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课时2　蛋白质是生命活动的主要承载者
阐明蛋白质通常由20种氨基酸分子组成,它的功能取决于氨基酸序列及其形成的空间结构,细胞的功能主要由蛋白质完成。
1.运用结构与功能观,认同蛋白质的功能多样性源自其结构多样性。
2.运用模型与建模,建构氨基酸脱水缩合的模型。
3.基于批判性思维,关注与蛋白质相关的社会议题,并做出理性的分析与解释,明确蛋白质在生命活动中的重要作用。
一、蛋白质的功能
蛋白质不是能量供给的主要来源,但功能多样,如肌肉中的收缩蛋白、头发中的角蛋白、红细胞中的运输蛋白、种子中的储备蛋白等,都具有特殊的生物学功能。
二、组成蛋白质的氨基酸及其种类
1.蛋白质的组成元素
主要由C、H、O、N四种元素组成,有些蛋白质还含有S元素。
2.氨基酸的结构特点
一个中央碳原子上通过共价键连接着四个基团,即一个氨基(—NH2)和一个羧基(—COOH)、一个H和一个R基团。(如图)
3.氨基酸种类
约 20种。
1.氨基酸的R基团若为—CH2—CO—CH3,请尝试写出该氨基酸的分子式。
提示:C5H9O3N。
2.组成蛋白质的氨基酸分子中都只含有一个氨基和一个羧基吗
提示:不是,大多数氨基酸分子只含有一个氨基和一个羧基,而且都连接在同一个碳原子上,但有些氨基酸的R基团含有氨基或羧基。
三、氨基酸分子结合方式——脱水缩合
1.二肽的形成过程(模式图)
2.图示分析
(1)a过程表示:脱水缩合; b结构表示:肽键,物质c名称:二肽。
(2)由2个氨基酸分子脱水缩合而成的化合物叫二肽;许多个氨基酸以肽键连成一长串的肽链,称为多肽。
四、蛋白质分子多样性的原因
五、蛋白质分子的活性
1.维持正常活性的条件
必须具有正确的空间结构。
2.活性丧失
蛋白质的空间结构并不稳定,会随着温度的升高而发生改变。蛋白质的生物学活性会随着温度的升高而发生改变。
1.高温、强酸、强碱等条件会使蛋白质的空间结构发生改变,即蛋白质变性。蛋白质变性本质是肽键的破坏吗
提示:不是,蛋白质变性只是蛋白质空间结构的改变,组成它的氨基酸的种类、数目、排列顺序并不改变,也不破坏肽键。
2.催产素、牛加压素均是由9个氨基酸组成的多肽化合物,但其生理作用彼此不同,试分析原因。
提示:因为组成它们的氨基酸种类、排列顺序以及肽链盘曲、折叠形成的蛋白质的空间结构不同,结构不同决定了二者的功能不同。
[自主学习检测]——教材基础熟记于心
1.含有一个氨基和一个羧基的化合物就是氨基酸。(　×　)
提示:氨基酸分子中,氨基和羧基必须连接在同一个中央碳原子上。
2.组成蛋白质的R基团连接在与一个氨基和一个羧基相连的中心碳原子上。(　√　)
3.蛋白质分子都是由20种氨基酸组成的化合物。(　×　)
提示:不同蛋白质分子中,氨基酸种类数不同,少则几种。
4.不同氨基酸的种类差异主要区别在R基团、氨基和羧基的数量。(　×　)
提示:不同氨基酸的种类差异主要区别在R基团,与氨基和羧基无关。
5.R基团可以是较长的链,或是环状结构。R基团中也可能含有氨基(—NH2)或羧基(—COOH),有时还含有硫原子。(　√　)
6.蛋白质分子都由一条肽链组成。(　×　)
提示:蛋白质分子由一条或几条肽链组成。
7.蛋白质和多肽分子是具有相同空间结构的化合物。(　×　)
提示:多肽与蛋白质的空间结构不同。蛋白质是多肽链经过盘曲、折叠等形成的具有一定空间结构的分子。
8.生长激素和胰岛素都是人体内对生命活动起着重要调节作用的激素,但是二者功能不同,其原因是组成蛋白质的氨基酸的种类、数目和排列顺序不同。(　×　)
提示:生长激素和胰岛素的化学本质均是蛋白质,二者功能不同,功能由结构决定,说明二者结构不同,蛋白质的结构与构成该蛋白质的氨基酸的数目、种类、排列顺序以及肽链的数目、盘曲折叠方式等均有密切关系。
任务一　探究氨基酸的种类及功能
[任务突破]
运用概念图分析组成蛋白质的氨基酸的结构与种类
[迁移应用]
[典例1-1] (2022·绿谷联盟高一月考)下列分子中,与构成生物体的蛋白质的氨基酸分子式不相符的是(　D　)
A.
