Методические прийоми по систематизації і узагальнення знань щодо структури біополімерів в шкільному курсі химии

Школьный курс органічної хімії постійно вимагає систематичного узагальнення пройденого матеріалу, оскільки вивчення органічних сполук залежить від розгляду складу, структури та властивостей окремих речовин до характеристиці гомологического деяких обласних і класу. Таке узагальнення, у тому числі розгляд раніше вивченого матеріалу, сприяє закріплення пройденого і виробляє у учнів вміння систематизувати отримані знання. Однак цьому узагальнюючий матеріал практично дається знає органічної хімії стосовно тільки в мономерным сполукам. Оскільки роль полімерів виключно велика як у природі, і у побуті, засвоєння учнями поглядів на будову і властивості полімерів має важливого значення щодо всіх природних дисциплин.

Нова шкільна програма по хімії передбачає вивчення таких біополімерів, як полісахариди, білки, й нуклеїнові кислоти. Методичним проблемам вивчення біополімерів в шкільному курсі хімії присвячена справжня работа.

Зазвичай методичні складно щодо нуклеїнових кислот з їх складного багаторівневого будівлі. Школярі запам’ятовують окремі елементи молекули нуклеїнової кислоти, але, зазвичай, що неспроможні показати їх взаємозв'язок для формування полімерної ланцюга. Ці складнощі у значною мірою може бути подолані при системний підхід, коли структура кожної конкретної биополимера описується з єдиних позицій, з допомогою основних понять і визначень хімії полімерів. Оскільки всі біополімери мають ряд подібних властивостей, то системний підхід, який би ці подібності, сприятиме формування в учнів більш цілісного ставлення до класі цих сполук, у цілому. Першими представниками біополімерів, із якими знайомляться учні, є полісахариди — крохмаль і целюлоза. Перш ніж надавати їх характеристику, необхідно нагадати учням розмову про явище полімеризації, з яких вони зустрічався щодо непредельных вуглеводнів і альдегідів. Маючи ці знання, слід викладу матеріалу про будову полісахаридів з допомогою таких понять, як структурне ланка і рівень полімеризації. З іншого боку, з прикладу крохмалю і целюлози, можна вже запровадити такі загальні поняття хімії полімерів, як ковалентный остов і радикали. Під ковалентным кістяком розуміється частина молекули полімеру, що є послідовність однакових елементів, пов’язаних ковалентными зв’язками. Радикалами в хімії полімерів називається сукупність атомів чи хімічних угруповань, що з ковалентным кістяком, але з пов’язаних друг з одним. У цих термінах крохмаль, наприклад, описується, як полімер, що з залишків.

?- глюкози, з'єднаних зв’язками типу 1,4. Ковалентный остов такий полисахаридной ланцюга включає атоми пиранозных кілець, а ролі радикалів виступають метоксильные групи:

Тут же запровадити таке загальне для біополімерів поняття, як полярність ланцюга, звернувши увагу учнів різні властивості першого заступника та останнього залишків глюкози: в першого залишку гликозидный гидроксил бере участь у освіті зв’язку з другим залишком, а останньому ланці цей гидроксил вільний і, як наслідок, може теоретично розпочинати реакцію з цими окислювачами, як оксиди срібла і міді, подібно вільним молекулам глюкози. Відповідно до цим один кінець полисахаридной ланцюга називається невосстанавливающим, а інший — восстанавливающим.

Всі ці характеристики, тобто. хімічну природу елементів ковалентного остова, тип зв’язок між ними, хімічну природу радикалів і прояв полярності, входить у поняття первинної структури полімеру. У кількох випадках, коли полімер освічений разнокачественными структурними ланками, тобто. хімічну природу радикалів різна, в поняття первинної структури включається така характеристика, як порядок чергування структурних звеньев.

У живої клітині молекули біополімерів, зазвичай, перебувають над витягнутої формі, а компактно складено, що зменшує їх линейшые розміри. Універсальної формою компактній укладання все типів біополімерів є спіраль. Спосіб розташування у клітині біополімерів і параметри спіралей, такі як діаметр, крок, число структурних елементів однією виток, кут нахилу тощо., входить у поняття вторинної структури. Так, молекули целюлози мають витягнуту веретенообразную форму, а молекули амилозы (лінійного компонента крохмалю) скручені в спіраль, що забезпечує їх понад компактну вкладання в крохмальних зернах. На один виток такий спіралі доводиться шість пиранозных кілець. Спирализованы також окремі полигликозидные ланцюжка амилопектина (розгалуженого компонента крохмалю). Тут слід пояснити, що характерна синя забарвлення при реакції крохмалю з иодом обумовлена саме взаємодією йоду зі спіральними ділянками крохмалю, коли молекула йоду вбудовується всередину спіралі. Отже, вже в прикладі полісахаридів вводяться такі поняття, як первинна і вторинна структура биополимера.

З метою систематизації вивченого матеріалу і наочного уявлення спільності будівлі полісахаридів доцільно під час уроку виконати з учнями завдання з заповнення таблиці, що характеризує всі ці з'єднання з єдиних позиций:

Таблиця 1.

