【学案】 第2章　第4节　第2课时　蛋白质的结构及其多样性 生物学人教版（2019） 必修1

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第2课时　蛋白质的结构及其多样性
学有目标——课标要求必明 记在平时——核心语句必背
1.说明氨基酸形成多肽或蛋白质分子的过程。2.分析蛋白质的结构多样性与功能多样性的关系，举例说明蛋白质的结构是与功能相适应的。 1.氨基酸通过脱水缩合的方式形成蛋白质或多肽。2.蛋白质多样性的原因：组成蛋白质的氨基酸的种类、数目、排列顺序不同，肽链的数目及其形成的空间结构不同。
[主干知识梳理]
一、蛋白质的结构层次与脱水缩合
1．蛋白质的结构层次
2．脱水缩合的过程
(1)反应原理：一个氨基酸分子的氨基与另一个氨基酸分子的羧基相连接，同时脱去一分子水。
(2)过程①名称：脱水缩合。
(3)物质②名称：二肽。
(4)结构③名称：肽键。
二、蛋白质结构多样性的原因
1．蛋白质结构多样性的原因
(1)不同蛋白质含有的氨基酸种类、数目、排列顺序不同。
(2)肽链的盘曲、折叠方式及其形成的空间结构不同。
2．蛋白质结构与功能的关系
(1)蛋白质中氨基酸序列改变或蛋白质的空间结构改变，就可能会影响其功能，如人类的镰状细胞贫血。
(2)蛋白质在某些物理和化学因素作用下其特定的空间构象被破坏，从而导致蛋白质变性。
[边角知识发掘]
1．结合教材P30“图2 11 某种胰岛素的二硫键示意图”回答有关问题：
(1)该胰岛素是由_______条肽链构成的，含有_____个二硫键。
(2)二硫键的形成过程表示为－SH＋－SH→2S＋2H，在该胰岛素形成过程中，共脱去了________个H。
提示：(1)2　3　(2)6
2．血红蛋白是由4条多肽链组成的蛋白质。下图展示了血红蛋白的水解和变性过程(教材P32“与社会的联系”拓展)，回答相关问题：
(1)蛋白质变性和水解有什么区别？
提示：水解是蛋白质或者多肽中肽键断裂，分解为氨基酸的过程，和脱水缩合的过程相反。变性是蛋白质空间结构被破坏的过程，此过程肽键不断裂。
(2)食用熟鸡蛋比生鸡蛋更易于人体消化吸收，请分析其中的原因。
提示：高温使蛋白质分子的空间结构变得伸展、松散，容易被蛋白酶水解。
[教材问题提示]
[思考·讨论]　氨基酸怎样构成蛋白质(教材P31)
1．氨基酸脱水缩合形成二肽、三肽……多肽；一条肽链按照一定形态盘曲、折叠构成空间结构；多条肽链构成更为复杂的空间结构。
2．食物中的蛋白质要经过胃蛋白酶、胰蛋白酶、肠肽酶等多种水解酶的作用，才能分解为氨基酸。这些氨基酸进入人体细胞后，要脱水缩合形成二肽、三肽……多肽，由多肽链构成人体蛋白质。人体蛋白质与食物中的蛋白质不一样，其具有完成人体生命活动的结构和功能。
3．10个氨基酸能够组成2110条互不相同的长链。氨基酸的数目、种类、排列顺序的多样性，以及蛋白质具有复杂的空间结构，是蛋白质种类多种多样的原因。
新知探究一　氨基酸脱水缩合与蛋白质的形成
[在探究中学]
[任务驱动]　
下面是氨基酸之间发生一系列反应形成血红蛋白的过程，结合教材内容完成以下探究。
(1)描述从氨基酸到蛋白质的形成过程：氨基酸→二肽→多肽→肽链盘曲、折叠→具有一定空间结构的蛋白质。
(2)参与脱水缩合的部分：两个相邻氨基酸，一个氨基酸氨基中的—H和另一个氨基酸羧基中的—OH。
(3)由2个氨基酸脱水缩合形成的化合物的名称是什么？其内含有多少个肽键？在形成过程中脱去多少分子水？
提示：二肽；1个；1个。
(4)由n个氨基酸形成的含一条肽链的化合物名称是什么？共形成多少肽键，失去多少分子水？
提示：n肽；n－1个肽键；n－1个水分子。
(5)①若n个氨基酸形成m条肽链，则形成肽键数和失去水分子数分别是多少？
提示：肽键数为n－m个，失去水分数为n－m个。
②试总结形成肽键数与氨基酸数和肽链条数的关系。
提示：肽键数＝失去水分子数＝氨基酸数－肽链条数。
(6)①一条肽链中至少含有多少个游离的—NH2和—COOH？若m条肽链呢？为什么是至少？
提示：各1个；各m个。因为R基中可能含有—NH2或—COOH。
