Формування поняття фермент у шкільному курсі біології і зв`язок з шкільним курсом хімії

ВСТУП

Одним з фундаментальних понять, як біології, так і хімії є поняття "фермент". Вивчення ферментів має велике значення для будь-якої галузі біології, а також для багатьох галузей хімічної, харчової та фармацевтичної промисловості, зайнятих виробництвом біологічно активних речовин для медицини і народного господарства.

Тому одним з ключових понять загальної біології є поняття "фермент". У шкільному курсі біології воно починає формуватися з 1Х класу в курсі "Анатомія, фізіологія і гігієна людини". У Х класі з цим поняттям учні не зустрічаються, а в Х1 - воно дається при поясненні ряду важливих біологічних положень на якісно новому уровне.В шкільному курсі хімії поняттю "фермент" приділяється мало уваги, згадка про ферменти можна знайти тільки в Х1 класі, тому на предмет біологія випадає головна роль при знайомстві учнів з одним з головних понять біології та хімії.

Формування поняття "фермент" в курсі "Анатомія, фізіологія і гігієна людини"

Вперше з терміном "фермент" учні зустрічаються у вступній чолі курсу "Анатомія, фізіологія і гігієна людини", яка називається "Загальне знайомство з організмом людини", в ній дається загальне уявлення про життєві процеси клеткі.Здесь ж вперше дається визначення цьому поняттю: ферменти - це білки, що прискорюють хімічні перетворення, що відбуваються в клетке.Акцент, у визначенні, на білкову природу ферментів дозволяє створити учням загальне кончина про будову, склад і властивості ферментів, за аналогією з білками.

На жаль, при вивченні тем: "опорнодвигательного система", "Кров", "Кровообіг" і "Подих", які за планом вивчення анатомії йдуть після глави "Загальне знайомство з організмом людини", поняття "фермент" не згадується і, отже, не закріплюється і з активної біологічної лексики "випадає".

Нам здається, що було б целеособразнее, визначення поняття "фермент" давати учням при вивченні теми "Травлення", де на конкретних прикладах можна пояснити біологічну роль, механізм дії, значення й інші властивості ферментов.Характерной особливістю цієї теми з точки зору поняття "фермент "є те, що розбирається процес травлення дрібно, тобто окремо для кожного відділу шлунково-кишкового тракта.Ето дозволяє познайомити учнів з великою кількістю ферментів, а для них легше запам'ятати.

При вивченні цієї теми учні дізнаються, що розщеплення основних компонентів їжі являє собою складний біохімічний процес, який здійснюється за допомогою травних ферментов.Важно створити в учнів уявлення про ферменти, як суворо спецефічних групи білків: одні ферменти впливають на вуглеводи, інші на білки, треті --- на жіри.Также створити поняття про чітку функціональної спеціалізації ферментів на певні біологічні субстрати.В цій же темі дається уявлення про оптимальні умови для прояву спецефічні властивостей ферментів: температура, кислотність середовища.

При вивченні травлення в ротовій порожнині учні знайомляться з розщепленням крахмала.Здесь вони дізнаються, що в слині міститься два ферменти, які виробляються в епітеліальних клітинах слинних желез.Под дією одного з них крохмаль розщеплюється на речовини, що мають менш складні молекули - солодовий цукор, в присутності іншого ферменту солодовий цукор перетворюється на глюкозу.От вчителя учні дізнаються, що у слині міститься амилолитические ферменти: птеолін, що розщеплює крохмаль до мальтози, і мальтаза, що розщеплює мальтозу до глюкози.Условія дії ферментів слини-це слобощелочная середовище і температура 37 градусів за Цельсієм .

При вивченні травлення в шлунку учні знайомляться з новим ферментом, що містяться в шлунковому соку - пепсіном.Пепсін розщеплює білки і може діяти тільки при температурі нашого тіла і в кислому среде.Такую середовище в шлунку створює соляна кислота, що міститься в самому шлунковому соку.

Травлення в дванадцятипалій кишці промсходіт під впливом підшлункового сока.Трі ферменту цього соку діють на всі органічні соедіненія.Под впливом трипсину в основному завершується що почалося в шлунку розщеплення білків до утворення розчинних у воді амінокіслот.Под дією ліпази відбувається розщеплення жирів на гліцерин і жирні кислоти. У присутності ферменту амілази крохмаль, що не піддався травному дії слини, розщеплюється до глюкози.Ферменти підшлункового соку діють тільки в лужному середовищі при температурі нашого тіла.

