Лабораторная работа 15 «Белки»

Аминокислотами называются азотсодержащие органические соединения, в молекулах которых содержатся аминогруппы и карбоксильные группы.

В зависимости от взаимного расположения карбоксильной и аминогрупп различают -, в-, г- и т.д. аминокислоты. Например,

Чаще всего термин "аминокислота" применяют для обозначения карбоновых кислот, аминогруппа которых находится в - положении, т.е. для - аминокислот. Общую формулу - аминокислот можно представить следующим образом:

В зависимости от природы радикала (R) - аминокислоты делятся на алифатические, ароматические и гетероциклические.

Аминокислоты вступают друг с другом в реакцию поликонденсации, приводя к амидам кислот. Продукты такой конденсации называются пептидами. При взаимодействии двух аминокислот образуется дипептид:

Образующаяся группировка -СО-NH - называется пептидной связью.

При взаимодействии дипептида с новой молекулой аминокислоты получается трипептид и т.д.

Примеры простейших аминокислот

Белки - это азотсодержащие высокомолекулярные органические вещества со сложным составом и строением молекул. Представляют собой природные полимеры (сложные полипептиды), молекулы которых построены из остатков аминокислот, соединённых между собою амидной (пептидной) связью.

Это природные полипептиды с высокими значениями молекулярной массы (от 5-10 тыс. до 1 млн. и более). Они входят в состав клеток и тканей всех живых организмов и являются основной составной частью нашей пищи.

В состав белков входит углерод, водород, кислород и азот. В значительно меньшем количестве в их состав могут входить также сера, фосфор и другие элементы. Белки представляют собой весьма нестойкие соединения, что затрудняет изучение их физических и химических свойств. Конечными продуктами распада белков являются

б- аминокислоты. Молекулярная масса их очень велика.

С белками связаны все жизненные процессы. Они служат питательными веществами, регулируют обмен веществ, исполняя роль ферментов - катализаторов обмена веществ, способствуют переносу кислорода по всему организму и его поглощению, играют важную роль в функционировании нервной системы, являются механической основой мышечного сокращения, участвуют в передаче генетической информации и т.д.

Опыт 1. Свёртывание белка при нагревании.

Свёртывание белков, т.е. денатурация - процесс утраты белком природной (нативной) конформации, сопровождающаяся обычно потерей его биологической функции. При денатурации под влиянием внешних факторов (температуры, механического воздействия, действия химических реагентов и ряда других факторов) происходит разрушение вторичной, третичной и четвертичной структур белковой макромолекулы. Первичная структура, а, следовательно, и химический состав белка не меняются. Изменяются физические свойства: снижается растворимость, способность к гидратации, теряется биологическая активность. Меняется форма белковой макромолекулы, происходит укрупнение.

Для работы служит белок куриного яйца, растворённый в воде (белок одного яйца на 150 мл воды).

Описание опыта . Небольшое количество раствора белка нагреть на горелке до кипения. Наблюдается помутнение жидкости. Полученный осадок не растворяется ни при охлаждении, ни при разбавлении водой, т.е. реакция является необратимой.

Опыт 2. Ксантопротеиновая реакция

Ксантопротеиновая реакция указывает на наличие в белках остатков ароматических аминокислот (фенилаланин, тирозин, триптофан). При действии концентрированной азотной кислоты происходит реакция нитрования ароматических ядер с образованием окрашенных в жёлтый цвет нитросоединений. При действии аммиака нитросоединения изомеризуются с образованием интенсивно окрашенных солеобразных продуктов.

Описание опыта . К 1 мл раствора белка добавить 5-6 капель концентрированной НNО3 до появления белого осадка (или мути от свернувшегося под влиянием кислоты белка). При нагревании раствор и осадок окрасятся в ярко-желтый цвет (осадок почти полностью гидролизуется и растворится).

Смесь охладить, добавить (осторожно, не взбалтывая) по каплям избыток концентрированного водного аммиака (или едкой щелочи) до щелочной реакции. Выпадающий сначала осадок кислотного альбумината растворится, жидкость окрасится в ярко-оранжевый цвет.

Биуретовая реакция указывает на наличие в белке повторяющихся пептидных группировок -СО-NН-. Это подтверждается тем, что белки дают фиолетовое окрашивание при действии небольшого количества раствора медного купороса в присутствии щёлочи. Окраска объясняется образованием комплексных соединений меди.

