Виртуальный практикум «Электрофорез белков» принадлежит к числу сложных заданий, требующих от школьника как применения полученных в курсе биохимии знаний, так и умение самостоятельно находить решения не ставившихся ранее задач (в режиме самостоятельной работы). Поэтому в том случае, если для каждого ученика в классе будет разработана индивидуальная траектория обучения, к работе с этим практикумом следует привлекать учащихся, наиболее успешно изучающих курс биохимии и проявляющих наибольший интерес к нему. Более слабых 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 7 «Методы разделения биологических молекул». В первом случае необходимо дать указание учащимся, которые будут выполнять работу с данным виртуальным практикумом, перечитать материалы урока 7, описывающие теоретические основы метода электрофореза, различные варианты постановки этого метода, их возможности и способы практического применения (стр. 3–6 в данном пособии).

В демонстрационную часть практикума включен показ трёх разновидностей метода электрофореза: электрофорез с додецилсульфатом натрия, позволяющий определить молекулярную массу белка пепсина; неденатурирующий электрофорез с определением ферментативной активности лактатдегидрогеназы, позволяющий увидеть изменения спектра изоформ этого фермента при заболевании инфарктом и гепатитом; двумерный электрофорез, позволяющий увидеть полный спектр белков вируса. В режиме демонстрации виртуальный практикум показывает учащимся, как выглядит в действительности лабораторная техника обработки образцов, проведения самого электрофореза в различных его вариантах, а также последующая окраска гелей и визуализация результатов опыта.

В самостоятельную часть виртуального практикума включены три задачи. В первой из них требуется определить молекулярную массу трипсина. Для решения этой задачи школьник должен выбрать метод электрофореза с додецилсульфатом натрия. Молекулярная масса трипсина составляет 23,8 килодальтон, при правильном выполнении задания полоса данного белка должна находиться выше полосы 5-го сверху стандарта (миоглобин – 17,2 кД) и ниже 4-го сверху (карбоангидраза – 29 кД). Во второй задаче требуется определить, какое заболевание можно предполагать у пациента по спектру изоферментов лактатдегидрогеназы в его сыворотке. Для решения этой задачи школьник должен выбрать метод неденатурирующего электрофореза с определением ферментативной активности. Правильным диагнозом является инфаркт миокарда – при правильном выполнении задания появляются пять полос, соответствующих изоформам лактатдегидрогеназы (номера изоформ соответствуют расположению полос сверху вниз), при этом заметно явное преобладание первой изоформы при большой интенсивности и первой, и второй изоформ. В третьей задаче требуется определить полный спектр белков, содержащихся в вирусной частице. Для решения этой задачи школьник должен выбрать метод двумерного электрофореза. При правильном выполнении задания появляются пятьдесят восемь пятен (проверять их количество не надо), каждое из которых соответствует одной полипептидной цепочке из состава вириона.

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 при использовании метода электрофореза с додецилсульфатом натрия белки разделяются строго по размеру молекул?
  Отвечая на этот вопрос, школьники должны знать, что при обычном электрофорезе в неденатурирующих условиях движение молекул белка в геле определяется двумя факторами: отношением заряда к массе белковой глобулы (заряд обеспечивает движение молекулы при воздействии электрического поля, а масса создает инерционность) и размером этой глобулы (от него зависит число столкновений с пространственной решеткой геля, замедляющих движение). Молекулы додецилсульфата натрия, имеющие отрицательный заряд, связываются с белковой глобулой в количестве, пропорциональном её размеру, и в результате отношение заряда к массе становится одинаковым для всех белковых молекул. Теперь единственным фактором, определяющим скорость движения в геле, остаётся размер белковой глобулы.
• Почему метод электрофореза с додецилсульфатом натрия, несмотря на высокую разрешающую способность, не применяется в тех случаях, когда требуется сохранение ферментативной активности?
  Отвечая на этот вопрос, школьники должны знать, что при обработке раствором додецилсульфата натрия происходит денатурация белка, сопровождающаяся утратой его биологической активности, в данном случае – ферментативной.
• Почему метод двумерного электрофореза обладает такой большой разрешающей способностью?
  Отвечая на этот вопрос, школьники должны знать, что в ходе двумерного электрофореза белки последовательно разделяются по двум различным свойствам. При разделении в первом направлении методом изоэлектрофокусировки главным параметром является изоэлектрическая точка белка, а при разделении во втором направлении методом электрофореза в додецилсульфата натрия – размер белковой молекулы. В результате двумерный электрофорез сочетает в себе все достоинства этих двух методик и обладает наибольшей разрешающей способностью.

