Главная   Онлайн учебники   База репетиторов России   Товары для школы   Подготовка к ЕГЭ онлайн

Методическое руководство по использованию ИИСС

При использовании виртуального практикума "Биохимия" в педагогической практике перед учителем в первую очередь стоит задача внимательно ознакомиться со всеми материалами, содержащимися в курсе. Необходимо проверить соответствие уже пройденного учащимися материала с указанным в методическим руководстве необходимым уровнем знаний школьников, в случае наличия некоторых несоответствий целесообразно сперва дать ученикам весь нужный для усвоения курса "Биохимия" минимум сведений.

На первых тринадцати уроках учащиеся знакомятся с содержанием соответствующего иллюстрированного параграфа. Наилучшим способом организации урока были бы занятия в компьютерном классе, однако возможно использование распечатанного текста иллюстрированных параграфов пособия. В последнем случае все равно желательно наличие хотя бы одного компьютера с проектором, на котором учитель смог бы демонстрировать содержащиеся в курсе анимации. В начале каждого урока необходимо проведение тестирования по усвоению учащимися материала предыдущего урока. В случае большого количества неправильных ответов на некоторые тесты целесообразно разобрать эти вопросы и объяснить школьникам их ошибки.

Урок 1

Цели и задачи урока:

  • показать учащимся взаимосвязь структуры молекулы воды с выполняемыми ею функциями;
  • разъяснить значение различных неорганических ионов для жизнедеятельности организма;
  • дать представление о мембранном потенциале на поверхности клеток и о его изменениях при возбуждении клетки;
  • познакомить с явлениями диффузии и осмоса.

Урок начинается с рассмотрения особенностей строения молекул воды, определяющих ее уникальные для биологических процессов свойства. На экране при этом демонстрируется схема, иллюстрирующуя химические и физические функции воды. Для оживления урока можно задать ученикам вопрос, какова приблизительно молярная концентрация воды в воде. Школьники должны вспомнить, что 1 литр воды весит около 1000 г, молекулярная масса воды составляет 18 дальтон, следовательно, искомая концентрация составит 1000 / 18 ≈ 55,56 М, что значительно выше, чем у любого другого соединения в клетке и организме. Подробно рассматривается роль водородных связей, для чего можно продемонстрировать рис. 1.1 из пособия. Необходимо познакомить учащихся с понятиями гидрофильности и гидрофобности, указат. н. различие при взаимодействии гидрофильных и гидрофобных веществ с водой, в процессе объяснения можно показать рис. 1.2 из пособия.

Для оживления урока можно провести с учениками беседу на тему: почему одни вещества растворяются в воде, а другие нет. Ошибочные суждения учеников лучше опровергать контрпримерами, а не простым указанием правильного решения. Так, если школьник выскажет предположение, что маленькие молекулы хорошо растворяются в воде, а большие – плохо, можно возразить, что углеводороды бензина, имея небольшие молекулы, тем не менее, нерастворимы в воде, зато сверхдлинная молекула ДНК прекрасно растворима. Эта часть урока может занять около 20 минут.

Следующая часть урока посвящена элементному составу организма. Для оживления урока перед показом Таблицы 1 можно провести с учениками беседу на тему: какой элемент содержится в наибольшем количестве в организме человека. Учащиеся должны использовать только что полученные знания, о том, что до 70 % веса тела составляет вода. Материал урока поможет остановиться на значении каждого из элементов, входящих в состав организма, вкратце обрисовать его функции и перечислить биохимические и физиологические процессы, в которых он участвует. Надо указать на большие различия в содержании различных элементов, что связано с различиями выполняемых ими функций. Так, углерод входит в состав всех органических соединений и занимает по количеству второе место после кислорода, тогда как кобальт входит только в состав коферментов, получаемых из витамина В12, а йод содержится лишь в гормонах щитовидной железы – тироксине и трийодтиронине. Эта часть урока может занять около 20 минут.

Потом нужно рассмотреть значение небольших неорганических ионов, входящих в состав живого организма, указать на различие концентраций этих ионов внутри клетки и снаружи. Следует продемонстрировать учащимся таблицу 2 из пособия. На примере мембранного потенциала наружных мембран эукариотических клеток можно показать, что сама разница в концентрации ионов может иметь функциональное значение. Школьникам следует разъяснить, что главную роль в создании этого потенциала играет различие концентраций ионов К+ снаружи и внутри клетки, проницаемость мембраны для этих ионов и её непроницаемость для крупных анионов биологических макромолекул А. При наличии этих условий электрический потенциал можно создать на искусственной модели с использованием целлофановой мембраны, как это изображено на рис. 1.3. Важно рассказать учащимся о роли ионов Na+ в процессе возбуждения нервных и мышечных клеток и создании потенциала действия, в процессе объяснения нужно показать им рис. 1.4. Необходимо объяснить школьникам, что простые биохимические процессы открытия и закрытия ионных каналов лежат в основе явления возбудимости нейрона, которое, в свою очередь, является материальной подоплёкой всех феноменов, связанных с высшей нервной деятельностью человека, включая сознание и мышление.

Для оживления урока можно провести с учениками беседу на тему: как изменится возбудимость клетки, если мембрану сделать более проницаемой для ионов Cl. Лучше не говорить им сразу готовое решение проблемы, а напомнить, что ионов хлора снаружи клетки гораздо больше, чем внутри. Ученики должны сами догадаться, что эти ионы будут входить внутрь клетки. Затем следует обратить их внимание, что хлорид-ионы заряжены отрицательно, следовательно, их вход в клетку будет увеличивать отрицательный мембранный потенциал и затруднять возбуждение клетки. Можно сказать учащимся, что успокаивающие лекарственные препараты аминалон, гаммалон и глицин как раз и действуют на нервные клетки именно таким образом, уменьшая излишнюю возбудимость нервной системы.

Нужно отметить роль фермента Na++-АТФазы в восстановлении неравенства концентраций ионов Na+ и К+. Эта часть урока может занять около 25 минут.

Наконец, следует рассказать учащимся о водородном показателе и различии его значений в разных органеллах.

Для оживления урока можно провести с учениками беседу на тему: чему равен рН у 10–8 М раствора HCl. Ошибочные решения учеников лучше опровергать контрпримерами, а не простым указанием правильного решения. Так, если школьник выскажет предположение, что рН = 8, то следует спросить у него, а чему тогда будет равен рН у 10–9 М, 10–10 М и т. д. растворов, и не кажется ли ученику странным, что разводя кислоту водой, мы получаем всё более и более крепкую щёлочь. Можно напомнить ученикам о диссоциации самой воды и о 10–7 М содержании иона Н+ в чистой воде.

Необходимо рассказать учащимся о буферных растворах и механизмах создания буферного эффекта. Наконец, следует познакомить школьников с явлениями диффузии и осмоса. В процессе ознакомления учащимся демонстрируется анимация «Диффузия и осмос». Эта часть урока может занять около 15 минут.

Последние 10 минут целесообразно посвятить ответу на вопросы учеников и объяснению материала, оказавшегося наиболее трудным для восприятия.

Проводя этот урок, учитель должен обратить особое внимание учеников на то, как химическая структура молекулы воды определяет её способность выполнять биологические функции. Нужно также отметить на примере возбуждения нервных и мышечных клеток, что сложные физиологические феномены сводятся к совокупности химических процессов – в данном случае открыванию и закрыванию ионных каналов. Следует напомнить школьникам уже пройденный ими на уроках химии и биологии материал, касающийся химических свойств воды, понятия кислотности и рН, механизмов диффузии, а также физиологической роли различных неорганических ионов.

Урок 2

Цели и задачи урока:

  • показать учащимся взаимосвязь структуры молекул липидов с выполняемыми ими функциями;
  • разъяснить биологическое значение липидного бислоя как структурной основы всех клеточных мембран;
  • дать представление о физиологическом действии таких регуляторных молекул как стероиды и простагландины;
  • познакомить с транспортом различных липидов в организме человека и с современными представлениями о механизмах развития атеросклероза.

В начале урока проводится 10-минутное компьютеризованное тестирование на усвоение школьниками материалов урока № 1. В случае, если какой-либо из вопросов вызвал затруднения у большинства учащихся, учитель проводит разъяснения правильного ответа. Продолжительность тестирования с разъяснениями – около 15 минут.

На этом уроке рассматриваются различные классы липидов, рассказывается об их функциях. Надо подробно остановиться на фосфолипидах, продемонстрировать структуру молекулы фосфатидилхолина, изображённую на рис. 2.1. Следует рассказать о различных жирных кислотах, входящих в состав фосфолипидов с демонстрацией формул пальмитиновой и олеиновой кислот с рис. 2.2, при этом обратить внимание учащихся на преобладание цис-изомеров ненасыщенных жирных кислот в природных липидах и на токсичность искусственно получаемых транс-изомеров. Эта часть урока может занять около 10 минут.

Затем надо рассказать о структурах, которые фосфолипиды могут образовывать в водной среде, в процессе объяснения следует показать ученикам рис. 2.3. Нужно обратить внимание учащихся на связь строения молекул фосфолипидов, имеющих гидрофильную головку и два гидрофобных хвоста, со свойствами липидного бислоя, служащего основой всех клеточных мембран.

Для оживления урока можно провести с учениками беседу на тему: почему молекулы мыла образуют в водной среде мицеллы, а молекулы фосфолипидов – бислой. Ошибочные суждения учеников лучше опровергать контрпримерами, а не простым указанием правильного решения. Так, если школьник выскажет предположение, что у мыла слишком простая молекула, чтобы образовать бислой, можно возразить ему, что фосфолипиды, лишённые одной жирной кислоты (т. н. лизофосфолипиды) также склонны образовывать мицеллы, а не бислои. Можно обратить внимание учащихся на то, что у фосфолипидов площадь поперечного сечения гидрофильной области (двух хвостов) примерно равна площади их гидрофильной головки, так что всю молекулу можно рассматривать как «цилиндр» или «параллелепипед». У мыла и лизофосфолипидов хвост всего один, его площадь меньше, чем у головки, и их молекулу можно представить как «булаву». Много цилиндров легко расположить на плоскости, а много булав лучше укладываются в шарообразную структуру. Следует рассказать учащимся о проницаемости и непроницаемости липидного бислоя для разных классов веществ.

Для оживления урока можно провести с учениками беседу на тему: для чего можно использовать в медицине липосомы – искусственные пузырьки, окружённые липидным бислоем. Школьники могут высказать много разных предложений, их можно обсудить с разных точек зрения. В современной медицине липосомы служат для избирательной доставки различных водорастворимых веществ к нужным клеткам. Эти вещества заключают внутрь липосом, они не смешиваются с кровью или межклеточной жидкостью, а при сливании липосом с наружной мембраной клетки-мишени попадают сразу внутрь. Так можно доставлять вещества, не проникающие через наружную мембрану клетки, или токсичные лекарства (например, противораковые антибиотики), попадание которых в кровь вредно для организма, или же легко разрушаемые ферментами плазмы крови соединения. На основе липосом созданы косметические кремы, обеспечивающие доставку питательных веществ и витаминов к клеткам кожи.

Эта часть урока может занять около 20 минут.

Потом нужно рассказать о нейтральных жирах, показать связь структуры их молекулы, содержащей больше гидрофобных «хвостов», с отсутствием способности организовываться в бислой. В процессе объяснения надо показать ученикам рис. 2.4 из пособия. Эта часть урока может занять около 5 минут.

Затем следует рассмотреть холестерин и стероиды, строение их молекул, значение в гуморальной регуляции физиологических функций. В процессе объяснения надо показать ученикам рис. 2.5 из пособия. Нужно обратить внимание школьников на то, что небольшие гидрофобные молекулы стероидных гормонов легко проникают через липидный бислой, благодаря чему рецепторы к этим гормонам можно расположить внутри клетки. Следует разъяснить учащимся последовательность событий, развивающихся при воздействии стероидного гормона на клетку: диффузия через мембрану – связывание с рецептором – переход рецептора в ядро – регуляция активности генов. В процессе объяснения надо показать ученикам рис. 2.6.

