Протеомика: зачем изучать белки и как это делать

Многие задумываются о том, как же в нас, настолько сложно организованных существах, каждую клетку что-то заставляет исправно работать изо дня в день. Ответ прост: работа в клетках осуществляется белками - веществами, которые мы получаем с пищей и имеем с рождения в составе клеток. На белках лежат почти все обязанности для поддержания жизнедеятельности. С их помощью можно воссоздавать и настраивать целые живые системы, абсолютное большинство современных биологических исследований не обходятся без исследования белковых структур, а помогает их изучать наука протеомика!

Наши ученики 10 медицинского класса погружаются в эту науку на уроках химии, биологии и занятиях внеурочной деятельности.
Так, ребята на уроках химии подробно познакомились со строением и свойствами белков, узнали, что белки являются высокомолекулярными непериодическими полимерами, мономерами которых служат аминокислоты, а в ходе лабораторной работы с помощью качественных реакций обнаружили белки в биологических объектах. Биуретовая реакция служит для обнаружения пептидных связей в пептидах и белках. Взаимодействие слабощелочных растворов белков с раствором сульфата меди дает фиолетово-синее окрашивание.

А ксантопротеиновая реакция позволяет обнаружить в растворах ароматические аминокислоты, такие как фенилаланин, тирозин и триптофан. При нагревании с концентрированной азотной кислотой белки, содержащие данные аминокислоты дают желтое окрашивание.

Параллельно на уроках биологии обучающиеся познакомились с четырьмя структурами белковых молекул. А на практике пронаблюдали явление, называемое денатурацией белка (потеря белком своей структуры) и выявляли факторы, приводящие к ней. Для этого раствор яичного белка подвергали воздействию концентрированных кислот, сульфата меди, поваренной соли и высокой температуры. Выявили степень их влияния на структуру белков и сделали соответствующие выводы.

Белки составляют более 50% от массы сухого вещества клетки и выполняют самые разнообразные функции. Каждый слышал слово «инсулин», гормон, вырабатываемый поджелудочной железой. Так, инсулин — это не просто гормон, а первый белок, у которого была определена последовательность аминокислот, за это Фредерик Сенгер получил первую Нобелевскую премию. Помимо гормонов, существуют также белки строительные, входящие в состав клеточных мембран, кожи, ногтей и волос, белки транспортные (гемоглобин, переносящий кислород к клеткам нашего организма, защитные (антитела, вырабатываемые клетками иммунной системы), сигнальные (рецепторы органов чувств) и каталитические.

Изучив функции белков, ребята подробнее остановились на каталитической функции и в малых группах выполнили две лабораторные работы по активности ферментов.

Ферменты, или энзимы – вещества белковой природы, являющиеся биологическими катализаторами. В отсутствии ферментов биохимические реакции останавливаются и клетка погибает.

В ходе лабораторной работы «Активность фермента амилазы» ученики изучили действие фермента амилазы слюны, ее специфичность и изменение активности под воздействием различных факторов. Амилаза входит в состав слюны человека и расщепляет углеводы в ротовой полости.

Еще один важный и самый быстродействующий фермент, расщепляющий пероксид водорода (токсичное для клеток соединение) на воду и кислород называется каталаза и находится во всех живых клетках. Именно благодаря изучению работы этого фермента стало возможным использование перекиси водорода как антисептического средства в медицине, так как оно механически очищает кожу и слизистые от бактерий, благодаря высвобождению активного кислорода. Учащиеся устанавливали наличие каталазы в живых клетках растений и животных, доказывали ее специфичность и активность в физиологической среде.

А теперь поговорим о том, как же возможно изучать белок?

Все прозвучит куда сложнее, чем есть на самом деле, но на практике проводить все эти исследования невероятно интересно.

Существует много методов изучения белков: хроматография, масс-спектрометрия, иммуннологические методы, белковое секвенирование, рентгеноструктурный анализ, электрофорез, ультрацентрифугирование. Эти методы позволяют охарактеризовать первичную, вторичную, третичную, четвертичную структуры, функции, белковые взаимодействия.

Оборудование медицинского класса позволяет применить некоторые из этих методов на практике. Например, с помощью метода электрофореза можно выделить определенные белки из общей клеточной массы.

Метод основан на движении заряженных белковых макромолекул различного молекулярного веса в стационарном электрическом поле.
А метод хроматографии был применен на уроках биологии при изучении темы «Фотосинтез». Ребята выполнили практическую работу «Экстракция и разделение пигментов зеленого листа». А ведь пигменты в составе листа – это тоже белки.

Хроматография - это метод разделения и определения веществ, основанный на распределении компонентов между двумя фазами - подвижной и неподвижной. Неподвижной (стационарной) фазой служит твердое пористое вещество. Подвижная фаза представляет собой жидкость или газ, протекающий через неподвижную фазу.

И в заключении изучения столь важной и обширной темы ученики 10 класса посетили технопарк Российского биотехнологического университета, где повторили пройденный на уроках материал и познакомились с растительными белками на примере глютена.

Глютеном называется группа сложных растительных белков — глютенина и глиадина, которые содержатся в зерне ряда злаковых, в частности, в ячмене, ржи, пшенице, овсе и родственных им культурах, а также в их производных вроде полбы и булгура.

В сухом виде этот протеин не имеет вкуса и запаха, но при соединении с водой по консистенции становится похож на кисель или клей, из-за чего его также называют клейковиной. При нагревании он образует эластичные, хорошо тянущиеся сети, благодаря которым все ингредиенты теста и углекислый газ «склеиваются» между собой, что обеспечивает хлебу, макаронам и подобным им продуктам необходимую текстуру.

Среди населения бытует мнение об отрицательном воздействии глютена на организм человека. Еще несколько лет назад слово «глютен» было знакомо только узкому кругу специалистов. Сегодня продукты без этого «коварного вещества» стараются выбирать даже подростки, во многом следуя за знаменитостями, которым отказаться от клейковины посоветовали их диетологи, фитнес-тренеры и специалисты по здоровому образу жизни.
Но так ли страшен глютен на самом деле, как его описывают маркетологи, зарабатывая на безглютеновых диетах миллиарды? Такой вопрос был предложен ученикам для раздумий.

Оказалось, что белок не приносит существенного вреда здоровью, а богатые им продукты могут стать основой правильного и полезного питания. Цельные зерна, содержащие глютен, такие как ячмень и рожь, обеспечивают организм полезной клетчаткой, витаминами и микроэлементами.

А вот навредить он может только людям с целиакией, у которых врожденная генетическая невосприимчивость к глютену. Но таких людей с непереносимостью глютена насчитывается в среднем около 1% от общей численности населения Земли. Поэтому ребята сделали вывод, что не стоит исключать из своего рациона питания данный белок.

А чтобы доказать присутствие глютена в пшеничной муке и его отсутствие в кукурузной, ученики провели лабораторную работу по осаждению белков. Осадок образовался только в пробирке с пшеничной мукой. Следовательно, кукурузная мука глютена не содержит и может быть аналогом пшеничной для людей с целиакией.

Такой интегрированный подход к изучению темы «Белки» в 10 классе может позволить решить целый ряд задач, которые не всегда можно реализовать в рамках традиционных подходов, например, это повышение мотивации учебной деятельности, рассмотрение понятий, которые используются в разных предметных областях; организация целенаправленной работы с мыслительными, показ межпредметных связей и их применение при решении разнообразных задач.

#ШКОЛА950 #ДОНМ #Предпрофкласс