При характеристиці ферментативної діяльності травних залоз, у різних відділах травного тракту, важливо звернути увагу учнів на спецефічних їх розщеплює дії на певні біологічні вещества.Так в ротовій порожнині проявляється дія ферментів, що розщеплюють крохмаль; в шлунку-розщеплюють білки; в кишечнику, під дією ферментів секрету підшлункової залози відбувається розщеплення всіх основних компонентів їжі: білків, вуглеводів і жирів.

При вивченні теми "Травлення", для кращого засвоєння матеріалу доцільно використовувати таблицю, в яку входили б відділи травного тракту; ферменти, що містяться в секреті залоз кожного з цих відділів; субстрати і продукти реакції, а також умови протікання реакції.

Наприклад:

Наприкінці нашого обговорення теми "Анатомія, фізіологія і гігієна людини" можна зробити наступні висновки: в цьому курсі учні знайомляться з ферментами в ознакоміткльном плані, їх дію на рівні всього організму.

На жаль, при вивченні інших тем даного курсу, поняття "фермент" не затрагівается.Ето дуже погано, тому що у школярів створюється враження, що ферменти беруть участь тільки в процесах піщеваренія.Поетому завдання вчителя в наступних темах, таких як "Газообмін у легенях і тканинах", "Білковий, жировий, вуглеводний обмін" не забувати знайомити учнів з ферментами, які приймають участь в цих процесах . Для учнів 9 класу не важливий механізм цієї участі, важливо, щоб вони засвоїли, що всі реакції нашого організму катализируются якимись певними ферментами.

Вже в 9 класі вчитель повинен показати важливість міжпредметних зв'язків між біологією і хіміей.Следует використовувати знання, отримані учнями при вивченні неорганічної хімііі в курсі 8-9 класів (теми: "Кисень, оксиди, горіння", "Водень", "Кислоти, солі , підстави "," Будова речовини ").

Формування поняття "фермент" в курсі "Загальна біологія"

Подальше знайомство з ферментами учні продовжують у курсі "Загальна біологія". Тут відбувається вивчення ферментів на якісно новому рівні, закладаються основи для розуміння найважливіших процесів нашого організму. У цьому курсі учні вивчають ферменти вже як частина нового класу органічних сполук, з яким вони пізніше зустрінуться в курсі "Органічної хімії". Тому для вчителя дуже важливо закласти початкові знання, які потім знадобляться на уроках хімії. Саме в цих курсах біології та хімії видно важливість міжпредметних зв'язків, яку необхідно показати і учням.

Перша тема курсу - "Вчення про клітці". Тут дається поняття ферменту як каталізатора всіх життєво важливих біохімічних реакцій, що протікають в елементарній структурної одиниці всього живого-клітці. При вивченні цієї теми учні дізнаються про внутрішньоклітинної локалізації ферментів: в мітохондріях, лізосомах, ядрі, в мембранах або на мембранах.Так зокрема, поняття "лізосома" пояснюється наступним чином: розщеплення харчових речовин за допомогою ферментів називається лізисом, звідси і назва-лізосома . Усередині них сконцентровані ферменти, які здатні розщеплювати всі харчові речовини, що надходять в клітину. "Для кращого пояснення цієї теми, а також для кращого засвоєння її учнями можна використовувати таблицю:" Локалізація ферментів всередині клітини "(Т. Т. Березів, Б. Ф. Коровкін, "Біологічна хімія", 1982р.)

Завершення розвитку поняття "фермент" відбувається в темі "Обмін речовин і перетворення енергії в клітці". У цій темі повне уявлення про фермент, ферментативної реакції, значення їх для обмена.Здесь дається учням уявлення про структуру, механізм дії, класифікації ферментов.Вводятся нові поняття, які пізніше будуть використовуватися в хіміі.Ето субстратний комплекс, кофермент, регуляторний комплекс.Процесси асиміляції і дисиміляції, їх взаємозв'язок у загальному процесі метаболізма.Также важливо пояснити, що всі ферментативні процеси регулюються. Далі в цій роботі буде розглянуто один з можливих варіантів проведення факультативного заняття з цієї теми, де вже більш детально будуть розглянуті ці питання.