Опыт 3. Биуретовая реакция

Описание опыта . В пробирку помещают 1 мл раствора яичного белка, 1 мл раствора гидроксида натрия и 1-2 капли раствора сульфата меди (II). Жидкость окрасится в красно-фиолетовый цвет (при малом содержании белка к его раствору в щёлочи осторожно прибавить 0,5-1 мл раствора CuSO4, окраска появится на границе слоёв). Уравнение реакции:

CuSO4 + 2NaOH > Na2SO4 + Cu(OH)2v

2R - CH - COOH + Cu(OH)2 > (R- CH-COO)2Cu + 2H2O

Опыт 4. Осаждение белка солями тяжёлых металлов

Описание опыта . Берут две пробирки и помещают в них по 1 мл раствора яичного белка и медленно, при встряхивании, по каплям, добавить в одну пробирку насыщенный раствор сульфата меди (II), в другую - 20%-ный раствор ацетата свинца. Образуются осадки трудно растворимых солеобразных соединений белка. Опыт иллюстрирует применение белка как противоядие при отравлении солями тяжёлых металлов. Уравнения реакций:

• 2R - CH - COOH + CuSO4 > (R- CH-COO)2Cu + H2SO4
• 2R-CH-COOH + (CH3COO)2Pb> (R-CH-COO)2Pb + CH3COOН

Опыт 4. Открытие серы в белках

Описание опыта . В пробирку наливают около 0,5 мл раствора ацетата свинца и прибавляют раствор гидроксида калия до растворения образовавшегося осадка гидроксида свинца. В другую пробирку наливают около 2-3 мл раствора белка и приливают такой же объём полученного раствора плюмбита. Нагревают смесь до кипения в течение 2-3 минут. Появление тёмного окрашивания указывает на образование сульфита свинца. Напишите уравнения реакций.

Денатурация белков.

Демонстрация опытов из презентации «Белки»:

Свертывание белков при нагревании Осаждение белков солями тяжелых металлов

Осаждение белка спиртом

Учитель. Для белков характерны реакции, в результате которых выпадает осадок. Но в одних случаях полученный осадок при избытке воды растворяется, а в других – происходит необратимое свертывание белков, т.е. денатурация . Ренатурация – это процесс обратный денатурации.

К чему может привести денатурация?

Нарушение антигенной чувствительности белка;

Блокирование ряда иммунологических реакций;

Нарушение обмена веществ;

Воспаление слизистой оболочки ряда органов пищеварения (гастриты, колит);

Камнеобразование (камни имеют белковую основу).

Вывод: Денатурация белков – сложный процесс, при котором под влиянием внешних факторов: температура, действия химических реагентов, механического воздействия и ряда других, происходит изменение вторичной, третичной и четвертичной структур белковой макромолекулы. Первичная структура, а, следовательно, и химический состав белка не меняется. При денатурации изменяются физические свойства белка, снижается растворимость, теряется биологическая активность, меняется форма белковой макромолекулы, происходит агрегирование.

Гидролиз белков (из главы «8. Химические свойства белков»).

Учитель. Гидролиз белка – это, прежде всего разрушение одного из важнейших уровней организации белковой молекулы. Гидролиз белка - разрушение первичной структуры белка под действием кислот, щелочей или ферментов, приводящее к образованию α- аминокислот, из которых он был составлен.

Цветные реакции на белки (биуретовая)

Биуретовая реакция

Учитель. Биуретовая реакция – реакция на пептидные связи.

Белок + Cu(OH) 2 → фиолетовая окраска раствора

Кроме биуретовой реакции существует еще ряд цветных реакций, позволяющих доказать наличие отдельных фрагментов белковой молекулы, например ксантопротеиновая.

Демонстрация опыта из презентации «Белки»:

Ксантопротеиновая реакция

Учитель. Ксантопротеиновая реакция - реакция на ароматические циклы.

Белок + HNO 3 (к) → белый осадок → желтая окраска → оранжевая окраска

Белки горят с образованием азота, углекислого газа и воды, а также некоторых других веществ. Горение сопровождается характерным запахом жженых перьев.

Белки подвергаются гниению (под действием гнилостных бактерий), при этом образуются метан (CH 4), сероводород (H 2 S), аммиак (NH 3), вода и другие низкомолекулярные продукты.

ВЫВОД:

БЕЛКИ – биополимеры нерегулярного строения, мономерами которого являются 20 аминокислот разных типов. В химический состав аминокислот входят: С, О, Н, N, S. Белковые молекулы могут образовывать четыре простраственные структуры и выполняют в клетке и организме целый ряд функций: строительную, каталитическую, регуляторную, двигательную, транспортную и др.

