Органические вещества клетки. Белки, их строение и свойства, функции

Интегрированный урок по химии и биологии в 11 классе

«Органические вещества клетки. Белки, их строение и свойства, функции »

Климова Людмила Алексеевна, учитель биологии

Колбасова Галина Евстафьевна, учитель химии

Цели урока: установить зависимость между строением, химическими свойствами белков и их биологическими функциями.

Задачи урока:

Образовательные:

1. На основе межпредметных связей биологии и химии, углубить и расширить ранее полученные учащимися на уроках знания о белках.

2. Расширить представления о белках: строении, физических и химических свойствах, важном значении белков для всех живых организмов.

3.Провести связь между биологическими и химическими процессами.

Воспитательные:

1.Продолжить формирование убеждения в познаваемости мира и убеждённости в том, что все природные явления имеют причинно – следственные связи.

2. Развитие интереса к наукам биологии и химии, понимание их неразрывной связи друг с другом.

Развивающие: продолжить формирование умения обобщать, анализировать изучаемые факты и понятия. (Для развития речи – индивидуальные выступления; для развития познавательного интереса – дополнительный материал; для развития логического мышления- создание синквейнов.

Тип урока: комбинированный.

Форма обучения: индивидуальная, фронтальная и в группах.

Методы урока: словесные, наглядные, самостоятельные.

Основные понятия: белки, протеины, протеиды, биополимеры, мономеры, аминокислоты, уровни организации белковой молекулы (первичная, вторичная, третичная, четвертичная), пептидная связь, денатурация, цветные реакции.

Оборудование и реактивы : таблицы: а) строение молекулы белка; б) уровни организации белковой молекулы; в) строение молекул ДНК и РНК;мультимедийный проектор (для изображения моделей некоторых молекул белков, 20 аминокислот, входящих в состав молекулы белка, изображения некоторых формул молекул белков, молекулярный состав молекул: молока, пенициллина, гемоглобина), белок куриного яйца, хлопчатобумажная и шерстяная нить, спички, белый хлеб, HNO ₃ азотная кислота (конц), Cu(OH)₂ гидроксид меди(II), C ₂H₅OH этиловый спирт, пробирки, спиртовка, держатель для пробирок, таблица растворимости, вода, лабораторный штатив, штатив для пробирок, растворы индикаторов (лакмус, фенолфталеин, метиловый оранжевый), твердые щелочи и их растворы (гидроксид натрия - NaOH, гидроксид калия - KOH, гидроксид кальция Ca(OH) ₂ – в виде «известковой воды». Свежеприготовленный гидроксид меди (II) - Cu(OH) _2.

План изучения нового материала:

1. Химический состав белков.
2. Строение белков.
3. Физические и химические свойства белков.
4. Функции белков.
5. Биологическая роль белков.

Этапы урока

«Учение без размышления бесполезно,

но и размышление без учения опасно»

Конфуций (Кун-цзы).

1.Актуализация знаний:

Учитель биологии : людей всегда волновал вопрос «что такое жизнь»? В течение веков копились наблюдения, проводились исследования, создавались теории. Сегодня на уроке попытаемся раскрыть тайну веществ, лежащих в основе жизни и ответить на вопрос:

«Что такое белок? Какие химические элементы образуют белковую молекулу? Почему в клетке из органических веществ больше всего белков? ».

2.Формирование новых понятий:

I. Химический состав белков

Учитель химии: из органических веществ клетки на первом месте по количеству и значению стоят белки. Какие элементы образуют белковую молекулу?

В состав белков входят элементы: углерод(С), водород(H), кислород (О),азот (N),сера(S).Ферментные белки часто содержат фосфор (Р) (казеин молока),железо (Fe) (гемоглобин),медь(Cu),цинк (Zn). Относительная молекулярная масса белков изменяется в широких пределах от пяти тысяч до десятков миллионов, поэтому их называют макромолекулами (с греч.«макрос»-большой).Например: белок крови –гемоглобин имеет Mr = 68000, миозин(белок мышц) Mr =500000,альбумин (один из белков яйца) Mr =36000.

В одной клетке бактерий кишечной палочки содержится около 5 тысяч молекул органических соединений, из них – 3 тысячи приходится на белки.

Все ли существующие аминокислоты способны образовывать белковую молекулу?

В организме человека более 5 миллионов белков (50 % массы клетки в расчёте на сухое вещество). Без белков невозможно представить движение, способность расти, сократимость, размножение. Белки – биологические полимеры, т.е. высокомолекулярные соединения, состоящие из множества одинаковых структурных звеньев(мономеров). Мономеры – это α –аминокислоты. В природе существует свыше 170 различных аминокислот, бесконечное разнообразие белков создается за счет различного сочетания всего 20 аминокислот. Из них может быть образовано 2 432 902 008 176 640 000 комбинаций,то есть различных белков, которые будут обладать совершенно одинаковым составом, но различным строением. Каждая аминокислота может встречаться в белке несколько раз.