Для оживления урока можно провести с учениками беседу на тему: какова скорость развития физиологического ответа на стероидные гормоны и его длительность. В процессе беседы можно указать школьникам на многоэтапность развития ответа на эти гормоны, включающую перемещение рецептора в ядро, изменение активности генов, последующий транспорт РНК к рибосомам, синтез белка с РНК этих генов-мишеней. В результате ответ на стероидные гормоны развивается медленно – в течение часов. Однако этот физиологический ответ и сохраняется очень долго, ведь образовавшиеся изменения белкового спектра не скоро вернутся к норме после прекращения действия гормона. Физиологический ответ на стероидные гормоны длится сутками, а в некоторых случаях (влияние на дифференцировку клеток) – ещё дольше.

Эта часть урока может занять около 20 минут.

Потом нужно рассказать о таких регуляторах физиологических функций как простагландины, указать на их отличие от классических гормонов, состоящее в том, что они синтезируются не специализированными железами внутренней секреции, а разными органами и тканями, и действуют в основном локально. В процессе объяснения надо показать ученикам рис. 2.7. Эта часть урока может занять около 5 минут.

Наконец, следует рассмотреть всасывание липидов в кишечнике и их транспорт в организме человека. Нужно пояснить ученикам сходство и различие: хиломикронов, образующихся в клетках тонкого кишечника и служащих для транспорта всасываемых в кишечнике липидов; ЛПОНП, образующихся в клетках печени и служащих для транспорта липидов, синтезируемых этой «биохимической фабрикой», к различным органам и тканям; и ЛПНП, образующихся из ЛПОНП после усвоения нейтральных жиров и служащих для доставки холестерина. Надо рассказать о нормальном транспорте холестерина с помощью ЛПНП и о нарушении этого процесса при развитии атеросклероза. В процессе объяснения надо показать ученикам рис. 2.8.

Для оживления урока можно провести с учениками беседу на тему: почему у людей с наследственными дефектами рецепторов ЛПНП атеросклероз развивается уже в детском возрасте. В процессе беседы можно указать школьникам на два момента, приводящих к ускорению развития заболевания. Во-первых, при дефектах в рецепторах ЛПНП ухудшается поглощение холестерина разными органами в составе организма, поэтому его концентрация в крови растёт, а значит, больше холестерина будет поглощаться макрофагами стенок кровеносных сосудов, в результате чего и образуются склеротические бляшки. Во-вторых, у самих макрофагов при дефектах рецептора ЛПНП большая часть липопротеинов будет поглощаться через другие рецепторы (рецепторы-мусорщики), вызывая набухание макрофага и его последующую гибель с освобождением кристаллов холестерина.

Эта часть урока может занять около 15 минут.

Учитель должен обратить особое внимание учеников на то, как амфифильная химическая природа фосфолипидов позволяет им выполнять биологическую функцию основы клеточных мембранных структур, как гидрофобная природа стероидных гормонов связана с механизмом их действия на клетку. Следует также указать учащимся на достижения современной биохимии, позволившие выяснить механизм развития одной из главных «болезней цивилизации» – атеросклероза. Если школьники уже прошли в рамках обычной программы по биологии строение клеточных мембран, то можно сопоставить уже пройденный материал с новым, более глубоким уровнем изложения в  «Биохимии». Возможно также сопоставление материала ИИСС с полученными на уроках химии знаниями о химических свойствах насыщенных и ненасыщенных жирных кислот, а также нейтральных жиров.

Урок 3

Цели и задачи урока:

  • показать учащимся взаимосвязь структуры молекул углеводов с выполняемыми ими функциями;
  • познакомить их со структурой и функциями важнейших моно- и полисахаридов;
  • дать представление о поверхностных гликолипидах, определяющих группы крови человека;
  • рассказать о методологии научного открытия на примере открытия пенициллина.

В начале урока проводится 10-минутное компьютеризованное тестирование на усвоение школьниками материалов второго урока. В случае, если какой-либо из вопросов вызвал затруднения у большинства учащихся, учитель проводит разъяснения правильного ответа. Продолжительность тестирования с разъяснениями – около 15 минут.

На этом уроке рассматриваются различные классы углеводов, рассказывается об их функциях. Надо подробно остановиться на глюкозе, рассказать о нескольких взаимопревращающихся изомерах глюкозы, объяснению поможет рис. 3.1. Следует особо подчеркнуть важность глюкозы как источника энергоснабжения головного мозга. Нужно объяснить учащимся химическую подоплёку развития многих симптомов сахарного диабета – реакцию свободной альдегидной группы линейной формы глюкозы с аминогруппами белков. Необходимо рассказать школьникам про качественные реакции на глюкозу, объяснить, почему в них могут вступать и другие сахара (но не все). Лучше познакомить учеников с кетосахарами на примере фруктозы, а также с наиболее распространёнными дисахаридами, – сахарозой, мальтозой и глюкозой – обратив внимание на то, какие из них дают реакцию серебряного зеркала, а какие нет, и почему. В процессе объяснения надо показать ученикам рис. 3.2, 3.3, 3.4 и 3.5.

Для оживления урока можно провести с учениками беседу на тему: как изготовить шоколадные конфеты с жидкой начинкой? Целесообразно сразу дать школьникам подсказку: смесь глюкозы и фруктозы растворяется в воде значительно лучше, чем сахароза. Иногда предлагаемые учениками версии бывают довольно забавны – например, закачивать жидкую начинку в каждую из миллионов конфет маленьким шприцем, или заклеивать шоколадную крышечку специальным клеем. Правильное решение проблемы состоит в том, что в пасту, включающую сахарозу и немного воды, добавляют фермент инвертазу, которая расщепляет сахарозу, после чего тут же покрывают ещё твёрдую пасту расплавленным шоколадом; шоколад быстро застывает, а через некоторое время инвертаза расщепит сахарозу до глюкозы и фруктозы, которые растворятся в том небольшом количестве воды, которое содержала паста.

Эта часть урока может занять около 25 минут.

Следующая часть урока посвящена полисахаридам, особенностям их строения и взаимосвязи строения с выполняемой функцией. Важно, что полисахариды, выполняющие структурную функцию, обычно состоят из моносахаридов в β-форме, а выполняющие функцию запасных питательных веществ – в α-форме. Нужно сравнить структуру и свойства целлюлозы и крахмала – двух полимеров, состоящих из остатков глюкозы, рассмотреть их особенности, рассказать о качественной реакции крахмала с йодом. Рассказать о сходстве двух полисахаридов из разных царств живого мира – крахмала и гликогена. В процессе объяснения надо показать ученикам рис. 3.6, 3.7 и 3.8 из пособия. Кроме целлюлозы, следует привести и другие примеры полисахаридов, выполняющих структурную функцию – хитина и гиалуроновой кислоты, в процессе объяснения надо показать ученикам рис. 3.9 и 3.10 из пособия. Эта часть урока может занять около 15 минут.

Потом нужно рассказать учащимся о соединениях углеводов с другими биологическими молекулами: о гликопротеинах, протеогликанах и гликолипидах. Рассмотреть углеводную оболочку, окружающую животные клетки – гликокаликс, её химический состав и функции поможет рис. 3.11. Большая часть урока посвящена основным свойствам различных групп крови, особенностям переливания крови от донора с одной группой рецепиенту с другой, химической структуре антигенов групп крови. Следует обратить внимание школьников на то, что небольшие вариации в химической структуре поверхностных гликолипидов определяют наличие или отсутствие антител к ним в плазме крови, а это, в свою очередь, определяет возможность или невозможность переливания крови той или иной группы. В процессе объяснения надо показать ученикам рис. 3.12 и 3.13.

Для оживления урока можно провести с учениками беседу на тему: почему при переливании большого количества крови первой группы людям с другими группами крови всё-таки возникает агглютинация. Ошибочные суждения учеников лучше опровергать контрпримерами, а не простым указанием правильного решения. Так, если школьники выскажут предположение, что первая группа обладает какими-то особыми свойствами, делающими невозможным переливание её в больших количествах, можно возразить, что переливание крови первой группы пациенту с той же группой можно проводить в любых количествах. Можно также указать, что переливание большого количества крови второй или третьей группы людям с четвёртой группой также ведёт к агглютинации. Следует напомнить учащимся, что в сыворотке крови людей с первой группой крови содержатся антитела к антигенам, содержащимся на поверхности эритроцитов других групп крови. Когда количество переливаемой крови невелико, концентрация этих антител невелика, поэтому они не могут вызвать склеивание эритроцитов, но если перелить большое количество крови, то агглютинация произойдёт.

Эта часть урока может занять около 25 минут.

Наконец, следует познакомить учащихся со структурой и функциями муреина – компонента защитной клеточной стенки бактерий. Нужно обратить внимание учеников, что молекула муреина состоит из двух химически различающихся полимеров – полисахаридных цепочек, сшитых полипептидными «скрепами», что придаёт его структуре особую прочность, в процессе объяснения надо показать ученикам рис. 3.14.

Заинтересует учащихся история открытия первого антибиотика, – пенициллина, –Александром Флемингом. Нужно подчеркнуть, что Флеминг не стал игнорировать, казалось бы, не касающееся его основной работы наблюдение, что пеницилловая плесень угнетает рост стафилококков, а постарался выяснить причины этого феномена. Он сумел смоделировать сложную биологическую систему (взаимодействие клеток гриба с бактериальными клетками) с помощью более простой химической. Флеминг рассмотрел взаимодействием среды, в которой культивировался гриб, с клетками стафилококка. Последующее разделение компонентов среды и химический анализ активного действующего вещества позволило открыть пенициллин.

Эта часть урока может занять около 10 минут.

Учитель должен обратить особое внимание учеников на то, как химическая структура различных углеводов позволяет им выполнять разные биологические функции, на связь химических свойств глюкозы с развитием симптомов сахарного диабета. Если школьники уже прошли в рамках школьного курса биологии строение клеточных стенок у растений и бактерий, а также физиологическое значение гомеостаза глюкозы, то можно сопоставить уже пройденный материал с новым, более глубоким уровнем изложения в курсе «Биохимия». Возможно проведение сопоставления материала курса с полученными на уроках химии знаниями о химических свойствах моно- и полисахаридов. Следует также указать учащимся на методологию научного открытия на примере открытия пенициллина.

Урок 4

Цели и задачи урока:

  • дать учащимся представление о различных функциях белков;
  • познакомить со строением и химическими свойствами аминокислот;
  • показать взаимосвязь многообразия химического строения мономеров-аминокислот с многообразием биологических функций, выполняемых полимерами-белками.

В начале урока проводится 10-минутное компьютеризованное тестирование на усвоение школьниками материалов урока № 3. В случае, если какой-либо из вопросов вызвал затруднения у большинства учащихся, учитель проводит разъяснения правильного ответа. Продолжительность тестирования с разъяснениями – около 15 минут.

На этом уроке следует рассматриваются различные функции белка в клетке и в организме. Ученики знакомятся с примерами выполнения белками структурной функции на уровне организма (коллаген, эластин, кератин) и клетки (белки различных систем цитоскелета). Нужно разъяснить учащимся сходства и различия трёх систем цитоскелета – микротрубочек, микрофиламентов и промежуточных филаментов, рассказать о белках, составляющих основу этих систем (тубулине, актине и кератине). В процессе объяснения следует показать ученикам рис. 4.1 и 4.2. Эта часть урока может занять около 10 минут.

Затем нужно рассказать школьникам о каталитической функции белков, перечислить их преимущества по сравнению с обычными катализаторами (специфичность, высокая эффективность и регулируемость). После этого надо привести ученикам примеры выполнения белками двигательной функции: мышечное сокращение, амёбоидное движение и вращение эукариотического жгутика, в процессе объяснения помогут преподавателю рис. 4.3 и 4.4 из пособия. Необходимо пояснить роль белков актина и миозина в первых двух процессах и белка динеина в третьем. Эта часть урока может занять около 10 минут.