В процессе выполнения заданий самостоятельной части практикума у учащихся могут на нескольких этапах встретиться трудности. Учителю следует всячески поощрять стремление школьников самостоятельно выполнить всё задание, нецелесообразно давать ученикам готовые инструкции по решению возникших проблем. Однако, учитель может, не раскрывая сразу же весь алгоритм решения, помочь учащемуся с помощью наводящих вопросов.

Так, если ученику досталось задание виртуального практикума на определение молекулярной массы белка трипсина, и он испытывает затруднения с выбором варианта метода электрофореза, который следует использовать для решения этого задания, то можно задать наводящий вопрос: «Какой из вариантов метода электрофореза делит белки строго по молекулярной массе?». В случае если школьник ответит, что таким методом является электрофорез в неденатурирующих условиях, то ему необходимо напомнить разбор вопросов, проведённый в начале занятия. В случае если школьник ответит, что таким методом является двумерный электрофорез, учитель должен указать, что двумерный электрофорез, действительно, обеспечивает разделение белков по молекулярной массе, однако, кроме того, он разделяет их и по изоэлектрической точке, чего в данной задаче совершенно не требуется. В итоге получится, что названный учеником метод позволит решить задачу чрезмерно сложным, дорогим и трудоёмким путём, что в реальной лабораторной практике неприемлемо. Если ученик правильно выбрал метод и правильно провёл виртуальный эксперимент, но испытывает трудности с трактовкой полученных результатов, то можно задать наводящий вопрос: «Какие белки при электрофорезе с додецилсульфатом натрия будут двигаться быстрее, а какие медленнее?», что поможет учащемуся правильно идентифицировать стандарты и определить молекулярную массу трипсина.

Если ученику досталось задание виртуального практикума на диагностику заболевания по изменению спектра изоформ фермента лактатдегидрогеназы, и он испытывает затруднения с выбором варианта метода электрофореза, который следует использовать для решения этого задания, то можно задать наводящий вопрос: «Какой из вариантов метода электрофореза позволяет сохранить биологическую активность ферментов?». В случае если школьник ответит, что таким методом является электрофорез с додецилсульфатом натрия, то ему необходимо напомнить разбор вопросов, проведённый в начале занятия. В случае если школьник ответит, что таким методом является двумерный электрофорез, ему необходимо напомнить, что при двумерном электрофорезе белки разделяются во втором направлении с использованием додецилсульфата натрия, и, следовательно, теряют свою активность. Если ученик правильно выбрал метод и правильно провёл виртуальный эксперимент, но испытывает трудности с трактовкой полученных результатов, то можно задать последовательно два наводящих вопроса: «В каком порядке изоформы лактатдегидрогеназы движутся при электрофорезе в неденатурирующих условиях?» и «При каком заболевании повышено содержание изоформ 1 и 2, причём изоформы 1 содержится больше, чем 2?», что поможет учащемуся правильно определить заболевание.

Если ученику досталось задание виртуального практикума на определение полного спектра белков, содержащихся в вирусной частице, и он испытывает затруднения с выбором варианта метода электрофореза, который следует использовать для решения этого задания, то можно задать наводящий вопрос: «Какой из вариантов метода электрофореза обладает наибольшей разрешающей способностью?». В случае если школьник ответит, что таким методом является электрофорез с додецилсульфатом натрия или электрофорез в неденатурирующих условиях, то ему необходимо напомнить разбор вопросов, проведённый в начале занятия.

В конце занятия учителю целесообразно провести анализ выполнения задания каждым учащимся. Такой анализ сильно облегчается тем, что при неправильном выборе метода, неправильном выполнении экспериментальных процедур, а также при неверной трактовке результатов на экране появляется надпись, поясняющая на каком этапе (или на каких этапах) была допущена ошибка. Эти надписи достаточно подробно комментируют ошибки при выполнении экспериментальных процедур (например, добавление раствора уксусной кислоты вместо раствора красителя), так что вмешательство учителя не требуется.

В комментирующих ошибки школьника надписях нет указаний, называющих правильный метод выполнения конкретной задачи, они лишь указывают, что ученик выбрал неверный метод. Учитель может или просто назвать правильный вариант методики, или использовать дополнительные вопросы, приведённые выше. Точно так же обстоит дело с комментариями, касающимися неверной трактовки результатов.