Шпара И. В. Изучение биополимеров в курсе общей биологии
advertisement
Шпара И. В. Изучение биополимеров в курсе общей биологии методические рекомендации Кокшетау, 2011 1 Изучение биополимеров в курсе общей биологии. Методические рекомендации. – Кокшетау – 2011. – В брошюре даны рекомендации по изучению белков и нуклеиновых кислот. Рассмотрены вопросы их состава, строения, свойств, функций. Представлены примеры заданий, тестовых вопросов, лабораторных опытов. Пособие рекомендовано учителям-предметникам общеобразовательных школ и будущим преподавателям биологии. Назарбаев Интеллектуальная школа г. Кокшетау, 2011 2 Введение Мнения ученых относительно количества видов живых организмов, обитающих на Земле очень противоречивы: по разным оценкам их число от 8 до 100 миллионов. Каждый вид непрерывно размножается, передавая по наследству информацию в деталях, позволяющую воспроизводить потомство, при этом каждый вид отличается от другого. Точность передачи наследственной информации поражает воображение. Данный феномен наследственности считается важнейшим при определении жизни. Именно этим живые организмы отличаются от объектов неживой природы. При таких процессах как образование волн на водной поверхности, росте кристаллов, горении, также образуются упорядоченные структуры, но в них отсутствует связь, существующая между свойствами родителей и потомства. Не зависимо от того, является ли организм одноклеточным или состоит из более чем 1013 клеток, новый организм получает жизнь в результате деления одной родительской клетки. Нас постоянно восхищает разнообразие живых организмов на Земле, но, несмотря на все разнообразие, все живые существа имеют единый молекулярный уровень. В тоже время элементарное строение живого и неживой материи на Земле различаются очень сильно друг от друга. Углерод, азот, кислород и водород (C, N, O и H) составляют около 99% от массы живой материи. На долю воды приходится около 75% от этой массы. На Земле «углеродная жизнь». Если не считать воду, углерод (C) будет составлять 50-60% сухого веса, азот (N) – 8-10%, кислород (O) 25-30% и водород (H) 3-4%. В тоже время, в земной коре эти 4 элемента все вместе занимают меньше 1% общей массы. Молекулы веществ, обнаруженных в живых организмах, могут быть разделены на нуклеиновые кислоты, белки, углеводы (сахара), липиды и неорганические вещества (H2O, CO2, ионы металлов и т.д.). Молекулы живой материи можно разбить на две группы – собственно молекулы и макромолекулы (биополимеры). Новая школьная программа по биологии предусматривает изучение таких биополимеров, как полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты. Как правило, сложности вызывает изучение нуклеиновых кислот, так как они имеют сложную многоуровневую организацию. Зная отдельные элементы строения молекулы нуклеиновой кислоты, учащиеся затрудняются в определении их взаимосвязи при образовании цепи биополимера. Системный подход при изучении данной темы, состоящий в том, что строение каждого биополимера рассматривается с единых позиций, позволяет решить возникающие проблемы. Молекулы данных веществ имеют достаточно сходных свойств, поэтому методика, позволяющая выделить эти сходства, будет способствовать формированию правильного представления об этих соединениях в целом. Прежде чем приступить к изучению биополимеров в курсе общей биологии, следует напомнить учащимся о том, что представляет собой полимеризация, излагать материал, пользуясь понятиями структурное звено, степень полимеризации, объяснить значение терминов ковалентный остов и радикалы. Далее следует обратить внимание на то, что в клетке молекулы биополимеров, как правило, находятся не в вытянутой форме, а компактно уложены, что позволяет существенно уменьшить их размеры. Спираль является универсальной формой укладки молекул биополимеров. При изучении вторичной структуры вводятся понятия шаг спирали, диаметр, число элементов в одном витке спирали, угол наклона и др. 3 I. Белки 1. Структуры макромолекул При изучении белков сначала логично дать общее описание молекул аминокислот, обратив внимание, какая часть молекулы участвует в образовании пептидных связей, то есть образует остов полипептидной цепи. Затем сами учащиеся могут определить остальные части молекул, являющиеся радикалами. Рис. 1 Протеиногенные аминокислоты Среди многообразия аминокислот только 20 участвует во внутриклеточном синтезе белков (протеиногенные аминокислоты). Также в организме человека обнаружено еще около 40 непротеиногенных аминокислот. Характеризуя первичную структуру белков, необходимо обратиться к общим понятиям и описать белок как полимер, структурными звеньями которого являются остатки aаминокислот, соединенные друг с другом пептидными связями. 