Методическое руководство по виртуальному практикуму № 1 «Качественные реакции на биологические молекулы.

Виртуальный практикум «Качественные реакции на биологические молекулы» наиболее прост из всех созданных виртуальных практикумов, он предназначен для ознакомления школьников с основами классической экспериментальной базы биохимической науки. В самостоятельной части данного практикума от школьника не требуется самому проводить выбор метода исследования, а также подбирать условия постановки нужного ему способа экспериментального исследования. Самостоятельная работа школьника в этом практикуме ограничивается трактовкой результатов, полученных им в ходе виртуального эксперимента. Поэтому в том случае, если для каждого ученика в классе будет разработана индивидуальная траектория обучения, к работе с этим практикумом следует привлекать учащихся, не проявивших большой заинтересованности к курсу биохимии или же показавших самые посредственные результаты при тестированиях. Остальных учеников можно знакомить с данным практикумом в режиме демонстрации.

Занятие с использованием виртуального практикума может быть организовано как в конце изучения всего курса биохимии, так и в середине курса – сразу после прохождения материалов урока 5 «Строение белковых молекул». В первом случае необходимо дать указание учащимся, которые будут выполнять работу с данным виртуальным практикумом, перечитать материалы уроков 3, 4 и 5, описывающие качественные реакции на углеводы, ароматические аминокислоты, гемопротеиды и количественный метод определения концентрации белка с биуретовым реактивом (стр. 3 урока 3 и страницы 7 уроков 3, 4 и 5 в данном пособии).

В демонстрационную часть практикума включены четыре качественные и одна количественная биохимические реакции. Эти пять реакций включают в себя следующие:

• качественную реакцию на углеводы с α-нафтолом
• качественную реакцию на крахмал с йодом
• ксантопротеиновую качественную реакцию на ароматические аминокислоты
• определение белка биуретовым реактивом
• качественную реакцию на гемовые соединения с бензидином

В режиме демонстрации виртуальный практикум показывает учащимся, как выглядят в действительности те изменения окраски при постановке качественных реакций, о которых он читал в пособии.

В самостоятельную часть виртуального практикума включены три однотипные задачи – определение трех неизвестных веществ. Школьник должен поставить пять виртуальных реакций, входящих в данный раздел практикума, и по их результатам определить неизвестное вещество из предлагаемого списка: актин, гем, гемоглобин, желатин, иммуноглобулин, крахмал, сахароза.

Определяемыми веществами являются гемоглобин, желатин и иммуноглобулин. Какое именно вещество требуется определить в данной постановке – неизвестно, это задается случайно.

Первый возможный вариант определяемого вещества – иммуноглобулин. Иммуноглобулины – секреторные белки, они являются гликопротеинами, поэтому иммуноглобулин дает положительную качественную реакцию на углеводы (реакцию № 1). Поскольку иммуноглобулин – белок, то он, естественно, не дает положительной реакции с йодом, т. к. это реакция на крахмал (реакция № 2). Иммуноглобулины – крупные белки с полным набором аминокислот, поэтому они дают положительную реакцию на ароматические аминокислоты (реакция № 3). Как и любые белки, иммуноглобулины содержат пептидные связи, и поэтому дают реакцию с биуретовым реактивом (реакция № 4). Иммуноглобулин не содержит гема, поэтому он не дает положительной бензидиновой пробы (реакция № 5). Такое сочетание положительных и отрицательных реакций позволяет однозначно определить этот белок из списка предлагаемых возможных ответов.

Второй возможный вариант определяемого вещества – гемоглобин. Гемоглобин – внутриклеточный белок, он не содержит присоединенных углеводов, поэтому не вступает в реакцию с α-нафтолом (реакцию № 1). Он также не может дать положительной йод-крахмальной реакции (реакция № 2). Гемоглобин – крупный белок с полным набором аминокислот, поэтому он дает положительную реакцию на ароматические аминокислоты (реакция № 3). Как и любые белки, гемоглобин содержит пептидные связи, и поэтому дает реакцию с биуретовым реактивом (реакция № 4). Гемоглобин является гемопротеидом, поэтому он дает положительную бензидиновую пробу (реакция № 5). Такое сочетание положительных и отрицательных реакций позволяет однозначно определить этот белок из списка предлагаемых возможных ответов.

Третий возможный вариант определяемого вещества – желатин. Желатин не является гликопротеином и не вступает в реакцию с α-нафтолом (реакцию № 1). Реакция на крахмал с йодом также будет отрицательная (реакция № 2). Желатин содержит очень ограниченный набор аминокислот, в нем почти отсутствуют фенилаланин, тирозина и триптофан, поэтому он не дает положительной ксантопротеиновой реакции (реакция № 3). Желатин содержит пептидные связи, поэтому дает окраску с биуретовым реактивом (реакция № 4). Желатин не содержит гема и не может дать положительной бензидиновой пробы (реакция № 5). Такое сочетание положительных и отрицательных реакций позволяет однозначно определить этот белок из списка предлагаемых возможных ответов.

