Программа спецкурса „Белок – основа жизни”. 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.
|