Белки – основа живого на Земле, входят в состав кожи, мышечной и нервной ткани, волос, сухожилий, стенок сосудов животных и человека; это строительный материал клетки. Роль белков трудно переоценить, т.о. жизнь на нашей планете действительно можно рассматривать как способ существования белковых тел, осуществляющих обменом веществ и энергией с внешней средой.

Поскольку белок содержит разнообразные функциональные группы, он не может быть отнесен к какому-нибудь из ранее изученных классов соединений. В нем как в фокусе сочетаются признаки соединений, относящихся к различным классам. Это в сочетании с особенностями его структуры и характеризует белок как высшую форму развития вещества.

Можно процитировать слова Л. Полинга: “С полным основанием можно утверждать, что белки - самые важные из всех веществ, входящих в состав организмов животных и растений”.

Демонстрация презентации«Белки» -ВЫВОДЫ Высказывания о жизни и белках знаменитых

людей

«Повсюду, где мы встречаем жизнь, мы находим, что она связана с каким-либо белковым телом».

1. В соответствии с веществами, которые необходимо идентифицировать, нужно указать известные качественные реакции, реагенты и идентификационные признаки.

В нашем случае можно использовать следующие реакции:

Все р-мые белки	Биуретовая реакция	Cu(OH) 2 ↓ свежеосаж.	Фиолетовое кольцо
Белки с аромат. аминокислотами	Ксантопротеиновая реакция	Конц. HNO 3 , конц. р-р аммиака, t°	Оранжевое окрашивание
Белки и все аминокислоты	Нингидриновая реакция	Нингидрин в ацетоне, t°	Фиолетовое окрашивание (пролин – желтое)
Аминокислоты	Образование комплексных соединений	Cu(OH) 2 ↓ свежеосаж.	Темно-синее окрашивание
Любые углеводы (моно-, ди- и полисахариды)	Реакция Молиша	Конц. H 2 SO 4 , р-р α-нафтола	Темно-фиолетовое кольцо на границе двух слоев
Моносахариды и дисахариды (любые)	Образование сахаратов	Cu(OH) 2 ↓ свежеосаж.	Р-ние осадка, васильковое окрашивание
(восстанавливающие моно- и дисахариды)	Реакция Троммера «медного зеркала» Реакция «серебряного зеркала»	Cu(OH) 2 , t° свежеосаж. Ag 2 O, аммиачный р-р, t°	Кирпично-красный осадок Cu 2 O Налёт серебра на стенках пробирки

2. Предложить в виде схемы наиболее эффективную последовательность определения указанных соединений.

3. Указать методику проведения реакций, условия и написать уравнение реакции с указанием характерного идентификационного признака.

В качестве предварительной пробы на растворимые белки можно использовать реагенты, вызывающие денатурацию (сворачивание): тепловую или химическую.

При решении данной задачи возможны варианты анализа.

Вариант 1. Последовательность идентификации содержимого склянок может быть следующей:

1. Проводим предварительное испытание на присутствие белков. Пробы каждой из 4-х склянок нагреваем в пламени спиртовки. В пробирках с растворами белков наблюдается денатурация (белок свертывается и теряет растворимость). В пробирках с пробами других веществ изменений не наблюдается.

2. Идентифицируем белки, используя их различие в аминокислотном составе. Проводим ксантопротеиновую реакцию с пробами белков. В пробирке с раствором яичного белка наблюдается растворение первоначально образующегося желтого осадка и появление оранжевого окрашивания, так как в состав яичного белка входят ароматические кислоты (тир, фен, три). Желатин не содержит ароматических аминокислот, проба на их наличие будет отрицательной.

3. Идентифицируем содержимое склянок с глюкозой и аминокислотой, используя реакцию с нингидрином. В пробирке с глицином появляется характерное фиолетовое окрашивание.

4. Подтверждаем наличие глюкозы в оставшейся склянке. Глюкоза относится к восстанавливающим моносахаридам, поэтому для ее идентификации можно использовать либо реакцию «серебряного зеркала» (при нагревании на водяной бане появляется характерный зеркальный налет серебра на стенках пробирки), либо реакцию «медного зеркала» (при нагревании в пламени спиртовки появляется характерный осадок оксида меди (I) кирпично-красного цвета).

Вариант 2.

1. Определяем принадлежность соединения к группе белков, используя биуретовую реакцию со свежеосажденным гидроксидом меди (II). В пробирках с пробами растворов белков появляется характерное фиолетовое кольцо. В пробирке с глюкозой так же наблюдается растворение голубого осадка гидроксида меди (II) и появление василькового окрашивания за счет образования комплексного соединения – сахарата меди, в пробирке с аминокислотой появляется темно-синее окрашивание вследствие образования комплексного соединения – глицината меди.

