Заняття проведено у вигляді науково-практичної конференції. Студенти підготували доповіді,що охоплюють різні галузі застосування синтетичних білків та їхзначення. Наприкінці заняття для закріплення знань запропоновано дослідницькі завдання
ТЕМА ЗАНЯТТЯ : ПРОБЛЕМИ ВИВЧЕННЯ ТА СИНТЕЗУ БІЛКІВ.ЗНАЧЕННЯ БІЛКІВ.
ВИД ЗАНЯТТЯ : науково-практична конференція (засвоєння нових знань)
ТРИВАЛІСТЬ ЗАНЯТТЯ : 90хв.
ЦІЛІ ЗАНЯТТЯ:
ОСВІТНІ:оволодіти знаннями про основні шляхи синтезу білків та їх значення в народному
господарстві,закріпити практичні вміння шляхом розв’язування розрахункових і
експериментальних завдань
РОЗВИВАЮЧІ:розвиток творчих здібностей,загальний розвиток студентів
ВИХОВНІ: формування наукового світогляду,усвідомлення значимості праць українських
вчених для вивчення і синтезу білків
МІЖПРЕДМЕТНІ ЗВ’ЯЗКИ:
ЗАБЕЗПЕЧУЮЧІ : Технологія харчування, Біохімія, Мікробіологія,Комбікормове
виробництво,Органічна хімія,Аналітична хімія
ЗАБЕЗПЕЧЕНІ: Біологія “ Біосинтез білків”, Фізика “ Оптика”
ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ЗАНЯТТЯ:
А.НАОЧНІ ПОСІБНИКИ : таблиці “ Амінокислоти”, “ Біосинтез білків”, “Твердофазний
синтез білків”
Б.РОЗДАТКОВИЙ МАТЕРІАЛ : варіанти завдань для дослідницьких груп
В.ТЗН: слайди “ Поліконденсація -амінокапронової кислоти.Конденсація адипінової
кислоти і гексаметилендіаміну”
Г.УЧБОВІ МІСЦЯ: лабораторія хімії,неорганічної та органічної хімії
ЗМІСТ ЗАНЯТТЯ
І.ОРГАНІЗАЦІЙНИЙ МОМЕНТ.
Відмітити відсутніх,відповісти на запитання студентів.
ІІ.ПОВІДОМЛЕННЯ ТЕМИ,МЕТИ І ЗАВДАНЬ ЗАНЯТТЯ.МОТИВАЦІЯ УЧІННЯ.
Тема заняття-конференції:Проблеми вивчення та синтезу білків.Значення білків.
План:
1.Синтез білків.Проблеми вивчення та синтезу білків.Досягнення українських вчених у вивченні білків.
2.Значення білків в різних галузях народного господарства.
Синтез простої білкової молекули – нелегке завдання для людини, в той час,як живі клітини легко синтезують ці макромолекули(як уже відомо з курсу біології). Нам належить з’ясувати основні шляхи синтезу білків- як хімічні,так і біохімічні.При вивченні питання “Значення білків” коло проблем,які розглядатимуться,звузиться до окремих моментів,як-от:
- харчова промисловість- створення синтетичної білкової їжі,випікання хліба;
-комбікормове виробництво – мікробіологічний синтез білкових добавок до кормів;
-текстильна промисловість- виготовлення синтетичних волокон;
-медицина- виникнення молекулярних захворювань,пов’язаних із біосинтезом білків.
Для розгляду цих питань студенти підготували наукові повідомлення.
Практична частина конференції призначена для того,щоб виявити,якими навичками володіють студенти для вирішення питань синтезу білків і для виявлення білків в розчині за вмістом амінокислот.
І частина
Синтез білків.Проблеми вивчення та синтезу білків.Досягнення українських вчених у вивченні білків.
Методи вивчення : частково-пошуковий метод,ілюстрація
ІІІ-І. ВІДТВОРЕННЯ І КОРЕКЦІЯ ОПОРНИХ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Форми контролю: фронтальне опитування,індивідуальний контроль.
