Виртуальный практикум «Хроматография» принадлежит к числу заданий средней сложности, 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, показавших определённые успехи в изучении курса биохимии и проявляющих некоторый 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 хроматографии, различные варианты постановки этого метода и их возможности (стр. 1–4 в данном пособии), стр. 7 урока 6, описывающую превращение проинсулина в инсулин, стр. 7 урока 5, описывающую поглощение белков в ультрафиолете, и стр. 2 урока 3, описывающую различие в свойствах гликозилированного и нормального гемоглобина.

В демонстрационную часть практикума включен показ трёх разновидностей метода хроматографии: тонкослойной адсорбционной хроматографии, позволяющей определить в биологическом образце наличие кофеина; гель-проникающей хроматографии, позволяющей частично очистить иммуноглобулин G из сыворотки крови; ионообменной хроматографии, позволяющей очистить препарат интерферона. В режиме демонстрации виртуальный практикум показывает учащимся, как выглядит в действительности лабораторная техника проведения различных вариантов хроматографического метода, а также последующий анализ результатов опыта.

В самостоятельную часть виртуального практикума включены три задачи. В первой из них требуется проверить, является ли исследуемый алкалоид стрихнином. Для решения этой задачи школьник должен выбрать метод тонкослойной адсорбционной хроматографии. Длина пробега исследуемого вещества составляет около 75 % от расстояния продвижения фронта растворителя, тогда как длина пробега стандарта стрихнина – 65 %, что однозначно указывает на то, что исследуемое вещество не является стрихнином. Во второй задаче требуется очистить препарат инсулина от примеси проинсулина. Для решения этой задачи школьник должен выбрать метод гель-проникающей хроматографии. Проинсулин, имеющий большую молекулярную массу, чем инсулин, выйдет с колонки раньше. В третьей задаче требуется отделить гликозилированный гемоглобин от нормального. Для решения этой задачи школьник должен выбрать метод ионообменной хроматографии. Гликозилированный гемоглобин имеет меньший заряд, чем обычный, и отделяется от катионообменника при меньшей концентрации соли.

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

• Какой вариант постановки хроматографии чаще используют для анализа небольших количеств веществ?

  Отвечая на этот вопрос, школьники должны знать, что для нанесения на тонкослойную хроматографическую пластинку обычно требуется гораздо меньше материала, чем для нанесения на колонку, поэтому тонкослойная хроматография здесь используется чаще, чем колоночная.

• В каком порядке будут элюироваться с колонки для гель-проникающей хроматографии вещества различной молекулярной массы?

  Отвечая на этот вопрос, школьники должны знать, что вещества с большой молекулярной массой, не входящие в поры сорбента для гель-проникающей хроматографии, почти не будут задерживаться в колонке и выйдут первыми. Молекулы с меньшей молекулярной массой будут задерживаться в колонке, диффундируя внутрь гранул. Чем меньше молекулярный вес белка, тем позже он выйдет с колонки.

• Необходимо разделить смесь двух белков на колонке с катионообменником. У обоих белков положительный суммарный заряд, но разная величина этого заряда. Для элюции какого белка нужна большая концентрация соли: с большим зарядом или с меньшим?

  Отвечая на этот вопрос, школьники должны знать, что ионы, содержащиеся в растворах солей, вытесняют белки с ионообменника. Чем прочнее связан белок, тем большая концентрация соли потребуется для его элюции. Прочность связывания белка с ионообменником определяется количеством зарядов на белке. Значит, чем больше общий положительный заряд на белке, тем сильнее он свяжется с катионобменником, тем большая концентрация соли потребуется для его элюции.

• Существуют специальные анализаторы, которые измеряют поглощение ультрафиолетового света прямо в токе жидкости, стекающей с колонки, и отображают его с помощью самописца. При какой длине волны нужно измерять поглощение, чтобы изучать элюцию белков?

  Отвечая на этот вопрос, школьники должны знать, что содержащиеся в белках ароматические аминокислоты поглощают ультрафиолет с длиной волны 280 нм.

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 исследование микроскопических количеств неизвестного алкалоида, и он испытывает затруднения с выбором варианта метода хроматографии, то можно напомнить ему первый вопрос из предлагавшихся на опросе. Если ученик правильно выбрал метод и правильно провёл виртуальный эксперимент, но испытывает трудности с трактовкой полученных результатов, то можно задать наводящий вопрос: «Совпадает ли длина пробега пятна исследуемого вещества с таковой стандартного раствора стрихнина?», что поможет учащемуся правильно ответить на поставленный в задании вопрос.

Если ученику досталось задание виртуального практикума на очистку препарата инсулина от примеси проинсулина, и он испытывает затруднения с выбором варианта метода хроматографии, то можно задать наводящий вопрос: «Увеличивается или уменьшается молекулярная масса полипептида при образовании зрелого гормона из предшественника в результате ограниченного протеолиза?» После ответа на этот вопрос следует спросить школьника: «Какой вариант хроматографического метода применяется для разделения белков по размеру?» В случае, если школьник ответит, что таким методом является адсорбционная или ионообменная хроматография, то ему необходимо напомнить материал урока 8. Если ученик правильно выбрал метод, но затрудняется с выбором длины волны для регистрации элюируемых белков, ему необходимо напомнить вопрос 4 из опроса, проведённого в начале занятия. Если ученик правильно выбрал метод и правильно провёл виртуальный эксперимент, но испытывает трудности с трактовкой полученных результатов, то ему необходимо напомнить вопрос 2 из опроса, проведённого в начале занятия.

Если ученику досталось задание виртуального практикума на отделение гликозилированного гемоглобина от нормального, и он испытывает затруднения с выбором варианта метода хроматографии, то можно задать наводящий вопрос: «Изменяется ли общий заряд молекулы гемоглобина после неферментативного присоединения глюкозы, и если изменяется, то как?» В случае, если школьник ответит, что заряд не изменяется или растёт, то ему необходимо напомнить материал урока 3. В случае правильного ответа можно задать ещё один наводящий вопрос: «Какой вариант хроматографического метода применяется для разделения белков по заряду?» В случае, если школьник ответит, что таким методом является адсорбционная или гель-проникающая хроматография, то ему необходимо напомнить материал урока 8. Если ученик правильно выбрал метод, но затрудняется с выбором длины волны для регистрации элюируемых белков, ему необходимо напомнить вопрос 4 из опроса, проведённого в начале занятия. Если ученик правильно выбрал метод и правильно провёл виртуальный эксперимент, но испытывает трудности с трактовкой полученных результатов, то ему необходимо напомнить вопрос 3 из опроса, проведённого 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, выбор неправильной длины волны при измерении поглощения), 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.