4 Рис. 2 первичная структура белка Природа создала простую химическую связь (называется карбоксамидная пептидная, или просто пептидная связь) для соединения аминокислот в линейную, неразветвленную цепь. Пептидная связь образуется в реакции конденсации между аминогруппой одной аминокислоты и карбоксильной группой другой (Рис. 1.7). В результате пептидной связи, скелет имеет полярность, так как все аминогруппы лежат с одной стороны от Cα атома. Это оставляет с другой стороны цепи свободную (несвязанную) аминогруппу (N-конец) и свободную карбоксильную группу с другой стороны (C-конец). Пептидную цепь принято изображать таким образом: концевая N аминокислота изображается слева, а С-конец – справа (Рис. 1.7). Рис. 3 Образование пептидной связи Далее можно приступить к характеристике вторичной структуры белков, вспомнив общность такого принципа в строении биополимеров, как спирализация, обеспечивающая их компактную упаковку в клетке. Рассматривая вторичную структуру, учащиеся могут обратить внимание, что сворачивается в спираль полипептидный остов, а радикалы располагаются снаружи. При этом спираль стабилизируется водородными связями между NH и CO группами основной цепи. В частности, CO группа каждой аминокислоты образует водородную связь с NH группой аминокислоты, которая находится через четыре остатка в последовательности. Таким образом, кроме аминокислот около конца спирали, все основные CO и NH группы цепи имеют водородные связи с группами окружения. Каждый остаток находится относительно следующего с поворотом около 1,5 Å вдоль линии спирали и поворот на 100 градусов происходит через 3,6 аминокислотных остатка в спирали. Таким образом, аминокислоты расположенные на три и четыре аминокислоты друг от друга пространственно достаточно близки друг от друга в спирали. Напротив, аминокислоты, которые разделяются на два остатка, друг от друга находятся на противоположных концах спирали и вероятность их контакта мала. Число аминокислотных остатков на один виток - 3,6. шаг винта, т.е. минимальное расстояние между двумя эквивалентными точками, составляет 5,4 Å (0,54 нм). Спираль стабилизирована почти линейными водородными связями между NH- группой и CO5 группой 4-го по счету аминокислотного остатка. Таким образом, каждый аминокислотный остаток принимает участие в формировании двух водородных связей. Спирали могут быть правые (движение против часовой стрелки) и левые (движение по часовой стрелке). Энергетически обе конформации могут встречаться, но левая спираль встречается крайне редко в природе. Правая спираль энергетически все-таки более выгодна, поэтому более стабильна, все атомы в ней упакованы оптимально: плотно, но без напряжений. Поэтому в белках таких спиралей много, а в фибриллярных белках они достигают гигантской длины и включают сотни аминокислотных остатков. Рис. 4 Вторичная структура белков один виток спирали - 3,6 аминокислотных остатка шаг спирали - 0,54 нм диаметр - 1,0 нм. Изучение третичной структуры связывают с их функциями, в частности с ферментативной активностью. Под этим термином понимают полную укладку в пространстве всей полипептидной цепи, включая укладку боковых радикалов. Трехмерные структуры белков, которые дают их функциональные активные формы, называются третичными структурами. Естественно, что полипептидная цепь имеет определенную конфигурацию, представленную, как правило, сочетанием спиральных и линейных участков. Считают, что третичная структура белковой молекулы определяется первичной структурой, т.к. решающая роль в поддержании характерного расположения полипептидной цепи принадлежит взаимодействию радикалов аминокислот. Особую роль в поддержании третичной структуры белка играют дисульфидные мостики, именно они прочно фиксируют расположение участков полипептидной цепи. Таким образом, положение в молекуле белка остатков цистеина предопределяет характер межрадикальных связей и, следовательно, третичную структуру. 6 Рис 5. Третичная структура белков а - β-субъединица гемоглобина; б - константный домен иммуноглобулина; в - флаводоксин; г - лизоцим куриного яйца. В молекулах белков-ферментов за счет сочетаний аминокислотных радикалов в тех или иных зонах возникают каталитические и регуляторные центры. Поскольку третичная структура белков довольно легко изменяется под действием физических и химических факторов, способность белков ускорять химические процессы бывает выражена то ярче, то слабее. Белковая молекула буквально «живет», непрерывно изменяет свою третичную структуру, чутко реагирует на изменение внешних условий закономерным смещением по отношению друг к другу спиральных и линейных участков, радикалов аминокислот и т. д. В этой способности белковых молекул адекватно изменять свою архитектонику в ответ на сигналы внешней среды по существу уже заложены многие свойства (раздражимость, приспособляемость и т.п.) живых организмов. Необходимо обратить внимание на природу связей, удерживающих третичную структуру: а) дисульфидный мостик (- S - S -) б) сложноэфирный мостик (между карбоксильной группой и гидроксильной группой) в) солевой мостик (между карбоксильной группой и аминогруппой) г) водородные связи. В соответствии с формой белковой молекулы, обусловленной третичной структурой, выделяют следующие группы белков: 1) Глобулярные белки. Пространственная структура этих белков в грубом приближении может быть представлена в виде шара или не слишком вытянутого эллипсоида - глобулы. 