2. Подтверждаем наличие глюкозы. Обе пробирки нагреваем в пламени спиртовки. В пробирке с глюкозой образуется характерный осадок оксида меди (II) кирпично-красного цвета, так как глюкоза относится к группе восстанавливающих моносахаридов.

3. Идентифицируем белки, используя их различие в аминокислотном составе. С новыми пробами растворов белков проводим ксантопротеиновую реакцию (см. вар. 1).

Для более точной идентификации аминокислоты можно взять новую пробу и проделать реакцию с раствором нингидрина.

Не исключены и другие варианты, отличающиеся последовательностью реакций и реагентами.

1) Биуретовая реакция (на все белки)

Белок + СuSO 4 + NaOH яркое фиолетовое окрашивание

СuSO 4 + 2NaOH Cu(OH) 2 + Na 2 SO 4

голубой осадок

С = О: Cu: O = C C = O: N

N H OH N: O = C

растворимый комплекс

ярко фиолетового цвета

2) Ксантопротеиновая реакция (для белков, имеющих в составе АК с ароматическим радикалом)

белок + HNO 3 (k) осадок жёлтого цвета

| || -- H 2 O | ||

N CH C─ + HONO 2 N CH C─

О 2

| |

жёлтого цвета

Если добавить концентрированный раствор аммиака, то появляется оранжевое окрашивание, так как в нитробензоле происходит смещение электронной плотности.

3) Цистеиновая реакция - реакция на остаток АК, содержащий S

Белок + NaOH + Pb(CH 3 COO) 2 PbS + белок

Чёрный цвет

| Pb + PbS

БИОКАТАЛИЗ

Одной из важных черт химических реакций, протекающих в живых организмах, является их каталитическая природа. Живую клетку можно представить как миниатюрный каталитический реактор. Отличие клетки от колбы химика заключается в том, что если в колбе все реакции протекают независимо (осуществляется фундаментальный принцип независимости реакций), то в клетке все происходит взаимосвязано.

Это происходит не потому, что нарушаются физические законы или клетка подчиняется другим законам – нет, в живых материях действуют одни законы. Просто в процессе эволюции природой был создан эффективный аппарат регулирования всех клеточных реакций, который позволяет всей клетке контролировать соотношение продуктов таким образом, чтобы оптимально функционировали все реакции.

Таким образом, все биохимические реакции – это реакции каталитические.

Биологические катализаторы называются ферментами или энзимами .

В принципе, в клетке протекают те же химические реакции, что и в химической лаборатории, но на условия протекания реакций в клетке накладываются жёсткие ограничения, а именно T = 37 ◦ С и P = 1 атм.

Поэтому часто процессы, которые в лаборатории протекают в 1 стадию, в живых клетках в осуществляются в несколько стадий.

Сущность каталитических реакций, несмотря на многообразие, сводится к тому, что исходные вещества, образуют с катализатором промежуточное соединение , которое относительно быстро превращается в продукты реакции, регенерируя катализатор.

Иногда промежуточные соединения можно выделить в чистом виде, но обычно они состоят из неустойчивых молекул, обнаружение которых возможно только с помощью очень чувствительных спектральных приборов.

Процесс с участием катализатора – циклический или круговой.

Мера активности фермента – число оборотов (число молей субстрата, претерпевающих изменение за 1 минуту в расчёте на 1 моль фермента)

Число оборотов может достигать 10 8 .

Довольно часто циклы работы нескольких катализаторов соединяются вместе, образуя круговой процесс.

Вещества S1 и S2 превращаются в продукты Р1 и Р2. В ходе этого превращения сначала S1 реагирует с третьим веществом Х и катализатором Е1, образуя промежуточный продукт М1, который в свою очередь при помощи катализатора Е2 превращается в промежуточный продукт М2 и т. д.

Ускоряющее действие катализатора связано с уменьшением энергии активации (это та дополнительная энергия, которая должна быть сообщена одному молю вещества, чтобы частицы вещества стали реакционно способными и могли преодолеть энергетический барьер реакции).

К основным свойствам ферментов относятся:

Эффективность, которая заключается в степени ускорения (ускорение в 100 млн раз).

Повышенная субстратная специфичность. Ферменты отличают субстрат благодаря биологическому узнаванию (комплементарности).

Повышенная специфичность катализируемой реакции. Большинство ферментов ускоряет один тип реакций.

Повышенная специфичность по отношению к оптическим изомерам (могут узнавать левые и правые изомеры).

