинами, позволяет знакомить учащихся с процессами, протекающими в окружающей среде, в организме человека и животных и приближает изучение химии к жизни.
2.2. Рабочая программа спецкурса
I. Введение
Химический состав организмов. Общее знакомство с белками. Роль белковых тел в построении живой материи и в осуществлении процессов жизнедеятельности. Особенности белковых тел как носителей жизни. Современные представления о сущности жизни и роли белков в её осуществлении.
II. История открытия и изучения белков.
Внедрение первого препарата белкового вещества. Работы Я.Б. Беккари. Эксперименты с белковыми веществами растительного происхождения (И.М.Руэль, А. Пармантье и др.). Экспериментальные работы с белковыми веществами животного происхождения (Ф. Кене, Ф. Вассерберг, И. Пленк).
Попытки А. Ф. Фукруа по установлению строения белков и сравнению белковых веществ различных тканей и жидкостей живого организма.
Первые данные об элементарном составе белков (Гей-Люссак и Тенар).
Работы по установлению эмпирических формул белковых веществ (Ш.А.Вюрц, Э. Бауленхауер, Э. Фреши и А. Валансьен и др.).
Открытие аминокислот (Л.Н. Воклен, У.Г. Волластон, Г. Мульдер, А. Браконно и др.).
Способ связи аминокислот в белковой молекуле. Работы А.Я. Данилевского и Э. Фишера. Синтез первого дипептида. Развитие представлений о структурах белковой молекулы (К.У. Линдерстрем-Ланг и др.).
Отечественная химия белка до 50-х годов XX-века. Открытие Московского биохимического института (1921). Работы Н.Д. Зелинского как логическое продолжение работ Э. Фишера.
Физико-химические методы исследования белков в 30-40 гг. XX века (Д.Л. Талмуд, П.В. Афанасьев и др.). Вклад Ф.И. Гизе, А.И. Коднева, П.Т. Ильенкова, А.Я. Данилевского, А.П. Сабанеева, Н.Н. Любавина и других отечественных ученых в развитие представлений о химическом строении белка.
III. Элементарный состав белков. Методы выделения и фракционирования белков.
Основные химические элементы, входящие в состав белка, их процентное содержание. Понятие о факторе пересчета.
Способы гомогенизации материала: размалывание на специальных мельницах, измельчение в гомогенизаторах Уорринга и Поттера, ультразвуком, попеременным замораживанием и оттаиванием, осмотическим шоком, методом азотной бомбы. Экстракция белков растворами солей, буферными смесями (фосфатный, цитратный, боратный), органическими растворителями (водными растворами одно- и многоатомных спиртов, уксусной и дихлоруксусной кислот, ацетона и др.). Методы фракционирования белков: высаживание, осаждение органическими растворителями (метиловым и этиловым спиртами, ацетоном, диоксаном и др.); осаждение солями тяжёлых металлов (Hg2+, Zn2+, Ca2+, Ba2+, Pb2+, Cu2+, и др.), электрофорез жидкостный, на бумаге и блоке агар-агара.
Лабораторно – практические работы:
1. „Выделение белков из тканей и биологических жидкостей“.
2. „ Реакции осаждения белков“.
IV. Гомогенность и молекулярная масса белков.
Способы очистки белковых препаратов от низкомолекулярных примесей: диализ, электродиализ, кристаллизация и ильфильтрация. Методы определения гомогенности белковых препаратов: по независимости растворимости от количества твердой фазы, по хроматографической, электроогорепической и гравитационной однородности, по кристалличности, по содержанию HS-группы и концевых аминокислот.
Молекулярная масса белков. Понятие о физическом и химическом значениях молекулярной массы белков.
Методы определения молекулярной массы белка: гравитационный (ультрацентрифугирование), вискозометрический, осмометрический, электронно-микроскопический, хроматографический, химический, оптический.
Ультрацентрифуги и их достоинство.
Лабораторно-практическая работа:
3. „Диализ белка“.
V. Аминокислотный состав белков.
Аминокислоты – основные структурные элементы всех белков. Разнообразие аминокислот. Природные аминокислоты. Понятие о рацемических и оптических активных аминокислотах. Особое значение для жизни ?-аминокислот.
Заменимые и незаменимые для человека аминокислоты.
VI. Строение белковой молекулы.
Способ связи аминокислот в белковой молекуле. Работы А.Я. Данилевского и Э. Фишера. Пептиды. Методы синтеза пептидов. Синтез пептидов по методу Р. Меррифильда.