Потом следует остановиться на такой функции белков как транспортная, указать несколько примеров белков, которые её выполняют (гемоглобин, трансферрин и др.). Далее рассмотреть энергетическую функцию, подчеркнув при этом, что в организме человека белки используются для энергетических нужд в последнюю очередь – после жиров и углеводов в связи с их ценностью. Затем необходимо рассмотреть защитную функцию белков, отметив, что у разных организмов защитные системы могут вступать в противоборство: антитела, вырабатываемые в организме человека, связываются с клетками патогенных микробов и вызывают их разрушение, а токсины, выделяемые микробами, вызывают нарушения физиологических процессов в организме человека. Наконец, следует разъяснить такие функции белков как рецепторная и регуляторная, при этом можно напомнить ученикам про рецепторы стероидных гормонов, изучавшиеся на 2-м уроке, а также белковые гормоны, знакомые им из учебников по физиологии человека (инсулин, гормон роста и др.). Эта часть урока может занять около 10 минут.

Затем следует перейти к рассмотрению α-аминокислот – мономеров, из которых состоят белковые молекулы. В процессе объяснения следует показать учащимся рис. 4.5 из пособия. Нужно рассказать школьникам о кислотных и основных свойствах аминокислоты диссоциации их аминогруппы и карбоксильной группы. Следует указать учащимся на многообразие химических свойств бокового радикала аминокислот.

Для оживления урока можно провести с учениками беседу на тему: почему углеводы и липиды выполняют в организме сравнительно мало функций, а белки – много? Нужно обратить внимание учащихся на то, что химические свойства боковых радикалов аминокислот исключительно разнообразны: среди них встречаются и кислые, и щелочные, и гидрофобные, а также способные к образованию водородных связей. Это дает возможность белкам, во-первых, специфически связываться с самыми различными молекулами, а во-вторых, катализировать широкий круг разнообразных реакций. В то же время моносахариды (мономеры углеводов) имеют весьма однообразное химическое строение, а липиды вообще не являются полимерами, их молекулы слишком малы, чтобы выполнять, например, каталитическую функцию.

Затем необходимо познакомить учащихся с классификацией аминокислот на полярные, неполярные, кислые и щелочные, более детально разобрать химические особенности их боковых радикалов.

Для оживления урока можно предложить ученикам сравнить силу четырёх различных оснований: имидазольной группы гистидина, аммиака, ε-аминогруппы лизина и гуанидиновой группы аргинина. Ошибочные суждения учеников лучше опровергать контрпримерами, а не простым указанием правильного решения. Так, если школьники выскажут предположение, что имидазольная группа гистидина является сильным основанием, то можно напомнить им про очень слабые щелочные свойства пиридина, а ведь в обоих случаях атом азота, присоединяющий ионы Н+, находится в составе ароматического кольца, поэтому гистидин будет слабейшим из перечисленных оснований. Если они предположат, что аммиак – более сильное основание, чем лизин, то следует напомнить им про щелочные свойства первичных аминов, которые присоединяют ион Н+ лучше аммиака, поскольку электронные облака алкильного радикала отталкивают электроны атома азота, что усиливает его основные свойства. Если школьники решат, что лизин как основание сильнее, чем аргинин, то следует обратить их внимание на то, что в гуанидиновой группе аргинина азот вступает в двойную связь с углеродом, а электронные облака π-орбиталей в двойных связях гораздо легче смещаются к более электроотрицательному атому, чем в одинарных. В связи с этим электронная плотность сильно смещена к атому азота, делая его более «отрицательным» и усиливая его способность связывать ион Н+ – аргинин является самым сильным основанием из этого списка.

Эта часть урока может занять около 30 минут.

Потом нужно познакомить школьников с качественными реакциями на аминокислоты: нингидриновой, ксантопротеиновой и реакции с плюмбитом, разобрать специфичность каждой реакции. Эта часть урока может занять около 5 минут.

Наконец, следует рассмотреть оптическую изомерию аминокислот, указать на сходство химических свойств D- и L-изомеров, на избирательность включения в белки L-аминокислот. В процессе объяснения следует показать ученикам рис. 4.6 из пособия.

Для оживления урока можно провести с учащимися беседу на тему: как с помощью исследования оптических изомеров аминокислот, содержащихся в белках зубов человека, оценить его возраст. Целесообразно сразу дать школьникам подсказку: белки зуба почти не обновляются после появления постоянных зубов ещё в детском возрасте. Следует объяснить учащимся, что может протекать неферментативная химическая реакция превращения L-аминокислот в D-аминокислоты. Она протекает крайне медленно и совершенно не влияет на метаболизм обновляющихся белков и тем более аминокислот. Однако в необновляющихся белках (таких как белки зуба) с возрастом медленно накапливаются D-аминокислоты – так, L-аспарагиновая кислота превращается в D-аспарагиновую со скоростью 0,1 % в год. Оценив содержание D-аминокислот в зубе старика, мы можем с определённой степенью точности установить его возраст. Так были развеяны некоторые легенды о долгожителях, якобы проживших 150 и более лет.

Эта часть урока может занять около 10 минут.

Учитель должен обратить особое внимание учеников на многообразие выполняемых белками биологических функций и связать этот факт с разнообразием химического строения аминокислот, следует также сопоставить белки с липидами и углеводами, обладающими сравнительно однообразным строением и относительно немногочисленными функциями. Если школьники уже прошли в рамках обычной программы по биологии функции белков, то можно сопоставить уже пройденный материал с новым, более глубоким уровнем изложения в курсе «Биохимия». Возможно также сопоставление материала уроков курса с полученными на уроках химии знаниями о кислотно-основных свойствах аминокислот, алифатических и ароматических аминов.

Урок 5

Цели и задачи урока:

  • дать учащимся представление о различных уровнях пространственной организации белковой молекулы – её первичной, вторичной, третичной и четвертичной структуре;
  • познакомить учеников с явлением самосборки сложных белковых комплексов и с белками-помощниками – шаперонами;
  • разъяснить школьникам современные представления о развитии нейродегенеративных заболеваний;
  • рассказать им о методах измерения концентрации белка.

В начале урока проводится 10-минутное компьютеризованное тестирование на усвоение школьниками материалов урока № 4. В случае, если какой-либо из вопросов вызвал затруднения у большинства учащихся, учитель проводит разъяснения правильного ответа. Продолжительность тестирования с разъяснениями – около 15 минут.

На этом уроке рассматривается пептидная связь, соединяющая аминокислоты в полипептидах, и первичная структура белка, в процессе объяснения следует показать ученикам рис. 5.1. Необходимо рассказать школьникам о различных видах вторичной структуры белка – об α-спирали иβ-структуре, объяснить, какие именно водородные связи формируют этот уровень укладки белковой глобулы, проиллюстрировать различие между этими двумя видами вторичной структуры на примере различия физических свойств шерстяных и шёлковых нитей, помогут учителю рис. 5.2 и 5.3. Эта часть урока может занять около 15 минут.

Затем следует познакомить учащихся с третичной и четвертичной структурой белка, рассказать о доменах, входящих в состав третичной структуры, ввест. пнятие конформации белковой глобулы, в процессе объяснения следует показать ученикам рис. 5.4 из пособия.

Для оживления урока можно провести с учениками беседу на тему: как должна выглядеть конформация очень упругого белка. Можно напомнить школьникам про белок эластин, изученный на 4-м уроке, а также рассказать им про белок резилин, обеспечивающий уникальные прыжковые способности блох: резилин содержится в суставах прыгательных ног блохи, перед прыжком блоха с помощью мышц сгибает сустав, запираемый на специальную хитиновую защёлку, а при прыжке она спускает защёлку, и вся энергия растянутого резилина распрямляет ногу. Можно привести данные, что если бы человек мог прыгать как блоха, он допрыгнул бы до крыши небоскрёба высотой 200 м; можно сравнить эластичные материалы природы и техники: резилин сохраняет 97 % сообщённой ему энергии растяжения, эластин – 92 %, а лучшие сорта резины – только 80 %. Если учащиеся выдвинут версию, что упругий белок должен содержать много α-спиралей, можно привести им в качестве контрпримера только что изученный ими кератин, обладающий весьма умеренной упругостью. На самом деле и эластин, и резилин имеют похожую структуру: они состоят из свободных полипептидных цепей, сшитых ковалентно в определённых узлах, образуя упругую пространственную сетку. У этих белков нет четко выраженной определённой конформации: при растяжении они плавно переходят ко всё более вытянутому состоянию, запасая приложенную энергию.

Потом необходимо разъяснить ученикам, какие именно химические связи стабилизируют третичную и четвертичную структуру белка, рассказать школьникам о явлении денатурации белка и о её причинах.

Для оживления урока можно провести с учениками беседу на тему: каковы биохимические основы химической завивки волос. Нужно напомнит учащимся, что волосы состоят в основном из белка кератина, третичная структура которого стабилизируется -S-S- связями, поэтому для того, чтобы изменить укладку волос (т. е. конформацию составляющих их кератиновых молекул), нужно обработать волосы веществами, восстанавливающими эти дисульфидные мостики, и денатурирующими агентами. В качестве восстановителей часто используются сульфид или тиогликолевая кислота, а в качестве денатураторов – мочевина или даже нашатырный спирт. После того, как исходная конформация белка разрушена, волосам придают новую форму и закрепляют её, образуя дисульфидные мостики в новом месте, Для этого достаточно смыть с волос раствор восстановителя, и кислород воздуха сам окислит SH-группы цистеина, но можно и ускорит поцесс окислителем Н2О2.

Необходимо прояснить учащимся определяющую роль первичной структуры при формировании вторичной, третичной и четвертичной структур. Эта часть урока может занять около 20 минут.

После этого надо рассказать школьникам о явлении самосборки, отметив его ключевую роль в образовании правильной четвертичной структуры большинства белков. В процессе объяснения следует показать ученикам рис. 5.5. Тут же следует отметить, что некоторые сложные белковые комплексы, состоящие из множества субъединиц, нуждаются для своей сборки в белковых помощниках – шаперонах, надо разъяснить и другую роль шаперонов в жизнедеятельности клетки – возвращение природной конформации частично денатурированным белкам, в процессе объяснения следует показать ученикам рис. 5.6.

Для оживления урока можно провести с учениками беседу на тему: почему делеция одного белка-шаперона приводит у разных линий дрозофилы к разным фенотипическим проявлениям – у мух одной линии возникают одни уродства, у мух другой линии – другие и т. п. Можно сразу же дать подсказку, что в разных линиях могут происходить мутации в разных белках. Эти мутации могли бы привести к нарушению их укладки, однако шаперон преодолевал последствия этих мутаций, всё-таки сворачивая правильно мутантный белок. Когда делеция убрала шаперон из клеток, эти скрытые мутации смогли проявиться. Поскольку у мух разных линий были различные скрытые мутации, то и уродства получились разными. Можно добавить, что после этих экспериментов обрела новую популярность эволюционная теория «нейтрализма», предполагающая важную роль накопления не проявляющихся мутаций в эволюции.

Эта часть урока может занять около 20 минут.

Затем следует рассмотреть уникальные биологические объекты – прионы, являющиеся возбудителями медленных нейродегенеративных инфекций (синдрома Якоба–Крейтцфельда, «бешенства коров» и др.). Необходимо подчеркнуть, что пионы являются исключениями из правила, согласно которому первичная структура белка определяет всю его последующую укладку. Надо рассказать школьникам, что пиионы могут существовать в двух конформациях – природной и патогенной, причём белок в патогенной конформации каким-то образом вызывает превращение других прионов с нормальной конформацией в патогенные белки; патогенный белок откладывается в клетках и межклеточном веществе в виде нерастворимых нитей. В процессе объяснения следует показать ученикам рис. 5.7 и 5.8. Нужно объяснить учащимся, что отложение нерастворимых белковых конгломератов в мозге является причиной и многих других медленно развивающихся заболеваний, в том числе и неинфекционных – таких, как болезнь Альцгеймера. Эта часть урока может занять около 15 минут.