Таким чином формування поняття "фермент", починається у 9 класі, йде від простого до сложному.Наіболее складний матеріал в 11 классе.Ето пов'язано з різним рівнем розвитку учнів 9 та 11 класів, з різною їх здатністю до сприйняття складного наукового матеріалу.

Завдяки тому, що учні знайомляться з поняттям "фермент" в курсі біології досить рано і майже протягом всього курсу весь час з ним сталківаютс і пізнають все глибше і глибше, це полегшує завдання вчителя в курсі хімії. А так як ми вчителя біології і хімії, то це особливо важливо для нас. На стику цих двох наук учнів важливо познайомити з проблемою використання ферментів в промишленності.Етому мало приділяється уваги, як в курсі біології, так і хіміі.Поетому можна провести окреме факультативне заняття, як з хімії, так і з біології вместе.Темой для нього послужить роль ферменту в господарському комплексі: у хімічній, харчовій, фармацевтичній промишленності.Можно дати учням теми за якими вони підготують маленькі виступи по використанню того або іншого фермента.В як матеріал на допомогу може послужити наступна таблиця:

Розробка методики факультативних занять і системи самоконтролю.

Ми хотіли б запропонувати методичні розробки для проведення факультативних занять з теми "Ферменти та їх роль". Ці заняття повинні проводитися, коли учні проходять тему "Обмін речовин і енергії в клітці". Головний зміст цих факультативних занять-це більш поглиблене вивчення учнів з ферментами та їх роллю. Це можна зробити на досить хорошому рівні, тому що до цього моменту шклольнікі вже неодноразово стикалися з поняттям "фермент" в курсі біології і проходять такі класи органічних сполук, як "Білки", "Амінокислоти" в хімії. Це дає вчителю можливість по-перше більш повно, і на якісно новому рівні говорити про біохімічні процеси, що відбуваються в організмі людини і ролі в них ферментів в курсі біології і по-друге звернути увагу учнів на важливість таких класів сполук як "Білки", " Амінокислоти "в процесах, що протікають у клітинах і в організмі в целом.Данние факультативні заняття доцільно проводити в кабінетах хімії та біології, тому що важливо провести ряд хімічних дослідів.

Заняття N1 "Знайомство з будовою ферментів, їх класифікацією, роллю в організмі".

Ферменти-речовини белкововой природи, здатні прискорювати перебіг хімічних реакцій.Роль ферментів у життєдіяльності колосальна.

Завдяки своїй функції (каталітичної) різноманітні ферменти забезпечують швидке протікання в організмі величезної кількості хімічних реакцій.В даний час виділені і вивчені сотні ферментів ізвестано, що жива клітина може містити до 1000 різних ферментів, кожен з яких прискорює ту чи іншу хімічну реакцію.

Ферменти-це ефективні біологічні каталізатори. (Поняття "каталізатор" для учнів знайоме з курсу неорганічної хімії.) Вони беруть участь у більшості хімічних перетворень, що відбуваються в організме.Все процеси, що протікають в організмі, тобто процеси метаболізму поділяються на два процеси: прцесс асиміляції і прцесс діссіміляціі.Важно дати визначення цих двох понять і це можна зробити наступним чином:

Асиміляція-безліч хімічних реакцій, здійснюваних за участю ферментів, що дозволяють використовувати надходять в організм речовини для синтезу специфічних для даного організму білків, нуклеїнових кислот, ліпідів, полісахаридів і т.д., що забезпечує зростання, розвиток, оновлення організму і накопичення запасів, які використовуються як джерела енергії.

Дисиміляція-це руйнування органічних сполук з перетворенням білків, жирів, вуглеводів, включаючи введені в організм з їжею, в прості речовини.