Причина всех уникальных свойств ферментов - их пространственное строение. Обычно это глобулярные белки, намного превосходящие по размерам субстрат. Это обстоятельство приводит к тому, что в процессе эволюции на поверхности фермента образовался активный центр, который комплементарен субстрату. Это замок и ключ.

Условно активные центры делятся на: связывающие и каталитические.

Связывающий центр связывает субстрат и оптимально ориентирует его по отношению к катализируемой группе, в катализирующем же центре сосредоточены все активные группы.

Если для проведения реакции необходимо провести гидролиз (белков, липидов), то катализируемый центр формируется боковыми радикалами АК – остатков.

В этом случае фермент состоит только из полипептидных цепей. Однако кроме гидролитических реакций протекают и другие: окислительно-восстановительные, реакции переноса каких-либо групп.

В этих случаях в ферментах содержится небелковая часть. Эта часть – кофермент (rофактор, простетическая группа). Белковая часть обеспечивает связывающее действие, а кофермент – каталитическое. Белковая часть – апофермент.

Апофермент + кофермент ↔холофермент

Методические указания для преподавателей

2. Вопросы по химии для подготовки к семинару надо дать учащимся не позднее чем за две недели до урока.

4. Преподаватель химии проводит мотивацию занятия, рассматривает вопросы состава и свойства белков. Преподаватель биологии обобщает и актуализирует знания о структуре белковых молекул, их функциях и применении.

5. В конце занятия преподаватели оценивают работу учащихся на данном занятии.Оборудование: кодопленки, кодоскоп, экран, диапроектор, слайды, химические препараты, демонстрационный столик, таблицы.

План занятия (написан на доске)

1. Состав и строение белка.

2. Свойства белка (денатурация, ренатурация, гидролиз, цветные реакции).

3. Функции белка и его синтез в клетке.

4. Применение белка, искусственный синтез пептидов.

Учитель химии. Сегодня мы проводим не совсем обычный урок – он охватывает проблемы химии и биологии одновременно. Цель нашего занятия – систематизировать и углубить знания по теме «Белок». Изучению белков мы уделяем особое внимание, потому что именно белки являются главной составной частью всего живого на Земле. Вспомните высказывание Ф.Энгельса о том, что такое жизнь: «Повсюду, где мы встречаем жизнь, мы находим, что она связана с каким-либо белковым телом, и всюду, где мы встречаем какое-либо белковое тело, не находящееся в процессе разложения, мы без исключения встречаем и явления жизни. Жизнь есть способ существования белковых тел». Ни одно из веществ не выполняет столь специфических и разнообразных функций в организме, как белок.
Давайте вспомним, какие соединения называются белками. (Природные полимеры, мономерами которых являются аминокислоты. )
Изучение какого процесса помогло установить строение белков? (Изучение гидролиза белков. )

Какой процесс называется гидролизом?

Какие соединения образуются при гидролизе белков?

Какие соединения называются аминокислотами?

Сколько аминокислот известно в природе?

Сколько аминокислот встречается в белках?

Учитель химии демонстрирует кодопленку.

Учитель химии. Обратите внимание на то, какое положение в аминокислотах занимает аминогруппа. В соответствии с положением аминогруппы аминокислоты, входящие в состав белков, называются a-аминокислотами. Общую формулу любой из этих аминокислот можно записать следующим образом:

На кодопленке вы видите две аминокислоты, одна из которых содержит две карбоксильные группы –СООН, другая – две аминогруппы –NH2. Такие кислоты называют соответственно аминодикарбоновыми или диаминокарбоновыми.
Из курса химии вы знаете об оптических изомерах природных соединений. В состав практически всех белков входят только L-аминокислоты.
Аминокислоты – мономеры белков. Они могут соединяться друг с другом посредством амидной (пептидной) связи, которая образуется с выделением воды – это реакция конденсации.
Давайте составим уравнение реакции взаимодействия аминокислот глицина и аланина.
(Учащиеся работают самостоятельно, а затем сверяют свои результаты с записью на доске или кодопленке. )

Образовавшаяся структура называется дипептидом. Полимер из многих аминокислот называется полипептидом.

Учитель биологии. Продолжим изучение свойств белков, но сначала ответим на следующие вопросы.