Наконец, следует рассказать школьникам о методах количественного определения белка – биуретовой реакции, окраске красителем кумасси ярко-синим и поглощении ультрафиолета с λ = 280 нм, объяснить их химические основы. Эта часть урока может занять около 5 минут.

Учитель должен обратить особое внимание учеников на связь различных структу белков (первичной, вторичной, третичной и четвертичной) с многообразием выполняемых ими функций. Следует также указать учащимся на достижения современной биохимии, позволившие выяснить механизм развития так называемых медленных инфекций – «бешенства коров» и др. Если школьники уже прошли в рамках обычной программы по биологии различные виды структуры белков, то можно сопоставить уже пройденный материал с новым, более глубоким уровнем изложения в курсе «Биохимия».

Урок 6

Цели и задачи урока:

  • дать учащимся представление об особенностях ферментов как биологических катализаторов;
  • пояснить механизм их действия на примере активного центра α-химотрипсина;
  • дать понятие об основах ферментативной кинетики и о различных классах ингибиторов ферментов;
  • познакомить учащихся с основными способами регуляции активности ферментов.

В начале урока проводится 10-минутное компьютеризованное тестирование на усвоение школьниками материалов урока № 5. В случае, если какой-либо из вопросов вызвал затруднения у большинства учащихся, учитель проводит разъяснения правильного ответа. Продолжительность тестирования с разъяснениями – около 15 минут.

На этом уроке рассматриваются особенности ферментов как биологических катализаторов – высокая скорост. д.йствия, высокая специфичность, способность к денатурации и регулируемость (у некоторых ферментов). Надо рассказать школьникам о широком применении ферментов в медицине и различных областях промышленности. В этой же части урока учащиеся знакомятся с понятием активного центра фермента, субстрат-связывающего и каталитического участков, разобрать с ними теорию специфичности ферментов «ключ-замок». Упростит объяснение рис. 6.1 из пособия, а также анимация «Ферментативный катализ». Примеры использования ферментов в медицине и промышленности заинтересуют школьников и подчеркнут практическую значимость биохимии в современном мире. Эта часть урока может занять около 15 минут.

Затем надо дать школьникам представление о химических механизмах действия ферментов на примере α-химотрипсина. Необходимо указать, что аминокислотные остатки, находящиеся в непосредственной близости в активном центре третичной структуры фермента, расположены довольно далеко друг от друга в его первичной структуре. Важно остановиться на роли переноса иона Н+ между аминокислотными остатками серина и гистидина и NH-группой субстрата, подобный перенос иона происходит в активных центрах многих протеаз. Важно также обратить внимание на временное образование ковалентной связи субстрата с ферментом, при котором образуется ацил-фермент, подобные соединения встречаются у различных ферментов. В процессе объяснения следует показать ученикам рис. 6.3.

Для оживления урока можно провести с учениками беседу на тему: какие аминокислотные остатки могут входить в каталитический участок активного центра фермента пепсина? Ошибочные суждения учеников лучше опровергать контрпримерами, а не простым указанием правильного решения. Так, если школьники выскажут предположение, что в активном центре этого фермента могут находиться щелочные аминокислоты, то нужно напомнить школьникам, что пепсин работает в весьма кислой среде (рН до 1), а также обратить их внимание на то, чт. д.я работы протеаз типа химотрипсина необходим перенос иона Н+ между аминокислотными остатками и субстратом. В столь кислой среде щелочные аминокислоты будут находиться в полностью протонированной форме и не смогут отдавать свой ион Н+. Принимать и отдавать протон при таких низких рН могут лишь кислые аминокислоты – в действительности в активном центре пепсина содержатся два остатка аспарагиновой кислоты.

Эта часть урока может занять около 15 минут.

Потом надо познакомить учащихся с основами ферментативной кинетики, разобрать уравнение Михаелиса–Ментен, объяснить им химический смысл максимальной скорости Vmax как скорости работы фермента в условиях полного насыщения субстратом и смысл константы Михаелиса Kм как характеристики сродства фермента к субстрату. В процессе объяснения следует показать ученикам рис. 6.4. Часть урока рекомендуется посвятить различным классам ингибиторов ферментов: обратимых, включающих конкурентные и неконкурентные, и необратимых. Нужно проиллюстрировать значение ингибиторов ферментов в медицине, рассказать о механизме действия пенициллина как необратимого ингибитора синтеза муреина и сульфаниламидных препаратов как конкурентных ингибиторов синтеза фолиевой кислоты; следует упомянуть и о боевых нервно-паралитических ОВ как необратимых ингибиторах ацетилхолинэстеразы. В процессе объяснения следует показать ученикам анимацию «Ингибирование ферментативных реакций». Эта часть урока может занять около 20 минут.

Наконец, необходимо дать учащимся представление об основных способах регуляции активности ферментов – аллостерии, кооперативности и ковалентной модификации. Нужно рассказать школьникам об аллостерической активации и ингибировании ферментов, напомнить им только что пройденный материал по неконкурентным ингибиторам, рассмотреть понятие аллостерического центра, подчеркнуть значение изменения конформации всего белка при связывании аллостерического регулятора. Нужно остановиться на использовании аллостерического ингибирования для регуляции метаболических путей по принципу отрицательной обратной связи. В процессе объяснения следует показать ученикам рис. 6.6. Затем рассматривается кооперативность как способ регуляции активности. Важно подчеркнуть сходство механизма кооперативности с механизмом аллостерии (изменения конформации всей молекулы белка при связывании субстрата одной субъединицей). Примером служит физиологическое значение положительной кооперативности связывания кислорода гемоглобином, иллюстрируемый рис. 6.7. Потом нужно рассмотреть примеры ограниченного протеолиза как одного из вариантов ковалентной модификации ферментов, указать его важност. д.я процессов свёртывания крови, активации пищеварительных ферментов и предшественников гормонов. После этого надо остановиться на фосфорилировании как другом варианте ковалентной модификации. Интересен механизм активации адреналином освобождения глюкозы из клеток печени: каскад ферментативных реакций, запускаемых связыванием гормона с рецептором. Здесь важно подчеркнуть роль ферментов-протеинкиназ и фосфорилирования белков-мишеней для работы каскада, в помощь учителю – рис. 6.8 и 6.9. Необходимо особо подчеркнуть, что в разных органах и тканях цАМФ выполняет различные функции, в качестве примера можно указать, что в дыхательных путях он вызывает расслабление гладкой мускулатуры бронхов.

Для оживления урока можно провести с учениками беседу на тему: придумать какой-нибудь метод лечения бронхиальной астмы, если известно, что при бронхиальной астме происходит резкое сужение просвета бронхов, которое может привести к удушью и смерти. Школьники могут высказать много разных предложений, их можно обсудить с разных точек зрения. В современной медицине имеется две группы лекарств от астмы, воздействующих на систему синтеза и распада цАМФ. Во-первых, это вещества, похожие на адреналин, но действующие дольше и сильнее: они связываются с его рецепторами и активируют их, повышая уровень цАМФ в клетках бронхов и быстро расслабляя их; сюда относятся распространенные аэрозоли (такие как альбутерол и сальмететрол). Во-вторых, это ингибиторы фермента, расщепляющего цАМФ – фосфодиэстеразы; они медленно повышают уровень цАМФ в клетках бронхов, зат. д.йствуют долго; сюда относится теофиллин.

Эта часть урока может занять около 20 минут.

В конце урока учащиеся знакомятся с ролью тирозинового фосфорилирования в активации деления клетки. Важно указать на нарушения нормального протекания этого процесса при перерождении нормальной клетки в раковую и продемонстрировать практическое применение достижений в фундаментальной биохимии в медицине на примере создания противоопухолевых лекарств – ингибиторов тирозиновых протеинкиназ. Эта часть урока может занять около 5 минут.

Учитель должен обратить особое внимание учеников на связь особых свойств ферментов по сравнению с обычными катализаторами со строением их молекул, а также на биохимические механизмы физиологического действия гормонов, лекарств и ядов. Следует указать учащимся на достижения современной биохимии, позволившие пролить свет на механизм развития злокачественных опухолей в результате нарушения регуляции активности ферментов, запускающих клеточное деление. Необходимо проиллюстрировать практическую значимость биохимических исследований созданием новых противоопухолевых препаратов. Нужно также обратить внимание на применение достижений фундаментальной биохимии в области биотехнологии.

Урок 7

Цели и задачи урока:

  • показать учащимся взаимосвязь структуры молекул нуклеиновых кислот с выполняемыми ими функциями;
  • разъяснить им строение молекул ДНК и их роль как носителя наследственной информации;
  • показать сходство и различие молекул ДНК и РНК;
  • познакомить учеников с различными видами РНК и выполняемыми ими функциями.

В начале урока проводится 10-минутное компьютеризованное тестирование на усвоение школьниками материалов шестого урока. В случае, если какой-либо из вопросов вызвал затруднения у большинства учащихся, учитель проводит разъяснения правильного ответа. Продолжительность тестирования с разъяснениями – около 15 минут.

На этом уроке рассматривается строение нуклеиновых кислот. Нужно обратить внимание учеников на химическую сложность мономеров-нуклеотидов, из которых состоят эти биологические полимеры, провести сравнение структуры и функций молекул ДНК и РНК. Поможет в сравнении Таблица 1.

Для оживления урока можно провести с учениками беседу на тему: как была доказана роль ДНК как носителя наследственной информации. Следует рассказать учащимся об экспериментах, проведённых в 1928 г. Ф. Гриффитом. У Гриффита было два штамма пневмококков: патогенный, вызывавший гибель экспериментальных мышей, и мутантный безвредный штамм. Гриффит обнаружил, что если смешать убитых нагреванием бактерий патогенного штамма с безвредными бактериями, то мыши заболевают и гибнуть причем из погибших мышей можно выделить живых патогенных пневмококков. При этом надо подчеркнуть, что сами по себе безвредные бактерии никогда не превращаются в патогенных, и при нагревании погибали все патогенные микробы. После этого можно спросить школьников: как они могут объяснить результаты Гриффита? Единственно возможное объяснение – из убитых патогенных бактерий освобождается вещество, несущее наследственную информацию об их болезнетворных свойствах, это вещество проникает в клетки пневмококков безвредного штамма и делает их патогенными. Затем можно задать школьникам вопрос: как на основе этой экспериментальной системы можно узнать, какое именно вещество является носителем наследственной информации? Здесь возможно два направления, оба были экспериментально осуществлены американским исследователем О. Эйвери. С одной стороны, можно выделять различные вещества, содержащиеся в убитых нагреванием микробах (белки, углеводы, ДНК, РНК) и проверять, какое из них будет передавать безвредным бактериям свойство патогенности. С другой стороны, можно обрабатывать убитых микробов ферментами, специфически разрушающими определённые соединения (белки, ДНК и т. д.) и проверять, какая обработка уничтожает вещество наследственности. В обеих сериях экспериментов было показано, что молекулой наследственности является ДНК.

На этом примере можно ещё и продемонстрировать роль ферментов как ценного инструмента в биохимических исследованиях. Эта часть урока может занять около 10 минут.

Затем следует познакомить учащихся со структурой молекул ДНК, объяснить им особенности двойной спирали, используя рис. 7.1. Нужно рассказать ученикам о явлении комплементарности и его роли в формировании двухспиральной структуры ДНК. В процессе объяснения следует показать учащимся анимацию «Комплементарность нуклеотидов».