1.З яких речовин синтезуються білки в живих організмах?
2.Скільки відомо амінокислот,що входять до складу природних білків?Скільки існує варіантів їх поєднань в молекулі білка?
3.Яка реакція лежить в основі синтезу білків з амінокислот?Записати рівняння реакції,пояснити її проходження.
4.Як називається зв’язок,яким сполучаються між собою залишки амінокислот в молекулі білка і речовина,яка утворюється внаслідок реакції поліконденсації?
ІV-І.СПРИЙМАННЯ І ОСМИСЛЕННЯ СТУДЕНТАМИ НОВИХ ЗНАНЬ
ВИСТУПИ СТУДЕНТІВ НА ТЕМУ:
ІСТОРІЯ ВИВЧЕННЯ І СИНТЕЗУ БІЛКІВ
Штучне одержання білків було актуальним питанням вже в ХІХ столітті,коли стало відомо, що білки побудовані з -амінокислот за допомогою пептидних зв’язків.Перші синтези низькомолекулярних пептидів було здійснено німецьким хіміком Фішером в 1903-1907 роках.
Фішер синтезував декілька олігопептидів з гліцину і лейцину.У вивченні структури і властивостей білків видатна роль належить Данилевському,Зелінському,Садікову, а також зарубіжним вченим:Гофмейстеру,Бергману,Шрому,Сенгеру.
В 1955 році вчений Сенгер працював з білковим гормоном – інсуліном – речовиною,яку вважають невеликою білковою молекулою,скоріше поліпептидом,так як він містить 51 амінокислоту.Десятирічна праця над встановленням структури білка завершилась відкриттям, за яке Сенгер в 1969 році одержав Нобелівську премію.В основі роботи Сенгера лежить розщеплення білкової молекули на окремі фрагменти,визначення амінокислотної послідовності в цих фрагментах,а потім- складання з цих фрагментів теоретично знову білкової молекули. Удачею,звичайно,виявилось те,що Сенгер мав набір ферментів,здатних розщеплювати білкові молекули в певних місцях,наприклад,пептидні зв’язки при амінокислотах,що містять гідроксогрупу або бензольне кільце.Після того,як фрагмент ланцюга відщеплено,його піддають звичайним методам виділення (за допомогою хроматографії або електрофорезу).
Пізніше було встановлено послідовності амінокислот в молекулах багатьох десятків білків: гемоглобіну,рибонуклеази,білка вірусу тютюнової мозаїки.
Дослідники будови білка користуються рентгеноструктурним аналізом,який доповнюється рядом інших додаткових методів.Довжина хвилі рентгенівських променів – 1А0,а електронів – 0,05 А0,що сумірно з розміром атомів.Розсіюючись на атомах досліджуваної кристалічної речовини,ці хвилі дають складну дифракційну картину,за якою судять про положення атомів в просторі.Таким чином дослідники визначили положення атомів і амінокислот в структурі близько 20х білків.
ХІМІЧНІ СПОСОБИ СИНТЕЗУ БІЛКІВ
Отже,якщо відома послідовність амінокислот в молекулі білка,то, очевидно, є можливість синтезувати його з них,маючи певні хімічні досягнення? Але синтез пептидів пов’язаний з рядом труднощів:
-по-перше,для синтезу необхідні оптичні ізомери L-ряду -амінокислот,які обертають площину поляризованого світла вправо,в той час,як в процесі експерименту вдається одержувати рацемати – суміші оптичних ізомерів D- i L- ряду в співвідношенні 1:1.
-по-друге,потрібні спеціальні прийоми для регуляції послідовного утворення пептидних зв’язків в бажаній послідовності,до яких належать: захист аміногруп,активація карбоксильних груп,численна кількість спеціальних реагентів.
Найбільш загальним методом розділення рацематів є кристалізація або хроматографія. Використовують також біологічний і ферментативний поділ рацематів.
Перший спосіб заснований на тому,що багато мікроорганізмів зазвичай використовують лише один ізомер в той час,як інший накопичується в розчині.
