人教版 (2019)必修1《分子与细胞》第2章 组成细胞的分子第4节 蛋白质是生命活动的主要承担者学案

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一、蛋白质的功能及其基本组成单位——氨基酸
1．蛋白质的功能
(1)蛋白质是生命活动的主要承担者。
(2)
2．蛋白质的基本组成单位——氨基酸
(1)氨基酸的种类
组成蛋白质的氨基酸有21种，其中8种是人体细胞不能合成的，称为必需氨基酸，这些氨基酸必须从外界环境中获取；另外13种氨基酸是人体细胞能够合成的，称为非必需氨基酸。
(2)氨基酸的元素组成及结构特点
①组成氨基酸的共有元素是C、H、O、N，有的氨基酸还含有S等元素。
②氨基酸的结构特点
a．每种氨基酸分子至少含有一个氨基(—NH2)和一个羧基(—COOH)。
b．每种氨基酸分子中都有一个氨基和一个羧基连接在同一个碳原子上，该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。各种氨基酸的区别在于R基的不同。
③氨基酸的结构通式：。
特别提醒 (1)类比推理法理解氨基酸的结构
①类比：把氨基酸分子比喻成人，两只手分别代表氨基和羧基，两条腿代表氢，头代表R基，躯干代表中心碳原子。
②图示(如图)
(2)氨基、羧基、R基的书写
①正确的格式：—NH2、—COOH、—R(千万不要忘记在原子团前面加“—”)。
②避免两种错误格式
a．写成NH2、COOH、R。
b．写成NH3、—NH3、HCOOH等。
③结构通式及氨基和羧基不同表达形式的辨别
判断正误
(1)蛋白质具有催化、免疫、遗传、调节等各种功能( )
(2)蛋白质是目前已知的结构最复杂、功能最多样的分子( )
(3)氨基酸分子的氨基和羧基都连在同一个碳原子上( )
(4)非必需氨基酸是指人不一定需要的氨基酸( )
答案 (1)× (2)√ (3)× (4)×
解析 (1)蛋白质具有催化、运输、免疫、调节等各种功能，但是不具有遗传的功能。
(3)每种氨基酸至少含有1个氨基和1个羧基，且都有1个氨基和1个羧基连接在同一个碳原子上，也有可能有多的氨基或羧基位于侧链基团，并未连在同一个碳原子上。
(4)人体细胞可以合成的氨基酸称为非必需氨基酸。
任务一：分析氨基酸的结构
观察下列四种氨基酸的结构，探究以下问题：
(1)构成蛋白质的氨基酸共有的部分是。
(2)这四种氨基酸分子的R基分别是—CH3、—CH2—SH、—(CH2)4—NH2、—CH2—COOH。
(3)“氨基酸”这一名词与其分子结构有怎样的对应关系？
提示 “氨基酸”代表了其分子结构中的主要部分，即氨基和羧基。
(4)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？若有一个以上的氨基或羧基，多出来的氨基或羧基分布在哪里？
提示 每种氨基酸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，部分氨基酸分子中含有一个以上的氨基或羧基，多出来的氨基或羧基位于R基上。
1．下列化合物中，属于构成蛋白质的氨基酸的是( )
A．①②③④ B．①②③
C．①② D．②④
答案 B
解析 ①②③中的化合物中都至少含有一个氨基和一个羧基且都有一个氨基和一个羧基连接在同一个碳原子上，都是组成蛋白质的氨基酸，①②③正确；④中化合物的氨基和羧基不连接在同一个碳原子上，不是组成蛋白质的氨基酸，④错误。
2．缬氨酸的R基为—C3H7，则一分子缬氨酸含有的C、H、O、N原子数依次为( )
A．2、4、2、1 B．5、11、2、1
C．5、9、4、1 D．5、8、2、1
答案 B
解析 根据题意可知，缬氨酸的R基为—C3H7，因此缬氨酸的结构简式为C5H11O2N，因此一分子缬氨酸含有的C、H、O、N原子数依次为5、11、2、1，B正确。
二、蛋白质的结构及其多样性
1．蛋白质的结构层次
氨基酸
↓脱水缩合eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(概念：一个氨基酸分子的羧基与另一个氨基酸分子的氨基相连接，, 同时脱去一分子的水))
二肽：由两个氨基酸缩合而成的化合物
↓
多肽：由多个氨基酸缩合而成的，含有多个肽键的化合物，通常呈链状结构
↓盘曲、折叠(原因：氨基酸之间能形成氢键等)
蛋白质：具有一定的空间结构