Так ферменти каталізують кожен з цих процессов.Такім чином ферментативні реакції поділяються на реакції синтезу (асиміляції) і реакції розпаду (дисиміляції). Ці реакції в організмі взаємозв'язані, забезпечуючи постійне оновлення тканин організму і отже сталість внутрішнього середовища організма.Важно підкреслити для учнів відмінність в протікання процесів метаболізму у аутотрофних і гетеротрофних організмов.Так у аутрофних організмів переважає процес асиміляції, тому що в процесі фотосинтезу, з неорганічних сполук, і безпосереднім використанні енергії світла, соедаются складні органічні вещества.У гетеротрофів побудова власного організму та забезпечення всіх життєвих функцій йде за рахунок енергії, одержуваної в процесі дисиміляції органічних веществ.Можно зробити висновок, що всі біохімічні процеси, протікають в клітині і в організмі, можна віднести до процесів асиміляції, або до процесів діссіміляціі.Попав всередину клітини, поживні речовина зазнає ряд хімічних змін, що каталізуються ферментами.

Тепер можна перейти до строенію.Для виконання своїх функцій ферменти мають певне строеніе.Для поглиблення уявлень учнів про структуру та класифікації ферментів можна ввести такі поняття:

1.Ферменти можуть бути протеїнами (простими білками) і протеїди (складними білками). У другому випадку до складу ферментів входить додаткова группа.Характерной особливістю ферментів-протеидов є, що ні основна білкова частина, ані додаткова група окремо не володіють каталітичною активністю. Тільки їх комплекс прявляет ферментативні свойства.Добавочная група (кофактор)-небілкового походження (іонни металів, різні органічні сполуки).

2.Фермент має такі центри:

а) Активний центр (Результати досліджень показали, що молекули більшості ферментів у багато разів більше, ніж молекули тих субстратів, які взаємодіють з даним ферментом, і що в контакт з субстратом в фермент-субстратного комплексу вступає лише невелика частина молекули ферменту, що отримала назву активного центру),

б) Субстратний центр,

в) Регуляторний центр.

Також на даному занятті необхідно познайомити учнів з класифікацією ферментов.Можно дати історичну довідку розвитку класифікації ферментов.Так по першій в історії вивчення ферментів класифікації, ферменти ділили на дві групи: 1-ускоряюшіе реакції гідролізу і 2 - на прискорюють реакції негідролітіческого распада.Затем була зроблена спроба разбітьферменти на класи за кількістю субстратів, які беруть участь у реакціі.Одновременно розвивався напрямок, де в основу класифікації ферментів був покладений тип реакції, яка піддається каталитическому воздействію.Наряду з ферментами, які прискорюють реакції гідролізу (гідро-лази), були вивчені ферменти, які беруть участь у реакціях переносу атомів і атомних груп, розщепленні, різних синтезах.

За цим принципом всі ферменти ділять на 6 класів:

1.Оксідоредуктази-прискорюють реакції окиснення-відновлення

2.Трансферази-реакції перенесення атомних груп і молекулярних залишків

3.Гідролази-реакції гідролітичного розпаду і синтезу

4.Ліази-негідролітіческое відщеплення від субстратів певних груп атомів

5.Ізомерази-реакції внутрішньомолекулярного перетворення

6.Ліпази-рекции синтезу

Заняття N2 "Властивості ферментів, механізм їх дії"

На цьому занятті потрібно більш детально дати учням поняття про субстратної і регуляторному центрах ферменту, це важливо для розуміння механізму їх дії.

Під субстратною центром розуміють ділянку молекули ферменту, відповідальний за приєднання речовини, що піддається ферментативному превращенію.Із неорганічної хімії учням відомо, що після закінчення реакції катализаторывосстанавливают свою структуру і свойства.Зная це, можна підвести учнів до висновку про освіту тимчасових прмежуточних з'єднань між ферментами і субстратами . Так фермент з'єднуючись із субстратом, утворює короткоживучий фермент-субстратної комлекс.В такому комплексі шанси на те, що реакція відбудеться возрастают.По завершення реакції фермент-субстратної комплекс розпадається на продукт (або продукти) і фермент.Фермент в реакції не змінюється.

Поняття про роботу ферментів буде неповним без розкриття проблеми регулювання їх действія.Поетому слід зазначити, що в молекулах ферментів, окрім активного і субстратного центрів, є регуляторний центр, який структурно відповідає кінцевому продукту певного етапу обмена.Достігнув певної критичної концентрації, кінцевий продукт реакції взаємодіє з центром регуляції ферменту і зупиняє роботу системи за принципом зворотного зв'язку: концентрація крнечного продукту служить сигналом виключення або запуску специфічної хімічної реакціі.Контроль та регулювання діяльності ферментів обумовлені їх молекулярною структурою, яка здатна "впізнавати" певні иещества-сигнали і підсумувати їх действіе.Важно познайомити учнів і властивостями ферментів.

