内容正文:
第3讲 蛋白质和核酸
【思维导图】
考点一 氨基酸与蛋白质的结构
【知识梳理】
一、组成蛋白质的氨基酸及其种类
【判断对错】
(1)具有氨基和羧基的化合物,都是构成蛋白质的氨基酸。 (×)
【提示】 氨基酸的结构特点是有一个氨基和一个羧基连接在同一个碳原子上,并且这个碳原子还连接一个氢原子和一个R基,因此具有氨基和羧基的化合物不一定是构成蛋白质的氨基酸。
(2)非必需氨基酸也是人体所需要的氨基酸。 (√)
【思维延伸】
(1)下列物质不属于构成蛋白质的氨基酸,请写出判断理由。
a.H2N—CH2—CH2OH,理由: 缺少羧基 。
b.,理由: 缺少氨基 。
c.,理由: 氨基和羧基没有连接在同一个碳原子上 。
(2)长期以玉米为主食的人容易因赖氨酸缺乏而患病,原因是 赖氨酸是人体的必需氨基酸,在人体内不能合成,必须从食物中获得,而玉米中缺少赖氨酸,长期以玉米为主食的人容易因赖氨酸缺乏而影响蛋白质的合成 。
(3)评价蛋白质的营养价值时,为什么格外注重必需氨基酸的种类和含量? 组成人体蛋白质的氨基酸中有8种是人体细胞不能合成的,这些氨基酸必须从食物中获取,被称为必需氨基酸 。
二、蛋白质的合成
1.多肽的形成过程
【思考】
(1)多肽的合成场所: 核糖体 。
(2)这种结合方式称为 脱水缩合 ,两个氨基酸分子经该过程形成的化合物是 二肽 和水,由三个或三个以上的氨基酸分子经该过程形成的化合物称为多肽。
(3)一条多肽链由几个氨基酸分子构成就称为 几肽 。
(4)H2O中的H来自 —COOH和—NH2 ,O来自 —COOH 。
(5)一条肽链上至少有一个游离的氨基和一个游离的羧基,分别位于肽链的 两端 ;其余的氨基(或羧基)在 R基 上。
2.蛋白质的结构层次(以形成血红蛋白为例)
【思维延伸】
(1)(必修1 P30正文)肽链能盘曲、折叠的原因是 肽链上不同氨基酸之间还能形成氢键等 。
(2)(必修1 P30图2-11)胰岛素由 2 条肽链构成,通过二硫键(—S—S—)相互结合在一起,其中共含有 3 个二硫键。
(3)(必修1 P31图2-12)血红蛋白是一种由574个氨基酸组成的蛋白质,含 4 条多肽链。
(4)胰岛素在核糖体上合成后还不具有降低血糖的生物学活性,请从蛋白质的结构方面分析原因: 在核糖体上合成的只是具有一定氨基酸序列的多肽链,还需要内质网和高尔基体加工成具有一定空间结构的蛋白质(胰岛素)才具有降低血糖的生理作用 。
【高考链接】
一、氨基酸的种类与蛋白质的结构特点
1.(2025·全国卷,T1)蛋白质是结构和功能多样的生物大分子。下列叙述错误的是()。
A.二硫键的断裂不会改变蛋白质的空间结构
B.改变蛋白质的空间结构可能会影响其功能
C.用乙醇等有机溶剂处理可使蛋白质发生变性
D.利用蛋白质工程可获得氨基酸序列改变的蛋白质
【答案】 A
【解析】 二硫键断裂会破坏蛋白质的空间结构,导致其功能丧失,A错误;蛋白质的功能依赖其特定的空间结构,若蛋白质的空间结构改变(如高温、强酸和强碱导致的变性),其功能通常也会受到影响,B正确;乙醇等有机溶剂可破坏蛋白质分子中的氢键,导致其空间结构改变而变性,C正确;蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础,通过改造或合成基因,来改造现有蛋白质,或制造一种新的蛋白质,以满足人类生产和生活的需求,因此利用蛋白质工程可获得氨基酸序列改变的蛋白质,D正确。