2) Фибриллярные белки. Эти белки имеют вытянутую нитевидную форму, они выполняют в организме структурную функцию. В первичной структуре они имеют повторяющиеся участки и формируют однотипную для всей полипептидной цепи вторичную структуру. 3) Мембранные белки — имеют пересекающие клеточную мембрану домены, но части их выступают из мембраны в межклеточное окружение и цитоплазму клетки 7 Существуют белки, содержащие более двух цепей полипептидов. Такие белки проявляют четвертый уровень структурной организации. Каждая полипептидная цепь в таких белках называется субъединицей. Четвертичная структура отражает пространственную организацию субъединиц и природу взаимодействия между ними. Наиболее простая четвертичная структура – это димер, состоящий из двух идентичных субъединиц. Рис. 6. Четвертичная структура белков. Структура двух субъединиц циклооксигеназы 2 (СОХ-2), фермент, являющийся мишенью для аспирина. Более сложные четвертичные структуры также широко распространены. Например, может быть более одного типа субъединиц, часто в различных количествах. Пример: гемоглобин человека, кислород-несущий белок крови, состоит из двух субъединиц одного типа (обозначаются как ) и двух субъединиц другого типа (обозначаются как ), т.е. молекула гемоглобина существует как 22 тетрамер. Гомологичные белки, те, которые имеют схожие последовательности, структуры, функции, чаще всего эволюционно имеют общего предка. Внешние факторы (изменение температуры, солевого состава среды, рН, радиация) могут вызвать нарушение структурной организации молекулы белка. При этом происходит процесс утраты трехмерной конформации, присущей макромолекуле, который называется денатурацией. Причиной денатурации является разрыв связей, стабилизирующих определенную структуру белка. Первоначально рвутся более слабые связи, а при ужесточении условий и сильные. Изменение пространственной структуры приводит к изменениям свойств белка, следовательно, выполнение молекулой свойственных ей биологических функций становится невозможным. Денатурация может быть обратимой, если возможно восстановление свойственной белку структуры. Такой денатурации подвергаются рецепторные белки мембраны. Восстановление структуры белка после денатурации называется ренатурацией. После изучения структуры белковых молекул логично прейти к рассмотрению функций белков, раскрывая взаимосвязь строение→свойства→функция 2. Функции белков Разнообразию структуры белковых молекул обеспечивает их уникальные свойства и функции в организмах: Биохимический катализ – роль специальной группы белков, называемых ферментами. Метаболические пути, которые снабжают клетку энергией, те, которые 8 синтезируют исходные блоки и сами макромолекулы (белки, нуклеиновые кислоты, углеводов, сложные липиды) – все это катализируется ферментами. Также экспрессия генома контролируется ферментами (например, РНК полимеразой). Скорость ферментативных реакций в десятки тысяч, а иногда в миллионы раз выше скорости реакций, идущих с участием неорганических катализаторов. В качестве примера часто приводится реакция разложения пероксида водорода: 2Н2О2→2Н2О +О2. Без катализаторов данная реакция протекает медленно, в присутствии неорганических катализаторов эта реакция идет несколько быстрее, а при участии фермента каталазы за одну секунду расщепляется до 100 тыс. молекул пероксида водорода. В молекуле фермента выделяют особую часть, представляющую собой уникальное сочетание нескольких аминокислотных остатков, ее называют активным центром фермента. Данный центр взаимодействует с молекулой субстрата с образованием фермент-субстратного комплекса. Затем фермент-субстратный комплекс распадается на фермент и продукт реакции. В 1890 г. Э. Фишер выдвинул гипотезу, согласно которой субстрат подходит к ферменту как ключ к замку, т.е. пространственные конфигурации активного центра фермента и субстрата точно соответствуют друг другу. Субстрат сравнивается с «Ключом», фермент – с «замком». Структура, на клеточном уровне это белки цитоскелета, некоторые внеклеточные белки, а также белки, на которых как бы собираются полиферментные комплексы. Из внеклеточных структурных белков можно назвать коллаген, важный компонент костей и сухожилий. Движение выполняется сократительными белками, наиболее известным примером являются актин и миозин цитоскелета. Транспорт различных материалов, как по всему телу, так и внутри клеток. Например, гемоглобин транспортирует кислород по крови, альбумин транспортирует жирные кислоты. Регуляция клеточных процессов осуществляется регуляторными белками . Также в эту группу относятся белки активаторы или репрессоры (активатор – это ДНК-связывающий белок, который стабилизирует конструкцию комплекса инициации транскрипции РНК полимеразы II), которые связываются с геномом и влияют на уровень экспрессии индивидуальных генов или групп генов. Защита организма или индивидуальных клеток – это функция белков различных типов, включая антитела, белки, отвечающие за свертываемость крови. Хранение – это функции выполняются такими белками как ферритин, который хранит железо в печени, или глиадины, которые хранят аминокислоты в покоящихся зернах пшеницы. 