Ширше застосовують ферментативні методи.Спеціальні ферменти каталізують хімічні перетворення тільки одного оптичного ізомера.
Для розділення рацематів можна використовувати також хроматографію на хіральних сорбентах.
Іншим шляхом одержання -L-ізомерів амінокислот є асиметричний синтез,суть якого полягає в тому,що в молекулі створюють асиметричний атом таким чином,що при цьому добувають лише один оптичний ізомер.Асиметричний синтез в живих організмах забезпечується високоспецифічними хіральними ферментами.В колбі такий синтез здійснити важко, це вдається тільки в присутності оптично активних речовин – каталізаторів.В більшості випадків вихід оптичного L –ізомера низький.
Синтез штучних білків насправді став можливим після винаходу В.Меріфілда в 1962 році - твердофазного синтезу пептидів.В цьому методі нарощування пептидного ланцюга проходить на поверхні твердого гранульованого полімеру,який містить активні групи CH2Cl, CH2OH,до яких амінокислота прив’язується зв’язком складного ефіру.В якості полімеру використовують сополімер полістирола з дивінілбензолом,або хімічно активовані полісахариди
Після нарощування ланцюга поліпептид відщеплюють від полімеру дією суміші HBr + CF3COOH.Автоматизованим способом такого синтезу одержані гормон інсулін,фермент рибонуклеаза (124 амінокислоти),інші поліпептиди і прості білки.
Твердофазний синтез пептидів https://www.youtube.com/watch?v=wtUTcehgpZ0
БІОХІМІЧНІ СПОСОБИ СИНТЕЗУ БІЛКІВ
В живому організмі білки синтезуються під прямим контролем генетичного матеріалу клітини і під дією ферментів.Інструкції,необхідні для синтезу цих ферментів та всіх інших білків, що закодовані в ДНК,знаходяться в ядрі клітини,але в 50х роках ХХст. було досліджено,що синтез білка проходить в цитоплазмі і в ньому беруть участь рибосоми.Отже,повинен існувати якийсь механізм,що переносить генетичну інформацію з ядра в цитоплазму.
В 1961 році французькі біохіміки Жакоб і Моно визначили,що таким посередником є матрична РНК.Таким чином,якщо експериментатор має в своєму розпорядженні м-РНК,свого роду відпечаток гена, то це означає одержання ним самого гена,а внаслідок цього – синтез конкретного білка.Відкрились нові можливості біотехнологічного синтезу білків методами генної інженерії.
Якщо перенести відомий ген в мікроорганізм,забезпечивши його функціонування,біосинтетичний апарат бактеріальної клітини почне синтезувати необхідний нам білок.Так сталось з геном інсуліна.Його навчились виділяти з організму людини і тварин,а потім одержувати методами матричного і хімічного синтезу.Помістивши його в ДНК звичайної кишкової палички,тобто,модифікуючи генетичний апарат мікроорганізмів,добились суттєвого виходу унікального гормону.
Було налагоджено генноінженерні технології одержання інтерферону людини – білка,який виробляється в організмі у відповідь на вірусну інфекцію; ферменту лактази,що здійснює розщеплення молочного цукру в організмі і широко застосовується в медицині і харчовій промисловості.
Методи одержання генів,які кодують білки,почали розроблятись в Інституті біоорганічної хімії ім.Шемякіна.
Українські вчені також працювали над фундаментальними і прикладними аспектами синтезу білків. В інституті біохімії ім.А.В.Палладіна успішно з’ясовано регуляторну роль амінокислот в процесах біосинтеза білка,а також механізми модифікації білків після трансляції. Вивчались механізми утворення фібрину,плазміну.Проводились дослідження білків крові в Кримському медінституті,міоглобінів – у Львівському держуніверситеті. В інституті молекулярної біології і генетики Академії наук України вивчено структурно- функціональні основи участі транспортної РНК в регуляції трансляції під час синтезу білків.