Природные пептиды: карнозин, глутатион, офтальмовая кислота, окситоцин, вазопрессин, ораллондин и др.
Структура белковой молекулы. Доказательства полипептидной теории строения белка.
Первичная структура белков. Схема установления первичной структуры белка.
ОпределениеN- и C-концевых аминокислот, расщепление дисульфидных связей и окисление остатков цистеина в цистеиновую кислоту, селективный гидролиз трепсином и химотрипсином, фракционирование пептидов методом электрофореза и хроматографии, расшифровка первичной структуры выделенных пептидов, воссоздание полной структуры полипептидной цепи. Характеристика первичной структуры A- и B-цепей инсулина, ?- и ?-цепей гемоглобина и других белков. Первичная структура и видовая специфичность белков.
Вторичная структура белков. Понятие об ?- и ?-конформациях полипептидной цепи. Правые и левые ?-спирали, их реализация в белках и пептидах. Силы, удерживающие полипептидную цепь в ?-конформации. Связь первичной вторичной структуры белковой молекулы. Степень спирализации полипептидных цепей белков.
Третичная структура белков. Методы её выявления. Работы Дж. Кендрю, М. Петруца и Филипса по рентгеноструктурному анализу третичной структуры гемоглобина. Типы связей, обеспечивающих поддержание структуры белковой молекулы. Гидрофобные зоны в молекулах глобумерных белков. Приоритет отечественных исследователей (Д.Л. Талмуда, Б.Н. Талмуда и П.В. Афанасьева) в разработке учения об ориентации гидрофобных и гидрофильных радикалов в процессе свёртывания полипептидной цепи в глобулу. Динамичность третичной структуры белков.
Четвертичная структура белков. Субъединицы, протомеры и эпимолекулы (мультимеры). Конкретные примеры четвертичной структуры белков (инсулин, гемоглобин, вирус табачной мозаики и т.п.). Типы связей между субъединицами в эпимолекуле.
Лабораторно-практические работы:
4. „Кислотный и ферментативный гидролиз белка“.
5. „Биуретовая и мингидриновая реакции на белки“.
VII. Свойства белков
Реакционная способность белков. Химические свойства белков. Оптические свойства белков. Амфотерность. Гезоэлектическое состояние белковой молекулы. Нативные и денатурированные белки. Механизм денатурации белков.
Лабораторные работы:
6. „Качественные реакции на белки“.
VIII. Номенклатура и классификация белков.
Простые (протеины) и сложные (протеиды) белки. Классификация протеинов по форме белковой молекулы, по происхождению, по аминокислотному составу. Характеристика некоторых простых белков (клупеин, фиброин шёлка, яичный и сывороточный альбумины). Классификация протеидов. Белковый компонент и прстепическая? Группа в протеидах. Металлопротеиды (феррипин). Фосфопротеины (казеин, фосфопротеиды яйца, пепсин). Гликопротеиды, хромопротеиды, мепопротеиды? Нуклеотиды; тонкая организация их структуры.
IX. Биологические функции белков.
Белки – ферменты. Белки – гормоны. Белки – антибиотики и др. Характеристика наиболее изученных представителей белков и полипептидов: окситоцин, вазопрессин, инсулин, гормон роста, рибонуклеаза, интерфероны и некоторые другие. Превращение белков в организме.
X. Современные исследования в области химии белка.
Органическая химия и биохимия: подходы к изучению сложных природных соединений. Синтез аминокислот и белков. Формирование энзимологии. Изучение химической природы биокатализаторов.
Химия и клетка. Химические методы изучения клетки. Цитохимия и биохимия, проблема организации клетки.
Биохимические исследования в медицине.
Создание биохимических кафедр и лабораторий.
2.3. Планирование спецкурса „Белок – основа жизни“ для изучения в XI классе средней школы.
При планировании спецкурса мы учитывали рекомендации данные в методической литературе [7,18,22,28].
Поскольку учащиеся имели весьма ограниченные знания по обозначенной проблеме, мы отобрали для изучения наиболее интересные темы с тем, чтобы заинтересовать их, развить навыки экспериментальной работы в школьной химической лаборатории и развить умение самостоятельной работы с литературой.
Нами также учитывался уровень подготовленности учащихся, и поэтому мы сочли нужным разработать планирование спецкурса для XI классов средней школы.
Таблица. Тематическое планирование спецкурса „Белок – основа жизни“.