B.
C.
D.H2N—CH2—CH2—COOH
解析:组成蛋白质的氨基酸分子中,至少含有一个氨基和一个羧基,且连接在同一个碳原子上,只有D项与构成蛋白质的氨基酸分子通式不相符。
[典例1-2] 如图为氨基酸分子的结构通式,下列叙述正确的是(　D　)
A.氨基酸脱水缩合产生水,水中的氢来自②和③
B.每个氨基酸分子都只有一个①和一个③基团
C.结构④可含有的氨基或羧基参与脱水缩合
D.结构④为—CH3的氨基酸可以由其他化合物转化而来
解析:氨基酸脱水缩合产生水,水中的氢来自③羧基和①氨基;每个氨基酸都至少含有一个①和一个③基团;结构④为R基团,其中含有的氨基或羧基一般不参与脱水缩合;结构④为—CH3的氨基酸是丙氨酸,丙氨酸为非必需氨基酸,可在生物体内由其他化合物转化而来。
任务二　脱水缩合与蛋白质
合成过程中的有关计算
[任务突破]
1.归纳氨基酸数、肽链数、肽键数(或脱去的水分子数)之间的关系
(1)链状多肽:由于脱水缩合过程中,每形成一个肽键,就会形成一个水分子,因此有氨基酸数=肽链数+肽键数(或脱去的水分子数)。
(2)环状多肽:氨基酸数=肽键数=脱去的水分子数。
2.明确蛋白质中氨基和羧基的数目
结合氨基酸结构特点及脱水缩合过程,分析可知:
(1)每一条肽链中至少含有一个游离氨基和一个游离羧基,分别位于肽链的两端;环状肽主链中可以不含游离的氨基和羧基,环状肽中氨基、羧基数取决于构成环状肽氨基酸R基团中氨基、羧基的数目。
(2)蛋白质中游离氨基总数=肽链数目+R基团中的氨基数目;蛋白质中游离羧基总数=肽链数目+R基团中的羧基数目。
3.运用质量守恒的方法分析蛋白质的相对分子质量
由脱水缩合的关系式可知,反应物的总量=产物的总量。由此得出,蛋白质的相对分子质量=氨基酸数目×氨基酸的平均相对分子质量-脱去的水分子数×18。
4.归纳蛋白质中含有的N、O原子数
(1)由于N原子存在于肽键、氨基或R基团中,因此,N原子数=肽键数+肽链数+R基团上的N原子数=各氨基酸中N原子总数。
(2)由于O原子存在于肽键、羧基或R基团中,因此,O原子数=肽键数+2×肽链数+R基团上的O原子数=各氨基酸中O原子总数-脱去水分子数。
(3)由n个氨基酸脱水缩合形成的一条多肽链中,至少含有n个N原子,至少含有(n+1)个O原子。
[迁移应用]
[典例2-1] 如果组成蛋白质的20种氨基酸的平均相对分子质量为128,测得某种含有三条肽链蛋白质分子的相对分子质量为11 384,该蛋白质分子所含的肽键数是(　C　)
A.110 B.103 C.100 D.97
解析:设该蛋白质分子所含肽键数为N,则该蛋白质所含的氨基酸数目=肽链数+肽键数=N+3;蛋白质相对分子质量=氨基酸平均相对分子质量×氨基酸个数-水的个数×18,即11 384=128×(N+3)-18×N,解得N=100。
[典例2-2] 如图表示某种蛋白质中相关基团和氨基酸数目,下列有关图中蛋白质的叙述,正确的是(　B　)
A.此蛋白质共有 2 条肽链
B.此蛋白质的 R 基团中共含有 22 个氨基
C.共有 98 个肽键
D.99 个氨基酸形成此蛋白质时,共减少的相对分子质量为 1 764
解析:该蛋白质中,羧基的总数为26,R基团上的羧基数目是23,所以此蛋白质含有的肽链数=羧基总数-R基团上羧基数目=26-23=3(条);由题意可知,氨基总数=R基团上氨基数目+肽链数,所以此蛋白质的R基团中共含有25-3=22(个)氨基;肽键数=氨基酸数-肽链数=99-3=96(个);形成此蛋白质时,共减少的相对分子质量为96×18=1 728。