Аминокислоты

Часто белки называют протеинами – это название подчёркивает первостепенную роль этих веществ (с греч “протео” - занимаю первое место).

II.Строение белков

Учитель химии: среди органических соединений белки – самые сложные по строению. Все белки являются полипептидами, но не всякий полипептид является белком, каждый белок имеет свое специфическое (индивидуальное и постоянное строение).

Чем протеины отличаются от протеидов?

Белки

Прежде чем говорить о строении белков, надо вспомнить, что такое аминокислоты?

Какими свойствами обладают аминокислоты?

Какие функциональные группы обуславливают эти свойства?

Общая формула аминокислот

NH₂—R—COOH

Аминокислоты –амфотерные органические вещества. В растворе они могут выступать как в роли кислот, так и оснований. Благодаря наличию кислотной (-СООН) и основной групп ( - NH ₂ ) молекулы аминокислот способны взаимодействовать друг с другом и образовывать полимеры- т.е. белки. 1888 год профессор Харьковского университета А.Я. Данилевский пишет о существовании связи пептидной связи.

Примеры аминокислот:

Какая связь образуется в результате взаимодействия функциональных групп двух аминокислот?

При взаимодействии двух аминокислот происходит реакция конденсации и образуется азот - углеродная пептидная связь.

Вывод: белок –полимер, мономерами которого являются аминокислоты, соединенные между

собой пептидной связью. При образовании пептидной связи выделяется вода (реакция

поликонденсации).

Учитель биологии: если мономер обозначить буквой «А», то как будет выглядеть молекула белка? Пишем в тетради.

А-А-А-А

мономер

В организме человека свыше 10 000 различных белков и все они построены из одних и тех

же 20 α-аминокислот, которые соединены между собой пептидной связью. Список

аминокислот приведен в учебнике « Общей биологии» автор Каменский А.А.,(стр. 47).

Вывод: тот факт, что белки всех организмов построены из одних и тех же

аминокислот, - еще одно доказательство единства живого мира на Земле.

Учитель химии: каждый живой организм содержит большое число различных, только ему присущих белков. Различают четыре уровня структурной организации белковых молекул.

Что собой представляет первичная структура белка?

Заслушаем сообщения о строении белковых молекул. Работаем с таблицей, (см. учебник, рис.14,с.43).

1ученик. Первичная структура белка – это последовательность α-аминокислот в молекуле белка за счет образования пептидных связей.

Схема первичной структуры:

Рис1.Первичная структура белков. R _{1 ,} R₂ радикалы α-аминокислот.

Учитель биологии: какова пространственная конфигурация вторичной структуры белка ? (см.учебник, рис.14,с.43, или таблица на доске).Слушаем сообщения.

2ученик. Вторичная структура белка образуется для того, чтобы придать аминокислотной цепи более компактную форму - α-спираль, которая образуется в результате скручивания полипептидной цепи за счет водородных связей между функциональными группами.

>С=O и > N-H

Теоретически все эти группы могут участвовать в образовании водородных связей, поэтому вторичная структура очень стабильна. Вторичная структура была установлена американским химиком Л. Полингом в 1951году и Р.Кори.

Схема вторичной структуры:

Рис2.Вторичная структура белков.

Учитель биологии: какова пространственная конфигурация третичной структуры белка? Для чего возникает третичная структура? (см.учебник,рис.14,с. 43, и таблица на доске).Слушаем сообщения.

3 ученик.Третичная структура-это конечная структура у большинства белков, образующаяся с целью придания молекуле белка максимально компактной формы в виде клубка (глобулы). Трехмерная конфигурация, образованная сложением вторичных структур. В образовании данной структуры участвуют самые слабые взаимодействия: дисульфидные мостики ( -S-S-),солевых мостиков (NH ₃⁺COO^-), сложноэфирные, ионные, водородные связи.

Рис3.Третичная структура белков.

4ученик.В случае образования связи между несколькими простыми белками образуется четвертичная структура белка. (Например так построен гемоглобин- белок крови).

В гемоглобине гем - небелковая часть( Fe ²⁺), глобин - белковая часть. Гем одинаков для животных и человека, глобин отличен.

Исследователь М. Перутц , затратив 25 лет работы выяснил, что молекула состоит из 4 отдельных полипептидных цепей, каждая свёрнута в клубок, структура при функционировании может сжиматься, когда присоединяет кислород и расправляться при отдаче кислорода. Академик В.А. Энгельгард сравнивал этот процесс с поведением грудной клетки во время дыхания.