2．脱水缩合的过程
(1)过程①名称：脱水缩合。
(2)物质②名称：二肽。
(3)结构③名称：肽键。
3．蛋白质种类多样性的原因
在细胞内，组成一种蛋白质的氨基酸数目可能成千上万，氨基酸形成肽链时，不同种类氨基酸的排列顺序千变万化，肽链的盘曲、折叠方式及其形成的空间结构千差万别，因此，蛋白质分子的结构极其多样。
4．蛋白质的变性
(1)概念：蛋白质变性是指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，从而导致其理化性质的改变和生物活性丧失的现象。
(2)应用：①鸡蛋、肉类煮熟后由于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，因而易于消化。②经过加热、加酸、加酒精等引起细菌和病毒的蛋白质变性，可以达到消毒、灭菌的目的。
判断正误
(1)含有两个肽键的化合物叫作二肽( )
(2)蛋白质变性是由于肽键的断裂造成的( )
(3)变性的蛋白质也能与双缩脲试剂发生紫色反应( )
(4)蛋白质变性是可逆的化学反应( )
答案 (1)× (2)× (3)√ (4)×
解析 (1)由两个氨基酸缩合形成的化合物叫作二肽，二肽含有一个肽键，含有两个肽键的化合物叫作三肽。
(2)高温、强酸、强碱等均会破坏蛋白质的空间结构，引起蛋白质的变性，但是肽键没有断裂。
(3)变性的蛋白质肽键还在，能与双缩脲试剂发生反应。
(4)蛋白质变性是不可逆的。
任务二：分析氨基酸脱水缩合形成肽链的过程
请结合脱水缩合过程，并参考如下多肽链的模式图分析：
(1)肽链形成过程中，失去的水分子中氢和氧元素的来源分别是什么？
提示 氢来自氨基和羧基，氧来自羧基。
(2)氨基酸、肽链、形成的水分子、肽键的数量关系是什么？
提示 氨基酸数－肽链数＝形成的水分子数＝肽键数。
(3)肽链中还有没有游离的氨基和羧基？如果有，它们位于哪里？
提示 有。位于肽链的两端，R基中也可能有。
(4)假设氨基酸的平均相对分子质量为a，由n个氨基酸形成1条肽链，则该多肽的相对分子质量是多少？若形成m条肽链呢？
提示 na－18(n－1)。na－18(n－m)。
3．两种氨基酸结构式如图，它们在形成二肽化合物时，最可能相互缩合的基团是( )
A．①与③ B．②与④
C．②与⑥ D．③与④
答案 B
解析 ①与④均为氨基，②与⑤均为羧基，③与⑥均在R基中。图示的两种氨基酸分子通过脱水缩合形成二肽，而脱水缩合是指一个氨基酸分子的羧基和另一个氨基酸分子的氨基相连接，同时脱去一分子水，因此最可能相互缩合的基团是①与⑤或②与④，故选B。
4．血红蛋白分子含有两条α肽链和两条β肽链，其空间结构如图甲所示；图乙表示β肽链一端的部分氨基酸序列。请分析回答下列问题：
(1)图乙所示结构含有________种氨基酸，①的名称是________。
(2)血红蛋白是由574个氨基酸组成的，氨基酸经过________过程形成4条多肽链，该过程中形成________个肽键。
(3)若两条β肽链完全相同，则图甲所示的血红蛋白至少含有________个羧基。
(4)据图分析，蛋白质分子的多样性是由_____________________________________________
_______________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________
不同导致的。
(5)若图甲血红蛋白某一处的谷氨酸被缬氨酸取代，就可能形成聚合成纤维状的异常血红蛋白，则由其参与组成的红细胞运输氧的能力将________(填“不变”“减弱”或“失去”)。由此能得到什么结论？____________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
(6)图丙为血红蛋白变性和水解的示意图，总结两者的区别：____________________________
________________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
答案 (1)3 氨基 (2)脱水缩合 570 (3)8 (4)氨基酸的数目、种类、排列顺序及肽链的盘曲、折叠方式及其形成的空间结构 (5)减弱 蛋白质结构与功能相适应 (6)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，此过程肽键一般不断裂