Структурна Полисахариды.

характеристика полісахаридів крохмаль целлюлоза.

Структурне ланка ?, D-глюкопираноза ?, D-глюкопираноза.

Хімічна природа ковалентного остова полисахадный остов з атомів пиранозных колец.

Тип зв’язку в ковалентном кістяку 1,4-гликозидная.

Хімічна природа радикалів метоксильная группа.

Полярність відновлюють і невосстанавливающие концы.

Вторинна структура спіраль випростана форма.

З тих самих позицій ми пропонуємо будувати заняття щодо білків. Спочатку доцільно назвати загальну опис молекул амінокислот, виділивши ті частини у яких, яка бере участь у освіті пептидних зв’язків. З положень цих частин молекул амінокислот складається остов полипептидной ланцюга. Решта частин молекул амінокислот, пов’язані з цим полипептидным кістяком, але з пов’язані друг з одним, називаються радикалами:

Характеризуючи первинну структуру білків, необхідно звернутися до загальним поняттям, запровадженим щодо полісахаридів, і описати білок як полімер, структурними ланками якого є залишки ?-амінокислот, з'єднані друг з одним пептидными зв’язками. У цьому учні, знаючи механізм освіти пептидной зв’язку, може вже самостійно дійти невтішного висновку про полярності полипептидной ланцюга, тому що в одній з кінцевих амінокислот залишається вільної ?- аминогруппа (це N-конец ланцюга), а й у інший — ?-карбоксильная група (це С-конец ланцюга). Слід зазначити, що білок належить до биополимерам, освіченим з разнокачественных структурних ланок (у складі білків можуть входити 22 виду амінокислот), тому в описах первинної структури конкретного білка слід вказувати порядок розташування амінокислот у його молекулі. Потім можна можливість перейти до характеристиці вторинної структури білків, звернувши увагу учнів на спільність такого принципу у структурі біополімерів, як спирализация, забезпечує їх компактну упаковку у клітині. У цьому слід особливо наголосити, що у спіраль згорнуть полипептидный остов, а пов’язані з нею радикали розташовуються зовні, поза спіралі. З іншого боку, слід звернути увагу учнів те що, в усіх білків полипептидный остов однаковий, унаслідок чого однакові і параметри спіралі, такі як крок, кут нахилу, діаметр та інших. На один виток такий спіралі доводиться 3,6 амінокислотних залишку, крок спіралі становить 0,54 нм, діаметр 1,0 нм. А, щоб учні переконалися, що ковалентные остови всіх білків однакові, незалежно від хімічних особливостей які входять у білок амінокислот, можна надати їм завдання скласти структурні формули пептидів (наприклад, трипептидов: глицил-серил-аланин і цистеинил-тирозил-лизин) і далі порівняти будова їх ковалентного остова. Потім учням пропонується самостійно охарактеризувати білки, використовуючи таблицю 2:

Таблиця 2.

Структурна характеристика белка.

Структурне ланка ?, L-аминокислоты.

Хімічна природа ковалентного остова пептидный остов з атомів ?-аминоі ?-карбоксильных груп, і з ?-вуглецевих атомов.

Тип зв’язку в ковалентном кістяку пептидная.

Хімічна природа радикалів радикали аминокислот.

Полярність Nі С-концы.

Вторинна структура спираль.

Під час вивчення нуклеїнових кислот необхідно спочатку дати опис мононуклеотидов як структурних ланок, підкресливши, що нуклеїнових кислот входять лише нуклеозид-5-фосфаты з азотистими підставами в кето-форме. Тут же відзначити, такі нуклеотиди подібні за будовою з АТФ (аденозинтрифосфорная кислота), відіграє важливу роль таких фізіологічних процесах, як м’язове скорочення, переміщення рухливих клітин, у вищій нервової діяльності. Після цього можна описати нуклеїнову кислоту як «полімер, структурними ланками якого є мононуклеотиды, з'єднані фосфодиэфирными зв’язками». Перш ніж розбирати механізм реакції освіти нуклеїнових кислот, зручно запровадити спільне схематичне зображення молекул мононуклеотидов.

При освіті нуклеїнових кислот мононуклеотиды з'єднуються фосфодиэфирными зв’язками, які замикаються між залишком цукру одного мононуклеотида і залишком фосфорної кислоти другого:

У такий спосіб молекулах нуклеїнових кислот ковалентный остов освічений чередующимися залишками цукру й фосфорної кислоти, а пов’язані з кістяком азотисті підстави відіграватимуть роль радикалов.

При даному типі зв’язку з одного боку сахаро-фосфатного остова завжди перебуватиме залишок цукру («цукровий» кінець), але в іншому — залишок фосфорної кислоти («фосфатне» кінець), тобто. ланцюга нуклеїнових кислот є полярними, як й ланцюги полісахаридів і белков.