Визначним досягненням українських вчених є одержання транскриптази віруса мієлобластозу домашніх птахів ,який являється інструментом для синтезу генів. В інституті мікробіології ім. А.В.Заболотного одержано штами – продуценти різних білків,запропоновано методи добування кормових білків за допомогою мікроорганізмів з рослинних відходів.
ВІДПОВІДІ НА ЗАПИТАННЯ.
ІІ частина
Значення білків в різних галузях народного господарства
Методи вивчення : частково- пошуковий,демонстрація.
ІІI-ІІ. ВІДТВОРЕННЯ І КОРЕКЦІЯ ОПОРНИХ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ
Форма контролю : фронтальне опитування
1.Які функції і значення білків в живому організмі?
2.Які амінокислоти називають незамінними? Назвати їх.
3.Як ви розумієте поняття “поживна цінність” білків?
ІV-ІІ. СПРИЙМАННЯ І ОСМИСЛЕННЯ СТУДЕНТАМИ НОВИХ ЗНАНЬ.
ВИСТУПИ СТУДЕНТІВ НА ТЕМУ:
ЗНАЧЕННЯ БІЛКІВ У ХЛІБОПЕКАРСЬКІЙ ПРОМИСЛОВОСТІ
Якщо шматок пшеничного тіста відмивати у воді від крохмалю і частинок оболонок,то залишиться сильно гідратована,пружна і еластична клейковина,яка складається в основному з білків.Завдяки клейковині з пшениці одержують хліб високої поживності, з приємним смаком,пружним і еластичним м’якушем.Під час замішування пшеничного борошна з водою її білки поглинають воду і набухають,злипаючись в масу тіста.
Сира клейковина містить в середньому 65% води.Клейковина пшеничного борошна відрізняється від білків насіння інших рослин своїми унікальними реологічними властивостями, які є основою хлібопекарської цінності пшеничного борошна.Реологічні властивості клейковини визначаються агрегатним станом її білків,причому міцна клейковина відрізняється від слабкої більшою густиною білкових частинок.Взаємодія складових частин білків,як і інших компонентів клейковини,створюється і підтримується багатьма формами зв’язків:дисульфідними,водневими,сольовими і т.д.Кількість всіх цих зв’язків і міцність білкового агрегату змінюються в часі в залежності від стану зерна,його дозрілості та свіжості.
Пшенична клейковина складається з двох речовин: білків – гліадіну,розчинного в спирті і глютеніну,розчинного в лугах.Значення клейковини полягає в тому,що вона формує тісто, утворює при набуханні суцільну пружну сітку,яка сполучає, в свою чергу, в компактну пружну масу всі речовини борошна.При внесенні в тісто дріжджів в результаті процесу бродіння виділяється вуглекислий газ,який розтягує клейковину.Спочатку суцільний шматок тіста починає швидко збільшуватись в об’ємі (підійматись).До кінця бродіння тісто набуває пористу будову.Розпушене тісто,яке складається з величезної кількості бульбашок,стінки яких утворені в основному клейковиною,закріпляється в такому вигляді під час випікання хліба,утворюючи характерну пористу структуру хлібного м’якуша.
Отже,клейковина – важливий фактор хлібопекарської цінності пшеничного борошна.Від неї залежить газоутримуюча здатність тіста,а відповідно- об’єм і структура хліба.
Слабка клейковина не може створити в тісті білковий каркас необхідної міцності, тому слабке тісто погано утримує вуглекислий газ.
Клейковина зерна жита за своїми фізичними властивостями нагадує слабку клейковину зерна пшениці з низькою пружністю і еластичністю, що надає відповідну форму житньому хлібу
https://www.youtube.com/watch?v=qkGAxYss0Bg
СТВОРЕННЯ СИНТЕТИЧНОЇ БІЛКОВОЇ ЇЖІ
Загострення продовольчої ситуації в світі в умовах низького середньорічного приросту виробництва на душу населення,напруженого продовольчого балансу,нестачі засобів для закупівлі продовольства,періодичного коливання об’єму виробництва в маловрожайні роки може привести до кризових наслідків,різко знижуючи рівень харчування,здоров’я і навіть чисельність населення окремих регіонів...