任务三　探究蛋白质的结构与功能的关系
[任务突破]
1.运用模型理解蛋白质结构多样性与功能多样性的关系
2.辨析蛋白质结构的认知误区
(1)高温、过酸、过碱都会造成蛋白质空间结构不可逆的改变,致使蛋白质失去生物学活性;低温只是抑制蛋白质的功能,未造成蛋白质空间结构的改变,不会造成蛋白质生物学活性的丧失,如酶的保存应选择在低温下。
(2)蛋白质中的N元素存在于R基团、氨基及肽键,主要存在部位为肽键。
(3)氨基酸脱水缩合时,H来自氨基(—NH2)和羧基(—COOH),O来自羧基。因此,肽键断裂水解时,H的去处为氨基和羧基,O的去处仅是羧基。
(4)通常情况下,一条肽链至少有一个游离的氨基和一个游离的羧基,二者分别位于肽链的两端。
[迁移应用]
[典例3-1] (2022·精诚联盟高一联考)组成人体蛋白质的氨基酸约有20种,但是构成的蛋白质有1010～1012种。下列不属于构成蛋白质种类多样的原因是(　B　)
A.氨基酸的数目成千上万
B.氨基酸脱水缩合的方式不同
C.肽链盘曲折叠方式千差万别
D.氨基酸排列顺序千变万化
解析:构成蛋白质种类多样的原因包括氨基酸的数目成千上万、氨基酸排列顺序千变万化及肽链盘曲折叠方式千差万别;但氨基酸脱水缩合的方式均相同。
[典例3-2] 蛋白尿是诊断肾炎的重要依据,也是评定肾炎治疗效果的重要指标之一,鉴定尿中是否有蛋白质常用加热法来检验。以下说法正确的是(　D　)
A.加热使蛋白质的肽链充分伸展并断裂
B.加热使蛋白质发生变性,其原理与盐析相同
C.加热可使蛋白质中氨基酸的排列顺序发生改变
D.加热后的蛋白质分子比加热前更容易被蛋白酶水解
解析:加热后,蛋白质的空间结构发生改变,但是肽链不会断裂;盐析是蛋白质的物理性质,析出的蛋白质的结构不变,因此蛋白质不会变性;加热改变蛋白质的空间结构,不会改变氨基酸的排列顺序;加热会使蛋白质的空间结构发生变化,空间结构松散,比加热前更容易被蛋白酶水解。
基础达标练
1.(2022·杭州高一期末)人类食用奶制品、豆制品、肉类、禽蛋等富含蛋白质的食物消化后主要是为了吸收(　B　)
A.蛋白质 B.氨基酸 C.肽键 D.角蛋白
解析:富含蛋白质的食物在消化道内会被蛋白酶水解为氨基酸,消化后主要是为了吸收氨基酸,用于合成自身的蛋白质。
2.(2022·浙江高一三校联考)下列有关蛋白质的叙述中,错误的是(　D　)
A.蛋白质都至少含有C、H、O、N四种元素
B.蛋白质分子由一条或几条多肽组成
C.大豆种子中含有丰富的储备蛋白
D.蛋白质发生热变性后不影响其功能
解析:每种蛋白质都至少含有的元素是C、H、O、N,有的蛋白质还含有S等元素;蛋白质分子由一条或多条多肽链组成,且都具有独特的空间结构;大豆种子蛋白质含量比较高;蛋白质热变性后,空间结构
改变,其功能会发生改变。
3.(2023·温州质检)两个氨基酸缩合成肽并生成水,这个水分子中的氢原子来自氨基酸的(　D　)
A.氨基 B.羧基
C.R基团 D.氨基和羧基
解析:两个氨基酸分子脱水缩合形成肽时,一个氨基酸上的氨基和另一个氨基酸上的羧基通过脱水缩合的方式形成肽键,同时氨基上的“-H”和羧基上的“-OH”结合生成水。所以水分子中的氢原子来自氨基酸的氨基和羧基。
4.烫发时,先用还原剂使头发角蛋白的二硫键断裂,再用卷发器将