3. Задания для самостоятельной работы учащихся Большое значение при изучении биополимеров имеет самостоятельная работа учащихся, в ходе которой могут быть выполнены следующие задания: 3.1.Составьте структурные формулы трипептида, дайте ему название. Данное задание можно выполнять в тетради, а можно использовать программу ChemSketch, которая позволяет рассмотреть трипептид в 2D формате, затем преобразовать в 3D формат. 9 Рис. 7 2D и 3D формулы трипептида, составленные с помощью программы ChemSketch 3.2.Заполните таблицу: Структура белка № 1 2 3 4 5 6 признак Структурное звено Тип связи в ковалентном остове Химическая природа радикалов Полярность Вторичная структура Третичная структура 7 Четвертичная структура 3.3. № 1 2 3 4 5 6 7 характеристика α, L-аминокислоты пептидная Радикалы аминокислот N- и С-концы спираль Полная укладка в пространстве всей полипептидной цепи, включая укладку боковых радикалов Несколько полимерных цепей объединяются в единый комплекс Заполните таблицу, указав функции перечисленных белков Название белка родопсин (белок сетчатки глаза) гемоглобин гистоны актин фибриноген инсулин альбумин куриного яйца Функции сигнальная транспортная структурная двигательная защитная регуляторная запасающая 10 3.4. Выскажите предположение о наиболее благоприятных условиях для активности ферментов, учитывая тот факт, что все ферменты являются белками и используя знания о влиянии условий на скорость химических реакций из курса химии. Поскольку все ферменты являются белками, их активность наиболее высока при физиологически нормальных условиях. Большинство ферментов наиболее активны при определенной температуре. При повышении температуры до некоторого значения ( в среднем до 50оС) каталитическая активность растет (из курса химии знаем, что на каждые 10оС скорость реакции повышается в 2-4 раза). При температуре выше 50оС белок подвергается денатурации, и активность фермента падает. На скорость реакции влияет также концентрация субстрата и концентрация фермента. При увеличении концентрации субстрата скорость ферментативной реакции растет до тех пор, пока количество молекул субстрата не станет равным количеству молекул фермента. При увеличении количества субстрата скорость увеличиваться не будет, так как происходит насыщение активных центров фермента. Увеличение концентрации фермента приводит к усилению каталитической активности, так как в единицу времени преобразованиям подвергается большее количество молекул субстрата. Кроме того для каждого фермента существует оптимальное значение рН. При котором он проявляет максимальную активность. 3.5.Почему повышение температуры выше 40° опасно для жизни? Многие белки выполняют в клетках роль катализаторов -ферментов. Действуют ферменты только при определенной темпе¬ратуре (оптимально 38 °С) и рН среды. Длительное повышение температуры выше 38 °С вызывает изменение в структуре молекулы фермента (денатурацию), ее активность снижается, а затем прекращается. Это приводит к нарушению всего обмена веществ. Ответ: При температуре выше 40°С происходит денатурация белков, в том числе ферментов. 4. Изучение строения белковой молекулы с помощью программы RasMol При выполнении задания учащиеся белков, используя RasMol. получают навыки работы с 3D структурами RasMol — компьютерная программа, предназначенная для визуализации молекул и используемая преимущественно для изучения и получения изображений пространственных структур биологических макромолекул, в первую очередь белков и нуклеиновых кислот. RasMol распространяется по двойной лицензии (GPL или RASLIC). Тем самым, RasMol (наряду с Jmol и PyMOL) — одна из немногих программ визуализации молекул с открытым кодом. Исходными данными для визуализации служат координаты атомов молекулы (или комплекса молекул), содержащиеся в файле формата Protein Data Bank (PDB). Файлы с координатами атомов могут быть скопированы с одного из сайтов PDB (см. Worldwide Protein Data Bank). 1) Скачайте структуру C1R COMPLEMENT SERINE PROTEASE из Protein Data Bank (PDB). PDB ID (identification number) этого белка 1MD8. 11 2) Используя Pfam (ProteinFamiliesdatabase) получите информацию о доменной организации этого белка. Swiss Prot ID вашего белка: P00736. 3) Откройте PDB файл используя RasMol (если есть вопросы посмотрите по этой ссылке link) Появится 2 окна – одно с 3D структурой, другое с командной строкой. 