Строение и свойства белков: от аминокислот до пространственной структуры

Учитель

Учащиеся (примерный ответ)

Дать определение
белков.

Белки - это азотосодержащие высокомолекулярные вещества со сложным составом и строением молекул (другое название белков - полипептиды или протеины).

Какие основные
элементы входят в
состав молекулы белка?

В состав белков входят: углерод, водород, кислород и азот; кроме того большинство белков содержат серу, фосфор, железо и некоторые другие элементы.

Что является мономером
в сложной молекуле
белка?

Несмотря на огромное разнообразие и сложность строения белков, они построены всего из 20 различных аминокислот (их часто называют «волшебными» аминокислотами), и молекулу
белка схематично можно изобразить как последовательность аминокислот в цепи

-А-А-А-А-.

Изобразите га доске общую формулу аминокислот и объясните ее строение.

Общая формула аминокислот соответствует

R

I

NН₂ - СН - СООН

В левой части молекулы расположена группа H₂N- котораяобладает свойствами основания; справа - группа СООН - кислотная, характерная для всех органических кислот.
Следовательно, аминокислоты--амфотерные соединения, совмещающие свойства кислот и оснований. Отличие аминокислот заключается в строении бокового заместителя (радикала - R). Для каждой аминокислоты он универсальный.

Что обуславливает огромное многообразие белков?

Белки, выделенные из живых организмов, включают в себя несколько сотен, а иногда и тысяч комбинаций 20 основных аминокислот. Порядок их чередования самый разнообразный, что делает возможным существование огромного числа
молекул белка, отличающих их друг от друга. Например, для белка состоящего из 20 остатков аминокислот, теоретически возможно около 2·1018 вариантов, отличающихся чередованием аминокислот, а значит и свойствами различных
белковых молекул.

При помощи каких связей аминокислоты объединяются в белковую молекулу?

Соединяясь, молекулы аминокислот образуют связи между углеродом кислотной группы и азотом основной группы. Такие связи называются ковалентными, а в данном случае - пептидными связями.

Изобразите пептидную
связь в молекуле белка между аминокислотными остатками.

--C-N-
// /

О Н

На какие группы
классифицируются
пептидыIв зависимости
от количества
аминокислот в молекуле?

Фрагменты белков, состоящие из ограниченного числа аминокислотных остатков, называют пептидами: ди-, три- и т. д. пептиды. если остатков много, но их число не превышает 10000,

то это полипептиды.

Это различие полипептидов и белков имеет физический смысл: белки подвергаются денатурации, а полипептиды - нет.

Что такое первичная структура белка, каковы ее строение и свойства?

Последовательность аминокислот в полипептидной цепи принято называть первичной структурой белка.

Однако молекула белка в виде цепи аминокислотных остатков,
последовательно соединенных между собой пептидными
связями, еще не способна вьшолнять специфические функции.
для этого необходима более сложная структура организации - вторичная структура.

За счет каких связей образуется вторичная структура белков?

Путем образования водородных связей между остатками карбоксильных и аминогрупп разных аминокислот белковая молекула принимает вид спирали (а- спираль) или складчатого слоя - «гармошки» (Р- структура). Это вторичная структура белка. Но и ее часто недостаточно для приобретения характерной биологической активности.
Часто только молекула, обладающая третичной структурой может выполнять свою роль.

Охарактеризуйте строение третичной структуры белка.

Третичная структура образуется благодаря ионным
взаимодействиям между карбоксильными и аминогруппами различных аминокислотных остатков, а также образуются дисульфидные мостики или S – S связи. В водном растворе возможно и проявление свойств ПАВ, когда гидрофобные участки оказываются внутри, а гидрофильные - снаружи
свернутой молекулы. Благодаря этим взаимодействиям белковая спираль сворачивается и приобретает форму шарика или глобулы. Однако для осуществления некоторых функций организма требуется участие белков с еще более высоким
уровнем организации - четвертичной структурой.

Какая структура белка называется четвертичной, и каково ее строение?

Четвертичная структура представляет собой функциональное объединение нескольких (двух, трех и более) молекул белка, обладающих третичной структурой. Пример такого сложного
белка - гемоглобин.

Охарактеризуйте основные физические свойства белков.

Белки бывают растворимые в воде и нерастворимые. Некоторые из них с водой образуют коллоидные растворы. Растворимые в воде белки - глобулярные, нерастворимые - фибриллярные.

