Небольшое значение модуля упругости Е позволяет судить об эластичности мышечной ткани, содержащей до 80% белка в сухом остатке (обезвоженная мышечная ткань). Об эластичности и мягкости белкового тела говорит также значение предела прочности на растяжение или временного сопротивления в. Для сухожилий связок Е = 1000-1500 МПа, в = 50-70 МПа, для костей Е = 23 000 МПа, в = 100-120 МПа. (У многих металлов Е имеет порядок 103-104 МПа, а в - порядок 103.) Материалы с такими характеристиками позволили создать человеческое тело легким, прочным, гибким. Механические конструкции живых организмов обладают максимальной надежностью при минимальном расходе материала.
Белковая ткань имеет незначительное удельное электрическое сопротивление, а, следовательно, большую электропроводность. Эта особенность широко используется в природе живыми организмами. Например, некоторые рыбы благодаря электрорецепторам реагируют на электрические поля напряженностью всего 0,1 мкВ/см, что позволяет им эффективно охотиться.
Большое значение величины удельной теплоемкости и теплопроводности необходимо живому организму для эффективного отвода избытка энергии из организма за счет теплообмена с окружающей средой. Меньшее значение этих величин привело бы к повышению температуры тела. Проблема переохлаждения решается еще проще. У животных, обитающих в холодном климате, существует дополнительный жировой слой с низким значением теплопроводности. При смене температуры животное избавляется от жирового запаса, т.е. происходит саморегулирование теплового обмена с окружающей средой.
Учитель предлагает учащимся самостоятельно сформулировать вывод о значении параметра «удельная теплота сгорания» и записать его в тетрадь.
Химические свойства белков
Учитель химии. Химические свойства белков определяются строением и характером радикалов. Именно радикалы обеспечивают исключительное разнообразие химических реакций белков и оказывают существенное влияние на их функциональную активность.
Ученик (сообщение). Одним из общих свойств белков является гидролиз. Гидролиз происходит при нагревании белков с растворами кислот или щелочей или при действии ферментов. Конечный продукт гидролиза - аминокислоты. Так, полный гидролиз одного трипептида приводит к образованию трех аминокислот. (Демонстрируется схема гидролиза, рис. 8.)
Рис. 8. Схема гидролиза трипептида
Гидролиз белков сводится к расщеплению полипептидных связей. Таким же образом происходит и переваривание белков. Во время пищеварения белковые молекулы гидролизуются до аминокислот. Аминокислоты хорошо растворимы в водной среде, они проникают в кровь и поступают во все ткани и клетки организма.
Здесь большая часть аминокислот расходуется на синтез белков различных органов и тканей, в том числе гормонов, ферментов и других биологически важных веществ, а остальная часть - на энергию.
Учитель химии. Белки, как и другие вещества, можно узнать с помощью качественных реакций.
Учащиеся проводят лабораторные опыты - цветные качественные реакции на полипептиды.
Опыт 3. Биуретовая реакция
К 2-3 мл раствора белка в пробирке добавьте 2-3 мл 10%-го раствора гидроксида натрия. К полученной смеси прилейте 2-3 мл раствора сульфата меди(II). Пробирку встряхните и наблюдайте изменение цвета.
Опыт 4. Ксантопротеиновая реакция
В пробирку налейте 2 мл раствора белка и добавьте по каплям 0,5 мл концентрированного раствора азотной кислоты. Осторожно нагревайте пробирку и наблюдайте изменение цвета.
Опыт 5. Обнаружение белка в мясном бульоне
Поместите в пробирку кусочек мяса и залейте его водой. Нагрейте пробирку до температуры кипения воды и 2-3 мин кипятите содержимое (тем самым получите бульон).
Отфильтруйте бульон через марлю с помощью воронки в другую пробирку. Определите наличие белка в бульоне с помощью биуретовой и ксантопротеиновой реакций. Сделайте вывод.
Опыт 6. Обнаружение натуральной шерсти
Подожгите шерстяную нить. Сделайте вывод о признаках горения.
Ученик (сообщение). Из биологии известно, что многие белки имеют спиральную вторичную структуру. Другой пример вторичной структуры - в виде гармошки (-структура, рис. 9).
Рис. 9. Вторичная структура белка в виде гармошки
Структуру поддерживает сила взаимодействия между карбонильным кислородом (С=О) и атомом водорода при азоте - водородная связь. Водородная связь противостоит тепловому движению звеньев, стремящемуся разорвать эту структуру.