②试总结蛋白质中至少含有游离氨基数和游离羧基数与肽链条数的关系。
提示：至少含有的游离氨基数或羧基数＝肽链条数。
[师说重难]　
1．氨基酸脱水缩合过程分析
(1)参与脱水缩合的部位：一个氨基酸氨基中的—H和另一个氨基酸羧基中的—OH。
(2)H2O中H和O的来源：H既来自氨基又来自羧基，O只来自羧基。
(3)—NH2和—COOH的数量和位置：一条肽链中至少含有一个游离的—NH2和一个游离的—COOH，分别位于肽链的两端，其余的—NH2和—COOH位于R基中。
2．蛋白质形成过程的有关计算规律
(1)氨基数＝肽链数＋R基上的氨基数＝各氨基酸中氨基总数－肽键数。
(2)羧基数＝肽链数＋R基上的羧基数＝各氨基酸中羧基总数－肽键数。
(3)氮原子数＝肽链数＋肽键数＋R基上的氮原子数＝各氨基酸中氮原子的总数。
(4)氧原子数＝肽键数＋2×肽链数＋R基上的氧原子数＝各氨基酸中氧原子的总数－脱去的水分子数。
(5)氢原子数＝各氨基酸中氢原子的总数－2×脱去的水分子数。
(6)假设氨基酸的平均相对分子质量为a，由n个氨基酸分别形成1条肽链或m条肽链或环状多肽：
形成的多肽 形成肽键数 脱去水分子数 氨基数目 羧基数目 多肽相对分子质量
1条肽链 n－1 n－1 至少1个 至少1个 na－18(n－1)
m条肽链 n－m n－m 至少m个 至少m个 na－18(n－m)
环状多肽 n n 最少为0 最少为0 na－18n
(7)若蛋白质中含有二硫键(—S—S—)时，要考虑脱去氢的质量，每形成1个二硫键，脱去2个H。
[在应用中悟]
[典例1]　某蛋白质由100个氨基酸形成，含有4条多肽链，下列说法正确的是(　　)
A．该蛋白质含有96个肽键，只含有4个游离的氨基
B．形成该蛋白质，失去104个水分子
C．如果氨基酸平均分子量是128，则该蛋白质的分子量为 12 800
D．该蛋白质中含肽键96个，至少含有4个游离的羧基
[解析]　该蛋白质由100个氨基酸形成，含有4条多肽链，所以含有100－4＝96(个)肽键；由于R基中可能含有氨基，所以至少含有4个游离的氨基，A错误。形成该蛋白质，失去的水分子数＝氨基酸数－肽链的条数＝100－4＝96(个)，B错误。如果氨基酸平均分子量是128，则该蛋白质的分子量＝氨基酸分子量×氨基酸个数－失去的水分子数×18＝128×100－96×18＝11 072，C错误。由于蛋白质由100个氨基酸形成，含有4条多肽链，所以含肽键数＝100－4＝96(个)，至少含有的游离的羧基数＝肽链条数＝4，D正确。
[答案]　D
[典例2]　根据下列化合物的结构分析回答：
(1)该化合物含有________个肽键，图中表示肽键的编号有________。
(2)该化合物称为____________，形成该化合物的化学反应称为____________。
(3)该化合物由________种氨基酸构成，各种氨基酸的区别在于R基不同，图中表示R基的编号有__________。
(4)该化合物中含有的氨基数目和羧基数目分别是________、________。
[解析]　(1)由图分析可知，该化合物中含有3个肽键，表示肽键的编号为③⑤⑥。(2)由分析可知，此多肽含有4个氨基酸，则形成的化合物为四肽或多肽。(3)决定氨基酸种类的4个R基(②④⑧⑨)结构各不相同，所以构成该化合物的氨基酸有4种。(4)由图可知，①表示肽链末端氨基，⑦表示肽链末端羧基，而⑧和⑨中分别存在一个羧基和一个氨基，则该化合物中含有的氨基数目和羧基数目分别是2个和2个。
[答案]　(1)3　③⑤⑥　(2)四肽或多肽　脱水缩合
(3)4　②④⑧⑨　(4)2　2
■方法规律
环状肽肽键数的计算方法
环状多肽主链中无氨基和羧基，环状肽中氨基或羧基数目取决于构成环状肽的氨基酸R基中的氨基和羧基的数目，如图所示。(Aa表示氨基酸)
由图示可知：肽键数＝脱去的水分子数＝氨基酸数。即相当于环状肽中肽链数为零。
[在训练中评]
1．一条由39个氨基酸形成的环状多肽，其中有4个谷氨酸(R基为—CH2—CH2—COOH)，则该多肽(　　)