Для оживления урока можно провести с учащимися беседу на тему: какие преимущества даёт двухспиральная структура молекулы наследственности? Ошибочные суждения учеников лучше опровергать контрпримерами. Так, если школьники выскажут предположение, что одноцепочечная ДНК вообще не может существовать в природе, то следует указать им, что существуют бактериофаги (например, фаг Х174), у которых генетический материал представлен именно в виде одноцепочечной ДНК. Нужно указать школьникам на два аспекты поставленной проблемы: химический и биологический. С точки зрения химика, в двухспиральной ДНК азотистые основания меньше контактируют с окружающим молекулу ДНК раствором, где могут содержаться химически активные вещества, благодаря чему эта структура более стабильна. С точки зрения биолога, двухспиральная ДНК содержит генетическую информацию в двух копиях, что позволяет в случае повреждения одной копии исправлять её по сохранившейся второй.

Эта часть урока может занять около 15 минут.

Надо объяснить школьникам роль гистонов в укладке молекул ДНК в клетках эукариот, обратить их внимание на электростатические взаимодействия щелочных белков гистонов с кислотой ДНК, рассказать о структуре нуклеосом. В процессе объяснения следует показать ученикам рис. 7.3 из пособия. Надо провести сравнение различных групп организмов по количеству содержащейся в них ДНК, указать на увеличение размеров генома при переходе от прокариот к эукариотам и от одноклеточных организмов к многоклеточным. Эта часть урока может занять около 5 минут.

Нужно познакомить учащихся с процессом репликации ДНК, обратив их внимание на значение комплементарности нуклеотидов в полуконсервативном механизме репликации, в процессе объяснения следует показать школьникам рис. 7.4. Важно обратить внимание учеников на то, что из-за энергетических трудностей синтез новой цепочки осуществляется не из нуклеотидов, а нуклеотидтрифосфатов. Если школьники уже прошли в курсе химии принцип Ле-Шателье, можно указать на его использование в процессе репликации: освобождающийся при присоединении нового нуклеотида пирофосфат быстро расщепляется, что сдвигает равновесие реакции вправо, в сторону синтеза цепочки ДНК. Надо пояснить, что репликация осуществляется специальными ферментами – ДНК-полимеразами. В процессе объяснения следует показать школьникам рис. 7.5 из пособия, а также анимацию «Репликация ДНК». Эта часть урока может занять около 15 минут.

Затем следует познакомить учащихся с реализацией генетической информации по принципу ДНК → РНК → белок. Нужно обратить их внимание на то, что последовательность аминокислот белков организма закодирована в последовательности нуклеотидов ДНК, причём кодировка осуществляется триплетным кодом. Следует познакомить их более детально со строением молекулы РНК, с ролью мРНК как рабочей матрицы для синтеза белка на рибосомах. Надо пояснить, что синтез РНК, транскрипция, осуществляется специальными ферментами – РНК-полимеразами. Нужно подчеркнуть значение комплементарности нуклеотидов в процессе транскрипции, в процессе объяснения следует показать школьникам рис. 7.7 из пособия.

Для оживления урока можно провести с учащимися беседу на тему: справедливо ли утверждение многих СМИ, что в результате реализации программы “Human genome” в начале XXI века расшифрован генетический код человека. В ходе беседы нужно обратить внимание учащихся на различие понятий «генетический код» и «последовательность нуклеотидов». Генетический код представляет собой систему записи информации о белках организма в его нуклеиновой кислоте, а последовательность нуклеотидов представляет собой саму запись. Так, можно привести в качестве примера кода азбуку Морзе, где каждой букве русского алфавита соответствует определенное сочетание точек и тире, а в качестве примера последовательности кодированных знаков привести телеграмму, записанную с помощью азбуки Морзе. Генетический код универсален, т. е. одинаков у человека, животных, растений, грибов и бактерий; он был расшифрован ещё в середине 60-х годов ХХ-го века. А вот полная последовательность нуклеотидов в геноме человека была установлена лишь в начале XXI-го века.

Эта часть урока может занять около 10 минут.

Потом нужно рассмотреть понятие гена с точки зрения молекулярной биологии, обратить внимание учеников на то, что у клеточных организмов на данном участке хромосомы лишь одна цепь ДНК является кодирующей. В процессе объяснения следует показать школьникам рис. 7.5 из пособия. Необходимо познакомить их с функциями промоторов и терминаторов в проведении транскрипции, в процессе объяснения следует показать ученикам анимацию «Транскрипция РНК». Эта часть урока может занять около 15 минут.

Наконец, следует объяснить учащимся функции рРНК и тРНК в клетке. Необходимо рассказать им о недавно открытой каталитической функции молекул РНК, о ключевой роли РНКого катализа в синтезе белковой цепочки, о современных взглядах на РНК как на первичную молекулу, обладавшую функциями как генотипа, так и фенотипа на предбиотических этапах эволюции. Эта часть урока может занять около 5 минут.

Учитель должен обратить особое внимание учеников на связь строения нуклеиновых кислот, содержащих неповторяющиеся последовательности нуклеотидов, с выполняемыми ими генетическими функциями, указать на сходство и различие структуры и функции ДНК и РНК. Если школьники уже прошли в рамках обычной программы по биологии значение нуклеиновых кислот, то можно сопоставить уже пройденный материал с новым, изложенным в компьютерным курсе.

Урок 8

Цели и задачи урока:

  • познакомить учащихся с основными принципами хроматографии и с различными вариантами этого метода;
  • дать представление о методе электрофореза и его применении;
  • разъяснить ученикам основы методов изоэлектрофокусировки и двумерного электрофореза;
  • рассказать им о протеомике и стоящих перед ней задачах.

В начале урока проводится 10-минутное компьютеризованное тестирование на усвоение школьниками материалов седьмого урока. В случае, если какой-либо из вопросов вызвал затруднения у большинства учащихся, учитель проводит разъяснения правильного ответа. Продолжительность тестирования с разъяснениями – около 15 минут.

На этом уроке следует рассмотреть различные методы выделения белков, начиная со старых, но до сих пор применяемых в лабораторной и промышленной практике, методов осаждения органическими растворителями и высаливания. Нужно указать учащимся на такие преимущества этих методов как простота и дешевизна, и на основной недостаток – плохую разрешающую способность. Эта часть урока может занять около 5 минут.

Затем надо познакомить учащихся с принципом хроматографического метода разделения веществ, основанного на различной сорбции разных растворённых соединений на нерастворимом сорбенте, подчеркнуть роль отечественного учёного М. С. Цвета как первооткрывателя одного из наиболее широко используемых биохимических методов. В процессе объяснения следует показать школьникам рис. 8.1. Эта часть урока может занять около 5 минут.

Нужно рассмотреть основы метода ионообменной хроматографии, объяснить ученикам, что этот метод позволяет разделять белки благодаря различиям их зарядов, познакомить с применением катионообменников и анионообменников.

Для оживления урока можно спросить учащихся, могут ли связаться с анионообменником белки, обладающие общим положительным зарядом, а с катионообменником – белки с общим отрицательным зарядом? При ответе на вопрос можно напомнить школьникам, что молекулы крупных белков состоят из множества аминокислотных остатков, среди которых может содержаться много положительных и много отрицательных групп. Поэтому даже при общем положительном заряде крупные белки благодаря наличию отрицательных зарядов могут связаться с анионообменным сорбентом, а белки с общим отрицательным зарядом – с катионообменным.

Эта часть урока может занять около 10 минут.

Потом нужно рассмотреть принципы метода гель-проникающей хроматографии, объяснить ученикам, что этот метод позволяет разделять белки благодаря различиям размеров их молекул, в процессе объяснения следует показать школьникам рис. 8.2. Эта часть урока может занять около 10 минут.

Следует указать школьникам на возможность проведения хроматографии без хроматографической колонки – с помощью сорбента, закреплённого на пластинке, объяснить им технику выполнения тонкослойной хроматографии. В процессе объяснения следует показать ученикам рис. 8.3.

Для оживления урока можно провести с учениками беседу на тему: как работают диагностические полоски для диагностики беременности? В этих полосках используется метод иммунохроматографии. Для проведения этого метода необходимы антитела к белку, отсутствующему в организме взрослого человека и имеющемуся только у зародыша – хорионическому гонадотропину. Нужно два сорта таких антител: присоединённых к частицам коллоидного золота и свободных. На заводе-изготовителе связанные с коллоидным золотом антитела наносятся на участок бумажной полоски около края, а чистые антитела – ближе к середине. Если краешек полоски опустить в мочу, то капиллярные силы будут двигать жидкость с растворёнными в ней белками от одного края полоски к другому. Вместе с током жидкости пойдут и связанные с золотом антитела. Если в моче содержится хорионический гонадотропин (а он бывает там только при наличие зародыша в матке), то он свяжется с этими антителами, они будут двигаться все вместе. Как только жидкост. д.йдёт до зоны немеченых антител, они станут связывать гонадотропин вместе с мечеными коллоидным золотом антителами. В результате весь комплекс «гонадотропин-антитело-золото» задержится на том участке полоски, где были прикреплены свободные антитела. Там будет концентрироваться коллоидное золото, и в этом месте проявится красная полоска. Если же хорионического гонадотропина в моче нет, то антитела, меченые золотом, не будут задерживаться в этом месте, и пойдут дальше. В данном случае мы тоже имеем дело с различным сродством растворённых веществ к нерастворимому сорбенту с фиксированными на нём антителами: комплекс «гонадотропин-антитело-золото» обладает таким сродством благодаря наличию гонадотропина, а комплекс «антитело-золото» – не обладает.

Эта часть урока может занять около 15 минут.

Затем рассматриваются принципы метода электрофореза, рассказывается о его применении для разделения белков и нуклеиновых кислот, иллюстрируют это рис. 8.4 и 8.5. Следует подчеркнуть различие между электрофорезом в неденатурирующих условиях и электрофорезом в присутствии додецилсульфата натрия. Первый применяется в клинической практике, например, для исследования спектра изоформ лактатдегидрогеназы при подозрениях на инфаркт миокарда и гепатит, второй вариант позволяет разделить белки строго по молекулярной массе. Эта часть урока может занять около 10 минут.

Потом нужно рассказать ученикам о принципах метода изоэлектрофокусировки, объяснить им, что этот метод позволяет разделять белки благодаря различиям их изоэлектрических точек. В процессе объяснения следует показать школьникам рис. 8.6. Эта часть урока может занять около 10 минут.

Наконец, следует остановиться на методе двумерного электрофореза, пояснить ученикам, что этот метод является комбинацией изоэлектрофокусировки и электрофореза с додецилсульфатом натрия, сочетающей все преимущества обоих методов. В процессе объяснения следует показать учащимся рис. 8.7. Надо рассказать о новой отрасли биохимической науки – протеомике, изучающей полный спектр белков в органах и тканях в различных физиологических состояниях, пояснить проблемы, с которыми она сталкивается, и возможные перспективы. Эта часть урока может занять около 10 минут.

Учитель должен обратить внимание учеников на физические и химические законы, лежащие в основе различных биохимических методов, на особенности строения биологических макромолекул, которые позволяют использовать изучаемые на уроке биохимические методы. Следует также указать на роль и место биохимического эксперимента в системе научного знания. Необходимо также особо подчеркнуть заслуги отечественного ученого М. С. Цвета – создателя метода хроматографии.

Урок 9

Цели и задачи урока:

  • показать учащимся применимость физических и химических законов к биологическим системам;
  • объяснить им термодинамические причины возможности самопроизвольного протекания реакций;
  • показать связь свободной энергии и константы равновесия реакции;
  • познакомить с понятием макроэрга и показать значение основного макроэрга клетки – АТФ.

В начале урока проводится 10-минутное компьютеризованное тестирование на усвоение школьниками материалов восьмого урока. В случае, если какой-либо из вопросов вызвал затруднения у большинства учащихся, учитель проводит разъяснения правильного ответа. Продолжительность тестирования с разъяснениями – около 15 минут.