1. Чем можно объяснить существующее в природе разнообразие белков? (Различиями в составе аминокислот и разной последовательностью их в полипептидной цепи. )

2. Каковы уровни организации белковой молекулы? (Первичная – последовательность аминокислот; вторичная – a-спиральная или b-складчатая структуры участков цепи; третичная – пространственная структура белка, образующаяся за счет взаимодействия аминокислотных остатков удаленных участков цепи: глобула у глобулярных белков, нитевидная структура у фибриллярных белков; четвертичная – объединение двух или более отдельных белковых молекул. )

3. Каков тип связи, возникающей между аминокислотами в первичной структуре? Как еще называется эта связь? (Ковалентная связь. Амидная, или пептидная, связь. )

4. Какие связи в основном обеспечивают вторичную структуру белковой молекулы? (Водородные связи, дисульфгидрильные мостики .)

5. Какие связи обеспечивают третичную структуру? (Водородные связи, гидрофобные и ионные взаимодействия .)

6. Какие связи обеспечивают четвертичную структуру белковой молекулы? (Электростатические, гидрофобные и ионные взаимодействия .)

7. Приведите пример известного вам белка, имеющего четвертичную структуру. (АТФаза, гемоглобин .)

А теперь решим следующую задачу (условие задачи проецируется через кодоскоп, демонстрируется слайд с мазками крови здорового человека и больного серповидно-клеточной анемией ).
Заболевание серповидно-клеточная анемия сопровождается заменой в полипептидной цепи молекулы гемоглобина аминокислотного остатка глутаминовой кислоты на остаток валина. Фрагмент цепи нормального гемоглобина: –глу –глу –лиз –. Фрагмент цепи аномального гемоглобина: –вал –глу –лиз – (глу – глутаминовая кислота; лиз – лизин; вал – валин). Изобразите эти фрагменты в виде химических формул.

Решение .

Фрагмент цепи нормального гемоглобина:

Фрагмент цепи аномального гемоглобина:

Из приведенного примера следует, что первичная структура белковой молекулы может определять все ее последующие уровни организации. Изменения в структурной организации белка могут нарушать его функции, что в некоторых случаях приводит к развитию патологии – болезни.
Структура белка определяет его физико-химические свойства, например, растворимость.

Преподаватель химии демонстрирует кодопленку.

Классификация белков по их растворимости

Учитель химии. Белки для сохранения своей функциональной активности должны иметь природную (нативную) структурную организацию на всех уровнях.
Нарушения в первичной организации, приводящие к разрыву амидной связи с присоединением молекулы воды, называются гидролизом белка. При полном гидролизе белок распадается на составляющие его аминокислоты.
Нарушение вторичной и третичной структуры белка, т.е. потеря им нативной структуры, называется денатурацией белка.
Денатурацию белка вызывают различные факторы: значительные изменения температуры, повышение и понижение pH среды, воздействие ионов тяжелых металлов, некоторых химических соединений, например, фенолов.

Преподаватель химии демонстрирует опыты.

Опыт 1. Белок + нагревание -->

Опыт 2 . Белок + фенол --> денатурация (выпадение осадка).

Опыт 3. Белок + Pb или CH 3 COOH --> денатурация (выпадение осадка).

Опыт 4. Белок + CuSO4 --> денатурация (выпадение осадка).

Учитель биологии. Денатурация происходит в результате разрушения водородных и дисульфидных ковалентных связей (но не пептидных связей, ионных и гидрофобных взаимодействий), которые обеспечивают формирование и поддержание вторичной и третичной структур белка. При этом белок теряет присущие ему биологические свойства.
Реакции, используемые для определения состава вещества, называются качественными.
Какие реакции являются качественными на белок?

Учитель химии демонстрирует следующие опыты .

Опыт 1. Ксантопротеиновая реакция (нитрование бензольных колец ароматических аминокислот белка):

белок (охлажд.) + HNO 3 (конц.) + нагрев --> желтое окрашивание

Опыт 2. Биуретовая реакция (позволяет определить количество пептидных связей):

белок + CuSO 4 + NaOH --> фиолетовое окрашивание (такую реакцию дает мочевина);
CuSO 4 + NaOH --> Cu(OH) 2 + Na 2 SO 4 ;
белок + Cu(OH) 2 --> фиолетовое окрашивание.

Можно ли с помощью одного реактива распознать глицерин, белок, глюкозу? Можно! Этот реактив – гидроксид меди, он дает различное окрашивание растворов этих веществ:

а) глицерин + Сu(ОН) 2 --> ярко-синий раствор;
б) глюкоза + Сu(ОН) 2 + нагрев --> красный осадок;
в) белок + Сu(ОН) 2 --> фиолетовое окрашивание.