4) Получите картинку (export => gifformat) визуализированную Cartoonsmodel и окрашенную по структуре Посмотрите на структуру в различных типах отображений и различных окрашиваниях. 5) Окрасьте структуру с CPK. 6) Напишите в окне “Command Line” 1. Select 5-150 (число аминокислотных остатков, программа напишет сколько атомов было выделено). Все операции в дальнейшем будут идти только с выделенными атомами. Если вы ошиблись при выделении напишите “select all” и сможете работать опять со всей структурой. 2. Color green (вы можете выбрать любой цвет) Выделенные атомы станут зелеными. Проделайте тоже самое с следующим доменом, но окрасьте в другой цвет. 7) Выделите аминокислотные остатки, формирующие дисульфидные связи в белке. Чтобы сделать это наберите “select cys” в окне командной строки. В ходе работы с программой учащиеся могут получить следующие изображения белковой молекулы: Рис. 8 Структура C1R COMPLEMENT SERINE PROTEASE, визуализированная Cartoonsmodel и окрашенная по структуре. Рис. 9 Структура в Spacefillmodel с окрашенными доменами. 12 Рис. 10 Рисунок структуры, визуализированной, используя Cartoonsmodel с выделенными аминокислотными остатками, отображаемыми Balls-and-sticksmodel и окрашенными в красный цвет. 5. Тестовые вопросы по теме «Белки» 1. Мономерами белков являются Выберите один ответ a) Нуклеотиды b) Моносахариды c) Аминокислоты d) ДНК и РНК 2. В синтезе белков принимают участие Выберите один ответ a) 40 аминокислот b) 36 аминокислот c) 20 аминокислот d) 10 аминокислот 3. Водородная связь не участвует в образовании структуры Выберите один ответ a) Парафина b) Белка c) Целлюлозы 13 d) Льда 4. Ферменты лизосом разрушают белки до Выберите один ответ a) Мочевины и углекислого газа b) Углекислого газа и воды c) Аминокислот d) Нуклеотидов 5. Полипептидная цепь, свернутая в клубок – это структура белка Выберите один ответ a) Первичная b) Третичная c) Четвертичная d) Вторичная 6. При обратимой денатурации белка происходит Выберите один ответ a) Образование водородных связей b) Образование пептидных связей c) Нарушение его третичной структуры d) Нарушение его первичной структуры 7. Незаменима для человека аминокислота Выберите один ответ a) Фенилаланин b) Серин c) Тирозин d) Треонин 8. К белкам, выполняющим каталитическую функцию, относятся Выберите один ответ a) Альбумин b) Пепсин c) Гемоглобин d) Фибрин 9. В состав протеиногенных аминокислот помимо N, H, C и О входит Выберите один ответ a) F b) P c) B d) S 14 10. Вторичную структуру белка определяют связи Выберите один ответ a) Водородные связи между NH- и CO- группами пептидных связей b) Водородные между полипептидными цепями c) Пептидные между аминокислотами d) Гидрофобные взаимодействия между радикалами 11. Белки не являются Выберите один ответ a) Полипептидами b) Полиэлектролитами c) Амидами d) Сложными эфирами 12. Последовательность аминокислот в молекуле белка зависит от: Выберите один ответ a) Внешней среды b) Генотипа c) Их случайного сочетания d) Вида организма 13. Гемоглобин мыши от гемоглобина слона отличается: Выберите один правильный ответ. a) Формой третичной структуры b) Отсутствием четвертичной структуры c) Последовательностью чередования аминокислот d) Всеми указанными особенностями 14. Изменяемой частью аминокислоты является: Выберите один правильный ответ. a) Аминогруппа и карбоксильная группа b) Радикал c) Карбоксильная группа d) Радикал и карбоксильная группа 15. Из аминокислот не состоит Выберите один ответ. a) гемоглобин b) инсулин c) гликоген d) альбумин 16. Правильным является утверждение: Выберите один ответ: a) радикал придает аминокислоте кислые свойства, аминогруппа – щелочные 15 b) аминогруппа придает аминокислоте кислые свойства, радикал – щелочные c) карбоксильная группа придает аминокислоте кислые свойства, радикал – щелочные d) карбоксильная группа придает аминокислоте кислые свойства, аминогруппа – щелочные 17. Пептидная связь образуется в результате реакции: Выберите один ответ: a) реакции гидролиза b) реакции гидратации c) реакции конденсации d) реакции полимеризации 18. Стабилизируют вторичную структуру белка связи: Выберите один правильный ответ: a) ковалентные b) водородные c) ионные d) связи отсутствуют 19. В пробирки с пероксидом водорода поместили кусочек вареного мяса, хлеба, моркови, рубленого яйца. Кислород выделился в пробирке: Выберите один ответ: a) с кусочком вареного мяса b) с кусочком хлеба c) с кусочком моркови d) с кусочком рубленого яйца 20. Четвертичная структура молекулы белка образуется в результате взаимодействия: Выберите один ответ: a) участков одной белковой молекулы b) нескольких полипептидных нитей c) белковой глобулы с мембраной клетки d) молекул аминокислот Ключ ответов: 1с, 2с, 3а, 4с, 5b, 6c, 7a, 8b, 9d, 10a, 11d, 12b, 13c, 14b, 15c, 16d, 17c, 18b, 19c, 20a 16 1. Лабораторные опыты по теме «Белки» Лабораторная работа «Действие фермента каталазы на пероксид водорода» Цель: изучить влияние фермента каталазы на скорость разложения пероксида водорода. доказать присутствие фермента каталазы в растительных и животных тканях, сравнить его активность в живых и мертвых тканях. Оборудование: 3% раствор пероксида водорода, лист элодеи кусочки сырого и вареного картофеля, сырого мяса, микроскопы, пробирки. пипетки Задание к лабораторной работе: 1. прилейте по 2мл. 3% Н2О2 (перекиси водорода) в пробирки с кусочками сырого мяса, с сырым и вареным картофелем. Объясните наблюдаемые явления при действии пероксида водорода на живые и мертвые клетки. 