К фибриллярным относятся: кератин (в коже, ногтях, перьях, волосах, рогах), коллаген (в сухожилиях), миозин (мускулах), фиброин (в шелке).

К глобулярным белкам относятся все ферменты, многие гормоны, антитела.

Охарактеризуйте
основные химические
свойства белков.

Учитель приводит
пример из жизни:
действие мыла или
стирального порошка на кожу рук.

Учитель растворяет
белок куриного яйца в 150мл воды. Наливает в пробирку 10мл раствора
белка и нагревает на
пламени горелки до
кипения.

Наблюдается помутнение
раствора. При
охлаждении пробирки в
струе воды, помутнение
не исчезает.

Учитель
объясняет, что
произошла денатурация,
этот процесс является
необратимым.

Учитель демонстрирует
горение яичного белка в пламени спиртовки, и просит отметить характерный запах.

Гидролиз - важнейшее свойство белков, при котором образуются аминокислоты. Способность белков гидролизоваться под действием кислот и щелочей лежит в основе процесса пищеварения.

Денатурация - это изменение вторичной, третичной и четвертичной структуры белковой молекулы под
влиянием внешних факторов (температуры,
механического воздействия, действия химических
реагентов).

Горение - белки при сжигании образуют азот,
углекислый газ, воду, некоторые другие вещества.

Процесс горения белков сопровождается характерным запахом жженных перьев.

Перечислите качественные реакции на белки.

Кроме того, существуют качественные реакции на белки:
а. ксантопротеиновая реакция.

в. биуретовая реакция.

с. осаждение белка солями тяжелых металлов.

В чем заключается биологическая роль белков?

« Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей средой и внешней
природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь».

Ф.Энгельс

Действительно, функции белков в клетке чрезвычайно многообразны. Одна из важнейших - пластическая(строительная) функция: белки участвуют в образовании всех клеточных мембран и органоидов клетки, а также внеклеточных структур.

Исключительно важное значение имеет каталитическая роль белков. Все биологические катализаторы - ферменты - вещества белковой природы, они ускоряют химические
реакции.

Двигательная функция живых организмов обеспечивается специальными сократительными белками.

Транспортная функция белков заключается в присоединении химических элементов или биологически активных веществ и перенос их к различным тканям и органам тела.

При попадании в организм человека чужеродных белков или микроорганизмов в лейкоцитах вырабатываются особые белки - антитела. Антитела по своей структуре являются белками. Это защитная функция белков.

Белки могут служить и источником энергии в клетке, т.е. выполняют энергетическую функцию. При полном расщеплении 1 г белка до конечных продуктов выделяется 17,6 кДж энергии.

Кем и когда были изучены белки?

Учитель показывает портреты ученых.

В 1955 году была установлена полная структура гормона поджелудочной железы - полипептида инсулина, участвующего в обмене углеводов в организме. Затем были расшифрованы структуры гемоглобина, фермента рибонуклеазы, пищеварительного фермента трипсина и ряда
других белков. Лишь после этого ученым удалось
синтезировать - искусственно создать путем химического синтеза - некоторые пептидные гормоны, инсулин рибонуклеаз и другие еще более сложные белки. Ведущая роль белков в процессах жизнедеятельности вызывает необходимость их дальнейшего изучения, разработки новых
методов синтеза этих высокомолекулярных соединений. Без исследования структуры, свойств и механизмов действия белковых веществ невозможно познать закономерности существования живых организмов и сознательно их
регулировать.

Большой вклад в изучение строения белковых молекул внесли такие ученые как Данилевский Александр Яковлевич (1838- 1923г.г.) и Фишер Эмиль Германович (1852 -1919 г.г.)

Какая пища является источником белков?

Пища, которой питается человек, очень разнообразна. По происхождению ее можно разделить на две большие группы: растительную и животную. Полноценная пища должна содержать все вещества, необходимые организму. В зависимости от того, какие вещества преобладают, различают
белковую, жировую и углеводную пищу.

Белковая пища является неотъемлемым звеном в питании человека. Наиболее богаты белком продукты животного происхождения: мясо, яйца, молочные продукты, а также определенные сорта рыбы и ягод. Для того, чтобы пища была
питательна и полезна, ее нужно правильно готовить.
Недостаток белка в питании человека вызывает белковое голодание организма и влечет различные заболевания.

