Учитель биологии. У живых организмов сформировались две системы иммунитета - клеточная и гуморальная. Такое разделение функций иммунной системы связано с существованием двух типов лимфоузлов - Т-клеток и В-клеток.

Клеточный иммунитет - при взаимодействии с антигеном Т-лимфоциты, несущие на мембране рецепторы, способные распознать этот антиген, начинают размножаться и образуют клон таких же Т-клеток. Клетки этого клона вступают в борьбу с несущими антиген микроорганизмами или вызывают отторжение чужеродной ткани.

В-лимфоциты распознают антиген таким же образом, как и Т-клетки, но реагируют иначе. Они синтезируют антитела, которые нейтрализуют антигены. Рассмотрим физические и химические свойства белков.

Физические свойства белков

Учитель физики. Почему белки стали предметом изучения не только биологии, химии, но и физики? Все дело в сложности и многообразии живого организма. Точно описать все его характеристики и закономерности до сих пор не представляется возможным средствами одной какой-либо науки. Например, белки обладают особенностями, несвойственными никаким другим органическим соединениям. К их числу относят многообразие физических и химических превращений, внутримолекулярные взаимодействия, способность изменять структуру при внешнем воздействии и возвращаться в исходное состояние после прекращения воздействия.

Достижения физики сделали возможным исследование основ жизни на молекулярном уровне.

По спектрам молекул определяют энергетические параметры происходящих процессов.

На основе электронографических и нейтронографических исследований определяют расстояния между атомами в молекулах.

Методом рентгеноструктурного анализа или с помощью ядерного магнитного резонанса можно установить распределение электронной плотности в молекуле исследуемого вещества. О свойствах молекул какого-то соединения можно судить по показателю преломления света, дипольному моменту, поляризации, магнитной проницаемости вещества. В последнее время быстро развиваются методы, основанные на использовании микроволновой области радиочастот и ультрафиолетового излучения. В частности, проводятся эксперименты по «реставрации» структуры ДНК с помощью мягкого ультрафиолетового излучения.

Ученик (сообщение). По определению физика - наука о формах движения и взаимодействия материи. Но сюда же можно включить и различные формы движения и взаимодействия живой материи, поскольку в определении не уточняется, о каких формах материи идет речь. Например, в последнее время ученых интересуют следующие процессы в живых организмах:

- механизм восприятия световой информации;

- распространение нервного импульса;

- прочность костей и сухожилий;

- работа внутренних органов, ее механическая модель;

- явление акустики в живой природе и т.д.

В частности, большой интерес вызывают сократительная и структурная функции белков. Ведь именно в результате взаимодействия белков и процессов, происходящих внутри них, человек двигается в пространстве, сокращается и расслабляется сердце и т.п. Структурная функция белков заключается в том, что они составляют основу строения организма (коллаген соединительной ткани, кератин волос, ногтей и кожи, эластин соединительной ткани стенок и др.). Именно от этих двух функций белков зависит устройство, масса, надежность и другие параметры живого организма. Анализ работы любого механизма требует изучения характеристик его составных частей.

Плотность белков с сравнима со средней плотностью водной оболочки нашей планеты. Это позволяет человеку удерживаться на поверхности воды при минимальных затратах энергии (уравновешивание силы тяжести и Архимедовой силы - условие плавания тел).

Небольшое значение модуля упругости Е позволяет судить об эластичности мышечной ткани, содержащей до 80% белка в сухом остатке (обезвоженная мышечная ткань). Об эластичности и мягкости белкового тела говорит также значение предела прочности на растяжение или временного сопротивления в. Для сухожилий связок Е = 1000-1500 МПа, в = 50-70 МПа, для костей Е = 23 000 МПа, в = 100-120 МПа. (У многих металлов Е имеет порядок 103-104 МПа, а в - порядок 103.) Материалы с такими характеристиками позволили создать человеческое тело легким, прочным, гибким. Механические конструкции живых организмов обладают максимальной надежностью при минимальном расходе материала.

Белковая ткань имеет незначительное удельное электрическое сопротивление, а, следовательно, большую электропроводность. Эта особенность широко используется в природе живыми организмами. Например, некоторые рыбы благодаря электрорецепторам реагируют на электрические поля напряженностью всего 0,1 мкВ/см, что позволяет им эффективно охотиться.

Большое значение величины удельной теплоемкости и теплопроводности необходимо живому организму для эффективного отвода избытка энергии из организма за счет теплообмена с окружающей средой. Меньшее значение этих величин привело бы к повышению температуры тела. Проблема переохлаждения решается еще проще. У животных, обитающих в холодном климате, существует дополнительный жировой слой с низким значением теплопроводности. При смене температуры животное избавляется от жирового запаса, т.е. происходит саморегулирование теплового обмена с окружающей средой.

Учитель предлагает учащимся самостоятельно сформулировать вывод о значении параметра «удельная теплота сгорания» и записать его в тетрадь.

Химические свойства белков

Учитель химии. Химические свойства белков определяются строением и характером радикалов. Именно радикалы обеспечивают исключительное разнообразие химических реакций белков и оказывают существенное влияние на их функциональную активность.

Ученик (сообщение). Одним из общих свойств белков является гидролиз. Гидролиз происходит при нагревании белков с растворами кислот или щелочей или при действии ферментов. Конечный продукт гидролиза - аминокислоты. Так, полный гидролиз одного трипептида приводит к образованию трех аминокислот. (Демонстрируется схема гидролиза, рис. 8.)