2. На предметное стекло в каплю воды поместите лист элодеи и рассмотрите под микроскопом на малом увеличении место отрыва листа от стебля. 3. Нанесите на лист элодеи две капли пероксида водорода, накройте покровным стеклом и под микроскопом рассмотрите место отрыва листа от стебля. Объясните бурное выделение пузырьков кислорода из поврежденных клеток элодеи. Лабораторная работа «Цветные реакции на белки и аминокислоты» Цель: Изучить качественные цветные реакции на белки, обусловленные их строением. I. Биуретовая реакция. Так как все белки построены из остатков аминокислот, соединенных пептидными связями, данная реакция является универсальной качественной реакцией на белки. Пептидные связи в щелочной среде с сульфатом меди (II) образуют окрашенные комплексные соединения сине-фиолетового или красно-фиолетового цвета. Оборудование: Пробирка Пипетка Раствор гидроксида натрия или калия Раствор сульфата меди (II) Раствор яичного белка Задания для учащихся: 1. Внесите в пробирку несколько капель раствора яичного белка, 3-4 капли раствора щелочи и 1-2 капли раствора сульфата меди, перемешайте 2. Обратите внимание на изменение окраски раствора. II. Ксантопротеиновая реакция. 17 Ксантопротеиновая реакция позволяет обнаружить в белке аминокислоты, имеющие в составе бензольное кольцо – тирозин, фенилаланин и триптофан. При взаимодействии бензольного кольца с концентрированной азотной кислотой происходит его нитрование – вначале появляется белый осадок, который принагревании практически полностью растворяется и раствор приобретает желтый цвет. Оборудование: Концентрированная азотная кислота Раствор гидроксида натрия Раствор яичного белка Пробирка Держатель Спиртовка Задания для учащихся: 1. В пробирку вносите 5-7 капель раствора яичного белка и добавте 2-3 капли концентрированной азотной кислоты, затем осторожно нагрейте. 2. После охлаждения добавьте в пробирку несколько капель раствора гидроксида натрия, обратите внимание на появление желто-оранжевого окрашивания. III. Реакция Фоля. Действие на белок соли тяжелого металла ацетата свинца Данная реакция является качественной на аминокислоты белковой молекулы, содержащие слабосвязанную серу, например цистеин, которые в результате нагревания с щелочью разрушаются с образованием сульфида натрия Na2S. В тоже время ацетат свинца, реагируя с щелочью, образует плюмбит натрия Na2PbO2 Ацетат свинца при реакции со щелочью дает плюмбит натрия Na2PbO2. При взаимодействии данных солей образуется осадок сульфида свинца. Na2S + Na2PbO2 + 2H2O → PbS↓ +4 NaOH Оборудование: 30% раствор гидроксида натрия 5% раствор ацетата свинца Раствор яичного белка Пробирка Держатель Спиртовка Задания: 1. Внесите в пробирку 5-7 капель яичного белка 2. Добавьте 5-7 капель раствора гидроксида натрия и 1 каплю раствора ацетата свинца. 3. Осторожно нагрейте 4. Объясните появление бурого или черного осадка. Лабораторная работа «Реакции осаждения белков». Цель: Изучить процесс денатурации белка, условия, вызывающие денатурацию. I. Необратимое осаждение белков. 1. Осаждение белков при кипячении. При нагревании белков выше 50оС происходит их денатурация. Тепловая денатурация связана с развертыванием полипептидной цепи и разрушением их структуры. Что приводит к уменьшению растворимости. Оборудование: 18 Раствор яичного белка Пробирка Держатель Спиртовка Задание: 1. Прилейте в пробирку раствор яичного белка и осторожно нагрейте в пламени спиртовки. 2. Объясните помутнение раствора яичного белка. II. Осаждение белков концентрированными минеральными и органическими кислотами. Оборудование: Концентрированные минеральные кислоты (соляная, азотная, серная) Органическая сульфациловая кислота Раствор яичного белка Пробирки Задание: 1. В четыре пробирки поочередно налейте по 5 капель каждой кислоты, затем, наклонив пробирку по стенке, избегая смешивания жидкостей добавьте такой же объем раствора яичного белка. 