Щодня при достатньому харчуванні людина споживає 100г білків,450г вуглеводів і 100г жиру.Чи можна цю кількість перетворити в смачну і різноманітну синтетичну їжу?
Майже всі природні сирі білки їжі не мають запаху і смаку – їх їм надають речовини,які з’являються під час варіння,смаження або запікання поживної сировини в результаті взаємодії білкових амінокислот з цукрами і жирами.Отже,синтетична їжа повинна містити білки вже з певними технологічними якостями.
Відомо,що будь-яке смакове відчуття складається з чотирьох інгредієнтів: солодкого,солоного,кислого,гіркого.Для цих смаків на язиці людини є рецептори – тобто, кожний смак можна легко і точно підібрати.Складніше розв’язати питання про запах,який би асоціювався зі смаком.
Для поліпшення і підсилення смаку багатьох харчових продуктів можуть застосовуватись суміші амінокислот.В певних співвідношеннях вони створюють смаки цибулі,крабів,риби,соєвого соусу,курячого та м’ясного бульйону.Смак може створювати як суміш амінокислот,так і глутаміновий натрій,а запах дають суміші піридину,
піперидину,триметиламіну.
Біологічна цінність створюваних харчових білків залежить від того,наскільки амінокислотний склад суміші білків,яка споживається,відповідає амінокислотному складу ідеальної їжі.
Отже,проблеми одержання синтетичної їжі зводяться до проблем синтезу харчових білків та процесів їх переробки в нові форми їжі.
Для виробництва харчових білків потрібні відповідні розробки процесів їх виділення,які включають їх денатурацію,забезпечують достатній рівень очистки від токсичних,антихарчових речовин.До найбільш продуктивних джерел харчового білка відносять насіння олійних,бобових,зернових культур,біомасу трав,дріжджів та інших мікроорганізмів,а також вторинну сировину харчової (шроти насіння олійних культур,відходи виробництва крохмалю),молочної (знежирене молоко і молочна сироватка) і м’ясної промисловості(кров, субпродукти ІІ категорії і т.д.)
ПРОБЛЕМИ СТВОРЕННЯ СИНТЕТИЧНОЇ БІЛКОВОЇ ЇЖІ
Проблеми,які виникають в зв’язку з одержанням нових форм їжі з білків,умовно поділяють на 2 групи:
Є певні напрацювання в одержанні нових форм молочних і м’ясних продуктів.Найбільший розвиток одержали молочні продукти на основі білків сої,коров’ячого молока.В Індії для цих цілей використовують білки арахісу і кокосового горіха.Одержало розвиток і виробництво аналогів вершків,молочних паст,сиру,творога,кисломолочних продуктів.В США дуже популярним є замінник морозива – меллорін,добутий на основі рослинних олій.
Для одержання м’ясопродуктів- комбінованих продуктів з рубленого і подрібненого м’яса та м’яса волокнистої структури в якості гелеутворюючих систем застосовують білкові емульсії і суспензії.Білковою сировиною служить соя,молочний казеїн,білки насіння олійних культур,пшенична клейковина,яєчний альбумін.
Наприклад,розглянемо коротко технологію виробництва білків,які застосовуються для одержання м’ясних фаршів.Спочатку в розчині NaOH розчиняють білки бобів сої,потім суміш фільтрують,подають у кислотно-сольову ванну.Там розчин білка переходить в гелеподібний стан.Волокна білків передають в наступні ванни – розчину оцтової кислоти,розчину кухонної солі,нейтралізаційну.Далі білкові волокна висушують,нарізають і добавляють емульсію тваринних жирів,харчові барвники,ароматизатори та одержують м’ясний продукт.