头发固定形状,最后用氧化剂使角蛋白在新的位置形成二硫键。这一过程改变了角蛋白的(　A　)
A.空间结构 B.氨基酸种类
C.氨基酸数目 D.氨基酸排列顺序
解析:据题意可知,烫发时,头发角蛋白的二硫键断裂,在新的位置
形成二硫键,故这一过程改变了角蛋白的空间结构。
5.(2022·舟山高一质量检测)下图是某二肽分子结构示意图。下列相关表述错误的是(　D　)
A.①是肽键 B.②⑤统称为R基团
C.③是羧基 D.④是氨气
解析:①是肽键;②⑤统称为R基团,能决定氨基酸种类;③是羧基;
④是氨基。
6.(2022·绍兴高一期末)蛋白质是生命活动的主要承载者,下列关于组成生物体蛋白质的叙述,错误的是(　B　)
A.组成蛋白质分子的氨基酸约有20种
B.蛋白质分子的空间结构仅与碳骨架有关,而与R基团无关
C.某些物理因素可改变蛋白质的生物学活性
D.蛋白质也能作为生命活动的能源物质
解析:蛋白质的基本组成单位是氨基酸,氨基酸的种类由R基团决定,故蛋白质的空间结构不仅与碳骨架有关,而且也与R基团有关。
7.下列关于二肽的叙述正确的是(　B　)
A.二肽中有两个肽键
B.二肽中至少有一个—NH2
C.形成二肽时生成2分子H2O
D.所有的二肽分子都是相同的
解析:二肽中有一个肽键;二肽中至少有一个氨基;形成二肽时生成
1分子水;组成蛋白质的氨基酸约为20种,因此不同的氨基酸脱水缩合形成的二肽分子不同。
8.科学家发现了生物体内的第21种氨基酸——硒半胱氨酸(R基团为—CH2—SeH)。由两个硒半胱氨酸和三个谷氨酸(R基团为—CH2—CH2—COOH)所构成的含有一条肽链的化合物,其名称、游离羧基数目分别为(　C　)
A.五肽,1 B.四肽,4 C.五肽,4 D.五肽,3
解析:①由两个硒半胱氨酸和三个谷氨酸所构成的含有一条肽链的化合物共含有2+3=5(个)氨基酸,由5个氨基酸构成的化合物为五肽;
②硒半胱氨酸的R基团中不含羧基,谷氨酸的R基团中含有1个羧基,所以由两个硒半胱氨酸和三个谷氨酸所构成的含有一条肽链的化合物中含有的游离羧基数=肽链数+3个谷氨酸的R基团中含有的羧基数=1+1×3=4(个)。
9.用氨基酸自动分析仪测定两种肽类化合物的氨基酸数目,结果如表所示。表中两种物质的氨基酸数目虽然相同,但其生理作用截然不同,下列解释错误的是(　C　)
化合物名称 降钙素 胰高血糖素样多肽
氨基酸数目 34个 34个
A.多肽形成的空间结构不同
B.氨基酸的种类不同
C.脱水缩合形成多肽的方式不同
D.氨基酸的排列顺序不同
解析:构成两种化合物的氨基酸数目尽管相同,但氨基酸种类、排列顺序不同会导致二者的结构不同,进而导致功能不同,此外,多肽形成的空间结构不同,也会导致二者的功能不同;氨基酸脱水缩合形成多肽的方式是相同的,均是发生在氨基与羧基之间。
10.下列关于氨基酸和蛋白质的叙述,错误的是(　B　)
A.缬氨酸的R基团是—C3H7,则它的分子式是C5H11O2N
B.分子式为C63H105O45N17S2的一条(非环状)多肽化合物中,最多含有
肽键数目是17个
C.两个氨基酸脱水缩合过程中失去的H2O中的氧来源于羧基
D.10个氨基酸构成的一条多肽链至少有9个肽键,称为十肽