На этом уроке следует рассмотреть понятие константы равновесия для реакций с различными стехиометрическими коэффициентами участниками, объяснить учащимся химический смысл уравнений 9.1 и 9.2, показать им, что, зная константу равновесия обратимой реакции и концентрации всех её участников, можно предсказать направление протекания этой реакции. Эта часть урока может занять около 5 минут.

Затем надо дать учащимся упрощённое представление о таких термодинамических величинах как энтальпия, энтропия и свободная энергия Гиббса. Энтальпию в условиях постоянного объёма системы можно считать равной тепловому эффекту реакции, взятому с обратным знаком (т. е. теплоте, поглощенной системой); если ученики уже проходили экзотермические и эндотермические реакции в курсе химии, то следует напомнить им полученные ранее сведения о том, что экзотермичность реакции способствует самопроизвольному её протеканию. Потом нужно указать школьникам, что тепловой эффект – не единственный фактор, определяющий самопроизвольность протекания реакции, в качестве примера можно указать растворение фотографического фиксажа (тиосульфата натрия) – процесс, протекающий самопроизвольно, но тем не менее эндотермический. После этого примера можно дать им приближённое представление об энтропии системы как мере её неупорядоченности и привести уравнение 9.3. Эта часть урока может занять около 10 минут.

Потом следует ввести понятие свободной энергии Гиббса как величины, учитывающей и тепловой эффект реакции, и изменение степени беспорядка, и привести уравнение 9.4.

Для оживления урока можно провести с учащимися беседу на тему: почему значимость энтропийного фактора возрастает с повышением температуры. Можно пояснить ученикам, что энтропия представляет собой величину, пропорциональную числу возможных состояний системы (см. уравнение 9.3). При повышении температуры переход между состояниями облегчается, и фактор, определяющий количество этих состояний, приобретает всё большее значение.

Надо обратить внимание учащихся на то, что изменение свободной энергии однозначно определяет самопроизвольность или несамопроизвольность протекания реакции независимо от того, идёт ли она в пробирке, в плазме крови или в какой-нибудь клеточной органелле. Можно проиллюстрировать вышеизложенный материал примерами расчётов энергетики реакций восстановления углекислого газа водородом и гидролиза АТФ. Нужно показать зависимость изменения свободной энергии от концентрации участников реакции, приведя уравнение 9.5, и ввести понятие стандартного изменения энергии Гиббса. Необходимо показать связь двух важнейших величин биохимической термодинамики – константы равновесия и свободной энергии Гиббса – и привести уравнение 9.6. Эта часть урока может занять около 20 минут.

Затем надо рассмотреть, как в клетке осуществляются реакции, которые не могут идти самопроизвольно, объяснить учащимся понятие макроэрга, привести значения энергии гидролиза некоторых распространенных макроэргов (см. Таблицу 1). Нужно пояснить школьникам, что каждый макроэрг несет определенную активированную химическую группу, которую он может присоединять к другим молекулам.

Для оживления урока можно провести с учениками беседу на тему: как выглядит макроэргическая связь активированного сульфата? Можно напомнить школьникам, чт. д.я активации фосфата используется фосфоангидридная связь – именно её можно видеть в АТФ, АДФ и пирофосфате. Активированный сульфат связан с производным АМФ смешанной ангидридной связью фосфорной и серной кислот – в клетке имеется особое соединение ФАФС (фосфоаденозинфосфосульфат), оно похоже на АДФ, только вместо последнего (второго) фосфата там имеется сульфат, а кроме того есть дополнительный фосфат на 3-атоме рибозы.

Эта часть урока может занять около 15 минут.

Потом надо перейти к рассмотрению АТФ – главного макроэрга клетки. Необходимо рассказать учащимся о структуре молекулы АТФ, наличии в ней двух макроэргических связей, двух возможных путях использования энергии этого макроэрга, причём надо подчеркнуть, что макроэргическая связь при крайнем атоме фосфора используется гораздо чаще. В процессе объяснения следует показать ученикам рис. 9.1. Если школьники уже прошли в курсе химии принцип Ле-Шателье, можно обратить их внимание на его использование для смещения равновесия биохимических реакций при втором способе гидролиза АТФ (с освобождением пирофосфата). Надо объяснить учащимся механизм регенерации АМФ, образующегося при втором способе гидролиза АТФ, с помощью аденилаткиназной реакции и привести уравнение 9.7. Необходимо указать школьникам, что поскольку в клетке концентрация АТФ выше, чем у АДФ, то свободная энергия гидролиза АТФ в клетке больше, чем стандартная свободная энергия гидролиза этого вещества. Эта часть урока может занять около 10 минут.

Наконец, следует рассмотреть важнейшие процессы клеточного метаболизма, обеспечиваемые энергией за счёт АТФ – такие как анаболические синтезы, механическая работа и активный транспорт через мембрану. Надо познакомить учащихся с функцией креатинфосфата как энергетического буфера макроэргических фосфатов АТФ, в процессе объяснения следует показать ученикам рис. 9.2 и уравнение 9.8.

Для оживления урока можно провести с учениками беседу на тему: у насекомых нет креатинфосфата, а в качестве энергетического буфера используется очень похожее на него фосфорное соединение одной из 20 аминокислот – как вы думаете, какой? При этом можно показывать рисунок 4.5 с формулами аминокислот. Школьники должны сами увидеть, что фосфат был присоединён к гуанидиновой группе молекулы креатина, а единственной аминокислотой, обладающей гуанидиновой группой, является аргинин. У насекомых и иглокожих энергетическим буфером служит аргининфосфат.

Нужно дать представление учащимся о трёх важнейших путях синтеза АТФ: анаэробном синтезе, окислительном фосфорилировании и фотофосфорилировании. В процессе объяснения следует показать ученикам рис. 9.3. Эта часть урока может занять около 15 минут.

Учитель должен обратить внимание учеников на физическую и химическую подоплеку всех биохимических процессов живой клетки, на приложимость законов физики и химии к живым системам. Следует напомнить школьникам уже пройденный ими на уроках химии и физики материал, касающийся закона сохранения энергии. Если школьники уже прошли в рамках обычной программы по химии принцип Ле-Шателье, то следует обратить их внимание на применение этого закона в биоэнергетике живой клетки. Если школьники уже прошли в рамках обычной программы по биологии роль АТФ в обмене веществ и энергии, то можно сопоставить уже пройденный материал с новым, более глубоким уровнем изложения в курсе «Биохимия».

Урок 10

Цели и задачи урока:

  • познакомить учащихся с этапами катаболических процессов в организме животных;
  • дать представление об особенностях различных видов анаэробного брожения и их ролью в хозяйственной деятельности человека;
  • познакомить учеников с последовательностью реакций гликолиза, его энергетическим выходом и регуляцией по принципу отрицательной обратной связи.

В начале урока проводится 10-минутное компьютеризованное тестирование на усвоение школьниками материалов девятого урока. В случае, если какой-либо из вопросов вызвал затруднения у большинства учащихся, учитель проводит разъяснения правильного ответа. Продолжительность тестирования с разъяснениями – около 15 минут.

На этом уроке следует рассмотрены три этапа катаболизма органических соединений в организме человека и животных: расщепление высокомолекулярных соединений до мономеров, распад продуктов первого этапа до небольшого числа промежуточных метаболитов и окисление этих метаболитов кислородом. В процессе объяснения следует показать ученикам рис. 10.1. Эта часть урока может занять около 10 минут.

Затем рассматриваются различные виды анаэробных брожений – такие, как молочнокислое и спиртовое, их суммарные уравнения, нужно отметить, что эти реакции протекают в цитоплазме, рассказать об использовании в пищевой промышленности. Эта часть урока может занять около 10 минут.

Потом нужно познакомить школьников с процессом гликолиза более подробно, обратить внимание на многоэтапность этого метаболического пути, включающего в себя 11 реакций, в процессе объяснения следует показать ученикам рис. 10.2. Надо указать школьникам на необходимость фосфорилирования глюкозы для вступления её в этот метаболический путь, разъяснить учащимся уравнения глюкозофосфатизомеразной и фосфофруктокиназной реакций.

Для оживления урока можно провести с учениками беседу на тему: мышечная форма фермента гексокиназы имеет очень высокое сродство к глюкозе и ингибируется продуктом реакции глюкозо-6-фосфатом, а печёночная имеет низкое сродство к глюкозе и не ингибируется Г-6-Ф; зачем природа создала две формы фермента с различными свойствами? Учитель может подсказать школьникам, что эти отличия связаны с особенностями потребления глюкозы мышцами и печенью. Скелетная мышца в условиях долгой напряжённой физической работы должна уметь перерабатывать глюкозу даже при существенно пониженной концентрации этого углевода, а в состоянии покоя, при низких энергозатратах, она не должна потреблять драгоценную глюкозу зазря. Гексокиназа мышц позволяет выполнить эти требования: благодаря высокому сродству она перерабатывает глюкозу и при низком её содержании в клетке, а в условиях энергообеспеченности Г-6-Ф будет ингибировать этот фермент и предотвратит бесполезную трату глюкозы. Печень – главная биохимическая фабрика организма – использует глюкозу в основном для анаболических процессов: синтеза гликогена, синтеза жирных кислот и др. Анаболические процессы не нужны при низкой концентрации глюкозы, поэтому у печеночного фермента низкое сродство к субстрату. С другой стороны, при хорошем обеспечении энергией и высокой концентрации Г-6-Ф эти реакции всё равно надо проводить, поэтому фермент не ингибируется продуктом.

Эта часть урока может занять около 15 минут.

Затем следует рассмотреть альдолазную реакцию и превращения трёхуглеродных соединений в ходе гликолиза. Следует уделить внимание глицеральдегид-3-фосфат-дегидрогеназной реакции – важной окислительно-восстановительной стадии, приводящей к образованию макроэргического соединения 1,3-дифосфоглицерата. Необходимо разъяснить ученикам механизм сопряжения экзергонической реакции окисления фосфоглицеринового альдегида с эндэргонической реакцией присоединения фосфата. Нужно пояснить учащимся роль окислительно-восстановительного челнока НАД+/НАД∙Н в гликолизе, показать им двухэлектронный механизм реакций с его участием, в процессе объяснения следует показать школьникам рис. 10.3.

Для оживления урока можно провести с учениками беседу на тему: ещё в начале ХХ века было установлено, что без добавления фосфата гликолиз протекать не может, в этих условиях в клетках накапливается гексозодифосфат; на какой стадии тормозился процесс, какой гексозодифосфат при этом накапливался и почему? Глядя на рисунок 10.2, школьники легко увидят сами, что единственная реакция, в которой потребляется фосфат – это Г-3-Ф-дегидрогеназная (6-я по рисунку), именно её останавливает отсутствие одного из субстратов. Единственный гексозодифосфат, участвующий в гликолизе, – это фруктозо-1,6-дифосфат, именно он и будет накапливаться при дефиците фосфата. Такие реакции как триозофосфатизомеразная и альдолазная (5-я и 4-я) являются обратимыми, причём у альдолазной реакции равновесие заметно смещено влево, поэтому и накапливается её субстрат Ф-6-Ф.

Эта часть урока может занять около 15 минут.

На следующем этапе следует рассмотреть последние реакции гликолиза, подсчитать его энергетический выход.

Для оживления урока можно провести с учениками беседу на тему: арсенат-ион похож по свойствам на фосфат, однако органические производные мышьяка ациларсенаты нестойки и быстро разлагаются без всякого катализатора; каков будет энергетический выход гликолиза в присутствии арсената? Глядя на рисунок 10.2, школьники легко увидят сами, что фосфат участвует в 6-й реакции, в результате которой образуется высокоэнергетический ацилфосфат. Если же вместо фосфата взять арсенат, то получающийся ациларсенат распадётся и не даст возможности синтезировать АТФ. В результате образуется –2 + 2 = 0 молекул АТФ – гликолиз не будет давать энергетической прибыли. Следует обратить внимание учащихся на трудности, связанные с регенерацией окисленной формы НАД+ в анаэробных условиях, на их преодоление в ходе гликолиза и спиртового брожения.