Штучне м’ясо https://www.youtube.com/watch?v=s-qJFZdNRaA
МІКРОБІОЛОГІЧНИЙ СИНТЕЗ БІЛКІВ ДЛЯ КОМБІКОРМОВОГО ВИРОБНИЦТВА
Найцінніші білкові продукти дають сільськогосподарські тварини,отримуючи в той же час недостатньо білкової їжі в рослинних кормах.Крім того,рослинні корми неповноцінні,так як в них недостатньо незамінних амінокислот.Найкращою білковою добавкою для тварин може стати мікробна біомаса.
Цінність мікробної біомаси визначається вмістом в ній амінокислоти лізину,важливих вітамінів,мікроелементів та унікальних харчових факторів.При одержанні мікробної біомаси в якості сировини і субстратів використовують меласу,сироватку молока,відходи целюлозної і деревообробної промисловості,нафту,парафін,метанол,етанол. Вміст білка в біомасі знаходиться в прямій залежності від швидкості росту мікробів.Для широкомасштабного промислового виробництва використовують дріжджі роду Candida і бактерії Methylophillus.
На заводах по виробництву білково-вітамінного концентрату застосовують дріжджі,вирощені на парафінах. З 1 т такого концентрату додатково отримують 1,5-2 т м’яса птахів або 0,8т свинини.
ЗНАЧЕННЯ СИНТЕЗУ БІЛКІВ В МЕДИЦИНІ
Помилки в синтезі білків,який проходить на матричній РНК,можуть виникати внаслідок різних сторонніх причин.З вивчення таких помилок,що передаються у спадок,почались дослідження молекулярних захворювань.До молекулярних захворювань,зв’язаних з синтезом білків,порушенням обміну амінокислот, відносять:
Це лише деякі з захворювань,пов’язаних із синтезом білків в людському організмі.Молекулярним біологам,генетикам,біохімікам ще належить розробити ефективні методи лікування таких хвороб.
СИНТЕТИЧНІ ВОЛОКНА
Важлива роль в розробці теорії і практики одержання синтетичних волокон,схожих за структурою до білків,належить академікам Кнунянцу,Коршаку,Несмеянову.
В молекулах синтетичних поліамідних смол молекули амінокислот, як і в природних білках, також зв’язані між собою пептидними зв’язками,але в утворенні молекул беруть участь не
-амінокислоти.
Так,синтетичне волокно капрон побудовано з залишків -амінокапронової кислоти.Воно широко використовується для виробництва риболовного знаряддя,одягу і як шовний матеріал в хірургії.Загальні риси будови капрону нагадують поліпептидні ланцюги білків шерсті.Подібну будову має і енант,побудований з залишків аміноенантової кислоти.
Найлон- продукт конденсації адипінової кислоти і гексаметилендіаміна,за структурою дещо схожий на капрон.З капрону,енанту і найлону одержують синтетичні волокна.
ВІДПОВІДІ НА ЗАПИТАННЯ.
ІІІ частина
V. ЗАКРІПЛЕННЯ ЗНАНЬ
Проводиться за допомогою дослідницької,проблемно-пошукової діяльності студентів.
Форма організації контролю: групова.
Студентам пропонується вирішити такі завдання:
1.Запропонувати шлях синтезу поліпептиду,що складається з залишків амінокислоти гліци- ну,якщо вихідною речовиною для синтезу є глюкоза.
2.Як дослідним шляхом довести наявність амінокислот фенілаланіну та метіоніну в складі білка курячого яйця? Дати пояснення.
3.Відомо,що в реакцію синтезу білка, який містить 0,32% Сульфуру (1 атом),вступило 25г амінокислоти метіоніну.Розрахувати,яку масу білка можна добути,якщо його практичний вихід становить 40%.
VI. ПІДВЕДЕННЯ ПІДСУМКІВ.
На основі виступів студентів можна сформулювати такий загальний висновок: знаючи способи синтезу білків та їх будову і склад,можливо прогнозувати новітні шляхи створення синтетичної їжі,вплив білків на технологічні процеси в харчовій промисловості і якість харчових продуктів,визначати властивості поліамідних волокон,навчитись лікувати важкі спадкові захворювання.
VII.ПОВІДОМЛЕННЯ ДОМАШНЬОГО ЗАВДАННЯ