№
занятия
Содержание изучаемого материала
Темы методы и средства обучения
Количество часов
1
I. Введение
Химический состав организмов. Общее знакомство с белками. Особенности белковых тел как носителей жизни.
Лекция.
Словесные: рассказ, беседа.
Наглядные: демонстрация наглядных пособий (иллюстраций, фотографий, таблиц).
1
2
II. История открытия и изучения белков.
Выделение первого препарата белкового происхождения. Попытки установления строения белков. Данные об элементарном составе белков. Работы зарубежных учёных-химиков.
Лекция.
Словесные: рассказ, беседа.
Наглядные: демонстрация фотографий, таблиц, белковых препаратов.
1
3
Отечественная химия белка до 50-х годов XX века. Работы отечественных учёных-химиков.
Семинар.
Словесные: рассказ учителя, доклады и содоклады учащихся.
Наглядные: демонстрация фотографий, схем, таблиц.
1
4
III. Элементарный состав белков. Методы выделения и фракционирования белков.
Основные химические элементы входящие в состав белка. Способы гомогенизации и экстракция белков.
Лекция.
Словесные: рассказ, беседа.
Наглядные: демонстрация таблиц, демонстрационный эксперимент. Лабораторно-практическая работа.
1
5-6
Лабораторно-практическая работа:
„Выделение белков из тканей биологических жидкостей“.
- выделение казеина из молока;
- получение раствора яичного альбумина;
- белки мяса;
- растительные альбумины.
Словесные: беседа.
Наглядные: демонстрация приборов, схем, таблиц.
Наглядно-действенные: выполнение практической работы.
2
7
Методы фракционирования белков. Способы очистки белковых препаратов от низкомолекулярных примесей.
Лекция.
Словесные: рассказ, беседа.
Наглядные: демонстрация схем, таблиц, демонстрационный эксперимент.
1
8-9
Лабораторно-практическая работа:
„Реакции осаждения белков“.
- при нагревании;
- концентрированными минеральными кислотами;
- солями тяжелых металлов;
- фенолом;
- спиртом.
Лабораторно-практическая работа:
Словесные: беседа.
Наглядные: демонстрация схем, таблиц, приборов.
Наглядно-действенные: выполнение практической работы.
2
10-11
IV. Гомогенность и молекулярная масса белков.
Методы определения гомогенности белковых препаратов. Методы определения молекулярной массы белка. Ультрацентрифуги и их устройство.
Лекция.
Словесные: рассказ, фронтальная беседа.
Наглядные: демонстрация таблиц, рисунков, схемы „Устройство центрифуги“.
2
12
Лабораторно-практическая работа:
„Диализ белка“.
Лабораторно-практическая работа:
Словесные: беседа.
Наглядно-действенные: выполнение практической работы.
1
13-14
V. Состав белков.
Аминокислотный состав белков. Разнообразие аминокислот. Природные аминокислоты. Особое значение для жизни ?-аминокислот. Заменимые и незаменимые для человека аминокислоты.
Лекция.
Словесные: рассказ, беседа.
Наглядные: демонстрация таблиц „Аминокислоты, постоянно встречающиеся в составе белка для взрослого организма“, рисунков, схем.
2
15
Семинарское занятие „Методы выделения и фракционирования белков. Природные аминокислоты. Заменимые и незаменимые для человека аминокислоты“
Семинар.
Словесные: рассказ учителя, доклады и содоклады учащихся, беседа.
Наглядные: демонстрация таблиц, схем, фотографий.
1
16
Контрольная работа
Контроль знаний.
Словесные: беседа.
Наглядные: таблицы, схемы.
1
17
VI. Строение белковой молекулы.
Способ связи аминокислот в белковой молекуле. Работы А.Я. Данилевского и Э. Фишера. Пептиды. Доказательство полипептидной теории строения белка.
Лекция.
Словесные: рассказ, беседа.
Наглядные: демонстрационный эксперимент, таблицы, схемы установок
1
18
Лабораторно-практическая работа:
„Гидролиз белка“.
- кислотный гидролиз;
- ферментативный гидролиз.
Лабораторно-практическая работа.
Словесные: беседа.
Наглядно-действенные: выполнение практической работы.
1
19
Первичная структура белков. Схема установления первичной структуры белка. Характеристика первичной структуры А- и В-цепей инсулина; ?- и ?- цепей гемоглобина.
Лекция.
Словесные: рассказ, беседа.
Наглядные: демонстрация таблиц, рисунков, схемы установки первичной структуры белка.