A．有38个肽键　　　　　 B．可能没有游离氨基
C．至少有5个游离羧基 D．至多有36种氨基酸
解析：选B　39个氨基酸形成的环状多肽，有39个肽键；该环状多肽主链上没有游离的氨基，不能确定侧链基团中是否含有游离的氨基，故该多肽可能没有游离的氨基；该多肽为环状，主链上没有游离的羧基，谷氨酸的侧链基团中含有游离的羧基，故该多肽至少含有4个游离的羧基；组成该多肽的氨基酸最多有21种。
2．如图是某多肽化合物的示意图，下列有关该化合物的叙述，错误的是(　　)
A．该化合物是三肽，含有2个肽键
B．该多肽链中含有4个羧基、3个氨基
C．氨基酸的不同种类决定于R基②④⑥
D．该肽链与双缩脲试剂混合会发生紫色反应
解析：选B　③⑤为肽键，是由一个氨基酸分子的氨基和另一个氨基酸分子的羧基脱水缩合形成的，所以该化合物含有2个肽键，是三肽化合物，A正确；由于R基中含有1个羧基，所以该化合物有1个氨基、2个羧基，B错误；组成蛋白质的氨基酸约有20种(人体21种)，这些氨基酸的区别就在于R基(②④⑥)不同，C正确；该化合物含有肽键，与双缩脲试剂混合能产生紫色反应，D正确。
3．(2020·济南调研)某多肽分子式是C21HxOyN4S2(无二硫键)，已知该多肽是由下列氨基酸中的某几种作原料合成的：亮氨酸(C6H13NO2)、天冬氨酸(C4H7NO4)、苯丙氨酸(C9H11NO2)、丙氨酸(C3H7NO2)、半胱氨酸(C3H7NO2S)。以下对该多肽的叙述，错误的是(　　)
A．水解后得到4种氨基酸
B．有3个肽键
C．含有氧原子和氢原子的数目分别为5和32
D．只有1个羧基
解析：选A　分析题中给出的几种氨基酸的化学式可知，只有天冬氨酸的R基中含有2个O原子，只有半胱氨酸的R基中含有1个S原子，而多肽分子式是C21HxOyN4S2(无二硫键)，说明该多肽只能由4个氨基酸组成(因多肽中只含有4个N原子，且几种氨基酸都只含有1个N原子)，并且其中含有2个半胱氨酸(因多肽中含有2个S原子，且只有半胱氨酸的R基中含有1个S原子)，两个半胱氨酸共含有6个C原子，而多肽分子中含有21个C原子，根据氨基酸脱水缩合反应前后C原子数守恒可知，另2个氨基酸所含的C原子之和应该是21－6＝15(个)，分析几种氨基酸的化学式可知，只有亮氨酸和苯丙氨酸符合要求，因此该多肽是由1个亮氨酸、1个苯丙氨酸和2个半胱氨酸脱水缩合而形成的。
新知探究二　蛋白质结构多样性的原因
[在探究中学]
[任务驱动]　
生物界中的蛋白质种类多达1010～1012种，20种氨基酸是如何形成如此种类丰富的蛋白质的呢？下图中“□”“○”代表不同的氨基酸，分析各图代表的含义，归纳蛋白质多样性的原因。
1．蛋白质结构多样性的原因
(1)图甲说明：氨基酸的种类不同，构成的肽链不同。
(2)图乙说明：氨基酸的数目不同，构成的肽链不同。
(3)图丙说明：氨基酸的排列顺序不同，构成的肽链不同。
(4)图丁说明：肽链的数目和空间结构不同，构成的蛋白质不同。
2．借助数学知识，分析
假若有A、B、C三种氨基酸，在以下两种条件下形成二肽和三肽的种类各是多少？
(1)条件1：A、B、C三个氨基酸，由这三个氨基酸组成多肽的情况。
提示：形成二肽的种类：3×2＝6种
形成三肽的种类：3×2×1＝6种
(2)条件2：A、B、C三种氨基酸(每种氨基酸足够多)的情况。
提示：形成二肽的种类：32＝9种
形成三肽的种类：33＝27种
[师说重难]　
蛋白质结构多样性与功能多样性的关系
[在应用中悟]
[典例1]　下列有关蛋白质结构、功能多样性的说法，正确的是(　　)
A．蛋白质结构的多样性与构成蛋白质的氨基酸的种类、数目和空间结构有关
B．已知某化合物含有C、H、O、N等元素，可以推断此物质为蛋白质
C．不同蛋白质分子中组成肽键的化学元素无差异性
D．蛋白质空间结构改变，可能会导致蛋白质失去生物活性，且这种改变一般是可逆的
[解析]　蛋白质结构多样性与氨基酸的结构无关；含有C、H、O、N等元素的化合物较多，不一定是蛋白质，如核苷酸、ATP等；蛋白质分子中的肽键都是—CO—NH—，组成元素都是C、H、O、N四种，无差异性；蛋白质的空间结构是决定蛋白质性质的因素之一，过酸、过碱或高温都会使蛋白质的空间结构发生改变，这种改变往往是不可逆的，如酶在高温下失活后即使再降温度其活性也不会恢复。