Учитель биологии. Назовите известные вам функции полипептидов. (Строительная. Полипептиды входят в состав клеточных стенок грибов и микроорганизмов и участвуют в построении мембран. Из белка кератина состоят волосы, ногти, когти. А белок коллаген является основой сухожилий и связок. Еще одна важная функция белка – ферментативная, каталитическая . Белки обеспечивают также все виды биологической подвижности. Кроме того, белки выполняют транспортную, гормональную, или регуляторную, рецепторную, гемостатическую, токсигенную, защитную и энергетическую функции .)
Дайте определение ферментам. (Ферменты – белки, обладающие каталитической активностью, т.е. ускоряющие протекание реакций .)
Все ферменты высокоспецифичны к своему субстрату и, как правило, катализируют только одну вполне определенную реакцию. Посмотрите на схематическое изображение строения фермента. (Преподаватель биологии демонстрирует кодопленку со схематичным изображением фермента. ) Каждый фермент имеет активный центр, в котором происходит химическое превращение субстрата реакции. Иногда центров связывания субстрата может быть несколько. Структура центра связывания дополнительна к структуре субстрата, т.е. они подходят друг к другу, «как ключ подходит к замку».
На работу ферментов влияют многочисленные факторы: рН, температура, ионный состав среды, присутствие малых органических молекул, которые связываются с ферментом или входят в его структуру и называются иначе кофакторами (коферментами). Коферментами иногда выступают некоторые витaмины, такие как пиридоксин (B 6 ) и кобаламин (B 12 ).

Учитель биологии знакомит учащихся с практическим применением ферментов .

Клиническое значение ферментов

1. Широко известны заболевания, вызываемые ферментной недостаточностью. Примеры: неперевариваемость молока (нет фермента лактазы); гиповитаминозы (витаминная недостаточность) – отсутствие коферментов снижает активность ферментов (гиповитаминоз витамина B1 приводит к заболеванию бери-бери); фенилкетонурия (вызывается нарушением ферментативного превращения аминокислоты фенилаланина в тирозин).

2. Определение активности ферментов в биологических жидкостях имеет большое значение для диагностики заболеваний. Например, по активности ферментов в плазме крови определяют вирусный гепатит.

3. Ферменты используют как реактивы при диагностике некоторых заболеваний.

4. Ферменты используют для лечения некоторых болезней. Примеры некоторых препаратов ферментной природы: панкреатин, фестал, лидаза.

Использование ферментов в промышленности

1. В пищевой промышленности ферменты используют при приготовлении безалкогольных напитков, сыров, консервов, колбас, копченостей.

2. В животноводстве ферменты используют при приготовлении кормов.

3. Ферменты используют при изготовлении фотоматериалов.

4. Ферменты используют при обработке льна, конопли.

5. Ферменты используются для смягчения кожи в кожевенной промышленности.

6. Ферменты входят в состав стиральных порошков.

Учитель биологии. Рассмотрим другие функции белков. Двигательные функции осуществляются специальными сократительными белками, к которым относятся, например, актин и миозин, входящие в состав мышечных волокон.
Еще одна важная функция белков – транспортная. Белки, например, переносят через клеточную мембрану в клетку ионы калия, аминокислоты, сахара и другие соединения. Белки также являются межтканевыми переносчиками.

Регулируя обмен веществ внутри клеток и между клетками тканями всего организма, белки выполняют гормональную, или регуляторную функцию. Например гормон инсулин участвует в регуляции и белкового и жирового обменов.
На поверхности клеточных мембран находятся белковые рецепторы, которые избирательно связывают гормоны, медиаторы, выполняя тем самым рецепторную функцию.
Гомеостатическая функция белков заключается в образовании томба при остановке кровотечения.
Некоторые белки и пептиды, выделяемые организмами, например болезнетворными микроорганизмами или некоторыми ядовитыми животными, я вляются токсичными для других живых организмов – это токсикогенная функция белков.
Очень важна защитная функция белков. Антитела – это белки, которые вырабатываются иммунной системой организма при вторжении в него чужеродного белка, бактерии, вируса. Они опознают «чужака» и участвуют в его уничтожении.
К белкам, являющимся энергетическим резервом, относится, например, казеин – основной белок молока.

Ответьте на следующие вопросы.

2. С чем связано отторжение пересаженных (трансплантированных) органов и тканей у пациентов? (Антитела, выполняя защитную функцию, опознают чужеродный белок пересаженных органов и вызывают реакции его отторжения. )

3. Почему из сваренных яиц никогда не появится цыпленок? (Белки яйца необратимо потеряли свою нативную структуру из-за тепловой денатурации .)