Рис. 8. Схема гидролиза трипептида

Гидролиз белков сводится к расщеплению полипептидных связей. Таким же образом происходит и переваривание белков. Во время пищеварения белковые молекулы гидролизуются до аминокислот. Аминокислоты хорошо растворимы в водной среде, они проникают в кровь и поступают во все ткани и клетки организма.

Здесь большая часть аминокислот расходуется на синтез белков различных органов и тканей, в том числе гормонов, ферментов и других биологически важных веществ, а остальная часть - на энергию.

Учитель химии. Белки, как и другие вещества, можно узнать с помощью качественных реакций.

Учащиеся проводят лабораторные опыты - цветные качественные реакции на полипептиды.

Опыт 3. Биуретовая реакция

К 2-3 мл раствора белка в пробирке добавьте 2-3 мл 10%-го раствора гидроксида натрия. К полученной смеси прилейте 2-3 мл раствора сульфата меди(II). Пробирку встряхните и наблюдайте изменение цвета.

Опыт 4. Ксантопротеиновая реакция

В пробирку налейте 2 мл раствора белка и добавьте по каплям 0,5 мл концентрированного раствора азотной кислоты. Осторожно нагревайте пробирку и наблюдайте изменение цвета.

Опыт 5. Обнаружение белка в мясном бульоне

Поместите в пробирку кусочек мяса и залейте его водой. Нагрейте пробирку до температуры кипения воды и 2-3 мин кипятите содержимое (тем самым получите бульон).

Отфильтруйте бульон через марлю с помощью воронки в другую пробирку. Определите наличие белка в бульоне с помощью биуретовой и ксантопротеиновой реакций. Сделайте вывод.

Опыт 6. Обнаружение натуральной шерсти

Подожгите шерстяную нить. Сделайте вывод о признаках горения.

Ученик (сообщение). Из биологии известно, что многие белки имеют спиральную вторичную структуру. Другой пример вторичной структуры - в виде гармошки (-структура, рис. 9).

Рис. 9. Вторичная структура белка в виде гармошки

Структуру поддерживает сила взаимодействия между карбонильным кислородом (С=О) и атомом водорода при азоте - водородная связь. Водородная связь противостоит тепловому движению звеньев, стремящемуся разорвать эту структуру.

Учитель химии. Что же происходит при повышении температуры? Из курса физики 10-го класса мы знаем, что температура - величина, характеризующая интенсивность движения атомов. Температура прямо пропорциональна среднеквадратичной скорости атомов и среднекинетической энергии (Е = m2/2 = 3/2kT). Поэтому повышение температуры (увеличение внутренней энергии движения) вызывает увеличение амплитуды колебаний атомов звеньев структуры. Следовательно, увеличивается расстояние между атомами, связываемыми водородной связью. При больших амплитудах колебаний водородная связь разрушается, при этом увеличивается нагрузка на соседние связи спиральной структуры, и в конечном итоге структура белка быстро распадается (рис. 10).

Рис. 10. Разрушение вторичной структуры белка при нагревании

Молекула после разрушения связей тоже «расползается», она больше не может противостоять хаосу теплового движения. Вступает в действие механизм внутренней подвижности - повороты звеньев вокруг валентных связей цепи. Макромолекула приобретает новую конфигурацию (она сворачивается в клубок - как бы плавится). Изменяя температуру в обратном направлении, т. е. понижая степень хаоса, можно вновь получить макромолекулу исходной структуры.

Однако при дальнейшем повышении температуры возникает угроза разрыва связи С-С в первичной структуре, т.к. расстояние между атомами С составляет 0,153 нм, а это значительно больше, чем длины связей С=О и С-N - 0,124 и 0,132 нм соответственно (см. рис. 9). При достижении некоторой критической температуры связь С-С разрывается. Происходит разрушение макромолекулы. Самопроизвольное восстановление цепи макромолекулы на этом этапе уже невозможно.

Учитель предлагает учащимся вопросы для письменного ответа в тетрадях.

Вопросы по свойствам белков

1. Что означает термин «удельная теплота сгорания»? Что означает запись «q = 5650 ккал/кг»?

2. Какая структура белка разрушается при гидролизе?

3. Почему невозможен самопроизвольный процесс восстановления связи С-С при понижении температуры после денатурации?

4. Известно, что для взрослого человека необходимо 1,5 г белка на 1 кг массы тела в день. Зная массу своего тела, определите суточную норму потребления белка для своего организма.

5. Почему при отравлении людей солями металлов (Нg, Сu, Pb) используют молоко?

Учитель химии. Сегодня мы говорим о том же, о чем говорили ученые в конце XIX в. Они связывали белок с живыми организмами, считали, что свойства живого организма во многом зависят от свойств белка. Живой организм находится постоянно под воздействием внешних факторов, способных вызвать денатурацию белка. Как влияют на белок соли тяжелых металлов, вы уже видели на примере биуретовой реакции.

Запомните: как можно меньше контакта с солями, содержащими ионы Pb2+, Сu2+, Нg2+ и др. Мы должны приложить все силы к тому, чтобы оставить чистыми почвы и воды нашим потомкам. Не менее губительное действие на живой организм оказывают и органические вещества, например этанол. Проведите опыт 7. Выводы о вреде алкоголя необходимо не только записать, но и запомнить на всю жизнь.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17