Учитель химии. Что же происходит при повышении температуры? Из курса физики 10-го класса мы знаем, что температура - величина, характеризующая интенсивность движения атомов. Температура прямо пропорциональна среднеквадратичной скорости атомов и среднекинетической энергии (Е = m2/2 = 3/2kT). Поэтому повышение температуры (увеличение внутренней энергии движения) вызывает увеличение амплитуды колебаний атомов звеньев структуры. Следовательно, увеличивается расстояние между атомами, связываемыми водородной связью. При больших амплитудах колебаний водородная связь разрушается, при этом увеличивается нагрузка на соседние связи спиральной структуры, и в конечном итоге структура белка быстро распадается (рис. 10).
Рис. 10. Разрушение вторичной структуры белка при нагревании
Молекула после разрушения связей тоже «расползается», она больше не может противостоять хаосу теплового движения. Вступает в действие механизм внутренней подвижности - повороты звеньев вокруг валентных связей цепи. Макромолекула приобретает новую конфигурацию (она сворачивается в клубок - как бы плавится). Изменяя температуру в обратном направлении, т. е. понижая степень хаоса, можно вновь получить макромолекулу исходной структуры.
Однако при дальнейшем повышении температуры возникает угроза разрыва связи С-С в первичной структуре, т.к. расстояние между атомами С составляет 0,153 нм, а это значительно больше, чем длины связей С=О и С-N - 0,124 и 0,132 нм соответственно (см. рис. 9). При достижении некоторой критической температуры связь С-С разрывается. Происходит разрушение макромолекулы. Самопроизвольное восстановление цепи макромолекулы на этом этапе уже невозможно.
Учитель предлагает учащимся вопросы для письменного ответа в тетрадях.
Вопросы по свойствам белков
1. Что означает термин «удельная теплота сгорания»? Что означает запись «q = 5650 ккал/кг»?
2. Какая структура белка разрушается при гидролизе?
3. Почему невозможен самопроизвольный процесс восстановления связи С-С при понижении температуры после денатурации?
4. Известно, что для взрослого человека необходимо 1,5 г белка на 1 кг массы тела в день. Зная массу своего тела, определите суточную норму потребления белка для своего организма.
5. Почему при отравлении людей солями металлов (Нg, Сu, Pb) используют молоко?
Учитель химии. Сегодня мы говорим о том же, о чем говорили ученые в конце XIX в. Они связывали белок с живыми организмами, считали, что свойства живого организма во многом зависят от свойств белка. Живой организм находится постоянно под воздействием внешних факторов, способных вызвать денатурацию белка. Как влияют на белок соли тяжелых металлов, вы уже видели на примере биуретовой реакции.
Запомните: как можно меньше контакта с солями, содержащими ионы Pb2+, Сu2+, Нg2+ и др. Мы должны приложить все силы к тому, чтобы оставить чистыми почвы и воды нашим потомкам. Не менее губительное действие на живой организм оказывают и органические вещества, например этанол. Проведите опыт 7. Выводы о вреде алкоголя необходимо не только записать, но и запомнить на всю жизнь.
Опыт 7. Действие этилового спирта на белок
К раствору белка прилейте спирт. Полученную смесь растворите в растворе гидроксида натрия. Проведите биуретовую реакцию, как в опыте 3. Сделайте вывод.
Учитель физики. Есть еще один фактор риска, хотя и невидимый, но от этого не менее опасный. В настоящее время много говорится о радиоактивности как особом типе загрязнения окружающей среды. Поэтому каждый человек должен иметь грамотное представление о сущности физических процессов, от которых зависит его жизнь.
Радиоактивность - процесс самопроизвольного превращения неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающийся испусканием частиц и лучей.
Радиоактивные вещества испускают лучи трех типов, которые Э.Резерфорд назвал -, - и -лучами (рис. 11). Испускание -лучей обнаружил А.Беккерель. Позже было доказано, что -лучи представляют собой поток быстро движущихся электронов. Два года спустя француз Поль Витяр установил, что -лучи подобны рентгеновским Х-лучам и обладают большой проникающей способностью. В январе 1899 г. Резерфорд идентифицировал -лучи, оказавшиеся ионизированными атомами гелия.
Все перечисленные виды радиации (корпускулярная и волновая) в конце концов поглощаются биологическими системами с одинаковыми последствиями. Электронные оболочки атомов в структуре вещества деформируются, и атомы ионизируются, т.е. происходит изменение их электрического заряда. В итоге биологическое повреждение производят не только сами - и -частицы, но и быстро движущиеся электроны, выбитые из атомов. Действие -лучей аналогично, т.к. они несут в себе большую энергию, попадание которой внутрь биологического объекта приводит к значительному возбуждению электронных оболочек и ионизации атомов.