Эта часть урока может занять около 10 минут.

Потом следует рассказать о распаде гликогена ферментом гликогенфосфорилазой и подсчитать энергетический выход катаболизма гликогена по сравнению с глюкозой. Эта часть урока может занять около 5 минут.

Наконец, необходимо познакомить учащихся с регуляцией процесса гликолиза по механизму отрицательной обратной связи, ввести понятие ключевого фермента, рассмотреть особенности регуляции ключевого фермента гликолиза фосфофруктокиназы. Эта часть урока может занять около 10 минут.

Учитель должен обратить особое внимание учеников на многоэтапность метаболических процессов клетки, на автоматическую регуляцию скорости образования конечного продукта катаболизма – АТФ. Если школьники уже прошли в рамках обычной программы по биологии анаэробный синтез АТФ, то можно сопоставить уже пройденный материал с новым, более глубоким уровнем изложения в «Биохимии».

Урок 11

Цели и задачи урока:

  • познакомить учащихся с общей организацией процессов окислительного катаболизма;
  • дать представление о цикле Кребса как центральном катаболическом пути;
  • объяснить особенность процесса β-окисления жирных кислот;
  • познакомить учащихся с применением радиоактивных изотопов в биохимических исследованиях.

В начале урока проводится 10-минутное компьютеризованное тестирование на усвоение школьниками материалов десятого урока. В случае, если какой-либо из вопросов вызвал затруднения у большинства учащихся, учитель проводит разъяснения правильного ответа. Продолжительность тестирования с разъяснениями – около 15 минут.

На этом уроке рассмотрена общая организация окислительного метаболизма в клетке, нужно указать учащимся на ключевую роль окислительно-восстановительных челноков НАД+/НАД∙Н и ФАД/ФАД.Н2 в переносе электронов от различных промежуточных метаболитов к кислороду. В процессе объяснения следует показать ученикам рис. 11.1 и рис. 11.2. Эта часть урока может занять около 10 минут.

Затем необходимо объяснить учащимся различие протекания гликолиза в аэробных и анаэробных условиях, указать на энергетическую ценность восстановленных форм коферментов НАД∙Н и ФАД∙Н2 для аэробного метаболизма. Следует обратить их внимание на пируватдегидрогеназную реакцию, локализацию фермента, который её катализирует, в митохондриях, необходимость многих коферментов для его работы. Нужно познакомить учеников со строением макроэргического соединения ацетил-коэнзима А – активированной формы остатка уксусной кислоты, в процессе объяснения следует показать школьникам рис. 11.3 и рис. 11.4. Эта часть урока может занять около 10 минут.

Потом следует перейти к рассмотрению последовательности реакций цикла Кребса, в процессе объяснения следует показать ученикам анимацию «Цикл Кребса». Необходимо сразу же подчеркнуть, что основная роль цикла Кребса в энергетическом обмене клетки состоит в получении восстановленных коферментов НАД∙Н и ФАД∙Н2, которые затем будут окисляться кислородом для синтеза АТФ из АДФ и фосфата. Следует обратить внимание учащихся на цикличность взаимопревращений органических кислот: в начале цикла в него вступает молекула оксалоацетата, а в конце она возвращается в исходную форму.

Для оживления урока можно провести с учениками беседу на тему: если измельчить скелетную мышцу, то полученный гомогенат будет поглощать кислород, при добавлении оксалоацетата или малата скорость дыхания вырастет; однако количество потреблённого кислорода при этом будет в несколько раз больше того, что потребовалось бы для полного окисления добавленного малата или оксалоацетата, – почему? Отвечая на этот вопрос, школьники должны ясно представлять себе циклический характер превращений веществ в цикле Кребса. Метаболиты цикла (в т. ч. малат и оксалоацетат) служат катализаторами окисления ацетил-КоА, образующегося из гликогена и жирных кислот, запасённых в мышце. При добавлении новой порции катализатора скорость окисления выросла, а общее количество потреблённого кислорода определяется запасами мышечного гликогена (и жирных кислот). Надо отметить, что ферменты цикла локализованы в митохондриях. Нужно обратить внимание учеников на окислительно-восстановительные реакции цикла: изоцитратдегидрогеназную, α-кетоглютаратдегидрогеназную, сукцинатдегидрогеназную и малатдегидрогеназную, поскольку именно они образуют восстановленные эквиваленты.

Эта часть урока может занять около 30 минут.

Затем надо рассмотреть регуляцию цикла Кребса, отметить, что несколько стадий цикла регулируются по принципу отрицательной обратной связи, указать на аллостерическое ингибирование изоцитратдегидрогеназы НАД∙Н и на интересный способ регуляции через смещение равновесия справа налево у обратимой малатдегидрогеназной реакции при избытке НАД∙Н. Эта часть урока может занять около 5 минут.

Потом надо познакомить учащихся с β-окислением жирных кислот, отметить циклический характер процесса, при котором за каждый оборот цикла происходит укорочение остатка жирной кислоты на два углеродных атома, указать на митохондриальную локализацию ферментов, катализирующих этот процесс. Следует обратить внимание школьников, что β-окисление не образует макроэргических соединений непосредственно, оно поставляет ацетил-коэнзим А для превращений в цикле Кребса, а также восстановленные коферменты НАД∙Н и ФАД∙Н2 для окисления ферментами дыхательной цепи, и только на этих этапах будет синтезироваться АТФ. В процессе объяснения следует показать ученикам рис. 11.6. Эта часть урока может занять около 10 минут.

Наконец, необходимо объяснить учащимся значение использования радиоактивных изотопов в биохимических исследованиях.

Для оживления урока можно провести с учениками беседу на тему: куда включится меченый углерод при β-окислении меченой CH3-14СН2-(CH2)13-COOH пальмитиновой кислоты – в 14CH3-СО-S-КоА или в CH3-14СО-S-КоА? Вспомнив только что пройденный материал, школьники должны понять, что при β-окислении происходит отщепление по два углеродных атома, меченым является предпоследний атом, следовательно метка окажется в CH3-14СО-S-КоА. Надо разъяснить ученикам сходство и отличие таких вариантов регистрации радиоактивной метки, как радиоавтография и измерение радиоактивности с помощью сцинтилляционного счетчика.

Эта часть урока может занять около 10 минут.

Учитель должен обратить особое внимание учеников на общую организацию и интегрированность процессов клеточного катаболизма, центральное место цикла Кребса как метаболического пути, объединяющего гликолиз и β-окисление жирных кислот. Если школьники уже прошли в рамках обычной программы по биологии катаболические процессы клетки, то можно сопоставить уже пройденный материал с новым, более глубоким уровнем изложения в «Биохимии».

Урок 12

Цели и задачи урока:

  • познакомить учащихся с транспортом электрона в дыхательной цепи по «энергетической лестнице»;
  • дать представление о превращении энергии окисления органических веществ в энергию градиента ионов H+, а потом в энергию макроэргических связей АТФ;
  • пояснить функции электрохимического потенциала в клетках бактерий;
  • дать понятие о превращениях энергии в ходе световой фазы фотосинтеза.

В начале урока проводится 10-минутное компьютеризованное тестирование на усвоение школьниками материалов одиннадцатого урока. В случае, если какой-либо из вопросов вызвал затруднения у большинства учащихся, учитель проводит разъяснения правильного ответа. Продолжительность тестирования с разъяснениями – около 15 минут.

На этом уроке следует рассмотреть процесс окислительного фосфорилирования, подчеркнуть роль отечественного учёного В. А. Энгельгардта как первооткрывателя одного из фундаментальнейших биохимических процессов. Необходимо познакомить учащихся с движением электронов по дыхательной цепи внутренней мембраны митохондрий, обратить их внимание на возрастание окислительных и ослабление восстановительных свойств этих переносчиков при движении электронов от НАД∙Н к кислороду, провести аналогию передвижения электронов со спуском по энергетической лестнице. В процессе объяснения следует показать ученикам рис. 12.1 и рис. 12.2. Эта часть урока может занять около 10 минут.

Затем надо рассказать ученикам о комплексах, в которые объединены переносчики дыхательной цепи, познакомить их со структурой убихинона и цитохрома с как связующих звеньев между этими комплексами, показать учащимся рис. 12.3. Нужно объяснит. д.йствие различных ингибиторов электронного транспорта на определённые участки дыхательной цепи, при этом лучше вернуться к рис. 12.1. Следует отметить, что энергию, достаточную для синтеза АТФ, может обеспечить движение электронов не между любой парой переносчиков, а лишь на определённых участках дыхательной цепи. Эта часть урока может занять около 10 минут.

Потом надо познакомить школьников с понятием электрохимического потенциала, его образованием в митохондриях при движении электрона по дыхательной цепи, а также с его использованием для синтеза АТФ ферментом H+-АТФ-синтетазой. В процессе объяснения материала следует показать ученикам анимацию «Окислительное фосфорилирование».

Для оживления урока можно провести с учениками беседу на тему: сколько ионов H+ содержится в митохондрии размером 2 × 2 × 0,5 микрометров? Учащиеся должны вспомнить, что 1 моль любого вещества содержит примерно 6∙1023 молекул. Поскольку концентрация ионов водорода в митохондриальном матриксе составляет 10–8 М, то, если бы митохондрия имела объём 1 литр, в ней было бы 6∙1023 х 10–8 =6∙1015 ионов H+. Митохондрия из условия задачи имеет объём 2∙10–6 × 2∙10–6 × 0,5 × 10–6 = 2∙10–18 м3 = 2∙10-15 литра. Значит, в ней содержится 6∙1015 × 2∙10–15 = 12 ионов H+.

Эта часть урока может занять около 15 минут.

Затем следует пояснить учащимся стехиометрию выхода АТФ в процессе окисления НАД∙Н и ФАД∙Н2 в соответствии со старыми и новыми представлениями, провести вместе с ними подсчёты выхода АТФ при окислении остатка ацетил-КоА в цикле Кребса, аэробном катаболизме глюкозы и жирной кислоты.

Для оживления урока можно провести с учениками беседу на тему: почему жирная кислота при окислении даёт больше энергии, чем углевод? Учащиеся должны вспомнить, что в молекулах жирных кислот все атомы углерода кроме одного связаны с атомами водорода, а в молекулах углеводов каждый атом углерода связан ещё и с атомом кислорода. Следовательно, в жирных кислотах углерод имеет меньшую степень окисления, чем в углеводах, и при их окислении выделится больше энергии.

Потом нужно рассказать школьникам о регуляции процесса окислительного фосфорилирования. Эта часть урока может занять около 10 минут.

На следующем этапе урока надо познакомить учащихся с действием разобщителей на митохондрии, рассказать им о естественно разобщённых митохондриях бурого жира.

Для оживления урока можно провести с учениками беседу на тему: почему динитрофенол пытались использовать в качестве средства для похудения и почему его использование быстро запретили? Школьники должны понимать, что под действием разобщителей энергия окисления органических веществ в митохондриях переходит в тепло, а не в энергию АТФ. Поскольку организм продолжает испытывать потребность в АТФ, в нём резко активируются катаболические процессы, в том числе и расщепление жировых запасов в жировой ткани с последующим сжиганием освободившихся жирных кислот в митохондриях. Эт. д.йствительно приводит к уменьшению жировой массы, однако многие клетки нашего организма чрезвычайно чувствительны к длительному снижению концентрации АТФ, они могут получить необратимые повреждения и погибнуть. При длительном потреблении динитрофенола развивается катаракта и слепота.

Эта часть урока может занять около 10 минут.

Потом надо объяснить учащимся особенности использования электрохимического потенциала бактериальными клетками, рассказать про работы прокариотического жгутика, в процессе объяснения следует показать ученикам рис. 12.5. Эта часть урока может занять около 5 минут.