2. Затем осторожно встряхните пробирки, объясните наблюдаемые вами явления. Выполнение лабораторных опытов позволит учащимся на практике закрепить изученный материал, глубже понять строение и свойства белков, будет способствовать формированию интереса к предмету биологии. II. Нуклеиновые кислоты 1. Состав и строение нуклеиновых кислот Изучая нуклеиновые кислоты, необходимо сначала дать понятие о нуклеотидах как структурных звеньях, обратить внимание учащихся на то, что нуклеиновые кислоты состоят только из нуклеозид-5-фосфатов с азотистыми основаниями в кетоформе. Нуклеиновые кислоты являются биополимерами, структурными звеньями которых являются нуклеотиды, соединенные фосфодиэфирными связями. Целесообразно дать ученикам схему, показывающую состав нуклеотида: Рис. 11 Схема нуклеотида 19 Фосфодиэфирные связи образуются между остатком сахара одного нуклеотида и остатком фосфорной кислоты другого Рис. 12 Схема фрагмента полинуклеотида Поэтому остов молекул нуклеиновых кислот представляет собой чередующиеся остатки пентозы и фосфорной кислоты, азотистые основания. Связанные с остовом, являются радикалами. Данный тип связи обеспечивает полярность цепей нуклеиновых кислот. Изучать ДНК и РНК следует параллельно, обращая внимание учеников на черты сходства и различия в составе, строении, функциях данных биополимеров Компоненты НК углевод Азотистые основания РНК ДНК рибоза Аденин(А) Гуанин (Г) Цитозин (Ц) Урацил (У) дезоксирибоза Аденин (А) Гуанин (Г) Цитозин (Ц) Тимин (Т) Отличается и строение молекул РНК и ДНК. Молекула РНК состоит из одной цепи, молекула ДНК состоит из двух цепей. Цепи ДНК являются антипараллельными (противоположно ориентированными). Они связаны друг с другом за счет связей между комплементарнми основаниями оснований: аденин соединяется водородными связями с тимином, а гуанин - с цитозином. Таким образом, схема строения ДНК имеет вид: Рис. 13. Схема фрагмента молекулы ДНК 20 Рис. 14. Схема фрагмента молекулы РНК 21 Рис. 15 Состав нуклеотидов ДНК и РНК Структура ковалентных связей нуклеиновых кислот отвечает за их способность нести информацию в форме последовательностей оснований в цепи. Другая черта структуры нуклеиновых кислот содействует процессу репликации – образованию двух копий нуклеиновой кислоты из одной. Эти черты зависят от способностей азотистых оснований, обнаруживаемых в нуклеиновых кислотах, образовывать специфические пары. На схемах дезоксирибозофосфатный остов обычно изображен в виде ленты (скелет), а основания расположены внутри двойной спирали. Таким образом, внутренняя часть неполярна, а внешняя часть молекулы ДНК – заряжена отрицательно за счёт углеводных остатков и фосфатных групп остова. Целесообразно обратить внимание учащихся на то, что в функциональном отношении две цепи ДНК не эквивалентны. Кодирующей цепью (матричной, смысловой) является та из них, которая считывается в процессе транскрипции. Именно эта цепь служит матрицей для РНК. Некодирующая цепь (антисмысловая) по 22 последовательности подобна РНК (при условии замены T на U). Общепринято давать структуру гена в виде последовательности некодирующей цепи ДНК в направлении 53. Если прочитать кодоны в этом направлении, то с помощью генетического кода можно воспроизвести аминокислотную последовательность белка в принятом порядке, от N- к С-концу. Обращаясь к истории открытия структуры ДНК, следует отметить, что существование специфических взаимодействующих пар было открыто в ходе исследований посвященных определению трехмерной структуры ДНК. Майрис Вилкинс и Розалин Франклин получали рентгеноструктурным анализом нити ДНК. Параметры дифракции показывали, что ДНК образуется двумя цепями регулярной спиральной структуры. Из этих и других данных Джеймс Ватсон и Френсис Крик представили структурную модель ДНК, которая основывалась на расчетах экспериментальных данных, а также ряде замечательных догадок о функциональных свойствах нуклеиновых кислот. Свойства модели ДНК Ватсона-Крика, полученные из данных рентгеноструктурного анализа: 1. Две спиральные цепи закручены вокруг общей оси. Цепи противонаправлены. 2. Сахарофосфатный остов расположен внутри и поэтому пурины и пиримидины лежат во внешней стороне спирали. 3. Основания расположены практически перпендикулярно к оси спирали и соседние основания разделены на 3,4 Å (0,34 нм). Структура спирали повторяется каждые 34 Å, т.к. имеется 10 оснований на поворот спирали (= 34 Å на весь поворот/3.4 Å на основание). Поворот имеет шаг в 36 градусов на основание (360 градусов на полный оборот/10 оснований на поворот. 4. Диаметр спирали 20 Å. Итак, ДНК состоит из двух связанных полинуклеотидных цепей закрученных вместе в правую двойную спираль. Соседние основания в каждой цепи находятся в параллельных плоскостях. В двойной спирали ДНК две полинуклеотидных цепи направлены антипараллельны друг другу. Если мысленно двигаться по двойной спирали, то по одной цепочке мы будем перемещаться от третьего гидроксила одной дезоксирибозы к пятому другой дезоксирибозы, а по второй цепочке будет происходить движение от пятого гидроксила одной дезоксирибозы к третьему другой. Иными словами, цепочки в ДНК противоположно направлены, или антипараллельны. Ученикам можно предложить самостоятельно заполнить таблицу, которая должна отражать структурные характеристики нуклеиновых кислот Характеристика Структурное звено Химическая природа остова Тип связи в остове Химическая природа Нуклеиновые кислоты РНК ДНК Рибомононуклеотиды Полинуклеотидный