1
20
Вторичная структура белков. Понятие об ?- и ?-конформациях полипептидной цепи. Правые и левые ?-спирали, их реализация в пептидах и белках
Лекция.
Словесные: рассказ, беседа.
Наглядные: демонстрация таблиц, рисунков.
1
21
Третичная структура белков. Методы её выявления. Типы связей, обеспечивающих поддержание структуры белковой молекулы.
Четвертичная структура белков. Конкретные примеры четвертичной структуры белков (инсулин, гемоглобин, вирус табачной мозаики и др.).
Лекция.
Словесные: лекция
Наглядные: демонстрация фотографий „Третичная структура белка“, „Четвертичная структура белка“. Демонстрация моделей белков: инсулина, гемоглобина и др.
1
22-23
VI. Свойства белков.
Химические, физические. Аморфность. Изоэлектрическое состояние белковой молекулы. Механизм денатурации белков.
Лабораторная работа:
„Денатурация белков“
Лекция.
Словесные: рассказ, беседа.
Наглядные: демонстрационный эксперимент, иллюстрирующий химические свойства белков.
Наглядно-действенные: выполнение лабораторной работы.
2
24-25
Лабораторно-практическая работа:
„Качественные реакции на белки“.
Лабораторно-практическая работа.
Словесные: беседа.
Наглядно-действенные: выполнение практической работы.
2
26
VII. Номенклатура и классификация белков.
Лекция.
Словесные: рассказ, беседа.
Наглядные: таблицы.
1
27
Характеристика некоторых простых и сложных белков.
Семинар.
Словесные: доклады учащихся.
Наглядные: демонстрация фотографий и моделей.
1
28
VIII. Биологические функции белков.
Семинар.
Словесные: рассказ учителя, доклады учащихся.
Наглядные: демонстрация белковых препаратов, схем, таблиц.
1
29
IX. Современные исследования в области химии белка.
Семинар.
Словесные: рассказ учителя, доклады учащихся.
Наглядные: демонстрация схем, фотографий, моделей.
1
30
Контрольная работа.
Контроль знаний.
Словесные: беседа.
Наглядные: таблицы, схемы.
1
2.4. Учебно-материальная база организации учебного процесса.
Для проведения спецкурса „Белок – основа жизни“ необходима соответствующая учебно-материальная база, включающая основные химические реактивы, оборудование.
Также нами подобраны наглядные пособия в виде схем, таблиц, рисунков, где отражены структуры белковой молекулы, аминокислотный состав белков, фрагмент первичной структуры молекулы инсулина и др.
Кроме имеющихся в продаже нами использовались и рекомендованы пособия, которые могут быть выполнены учителем или учащимися. (Примеры некоторых таблиц, используемых при проведении занятий. См. в приложении № ).
Нами составлена таблица, в которой отражен перечень реактивов, оборудования и дополнительного материала для проведения лабораторного эксперимента.
Таблица. Перечень необходимых реактивов и оборудования для проведения лабораторно-практических работ и демонстрационного эксперимента.
№
п/п
Название лабораторно - практических работ
Реактивы
Оборудование
Материал, содержащий белок
1.
„Выделение белков из тканей и биологических жидкостей“.
- выделение казеина из молока;
10 % раствор HCl;
10 % раствор NaOH;
конц. HNO3; 1 % раствор CuSO4, молибденовый реактив; лакмусовая бумага, дистиллированная вода.
Химические стаканы (V=50 мл); мерные цилиндры, стеклянные палочки и воронка; бюретка, фильтры бумажные, пробирки с обратным холодильником, штативы с пробирками, песчаные бани
Молоко
- получение раствора яичного альбумина;
дистиллированная вода.
химические стаканы ( 500 и 100 мл); цилиндры (500 и 250 мл); мерная колба (100 мл); воронка, стеклянная палочка с резиновым наконечником, складчатые фильтры.
белок куриного яйца
- белки мяса;
10 % раствор NaCl;
химические стаканы; стеклянная палочка; бумажный складчатый фильтр (или двойной слой марли).
обезжиренное мясо
- растительные альбумины;
100 мл дистиллированной воды
химические стаканы, центрифуга, воронка, складчатый фильтр; колбы.
пшеничная мука
2
„Реакция осаждения белков”
- свёртывание белков при нагревании;
1 % раствор уксусной кислоты; 10 % раствор уксусной кислоты, насыщенный раствор NaCl;
5 пробирок, спиртовка, пипетки.