1.Спеціфічность

Ферменти мають оченята високої спеціфічностью.Ета специфічність обумовлена ​​особливою формою молекули ферменту, точно відповідній формі молекули субстрата.Ету гіпотезу називають гіпотезою "ключа і замка": субстрат порівнюється в ній з ключем, який точно підходить до замку, тобто до ферменту.Далее на підставі цієї гіпотези вже в 1959 році нову інтерпретацію гіпотези "ключа і замка" запропонував Кошланд.Он робить висновок про гнучкість активних центрів ферментов.Согласно цьому припущенню, субстрат з'єднуючись з ферментом, викликає зміни в структурі последнего.Подходящей аналогією в цьому випадку може служити рукавичка, яка при надяганні на руку відповідним чином змінює свою форму.

Для підтвердження цієї властивості ферментів можна показати досвід з біохімії.

Для цього беруться 4 пробірки:

1,2 - по 2мл розчину крохмалю

3.4-за 2мл розчину сахарози

Потім у 1,3-по 0.5мл розчину слини

2,4-по 0.5мл 1% дріжджовий сахарози

Перемішуємо, на 10 хвилин у водяну баню, охолоджуємо, з пробірок

1,2 скляною паличкою беремо краплі і краплі Y2 в KY, з'єднуємо краплі-синій колір.

З пробірок 3,4-беруть по 3 мл, змішуємо з 1 мл 10% NaOH + кілька крапель 1% CuSO4 - жовтий або червоний осад (в залежності від темпер. На амілазу слини).

2.Термолабільность

Температура важливий показник ферментативного действія.Для кожного ферменту існує певний температурний оптимум, який би найбільшу актівность.За межами цього рівня швидкість ферментативної реакції сніжается.Для нагладності рекомендується продемонструвати наступний досвід:

Беруться 4 робіркі по 2 мл 1% крохмалю +0,05 мл розведеної в 10 разів слини, перемішують і ставлять у різні температурні условія.Ход гідролізу визначають по реакції з У2 (в КУ). Проби беруть через 2,4,6,8 , 10,12 мінут.По зміни забарвлення крохмалю з йодом судять про ступінь гідролізу крохмалю в кожній пробірці.

Система самоконтролю учнів.

Також у цій роботі ми хотіли б запропонувати систему самоконтролю учащіхся.Карточкі самоконтролю є звід питань по темі, що складаються преподавателем.Вопроснікі лунають школярам на дом.Дома, в процесі підготовки учнів до занять, вони шукають відповіді на поставлені питання в навчальних пособіях.Затем під час проведення фекультатівного заняття учням роздаються картки, содеожащіе 2-3 питання, що входять до складу самоконтроля.Ответи пісьменние.Такім чином перевіряються знання учнів, ступінь осмислення ними метеріала.

Самоконтроль може вирішувати кілька завдань:

1.концентрірованніе уваги школяра на ключових питаннях теми

2.постановка проблемних питань

3.самоконтроль може містити питання на повторення пройденого метеріала і зв'язок його з цим матеріалом, питання обощающего характеру.

Зразкові питання для самоконтролю:

1.Обмен речовин - поєднання і взаємозв'язок процесів асиміляції і дисиміляції.

2.Образованіе АТФ в клетке.АТФ-універсальне "паливо" клітини.

3.Локалізація ферментів вуглеводного обміну.

4.Локалізація ферментів біосинтезу білка.

5.Мультіферментатівние системи, їх локалізація і функції.

Висновки.

1.Розвиток загальнобіологічних понять, до числа яких можна віднести поняття "фермент", є теоретичною основою навчання як біології, так і хімії.

2.Развитие поняття про ферменти сприяє формуванню в учнів знань, які необхідні для розширення загального наукового кругозору.

3.В зв'язку з важливістю формування поняття "фермент", а так само через нестачу часу, рекомендуетсяпроведеніе факультативних занятій.Несколько занять розроблені нами.