Как происходит усвоение белков организмом человека?

Белки являются главной составной частью пищевого рациона, определяющей характер питания. В желудочно-кишечном тракте белки, поступившие с пищей, подвергаются расщеплению (перевариванию) под действием ферментов (пепсина, трипсина, эрепсина и др.), содержащихся в пищеварительных соках. Белки пищи расщепляются до аминокислот, которые из кишечника поступают в кровь.
Синтез белков идет с поглощением энергии. Эта энергия доставляется молекулами АТФ. Таким образом белки пищи утрачивают свою специфичность, а у образовавшихся из них
аминокислот организм строит свои собственные белки - структурные, сократительные, ферментные и т.д.

Где в клетке синтезируются белки и какие процессы включает в себя синтез?

В организме одновременно с синтезом белков непрерывно происходит и полное их разрушение в начале до аминокислот, а затем до оксида углерода (СО₂), аммиака, мочевины и воды.
Из реакции пластического обмена важнейшее значение имеет биосинтез белков. Способность синтезировать именно свои белки передается по наследству от клетки к клетке и сохраняется в течение всей жизни. Процесс синтеза белка включает в себя два этапа - транскрипцию и трансляцию.
Транскрипция - происходит путем синтеза на одной из цепей молекулы ДНК одноклеточной молекулы РНК, последовательность нуклеотидов, которой точно соответствует последовательности нуклеотидов матрицы (ДИК). Данный процесс происходит в ядре клетки. Следующий этап синтеза - трансляция - перевод информации, заключенной в последовательности нуклеотидов молекулы И- РНК в
последовательности аминокислот полипептидной цепи.

Какие интересные сведения о белках вы нашли в процессе самостоятельной работы с литературой?

Если изменение условий среды не приводит к разрушению первичной структуры молекулы, то при восстановлении нашли в процессе
самостоятельной работы с литературой?

нормальных условий среды воссоздается структура белка и его функциональная активность. Такой процесс носит название ренатурация. Это свойство белков полностью восстанавливать структуру используется в медицине и пищевой
промышленности для приготовления некоторых медицинских препаратов, например антибиотиков, вакцин, сывороток, ферментов для получения пищевых концентратов, сохраняющих длительное время в высушенном виде свои питательные свойства.

Задания

Ответы

Задание №1

Учитель предлагает учащимся провести качественные реакции на белки.

Учитель (или лаборант) раздает листы с
подробным описанием хода проведения качественных реакций на белки и заранее
подготовленные реактивы на каждую парту.

Вопрос: где на практике

можно использовать знания о механизме:

цветных реакций на белки;

осаждение белка солями тяжелых металлов.

Задание №2

Учитель предлагает учащимся в течение 3 минут просмотреть конспект и ответить на вопросы теста. На тест отводится 5-7 минут. Предлагается два варианта
теста. После чего учащиеся, сидящие за одной партой меняются тестами и проверяют друг друга. Ответы учитель может выписать на доске или проговорить устно.

Сколько различных аминокислот
формируют белковые молекулы:

15

25

20

64

Какие основные элементы входят в
состав молекулы белка:

C,H,O,N,Fe,P 3) C,H,O,N,P,Fe,S

C,H,O,N 4) C,H,O,Fe,P,S

S-Sсвязь или сульфидные мостики
формируют:

а/ первичную структуру белка;
б/ третичную структуру белка;
в/ вторичную структуру белка;

г/ четвертичную структуру белка

Растворимые в воде белки называются:
а/ глобулярные;

б/ фибриллярные.

Ферменты в организме выполняют:
а/ транспортную функцию;

б/ каталитическую функцию;

в/ строительную функцию.

6. Пептидная связь - это связь, формирующая:

а/ вторичную структур белка;
б/ первичную структуру белка;
в/ третичную структуру белка;

г/ четвертичную структуру белка

7. Антитела в организме выполняют:
а/ защитную функцию;

б/ строительную функцию;
в/ каталитическую функцию.

а) при помощи цветных реакций можно доказать наличие белков в продуктах
питания.

б) свойства белка связывать тяжелые металлы используется в медицине, например при отравлении принимают внутрь яичный белок.

20

C,H,O,N

третичную структуру белка

глобулярные

каталитическую функцию

первичную структуру белка

защитную функцию