раствор белка
- осаждение белков концентрированными минеральными кислотами
Концентрированные HNO3; H2SO4; HCl;
3 пробирки; пипетки; стеклянные палочки
раствор белка
-осаждение белков органическими кислотами
5 % раствор трихлоруксусной кислоты;
20 % раствор сульфосалициловой кислоты
2 пробирки; пипетки
раствор белка
- осаждение белков солями тяжёлых металлов
раствор CuSO4, раствор ацетата свинца
2 пробирки; пипетки
раствор белка
- осаждение белков фенолом и формалином
насыщенный водный раствор фенола, формалин
2 пробирки; пипетки
раствор белка
- осаждение белков спиртом
кристаллический NaCl
пробирка; пипетка
раствор белка
3.
„Диализ белка“
насыщенный раствор (NH4)2SO4; 5 % раствор BaCl2; 1% раствор CuSO4;
10 % раствор NaOH
стаканы (100 мл); целлофан в виде квадратов 150x150 мм; стеклянные палочки; резиновые колечки; штатив с пробирками; пипетки с делениями
3 % раствор яичного альбумина
4.
„Гидролиз белка“
- кислотный гидролиз;
Концентрированная HCl;
10 % раствор NaOH;
1 % раствор CuSO4
Штатив с пробирками, круглодонная колба с воздушным холодильником; капельницы
раствор яичного белка
ферментативный гидролиз
дистиллированная вода;
1 % раствор пепсина
2 пробирки; водяная баня; колба (V=100 мл)
раствор яичного белка
5.
„Денатурация белков“
насыщенный раствор (NH4)2SO4; концентрированная HNO3; этиловый спирт; 1 % раствор уксусной кислоты; 10 % раствор NaOH
6 пробирок; пипетка; спиртовка; двойной слой марли; зажим для пробирок
раствор яичного белка
6.
„Качественные реакции на белки“.
- Биуретовая реакция (обнаружение в молекулах белков пептидных связей)
30 % раствор NaOH;
1 % раствор CuSO4
пробирки, пипетка
раствор белка
- Нингидриновая реакция
1 % раствор мингидрина в 95 % -ом растворе ацетона
пробирки, колбы, пипетка, водяная баня
раствор белка
- Ксантопротеиновая реакция
концентрированная HNO3;
3 пробирки; пипетка; спиртовка; зажим для пробирок
раствор яичного белка, миозина, желатина
- Реакция на тирозин (реакция Миллона)
реактив Миллона
4 пробирки; пипетки, спиртовка; зажим для пробирок
раствор яичного белка, миозина, желатина, тирозина
- Реакция на цистеин (реакция Фоля).
30 % раствор NaOH; 5 % раствор ацетата свинца
3 пробирки; пипетки; спиртовка; зажим для пробирок
раствор яичного белка, миозина, желатина
- Реакция на аргинин (реакция Саканути)
Кристаллический резорцин; 3 % раствор H2O2; концентрированная H2SO4
3 пробирки, пипетка, стеклянная ложечка.
раствор яичного белка, миозина, желатина
- Реакция на триптофан (реакция Шульца-Распайля)
раствор сахарозы; концентрированная H2SO4
пробирка, пипетка
раствор яичного белка
- Реакция на гистидин и тирозин
(реакция Паули)
1 % раствор сульфаниловой кислоты; 10 % раствор NaNO2; 10 % раствор Na2CO3
пробирка, пипетка, стеклянная палочка
раствор яичного белка
- Реакция на триптофан (реакция Адамкевича).
ледяная уксусная кислота; глиоксиловая кислота, концентрированная H2SO4;
пробирки; пипетка; стеклянная палочка, спиртовка; зажим для пробирок, лёд.
неразбавленный яичный белок
- Реакция Вуазене
2,5 % раствор формальдегида, концентрированная HCl; 0,5 % раствор NaNO2
пробирка; пипетка; стеклянная палочка
разбавленный раствор белка
- Нитропруссидная реакция
насыщенный раствор (NH4)2SO4; 5 % раствор нитропруссида натрия; концентрированный раствор аммиака
пробирка, пипетка, стеклянная палочка
раствор белка
Выводы по II главе:
1. Впервые разработана и предложена программа спецкурса „Белок – основа жизни“.
2. В объяснительную записку включены цели и задачи спецкурса, а также общее количество часов отводимых на его изучение.
3. В рекомендованной нами рабочей программе раскрыто содержание изучаемых вопросов по десяти основным разделам.
4. Тематическое планирование спецкурса распределяет материал по часам с указанием форм, методов и средств обучения.