Рис. 11. Виды радиоактивных излучений
Помимо этого, проникающая способность -лучей в сотни и тысячи раз выше, чем у - и -лучей. Другими словами, «по силе разрушения», по плотности выделения энергии на единицу проходимого лучами расстояния все перечисленные виды радиации сильно отличаются друг от друга. Так, тяжелые -частицы создают зону чрезвычайно высокой плотности ионизации, легкие же частицы и -лучи создают зону низкой плотности ионизации. Тем не менее эти характеристики относительны, т.к. возможны различные типы биологических повреждений.
Ученик (сообщение). Выделяют два типа биологических повреждений, вызываемых радиацией. Первый тип - «пулеобразный». В этом случае вторичные электроны разрушают молекулярные связи непосредственно в структуре белка, где они были выбиты. -частица также разрывает связи первичной структуры. Такое воздействие, протекающее очень быстро, вызывает «ядерный загар» (кожа становится коричневой) или «ядерное бешенство» (возникает сильное возбуждение - ложный сверхтонус). Второй тип повреждений - косвенный. В этом случае ущерб биологической структуре наносят реактивные частицы, которые образовались вдали от этой структуры, но приблизились к ней в результате блужданий. При таком типе поражения действие тяжелых частиц менее опасно, т. к. они создают область ионизации небольших размеров. А легкие частицы, создавая небольшую концентрацию свободных ион-радикалов, более опасны. Чем меньше концентрация ион-радикалов, тем меньше вероятность их рекомбинации, а это означает увеличение расстояния их прохождения.
Учитель физики. При одинаковой поглощенной энергии или дозе излучения -частицы в 10-30 раз более опасны по биологическому воздействию, чем - и -лучи или рентгеновское излучение. Международным комитетом по радиоактивной защите -излучающие радионуклиды (уран, радий, торий) признаны наиболее токсичными из всех радиоактивных элементов.
А теперь ответьте на вопросы.
Вопросы по разделу «Белок и окружающая среда»
1. Какое действие на организм оказывают на молекулярном уровне все виды радиации?
2. Установлено, что при достаточной калорийности пищи, но при отсутствии в ней белка у животных наблюдаются патологические явления: останавливается рост, изменяется состав крови и т.д. С чем это связано?
3. Какие характеристики живого вы связали бы со свойствами белков?
Учитель химии. Вот и подошел к концу урок. На нем мы попытались объединить разрозненные знания химии, физики и биологии о белках, рассмотрели строение и свойства белков, научились отличать их от других веществ, узнали о воздействии на белок внешних факторов. Вам были предложены вопросы, на которые вы ответили в ходе урока. Всем спасибо! [69, 70]
3.2 Задачи по теме «Белки. Нуклеиновые кислоты»Задача 1. Серповидная анемия возникает на почве замены одного аминокислотного остатка - глутаминовой кислоты - на остаток валина в -полипептидной цепи молекулы гемоглобина. Фрагмент цепи нормального гемоглобина: -глу-глу-лиз-. Фрагмент цепи аномального гемоглобина: -вал-глу-лиз- (глу-глутаминовая кислота; лиз-лизин; вал-валин). Изобразите эти фрагменты при помощи химических формул.
Решение.
Фрагмент цепи аномального гемоглобина
.
Фрагмент цепи нормального гемоглобина.
Задача 2. В полипептидной цепи фиброина шелка повторяются фрагменты типа: -ала-гли-ала-гли. Напишите химическую формулу такого фрагмента, где ала-аланин, гли-глицин.
Решение.
СН3 СН3
| |
...-NH-CH-CO-NH-CH2-CO-NH-CH-CO-NH-CH2-CO-...
Задача 3. При изучении желатина в качестве его модели используют синтетический полипептид полиглицин. Составьте реакцию поликонденсации глицина и приведите структурную форму полиглицина.
Решение.
NH2-CH2-COOH + H2N-CH2-COOH + H2N-CH2-COOH +...
nH2O + H2N-CH2-CO-NH-CH2-CO-NH-CH2-CO-...(-NH-CH2-СО-)n
Задача 4. Почему происходит уменьшение веса мяса и рыбы после их тепловой обработки?
Решение. Во время тепловой обработки происходит денатурация белков мяса или рыбы. Белки становятся практически не растворимыми в воде и отдают значительную часть содержащейся в них воды, при этом масса мяса, например, уменьшается на 20-40 %.