За підсумками введеної загальної форми записи для молекули нуклеїнової кислоти можна показати різницю між РНК і ДНК, які проявляються в типі цукру й у традиційному наборі азотистих оснований.

Компоненти нуклеїнових кислот РНК ДНК.

Цукор Рибоза Дезоксирибоза.

Азотисті підстави Аденин (А) Гуанін (Р) Цитозин (Ц) Урацил (У) Аденін (А) Гуанін (Р) Цитозин (Ц) Тимин (Т).

З іншого боку, молекули РНК і ДНК різняться за кількістю ланцюгів. Молекула РНК складається з ланцюжка, і схема її будівлі то, можливо записана як.

Молекула ДНК і двох ланцюгів. Ланцюги ДНК є антипараллельными (протилежно орієнтованими) і пов’язані одне з одним з допомогою взаємодії комплементарных підстав: аденін з'єднується водневими зв’язками з тиміном, а гуанін — з цитозином.

Отже, схема будівлі ДНК має вигляд:

При формуванні вторинної структури молекули нуклеїнових кислот утворюють специфічні просторові конфігурації, основу яких лежить спираль.

Молекула ДНК по всьому своєму протязі закручується в спіраль, і те що вона з двох ланцюгів, виходить конфігурація типу гвинтовій драбини, звана «подвійний спиралью».

Одноцепочечные молекули РНК на окремі ділянки складаються отже друг проти друга виявляються комплементарные підстави, тобто. утворюються пари У і Г-Ц. Такі ділянки спирализуются за аналогією з двухцепочечной молекулою ДНК:

Слід звернути увагу учнів те що, що будова ковалентного сахаро-фосфатного остова однакова у межах кожного типу нуклеїнових кислот, отож, що спіралі кожного типу (РНК і ДНК) мають однакові параметри. Так, діаметр подвійної спіралі ДНК дорівнює 1,8 нм, а одному витку вкладається 10 нуклеотидних остатков.

Тут можна справити й принципова різниця спіралей білків і нуклеїнових кислот. Якщо білках радикали (залишки амінокислот) розташовуються зовні від спіралі, то нуклеїнових кислотах радикали (азотисті підстави) перебувають всередині спіралі та утворюють комплементарные пари («щаблі гвинтовій лестницы»).

Після пояснення вчителя учням пропонується самостійно заповнити таблицю 3, які мають мати вид:

Таблиця 3.

Структурна характеристика Нуклеїнові кислоты.

нуклеїнових кислот РНК ДНК.

Структурне ланка Рибомононуклеотиды з урахуванням А, Г, Ц, У. Дезоксирибомононуклеотиды з урахуванням А, Р, Ц, Т.

Хімічна природа ковалентного остова Полинуклеотидный остов з атомів рибозы і фосфорної кислоти. Полинуклеотидный остов з атомів дезоксирибозы і фосфорної кислоты.

Тип зв’язку в ковалентном кістяку Фосфодиэфирная.

Хімічна природа радикалів Пуриновые (А, Г) і пиримидиновые (Ц, У) підстави Пуриновые (А, Г) і пиримидиновые (Ц, Т) основания.

Полярність Цукрові і фосфатні концы.

Вторинна структура Подвійна спіраль з одноцепочной молекули. Подвійна спіраль з цих двох антипараллельных цепей.

Отже, перша щабель узагальнення ході вивчення окремих класів сполук досягається з урахуванням єдиного підходу описання їх структури з єдиної термінології. Запропоновані цьому етапі таблиці заповнення виконують роль алгоритмічного розпорядження, безпосередньо керуючи пізнавальної діяльністю школярів та розвиваючи вміння конкретизувати загальні поняття і її уявлення стосовно окремим сполукам.

Після вивчення всіх біополімерів можна перейти до другої, вищого щабля узагальнення — сформулювати загальні принципи будівлі біополімерів. Такими загальними принципами, очевидно, є полярність і спирализация лінійного ковалентного остова. Ці загальні принципи особливого сенсу, перебувають у тісного зв’язку з біологічної функцією даних макромолекул, тому формування в школярів глибокого і цілісного знання про структуру біомолекул є необхідною основою, природним ланкою у ланцюги межпредметных связей.

Розроблена нами методика вивчення біополімерів з допомогою підходу активізує мислительну діяльність школярів, новий турбогенератор оптимізує пізнавальний процес у всіх його формах — репродуктивної і творчої, розвиваючи вони такі прийоми мислення, як порівняння, абстрагування і узагальнення. Ефективність розробленої методики організації уроків на теми «Вуглеводи», «Бєлки» і «Нуклеїнові кислоти» підтверджено слухачами народного університету вчителів шкіл Московської области.

1. Пилипович Ю. Б., Основи біохімії, -М.: Вищу школу, 1985.

2. Девідсон Дж., Біохімія нуклеїнових кислот, -М.: Світ, 1986.

3. Ленинджер А., Біохімія, -М.: Світ, 1974.

4. Степаненко Б. М., Хімія і біохімія вуглеводів, -М., Вищу школу, 1977.