В самом начале урока целесообразно среди учащихся, которые будут работать с этим практикумом, провести опрос, проверяющий степень знакомства с материалом. Возможны следующие варианты вопросов:

• Почему большинство белков дают положительную ксантопротеиновую реакцию, а желатин – нет?
  Отвечая на этот вопрос, школьники должны знать, что в ксантопротеиновую реакцию вступают ароматические аминокислоты – фенилаланин, тирозин и триптофан. Они присутствуют в большинстве белков, имеющих достаточно большую молекулярную массу (хотя могут отсутствовать в мелких пептидах). Желатин почти не содержит перечисленные аминокислоты (о чем было сказано в материалах урока 4), поэтому он не дает окраски в этой пробе.
• Почему одни белки дают положительную реакцию с α-нафтолом, а другие – нет?
  Отвечая на этот вопрос, школьники должны знать, реакция с α-нафтолом служит для выявления углеводов. Некоторые белки являются гликопротеинами – они содержат ковалентно связанные углеводные остатки. Такие белки вступают в реакцию с α-нафтолом, а белки, не содержащие присоединенных углеводов – нет. Гликопротеинами обычно являются секреторные белки, и гораздо реже – внутриклеточные. Однако желатин, хотя и является продуктом гидролиза секреторного белка коллагена, практически не содержит углеводов.
• Почему одни белки дают положительную бензидиновую пробу, а другие – нет?
  Отвечая на этот вопрос, школьники должны знать, что бензидиновая проба служит для выявления гема. Некоторые белки являются гемопротеидами – они содержат присоединенную гемовую группу. Такие белки дают положительную бензидиновую пробу, а белки, не содержащие присоединенного гема – нет.

В процессе выполнения заданий самостоятельной части практикума можно порекомендовать учащимся записать на отдельном листе результаты выполнения виртуальных реакций – для облегчения последующего анализа полученных результатов.

В процессе работы на виртуальном практикуме у учащихся могут встретиться трудности при анализе результатов. Учителю следует всячески поощрять стремление школьников самостоятельно выполнить задание, нецелесообразно давать ученикам готовые решения выполняемых задач. Однако, учитель может, не раскрывая сразу же правильный ответ, помочь учащемуся с помощью наводящих вопросов.

Так, если ученику досталось задание виртуального практикума на определение иммуноглобулина, и он затрудняется в выборе ответа, то учитель может задать вопрос: «Какие из перечисленных соединений являются секретируемыми белками?» В случае если школьник правильно назовет иммуноглобулин и желатин, можно задать второй вопрос: «Содержит ли желатин углеводные остатки?» Если ученик неправильно ответит на один из этих двух вопросов, следует указать ему, что он невнимательно читал материалы урока 5. Если же он правильно ответил на оба наводящих вопроса, но все еще испытывает трудности с выбором правильного ответа, то можно задать последний вопрос: «Какой из двух секретируемых белков дает реакцию с α-нафтолом?».

Если ученику досталось задание виртуального практикума на определение желатина, и он затрудняется в выборе ответа, то учитель может задать вопрос: «Какое из перечисленных соединений является белком, не дающим ксантопротеиновой реакции?» В случае неправильного ответа ему необходимо напомнить разбор вопросов, проведенный в начале занятия.

Если ученику досталось задание виртуального практикума на определение гемоглобина, и он затрудняется в выборе ответа, то учитель может задать вопрос: «Какие из перечисленных соединений дают положительную бензидиновую пробу?» Если ученик неправильно ответит на этот вопрос, следует указать ему, что он невнимательно читал материалы урока 5. Если же он правильно ответил на наводящий вопрос, назвав гем и гемоглобин, но все еще испытывает трудности с выбором правильного ответа, то можно задать последний вопрос: «Какое из названных тобой соединений дает все реакции на белки?».

В конце занятия учителю целесообразно провести анализ выполнения задания каждым учащимся. Такой анализ сильно облегчается тем, что при неверном ответе на экране появляется надпись, поясняющая, результат какой именно поставленной реакции противоречит выбранному учеником ответу. Эти надписи исчерпывающе объясняют ошибки при трактовке полученных результатов, так что вмешательство учителя не требуется.

В комментирующих ошибки школьника надписях нет указаний, называющих правильный ответ конкретной задачи, они лишь указывают, почему неверен ответ, выбранный учеником. Учитель может или просто назвать правильный ответ на задание, или использовать дополнительные вопросы, приведенные выше.