[答案]　C
[典例2]　催产素、血管舒张素都是含有9个氨基酸的多肽，但生理功能不同。主要原因可能是两种多肽的(　　)
①氨基酸种类不同　②氨基酸排列顺序不同　③氨基酸结合方式不同　④在细胞内合成的场所不同
A．①②　　　　　　 B．③④
C．①③ D．②④
[解析]　催产素、血管舒张素具有相同的氨基酸个数，但是可能由于氨基酸种类、排列顺序及肽链形成的空间结构不同造成二者结构的差异，进一步导致了二者生理功能的差异。氨基酸均通过脱水缩合的方式结合，蛋白质合成的场所都是在核糖体上。
[答案]　A
[在训练中评]
1．由20种、500个氨基酸组成蛋白质，则氨基酸的排列顺序可能是(　　)
A．20500种　　　　　　　 B．50020种
C．10 000种 D．2020种
答案：A
2．人体的肌肉主要由蛋白质组成。同样是肌肉，心肌具有自动收缩的特性，平滑肌有较强的舒张性，骨骼肌能够强有力地收缩，这些区别说明构成它们的蛋白质有区别，对这些区别的叙述最确切的是(　　)
A．所含氨基酸的数目不同
B．所含氨基酸的种类不同
C．所含氨基酸的排列顺序不同
D．所含氨基酸的种类、数目、排列顺序和肽链形成的空间结构不同
解析：选D　蛋白质的多样性可以从氨基酸和肽链两个角度来分析。氨基酸的种类、数目、排列顺序和肽链形成的空间结构不同都会导致蛋白质的结构不相同。
科学视野——蛋白质的变性和盐析
变性 蛋白质的变性是指在热、酸、碱、重金属盐、紫外线等作用下，蛋白质会发生性质上的改变而凝结起来，这种凝结是不可逆的，即不能再恢复成原来的蛋白质。 豆腐制作利用的就是盐(石膏和盐卤等)使蛋白质变性的作用。在豆浆中加入氯化镁或硫酸钙，豆浆在 70 ℃以上即可凝固；84消毒液、过氧乙酸消毒的机理也是使蛋白质变性
盐析 在鸡蛋清中加入一些食盐，就会看到白色的絮状物，这是在食盐的作用下析出的蛋白质。兑水稀释后，你会发现絮状物消失，盐析过程蛋白质的结构并没有改变，活性也没有丧失，这一过程是可逆的
[素养评价]
1．(2020·济南历城区月考)高温加热后蛋白质的溶解度会降低，原因如图所示，据此判断，下列有关叙述正确的是(　　)
A．经酒精、紫外线处理后的蛋白质溶解度也会降低，原因与图示相同
B．在一定浓度的盐溶液中蛋白质溶解度也会降低，原因与图示相同
C．变性后的蛋白质氨基酸的种类、数目及排列顺序不变，功能也不变
D．蛋白质均是由几条肽链盘曲和折叠而成，必须维持一定的空间结构才能有相应的功能
解析：选A　酒精、紫外线也会使蛋白质的空间结构发生改变，从而导致蛋白质溶解度降低，A正确；在一定浓度的盐溶液中蛋白质溶解度也会降低，这属于盐析现象，不改变蛋白质的空间结构，B错误；蛋白质空间结构的改变会导致其功能的改变，C错误；蛋白质由一条或几条肽链盘曲和折叠而成，D错误。
2．(2020·临沂期中)某小组采用两种途径处理鸡蛋清溶液的过程如图所示。下列叙述错误的是(　　)
A．①、②所依据的原理不同，过程②破坏了蛋白质的空间结构
B．③、④所依据的原理不同，过程④破坏了蛋白质的肽键
C．溶解后的溶液分别加入双缩脲试剂均可变成紫色
D．过程②产生的蛋白块也可用③的方法进行溶解
解析：选D　①和②分别是蛋白质的盐析和加热变性，其原理分别是蛋白质在不同浓度食盐下的溶解度不同和加热破坏蛋白质的空间结构，盐析没有破坏蛋白质的空间结构，加热会破坏蛋白质的空间结构，A正确；③和④分别是蛋白质的溶解和蛋白质经蛋白酶催化水解为多肽和某些氨基酸，其原理分别是蛋白质的溶解性和蛋白质在蛋白酶的催化作用下水解，蛋白质在蛋白酶的催化作用下水解过程中会破坏蛋白质中的肽键，B正确；溶解后的溶液中均含有肽键，加入双缩脲试剂均可变成紫色，C正确；过程②加热过程中产生的蛋白块已经发生变性，不可用③蒸馏水溶解的方法进行溶解，D错误。
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