题组一 蛋白质的功能
1．下列选项中不能作为“蛋白质是生命活动的主要承担者”证据的是( )
A．胃蛋白酶起催化作用
B．血红蛋白能运输氧气
C．性激素能促进生殖器官的发育
D．肌肉的成分主要是蛋白质
答案 C
解析 性激素不属于蛋白质，C错误。
2．蛋白质是目前已知结构最复杂，功能最多样的分子。下列有关蛋白质及其功能的叙述，不正确的是( )
A．生物体的很多结构，如肌肉、头发、羽毛等的主要成分都是蛋白质
B．血红蛋白能够运输氧气，说明蛋白质具有运输的功能
C．在病毒感染自愈者的体内，发现了抗体的存在，说明蛋白质具有免疫功能
D．总体来说，蛋白质具有催化、免疫、运输、遗传等功能
答案 D
解析 蛋白质不具有遗传功能，D错误。
题组二 蛋白质的基本组成单位——氨基酸
3．在下列分子中，属于组成生物体蛋白质的氨基酸是( )
A．①②④ B．①④⑤
C．①③⑤ D．②③⑤
答案 C
解析 ②中缺乏羧基，不是组成蛋白质的氨基酸，②不符合题意；④中氨基和羧基没有连在同一个碳原子上，不是组成蛋白质的氨基酸，④不符合题意。
4．组成生物体蛋白质的氨基酸中，酪氨酸几乎不溶于水，而精氨酸易溶于水，这种差异的产生取决于( )
A．酪氨酸的氨基比较多
B．两者R基组成不同
C．精氨酸的羧基比较多
D．两者的结构不同
答案 B
5．已知苯丙氨酸的分子式是C9H11NO2，那么该氨基酸的R基是( )
A．—C7H7O B．—C7H7
C．—C7H7N D．—C7H5NO
答案 B
解析 根据氨基酸的结构通式和苯丙氨酸的分子式C9H11NO2可知，它的R基是—C7H7，故选B。
题组三 蛋白质的结构及其多样性
6．如图表示二肽分子的结构，①②③④中代表肽键的是( )
A．① B．② C．③ D．④
答案 C
7．如图所示为某多肽化合物，关于其组成部分数目的判断，错误的是( )
A．1个氨基 B．2个羧基
C．2个肽键 D．3种R基
答案 D
解析 据图可知，该多肽是由3个氨基酸组成的三肽，含有1个氨基(—NH2)、2个羧基(—COOH)、2个肽键，有2种R基，即—CH3、—CH2COOH。
8．(2023·北京通州区高一期中)如图为人的两种功能不同的多肽类激素——催产素和抗利尿激素的结构示意图，数字表示氨基酸的序号，文字表示氨基酸的缩写，如半胱氨酸缩写为“半胱”。两种激素功能不同的原因是( )
A．连接氨基酸间的化学键不同
B．氨基酸种类不同
C．氨基酸结合方式不同
D．氨基酸数目不同
答案 B
解析 连接氨基酸间的化学键都是肽键，A错误；据图分析可知，催产素中含有异亮氨酸、亮氨酸，而抗利尿激素中含有苯丙氨酸、精氨酸，二者氨基酸种类不同，导致蛋白质结构不同，则功能不同，B正确；氨基酸之间的结合方式都一样，都是脱水缩合，C错误；据图分析可知，催产素和抗利尿激素的氨基酸数目一致，D错误。
9．科学家发现了组成人体的第21种氨基酸—硒代半胱氨酸，其化学式为C3H7NO2Se，下列说法错误的是( )
A．该氨基酸是非必需氨基酸，其R基为－CH3Se
B．各种氨基酸理化性质不同的原因在于R基不同
C．两个氨基酸分子通过肽键连接成二肽
D．两个硒代半胱氨酸分子脱水缩合过程产生的H2O中的氢来源于羧基
答案 D
解析 两个硒代半胱氨酸分子脱水缩合过程产生的H2O中的氢，一个来源于羧基，一个来源于氨基，D错误。
10．在胰岛B细胞中先合成胰岛素原，胰岛素原再通过蛋白酶的水解作用，生成胰岛素(如图)。胰岛素原水解所需的水分子中的氢用于( )
A．形成—SH和—OH
B．形成—NH2和—COOH
C．形成—NH2、—COOH和—SH
D．形成—COOH和连接碳的—H
答案 B
解析 胰岛素原是在胰岛B细胞中由氨基酸经脱水缩合反应形成的，氨基酸经脱水缩合形成胰岛素原的过程中，脱去的水中的氢来自氨基酸的—NH2和—COOH，反之，胰岛素原水解所需的水中的氢用于形成—NH2和—COOH，B符合题意。
11．某条多肽链由31个氨基酸构成，如图为其部分结构示意图，下列叙述不正确的是( )
A．该多肽的侧链基团有31种
B．该多肽至少有1个游离氨基
C．该多肽有30个肽键
D．该多肽形成过程中相对分子质量减少了540
答案 A
解析 组成蛋白质的氨基酸有21种，所以该多肽的侧链基团最多有21种，A错误；该多肽链由31个氨基酸构成，其含有的肽键数＝氨基酸数－肽链数＝31－1＝30(个)，C正确；该多肽链由31个氨基酸构成，形成过程中脱去的水分子数＝氨基酸数－肽链数＝31－1＝30(个)，其相对分子质量减少18×30＝540，D正确。