Задача 5. О чем свидетельствует образование «хлопьев» во время варки мяса?
Решение. Если мясо погрузить в холодную воду и нагревать, то растворимые белки из наружных слоев мяса переходят в воду в количестве до 0,2 % от массы мяса. Во время варки происходит их денатурация, при этом образуются хлопья (пена, всплывающая на поверхность).
Задача 6. Установите структуру нуклеотида, имеющего молекулярную формулу C10H14N5O8P.
Решение. Общая формула нуклеотидов:
где X -- Н (для дезоксирибонуклеотидов) или --ОН (для рибонуклеотидов), Y -- азотистое основание. Согласно молекулярной формуле нуклеотида, в состав основания Y входят пять атомов азота, пять атомов углерода (другие пять атомов углерода входят в состав остатка углевода -- рибозы или дезоксирибозы) и один или два атома кислорода. Единственное азотистое основание, удовлетворяющее этим требованиям, -- гуанин:
Поскольку в состав нуклеотида входят 8 атомов кислорода, а в состав остатков фосфорной кислоты и основания -- пять (четыре из кислоты и один из основания), то остаток углевода должен содержать три атома кислорода, т. е. X = ОН; углевод -- рибоза. Искомый нуклеотид построен из остатков рибозы, гуанина и фосфорной кислоты. Его структурная формула:
Ответ. Нуклеотид построен из остатков рибозы, гуанина и фосфорной кислоты.
Задача 7. Напишите формулы протеиногенных аминокислот, имеющих в растворе кислую реакцию. Благодаря чему они имеют кислую природу?
Решение:
В белках имеются две аминокислоты, имеющие кислую природу - это аспарагиновая (аминоянтарная) и глутаминовая (аминоглутановая) кислоты:
Они являются моноаминодикарбоновыми, содержащие одну аминную и две карбоксильные группы, благодаря чему они и являются кислыми.
Задача 8. Напишите формулы протеиногенных аминокислот, имеющих в растворе щелочную реакцию. Ответ обоснуйте.
Решение:
В растворе щелочную реакцию дают лизин и оритнин, т.к. в них содержатся две аминные группы
Задача 9. В одном из белков содержится 0,32% серы. Какова его относительная молекулярная масса, если предположить, что в молекуле содержится только один атом серы?
Решение: Молекулярная масса вещества будет во столько раз больше атомной массы серы, во сколько 100% больше 0,32%:
, отсюда
Следовательно, относительная молекулярная масса белка 10000.
Задача 10. Какую роль играет АТФ в живом организме?
Решение: АТФ в организме находится в свободном виде и выполняет энергетическую функцию. При распаде АТФ, т.е. при отщеплении последнего остатка фосфорной кислоты выделяется огромное количество энергии 8000 кал, происходит превращение химической энергии в тепловую.
Задача 11. Напишите формулы протеиногеных ароматических аминокислот, имеющих в своем составе гетероциклическое кольцо.
Решение: Некоторые белки содержат ароматические аминокислоты. Таковыми являются фенилаланин и тирозин.
Задача 12. Напишите формулы протеиногенных аминокислот, содержащих серу.
Решение: Серосодержащих аминокислот в белках несколько: цистеин, метионин, цистин.
Задача 13. В составе мононуклеотидов встречаются две пентозы: D-рибоза и D-дезоксирибоза. Напишите формулы.
Решение:
H O \ // C | H - C - OH | H C OH | H C OH | CH2OH | H O \ // C | H - C - H | H C OH | H C OH | CH2OH | |
D-рибоза | D-дезоксирибоза |
Задача 14. Какие низкомолекулярные НК вы знаете?
Решение: Наряду с высокомолекулярными НК-ми, типа ДНК, в организме имеются низкомолекулярные НК. Таковыми являются транспортная РНК (т-РНК), информационная РНК (и-РНК), рибосомальная РНК (р-РНК).
Задача 15. Из каких азотистых оснований состоят НК? Напишите соответствующие формулы.
Решение: Существует две разновидности НК: РНК и ДНК. В состав и тех и других входят и пуриновые пиримидиновые основания. К пуриновым относятся -
Аденин гуанин
К
пиримидиновым -
уроцил, цитозин тимин
Задача 16. Какие функции выполняют НК в живом организме?
Решение: НК обеспечивают хранение и передачу наследственной информации, принимает непосредственное участие в синтезе белка и образовании генетического материала.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