解析:根据氨基酸分子结构通式可知,在氨基酸分子中除R基团外,分子中含有的原子为C有2个、H有4个、O有2个、N有1个,因此缬氨酸的分子式是C5H11O2N;氨基酸脱水缩合的过程中不会丢失N原子,若构成该蛋白质的氨基酸的侧链基团均不含N原子,则每个氨基酸只含1个N原子,此时该蛋白质含N原子数目最少,与构成该蛋白质的氨基酸的数量相同,该化合物分子中含有17个N原子,则最多有17个氨基酸参与构成该肽链,则最多含有肽键数目是16个;氨基酸脱水缩合的过程中,失去的水分子是由羧基提供的氧和羧基和氨基提供的氢组成的,因此两个氨基酸脱水缩合过程中失去的H2O中的氧来源于羧基;
10个氨基酸构成的多肽称为十肽,10个氨基酸构成的一条多肽链至少有10-1=9个肽键。
11.(2022·浙江高一三校联考)如图表示一分子的胰岛素原在高尔基体内切去甲肽(图中箭头表示切点)可转变成由α、β两条肽链构成的有活性的胰岛素,2条多肽链间通过2个二硫键(二硫键是由2个—SH连接而成的)连接,在α链上也形成1个二硫键(图中数字表示氨基酸序号),据此回答下列问题。
(1)组成胰岛素的基本单位是　　　 　。蛋白质具有多样性的原因之一是其基本单位的种类、数目和　　　　存在差异。
(2)有活性的胰岛素由　　 　个氨基酸分子组成,其中含有肽键　　　个,至少有　　　个氨基。
(3)人体中胰岛素的含量过低,会导致相应的病症,其治疗办法不能口服胰岛素,只能注射,原因是　　　　。
解析:(1)胰岛素属于蛋白质,基本单位是氨基酸。蛋白质具有多样性的原因之一是其基本单位氨基酸种类、数目和排列顺序存在差异。
(2)据图可知,图中胰岛素两条肽链共51个氨基酸,形成的肽键数=氨基酸数目-肽链数=51-2=49个;蛋白质中至少含有的氨基数=肽链数,故胰岛素中至少含有2个氨基。
(3)胰岛素化学本质是蛋白质,口服会被消化酶消化,失去其功能,
故胰岛素只能注射,不能口服。
答案:(1)氨基酸　排列顺序　(2)51　49　2 (3)胰岛素是蛋白质,口服会被消化
12.第十三届国际蛋白质和多肽大会会议的主题为“永续解码生命的本质与功能”。如图表示表皮生长因子(EGF)的结构。图中的字母为氨基酸的缩写,例如CYS代表半胱氨酸,且半胱氨酸之间可以形成二硫键(—S—S—,由两个—SH脱去两个H形成),图中的数字代表氨基酸的序号。回答下列问题。
(1)通过蛋白质解码生命本质的原因是
　;
氨基酸是生物体中蛋白质的基本组成单位,区别不同氨基酸的依据是　　　　　　,不同氨基酸在结构上具有的共同特点是　
　。
(2)EGF的组成元素有　　　　　　。EGF中共有　　　　个肽键。
(3)EGF具有促进细胞分裂的功能,该蛋白质的功能由其结构直接决定,一般蛋白质的结构多样性与
　　　　　　　　　　　 　有关。高温使蛋白质变性的原因是　 。
解析:(1)通过蛋白质解码生命本质的原因是蛋白质是生命活动的主要承载者。氨基酸是生物体中蛋白质的基本组成单位,区别不同氨基酸的依据是R基团不同,不同氨基酸在结构上具有的共同特点是至少有一个氨基(—NH2)、一个羧基(—COOH),而且都有一个氨基和一个羧基连接在同一个碳原子上,这个碳原子还连接一个氢原子和一个侧链基团,这个侧链基团用R表示,R基团不同,氨基酸不同。
(2)EGF中含有二硫键,所以EGF的基本组成元素有C、H、O、N、S。EGF中共有53个氨基酸形成一条多肽链,所以含有53-1=52(个)肽键。
(3)蛋白质的功能由其结构直接决定,一般蛋白质的结构多样性与氨基酸的数目、种类、排列顺序和蛋白质的空间结构有关。高温使蛋白质变性的原因是高温破坏了蛋白质的空间结构,使蛋白质永久失活。