12．细胞受到冰冻时，蛋白质分子相互靠近，当接近到一定程度时，蛋白质分子中相邻近的巯基(—SH)氧化形成二硫键(—S—S—)。解冻时，蛋白质中的氢键断裂，二硫键仍保留(如图所示)。下列说法错误的是( )
A．结冰和解冻过程中蛋白质的相对分子质量均不变
B．在解冻以后蛋白质的功能可能会出现异常
C．巯基(—SH)一定位于氨基酸的R基上
D．抗冻植物可能具有较强的抗巯基氧化的能力
答案 A
解析 结冰时蛋白质中巯基氧化形成二硫键，蛋白质的相对分子质量变小，A错误；蛋白质的结构决定蛋白质的功能，由题干信息“解冻时，蛋白质中的氢键断裂”可知，解冻后的蛋白质结构会发生变化，其功能也可能发生异常，B正确；细胞受到冰冻时，蛋白质分子中相邻近的巯基(—SH)会被氧化形成二硫键(—S—S—)，抗冻植物能够适应较冷的环境，根据形态结构和功能相适应的观点，可推知抗冻植物有较强的抗巯基氧化能力，D正确。
13．(2023·河北邢台高一期末)如图表示胰岛素分子中一条多肽链，其中有3个甘氨酸且分别位于第8、20、23位。下列叙述正确的是( )
A．图中所示多肽至少含有一个羧基和一个氨基
B．该多肽一定含有21种氨基酸
C．用特殊水解酶选择性除去图中的3个甘氨酸的过程需要破坏5个肽键
D．用特殊水解酶选择性除去图中的3个甘氨酸，形成的产物中只有4条多肽
答案 A
解析 组成蛋白质的氨基酸共有21种，但并不是每种蛋白质都含有21种氨基酸，B错误；要想除去图中的3个甘氨酸，需要将甘氨酸前后的肽键都断裂，因此特殊水解酶选择性除去图中的3个甘氨酸的过程需要破坏6个肽键，加6个水，C错误；用特殊水解酶选择性除去图中的3个甘氨酸，形成的产物中有3条多肽，一个二肽，3个甘氨酸，D错误。
14．我国科学家合成了一种具有镇痛作用而又不会像吗啡那样使病人上瘾的药物——脑啡肽，如图是该物质的结构简式。脑啡肽的合成采用的是蛋白质工程技术，这是生物发展在分子水平上的又一突破。请根据此化合物的结构分析回答下列问题：
(1)该化合物有________个氨基和________个羧基。
(2)该化合物是由________个氨基酸失去________分子水而形成的，这样的反应叫作____________，该化合物叫______肽。在形成时，相对分子质量减少了________。
(3)脑啡肽水解后可产生________种氨基酸，造成氨基酸种类不同的原因是___________。
(4)其基本单位的结构通式为______________________________________________________。
答案 (1)1 1 (2)5 4 脱水缩合 五 72
(3)4 R基(或侧链基团)不同
(4)
解析 (1)据图可知，该化合物含有1个游离的氨基和1个游离的羧基。(2)该化合物中有4个肽键，它是由5个氨基酸通过脱水缩合而形成的，所以叫作五肽。在形成该多肽时，共脱去4个水分子，相对分子质量减少了4×18＝72。(3)不同氨基酸的差别在于R基的不同，从脑啡肽结构简式上可以看出，有2个氨基酸的R基相同，所以其水解后可产生4种氨基酸。(4)蛋白质的基本单位是氨基酸，氨基酸的结构通式见答案。
15．乙型脑炎是由脑炎病毒引起的急性传染病。一种三肽化合物N－S－K(其结构如图所示)能够抑制乙型脑炎病毒的活性，这为预防和治疗乙脑提供了一条研究途径。图中字母N、S、K分别是三种氨基酸的简称。请分析回答下列问题：
(1)图中虚线框⑤所示结构为________，箭头______(填序号)所指结构为肽键，图中有________个游离氨基，构成三肽的三种氨基酸在结构上的区别在于________________不同。
(2)为研究新合成的三肽“S－N－K”的抗病毒效果，研究者选取了若干只生理状况相同的小鼠平均分为四组，各组的处理方式和实验结果如表所示。
①表中的“？”处的实验操作是________________。
②比较A、B两组的实验结果，可知______________影响三肽化合物的抗病毒效果。
答案 (1)羧基 ③ 3 R基(或侧链基团)
(2)①注射等量缓冲液 ②氨基酸的排列顺序组别
A组
B组
C组
D组
处理方式
注射适量N－S－K和病毒
注射等量S－N－K和病毒
注射等量缓冲液和病毒
？
八天后小鼠存活率
90%
10%
0
100%