остов из остатков рибозы и фосфорной кислоты. Фосфодиэфирная Пуриновые (А,Г) и 23 Дезоксирибомононуклеотиды Полинуклеотидный остов из остатков дезоксирибозы и фосфорной кислоты Пуриновые (А,Г) и радикалов пиримидиновые (Ц,У) пиримидиновые (Ц,Т) основания основания Сахарные и фосфатные концы Полярность молекулы Вторичная структура спираль из одноцепочной молекулы. Двойная спираль из двух антипараллельных цепей. Функция Хранение наследственной информации Трансляция, сплайсинг Рассматривая виды РНК, учащиеся могут заполнить таблицу Тип РНК Количество подтипов в клетке Число нуклеотидов в цепи Содержание в клетке Время жизни функция мРНК (mRNA) тРНК (tRNA) информацйионная транспортная >1000 >50 рРНК (rRNA) рибосомальная 4 snRNA ~ 10 400-6000 74-95 120-5000 100-300 5% 10-20% 80% <1% короткое продолжительное продолжительное трансляция трансляция трансляция продолжит ельное сплайсинг Более подробно роль каждого типа РНК будет ими рассмотрена при изучении синтеза белка. 2. Задания для самостоятельной работы Вставьте пропущенные слова. Вариант 1 Все многообразие белков определяют ………… аминокислот. 8 аминокислот являются для человека ………………., они не ……………… в клетках человека. Участок ДНК, несущий информацию о структуре одного определенного белка называют …………. . Последовательность аминокислот определяет ……………….. структуру белка. Вторичная структура образуется при ……………. белковой молекулы в …………….. Процесс утраты белковой молекулой своей структурной организации называется………………. . Денатурация может быть вызвана действием ………………………………………………………… . Функциями белка являются………………. 24 Вставьте пропущенные слова. Вариант 2 Между остатками молекул аминокислот в молекуле белка образуются ……………….. связи. В молекулах аминокислот функциональными являются ……………….. и ………………… Первичная структура белка определяется………………………… аминокислот. Структура, образованная в результате скручивания полипептидной цепи в клубок называется ……………… Белки, которые ускоряют реакции, протекающие в клетке, называются …………….. Процесс нарушения структурной организации белка называют ……………….. Качественными реакциями на белок являются …………………., ………………… , ……………………. реакции.. Задача 1. Молекула ДНК состоит из двух цепей – основной, на которой синтезируется иРНК, и комплементарной. Запишите порядок нуклеотидов в синтезируемой иРНК, если порядок следования нуклеотидов в основной (рабочей) цепи ДНК следующий: Ц-Г-Ц-Т-ГА-Т-А-Г. Решение Пользуясь принципом комплементарности, определяем порядок расположения нуклеотидов в иРНК, синтезируемой по рабочей цепи ДНК: Г-Ц-Г-А-Ц-У-А-У-Ц. Ответ: Г-Ц-Г-А-Ц-У-А-У-Ц Задача 2. В молекуле ДНК обнаружено 920 гуаниловых нуклеотидов, которые составляют 20% от общего количества нуклеотидов этой ДНК. Сколько каждого нуклеотида содержится в этой молекуле ДНК? Какова длина этой молекулы ДНК? Решение 1) Исходя из принципа комплементарности (А + Т) + (Г+ Ц) = 100% Тогда количество цитидиловых нуклеотидов равно: Г= Ц= 920, или 20%. 2) На долю (Т + А) приходится: 100% - (20 + 20) = 60%, что составляет х = (60 х 920) : 20 = 2760 нуклеотидов. Отсюда следует А = Т = 2760 : 2 = 1380 нуклеотидов. 3) Всего в этой молекуле ДНК содержится (920 х 2) + (1380 х 2) = 4600 нуклеотидов. Для определения длины ДНК узнаем, сколько нуклеотидов содержится в одной цепи: 4600 : 2 = 2300 Длина ДНК составляет 0,34 нм х 2300 = 782 нм. 25 Ответ: В молекуле ДНК Г = С = 920 и А = Т = 1380 нуклеотидов; длина этой молекулы 782 нм. Первая ступень в изучении биополимеров может быть успешно преодолена путем единого подхода в изучении структуры их молекул. Изучив строение биополимеров можно подняться на вторую ступень – познакомить учащихся с процессами, происходящими при синтезе белка, обсудить роль ДНК, РНК в данных процессах. Центральной темой современной молекулярной биологии является изучение потока биологической информации от ДНК к РНК и далее к белку. Сила данного потока информации заключается в точности определяемой шаблоном, и в возможности управлять одним классом молекул на основании знаний о другом. 26 Список литературы Албертс Б., Брей Д., и др. Молекулярная биология клетки. М., 1994. Зенгер В. Принципы структурной организации нуклеиновых кислот. М., 1987 Кольман Я., Рём К. Г. Наглядная биохимия: Пер. с нем. – М.: Мир, 2000. Кулев А. В. Общая биология. Метод. Пособие Паритет 2001 Пименов А. В. Уроки биологии. Ярославль.: Академия развития 2001 Яблоков А. В., Реймерс Н. Ф. Биология и современность - М. Просвещение 1990 1. 2. 3. 4. 5. 6. Ресурсы: http://phys.protres.ru/protein_physics http://ru.wikipedia.org/ Содержание Введение………………………………………………………………………………2 Белки. Структуры макромолекул……………………………………………………2 Функции белков………………………………………………………………………6 Задания для самостоятельной работы учащихся…………………………………...7 Лабораторные работы……………………………………………………………….14 Нуклеиновые кислоты……………………………………………………………… 17 Задания для самостоятельной работы учащихся………………………………… .21 27 28