答案:(1)蛋白质是生命活动的主要承载者　R基团不同　至少都含有一个氨基和一个羧基,并且都有一个氨基和一个羧基连接在同一个碳原子上,还有一个—H
(2)C、H、O、N、S　52
(3)氨基酸的数目、种类、排列顺序和蛋白质的空间结构　高温破坏了蛋白质的空间结构
综合提升练
13.(2022·金华十校高一上学期期末)如图为某短肽分子的结构
示意图。下列叙述错误的是(　D　)
A.该短肽形成时需脱去4个水分子
B.该短肽R基团有4种
C.该短肽分子中含有一个氨基和一个羧基
D.该短肽分子由5种氨基酸经脱水缩合后形成
解析:该短肽是由5个氨基酸脱水缩合形成,该过程脱去了4个水分子,形成了4个肽键;由题图可知,该短肽的5个氨基酸的R基团共有4种;该短肽分子的R基团中没有氨基和羧基,因此该短肽只有一个游离的氨基和一个游离的羧基。
14.绿色荧光蛋白是从发光水母中分离出来的一种结构蛋白,其相关数据如表所示。若其R基团上的羧基和氨基不会脱水形成肽键,则下列相关叙述错误的是(　D　)
氨基酸数目 126 R基团上的羧基数 15
游离羧基总数 17 游离氨基总数 17
A.R基团上的氨基有15个,该蛋白质含有2条肽链
B.该蛋白质水解时,水分子中的氢参与形成氨基和羧基
C.合成一分子该蛋白质时脱去水的相对分子质量为2 232
D.该蛋白质中的N主要存在于游离—NH2中
解析:该蛋白质共含有17个游离的羧基,其中有15个在R基团中,
说明该蛋白质含有2条肽链;氨基酸经脱水缩合形成蛋白质时,脱去的水中的氢来自氨基酸中的羧基和氨基,所以该蛋白质水解时,水分子中的氢参与形成羧基和氨基;合成该蛋白质时脱去了124个水分子,则合成一分子该蛋白质时脱去水的相对分子质量为124×18=2 232;该蛋白质中的N主要存在于肽键中。
15.赖氨酸是人体必需氨基酸,缺乏会影响体内蛋白质的合成,出现营养不良。赖氨酸是否也是大鼠的必需氨基酸呢 某兴趣小组利用下列材料和用具就此问题进行了探究,请补充并完善下列实验方案。
材料和用具:20只生长发育状况相同的正常幼年大鼠、分装在不同试剂瓶中的20种氨基酸、不含蛋白质和氨基酸的食物、秤、天平等。
(1)实验方案:
①配食:

配制成食物A(对照组);

　　　　　　　　　　　配制成食物B。
②分组:将20只大鼠平均分成甲、乙两组,分别称量其体重。
③饲喂:甲组每天饲喂适量的食物A;
　。
④观测:　 。
(2)实验结果预测及结论:
①若两组大鼠营养状况和体重基本相同,则赖氨酸不是大鼠的必需氨基酸。
②若
　。
解析:由题意可知,本实验的目的是探究赖氨酸是否是大鼠的必需氨基酸。实验原理是若赖氨酸是必需氨基酸,缺乏则会影响体内蛋白质的合成,出现营养不良;若赖氨酸不是必需氨基酸,缺乏则不影响体内蛋白质的合成,不会出现营养不良。实验的自变量是食物中是否含有赖氨酸;实验的因变量是大鼠的营养状况和体重。根据实验目的、
原理设计实验方案。
答案:(1)①取一定量的不含蛋白质和氨基酸的食物,加入含量和比例适宜的20种氨基酸　另取等量的不含蛋白质和氨基酸的食物,加入除赖氨酸以外的19种氨基酸,其含量和比例与食物A中相同
③乙组每天饲喂与食物A等量的食物B,两组大鼠其他饲养条件相同且适宜
④分别测量甲、乙两组大鼠的体重,并计算体重增加量
(2)②乙组大鼠出现营养不良、体重增加量小于甲组大鼠,则赖氨酸是大鼠的必需氨基酸

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