Затем следует познакомить учеников с процессом фотосинтеза, с его фазами, с необходимостью синтезировать во время световой фазы АТФ и НАДФ∙Н для того, чтобы использовать их в темновой фазе, показать ученикам рис. 12.6. Нужно указать учащимся на ключевую роль молекулы хлорофилла при преобразовании световой энергии в энергию электрохимического потенциала, рассмотреть переход хлорофилла из обычного в возбуждённое состояние, из возбуждённого в окисленную форму и его возвращение в обычное состояние, используя рис. 12.7 и 12.8. Наконец, надо объяснить учащимся процессы синтеза АТФ и НАДФ∙Н в световой фазе фотосинтеза, рассмотреть движение электрона по цепи переносчиков в мембране тилакоида, отметить сходства и различия процессов окислительного фосфорилирования в митохондриях и световой фазы фотосинтеза в хлоропластах, используя рис. 12.9. Эта часть урока может занять около 15 минут.

Учитель должен обратить особое внимание учеников на взаимопревращения различных форм энергии в живой клетке в процессе окислительного катаболизма и световой фазы фотосинтеза. Следует напомнить школьникам уже пройденный ими на уроках химии материал, касающийся окислительно-восстановительных реакций. Необходимо также особо подчеркнуть заслуги отечественного ученого В. А. Энгельгардта – первооткрывателя процесса окислительного фосфорилирования. Если школьники уже прошли в рамках обычной программы по биологии синтез АТФ в митохондриях и хлоропластах, то можно сопоставить уже пройденный материал с новым, более глубоким уровнем изложения в курсе «Биохимия».

Урок 13

Цели и задачи урока:

  • познакомить учащихся с важнейшими анаболическими процессами – глюконеогенезом, синтезом жирных кислот и темновой фазой фотосинтеза;
  • обратить их внимание на сходство и отличие между анаболическими и катаболическими путями обмена глюкозы и жирных кислот;
  • объяснить, какими способами в клетке предотвращается бесполезная трата энергии на холостые метаболические циклы.

В начале урока проводится 10-минутное компьютеризованное тестирование на усвоение школьниками материалов двенадцатого урока. В случае, если какой-либо из вопросов вызвал затруднения у большинства учащихся, учитель проводит разъяснения правильного ответа. Продолжительность тестирования с разъяснениями – около 15 минут.

На этом уроке следует рассмотреть процесс глюконеогенеза, его сходство и различие с процессом гликолиза. Надо объяснить школьникам, почему многие реакции этих двух процессов совпадают, а некоторые различаются, рассказать про механизмы обхода в глюконеогенезе необратимых стадий гликолиза – пируваткиназной, фосфофруктокиназной и гесокиназной, разъяснить локализацию каждой реакции в митохондриях или цитозоле. В процессе объяснения следует показать ученикам рис. 13.1. Необходимо подчеркнуть высокую энергетическую стоимость анаболических процессов, и в частности глюконеогенеза: если в гликолизе образовывалось две молекулы АТФ при распаде одной молекулы глюкозы, т. д.я её синтеза необходимо затратить 6 молекул АТФ. Эта часть урока может занять около 15 минут.

Затем необходимо обратить внимание учащихся на особенность протекания глюконеогенеза в печени и мышцах и значение синтеза глюкозы в печени для мышечного сокращения, рассказать про регуляцию процесса глюконеогенеза. Эта часть урока может занять около 10 минут.

Потом ученики знакомятся с синтезом жирных кислот, сходством и отличием этого процесса от β-окисления. Необходимо отметить, что если β-окисление жирных кислот протекало в митохондриях, то в процессе их синтеза из ацетил-коэнзима А лишь первые две реакции протекают в этих органеллах, тогда как все остальные идут в цитозоле. Нужно обратить внимание на то, что энергетические затраты на синтез одной молекулы жирной кислоты превышают энергию, получаемую при её β-окислении, используя рис. 13.2.

Для оживления урока можно провести с учениками беседу на тему: к ферменту синтазе жирных кислот добавили меченый 14СН3-14СО-S-КоА и немеченый малонил-КоА, а через очень короткий промежуток времени добавили большой избыток немеченого СН3-СО-S-КоА, так, что меченый практически перестал включаться в метаболизм. Где окажется метка, если через несколько минут выделить жирные кислоты: в двух последних атомах углерода или в двух первых? Для облегчения ответа можно демонстрировать рис. 13.2. Учащиеся должны разобраться в механизме работы синтазы жирных кислот и понять, что атомы углерода из ацетил-КоА оказываются на самом конце жирной кислоты, тогда как все остальные её атомы углерода происходят из малонил-КоА.

Эта часть урока может занять около 15 минут.

Далее необходимо рассказать про регуляцию синтеза жирных кислот, описать возможность превращения глюкозы в жирные кислоты и невозможность протекания обратного процесса в животных тканях. Эта часть урока может занять около 5 минут.

На следующем этапе урока нужно объяснить ученикам, как живая клетка избегает холостых метаболических циклов, приводящих к бесполезной трате энергии. Следует рассказать о противоположной регуляции ключевых ферментов гликолиза и глюконеогенеза, о пространственном разделении синтеза и распада жирных кислот, используя рис. 13.3. Нужно обратить внимание учащихся на согласование различных метаболических путей, а также про регуляцию обмена глюкозы гормонами. Эта часть урока может занять около 10 минут.

Потом надо перейти к рассмотрению темновой фазы фотосинтеза, при этом подчеркнуть глобальное значение этого анаболического процесса, служащего основой существования подавляющего большинства живых организмов: одних непосредственно (растения и фотосинтезирующие бактерии), а других опосредованно (гетеротрофы, использующие органические вещества, синтезированные автотрофами). Надо рассказать ученикам про первые реакции темновой фазы: карбоксилирование рибулозо-дифосфата с образованием 3-фосфоглицерата, фосфорилирование его с образованием 1,3-дифосфоглицерата и восстановление последнего до глицеральдегид-3-фосфата, нужно напомнить школьникам, что последние две реакции протекают и в глюконеогенезе. В процессе объяснения следует показать ученикам рис. 13.4.

Для оживления урока можно провести с учащимися беседу на тему: хотя главным субстратом рибулозо-дифосфат-карбоксилазы является углекислый газ, она может использовать и другой газ, содержащийся в атмосфере, катализируя при этом совершенно бесполезный для растений процесс – иногда до 30 % рибулозо-дифосфата расходуется бессмысленно; какой это газ и почему происходит бессмысленное расточительство? Отвечая на этот вопрос, школьники должны догадаться, что раз СО2 является функциональным субстратом, то и сродство к нему должно быть гораздо выше, чем к любому другому газу. Если связывание другого газа активным центром фермента всё-таки происходит, значит, его содержится в атмосфере гораздо больше, чем углекислоты, и этот альтернативный субстрат составляет конкуренцию хорошему субстрату. В атмосфере Земли преобладают два газа: азот и кислород. Молекулярный азот не реакционноспособен, а вот кислород – достаточно активный элемент. Действительно, для многих растений составляет проблему фотодыхание – бесполезное окисление рибулозо-дифосфата кислородом.

Эта часть урока может занять около 15 минут.

Наконец, нужно познакомить учащихся с таким необычным метаболическим процессом как хемосинтез, описать метаболизм анаэробных и аэробных хемосинтетиков. Эта часть урока может занять около 5 минут.

Учитель должен обратить особое внимание учеников на взаимосвязь процессов катаболизма и анаболизма, на их сходство и отличия, на взаимопревращения различных видов энергии, лежащие в основе процесса фотосинтеза. Следует напомнить школьникам уже пройденный ими на уроках биологии материал, касающийся роли фотосинтеза в экосистеме Земли. Если ученики уже прошли в рамках обычной программы по биологии анаболические процессы клетки, то можно сопоставить уже пройденный материал с новым, более глубоким уровнем изложения в «Биохимии».

Урок 14

Цели и задачи урока:

  • познакомить учащихся с некоторыми биохимическими методиками, используемыми в научной и клинической практике;
  • развивать самостоятельное мышление учеников.

Для работы с виртуальным биохимическим практикумом имеются специальные методические указания. В курс входят пять виртуальных практикумов различной степени сложности.

  • Постановка качественных реакций на основные классы биологически активных соединений.
  • Электрофорез белков.
  • Хроматографическое разделение молекул.
  • Полярографическое исследование дыхания митохондрий.
  • Изучение метаболических процессов методом меченых атомов

Учителю рекомендуется выбирать работу на этих практикумах для каждого ученика в соответствии с результатами тестирования, проводившегося в начале каждого урока. При этом рекомендуется учитывать как общие успехи учащегося по компьютерному курсу «Биохимия», так и его результаты тестирования по тем разделам, которые имеют непосредственное отношение к данному практикуму.

Из пяти виртуальных практикумов, содержащихся в «Биохимии», «Качественные реакции на биологические молекулы» представляет собой наиболее простую виртуальную лабораторию, рекомендуемую для учащихся с невысокой успеваемостью, а также с малой заинтересованностью в предмете. Такие виртуальные лаборатории как «Изучение метаболических процессов методом меченых атомов» и «Хроматографическое разделение молекул» являются средними по уровню сложности. Виртуальные лаборатории «Электрофорез белков» и «Изучение окислительного фосфорилирования в митохондриях» являются наиболее сложными из предлагаемых, их рекомендуется использоват. д.я работы с самыми сильными и заинтересованными учениками в классе.

Учителю рекомендуется распределить учащихся по работе в виртуальных лабораториях в конце предыдущего урока. Ученикам следует указать разделы курса, которые они должны повторить перед работой на виртуальном практикуме, рекомендуется раздать им соответствующие материалы в распечатанном виде.

В самом начале урока целесообразно среди учащихся провести опрос, проверяющий степень знакомства с материалом (вопросы для каждого практикума содержатся в методических указаниях к нему). Школьники, плохо ответившие на эти вопросы, нуждаются в помощи и контроле со стороны учителя. Ученикам, успешно ответившим на вопросы, рекомендуется предоставить большую самостоятельность при работе в виртуальной лаборатории.

Оценка работы ученика в виртуальной лаборатории проводится по усмотрению учителя.

Урок 15

Цели и задачи урока: оценить качество усвоения учениками материала курса «Биохимия».

Для оценки выполнения учениками заключительной контрольной работы имеются специальные методические указания. Оптимальной организацией заключительной контрольной работы является компьютерное тестирование со стандартизованной системой оценок в баллах.

В результате обучения с использованием материалов курса «Биохимия» учащийся должен знать химическое строение и биологические функции липидов, углеводов, белков и нуклеиновых кислот, качественные реакции на эти соединения, понимать взаимосвязь между структурой и функцией данных веществ. Школьник должен знать современные представления о развитии таких заболеваний как атеросклероз и «бешенство коров», понимать их связь с химическими свойствами липидов и белков, соответственно. Ученик должен знать особенности ферментов как биологических катализаторов, иметь представление о механизмах регуляции их активности, об их значении в различных отраслях промышленности. Учащийся должен знать принципы разделения биологических макромолекул с помощью таких методов биохимического анализа как хроматография, электрофорез и изоэлектрофокусирование. Школьник должен иметь представление о приложимости второго закона термодинамики к биохимическим системам, о самопроизвольности и несамопроизвольность протекания реакций в живом организме. Ученик должен знать роль макроэргических соединений, в частности АТФ, в живой клетке. Учащийся должен знать основные этапы катаболизма питательных веществ в живой клетке, в общих чертах представлять особенности таких процессов, как гликолиз, цикл Кребса и окислительное фосфорилирование. Школьник должен понимать сходство и различие анаболических и катаболических процессов в клетке и уметь проиллюстрировать их особенности на примерах метаболизма глюкозы и жирных кислот.



Главная   Онлайн учебники   База репетиторов России   Товары для школы   Подготовка к ЕГЭ онлайн