4. Почему происходит уменьшение веса мяса и рыбы после их тепловой обработки? (Во время тепловой обработки происходит денатурация белков мяса или рыбы. Белки становятся практически нерастворимыми в воде и отдают значительную часть содержащейся в них воды, при этом масса мяса уменьшается на 20–40% .)

5. О чем свидетельствует образование «хлопьев» или помутнение бульона во время варки мяса? (Если мясо погрузить в холодную воду и нагревать, то растворимые белки из наружных слоев мяса переходят в воду. Во время варки происходит их денатурация, при этом образуются хлопья, пена, всплывающая на поверхность воды, или мелкая суспензия, делающая раствор мутным .)

Все белковые молекулы имеют конечный срок жизни – со временем они разрушаются. Поэтому в организме идет постоянное обновление белков. В связи с этим вспомним основы биосинтеза белка. Ответьте на следующие вопросы.

1. Где происходит синтез белка в клетке? (На рибосомах .)

2. В каком клеточном органоиде хранится информация о первичной структуре белка. (В хромосомах, носителем информации является ДНК .)

3. Что понимают под термином «ген»? (Последовательность нуклеотидов, кодирующую синтез одного белка .)

4. Как называются основные этапы биосинтеза белка? (Транскрипция, трансляция .)

5. В чем состоит транскрипция? (Это считывание информации с ДНК путем синтеза информационной РНК, комплементарной считываемому участку ДНК .)

6. В какой части клетки идет транскрипция? (В ядре .)

7. В чем состоит трансляция? (Это синтез белка из аминокислот в последовательности, записанной в иРНК; он проходит при участии транспортных тРНК, доставляющих соответствующие аминокислоты в рибосому .)

8. В какой части клетки идет трансляция? (В цитозоле, на рибосомах, в митохондриях .)

Биосинтез белка идет в организме в течение всей жизни, наиболее интенсивно – в детстве. Интенсивность синтеза белков в некоторых случаях можно регулировать. Действие многих антибиотиков основано на подавлении синтеза белка, в том числе и у бактерий–возбудителей болезни. Например, антибиотик тетрациклин препятствует связыванию тРНК с рибосомами.
Давайте послушаем краткие сообщения о белковых препаратах, используемых в современной медицине.

Антигистаминные препараты

Современный напряженный ритм жизни сопровождается увеличением числа заболеваний, таких как инфаркт, гипертония, ожирение, всевозможные виды аллергий. Аллергия – чрезмерная чувствительность организма к специфическим внешним раздражителям. Для всех этих болезней характерно повышенное содержание в крови гистамина. Гистамины – вещества, образующиеся при декарбоксилировании аминокислоты гистидина. Антигистаминные препараты препятствуют этой реакции, и уровень гистамина снижается.

Интерферон

В процессе эволюции в борьбе с вирусами у животных возник механизм синтеза защитного белка интерферона. Программа образования интерферона как и любого белка закодирована в ДНК в клеточном ядре и включается после заражения клеток вирусом. Охлаждение, нервное потрясение, отсутствие витаминов в пище приводит к снижению способности вырабатывать интерферон. В настоящее время препарат интерферона для медицинских целей изготавливают из лейкоцитов донорской крови или с помощью генной инженерии. Интерферон используют для предупреждения и лечения вирусных инфекций – гриппа, герпеса, а также при злокачественных новообразованиях.

Инсулин

Инсулин – белок, состоящий из 51 аминокислоты. Он выделяется в ответ на повышение уровня глюкозы в крови. Инсулин контролирует углеводный обмен и вызывает следующие эффекты:

– увеличение скорости превращения глюкозы в гликоген;
– ускорение переноса глюкозы через клеточные мембраны в мышцах и жировой ткани;
– усиление синтеза белка и липидов;
– повышение скорости синтеза АТФ, ДНК и РНК.

Инсулин необходим для жизни, т. к. это единственный гормон, снижающий концентрацию глюкозы в крови. Недостаточная секреция инсулина приводит к нарушению метаболизма, известного под названием сахарного диабета. Препараты инсулина получают из поджелудочной железы крупного рогатого скота или с помощью генной инженерии.

Учитель химии. Инсулин был первым белком, у которого удалось расшифровать первичную структуру. На установление последовательности аминокислот в инсулине было затрачено почти 10 лет. В настоящее время расшифрована первичная структура очень большого числа белков, в том числе значительно более сложного строения.
Синтез веществ белковой природы был впервые осуществлен на примере двух гормонов гипофиза (вазопрессина и окситоцина).
В заключение преподаватели выставляют учащимся отметки за работу на уроке по химии и биологии.