2.(2025·四川卷,T1)真核细胞的核孔含有多种蛋白质,这些蛋白质的主要区别是()。
A.基本组成元素不同 B.单体连接方式不同
C.肽链空间结构不同 D.合成加工场所不同
【答案】 C
【解析】 蛋白质的基本组成单位是氨基酸,氨基酸的基本组成元素是C、H、O、N,真核细胞的核孔含有多种蛋白质,这些蛋白质的基本组成元素相同,A错误;这些蛋白质的单体连接方式相同,均是通过氨基酸之间脱水缩合形成肽键连接的,B错误;不同的蛋白质功能不同,功能与结构相适应,因此这些蛋白质的肽链盘曲、折叠形成的空间结构不同,C正确;真核细胞的核孔蛋白质均属于胞内蛋白,合成加工场所相同,均在细胞质中,D错误。
3.(2024·黑吉辽卷,T1)钙调蛋白是广泛存在于真核细胞的Ca2+感受器。小鼠钙调蛋白两端有近似对称的球形结构,每个球形结构可结合2个Ca2+。下列叙述错误的是()。
A.钙调蛋白的合成场所是核糖体
B.Ca2+是钙调蛋白的基本组成单位
C.钙调蛋白球形结构的形成与氢键有关
D.钙调蛋白结合Ca2+后,空间结构可能发生变化
【答案】 B
【解析】 钙调蛋白的合成场所是核糖体,核糖体是“生产蛋白质的机器”,A正确;Ca2+不是钙调蛋白的基本组成单位,钙调蛋白的基本组成单位是氨基酸,B错误;氨基酸之间能够形成氢键等,从而使得肽链能够盘曲、折叠,形成具有一定空间结构的蛋白质分子,故钙调蛋白球形结构的形成与氢键有关,C正确;小鼠钙调蛋白两端有近似对称的球形结构,每个球形结构可结合2个Ca2+,钙调蛋白结合Ca2+后,其空间结构可能发生变化,D正确。
考点二 蛋白质的功能与相关计算
【知识梳理】
一、蛋白质结构多样性与功能多样性的关系
【思考】
同一生物个体不同细胞中蛋白质不同的根本原因是 基因的选择性表达 ;不同生物个体细胞中蛋白质不同的根本原因是 基因不同 。
二、常考蛋白质的分布和功能
三、蛋白质的水解、变性和盐析
【判断对错】
(1)高温可破坏病原体蛋白质的空间结构,煮沸处理餐具可杀死病原体。 (√)
(2)强酸、强碱、高温及低温等剧烈条件均会使蛋白质的空间结构遭受不可恢复的破坏。 (×)
【提示】 低温条件下,蛋白质的空间结构未遭受不可恢复的破坏。
【思维延伸】
(1)高温使蛋白质变性后,其与双缩脲试剂还能有颜色反应吗?为什么? 有颜色反应,因为蛋白质变性后肽键没有断裂 。
(2)若蛋白质的空间结构改变一定是蛋白质变性吗?举例说明: 不一定,例如载体蛋白在转运物质的过程中空间构象发生改变 。
(3)人畜因误食铜盐、汞盐、铅盐等重金属盐而中毒,你认为应采用怎样的措施解毒?为什么? 服用蛋清、牛奶或豆浆。因为蛋清、牛奶或豆浆中主要含有蛋白质,它们能与重金属盐迅速发生反应,从而保护机体 。
四、蛋白质形成过程中的相关数量关系
肽链
数目
氨基
酸数
肽键
数目
失去水
分子数
多肽链相对
分子质量
氨基
数目
羧基
数目
1条
m
m-1
m-1
am-
18(m-1)
至少
1
个
至少
1
个
n条
m
m-n
m-n
am-
18(m-n)
至少
n
个
至少
n
个
注:假设氨基酸的平均相对分子质量为a。
【重点与难点】
1965年9月,中国科学家在世界上首次完成了具有全部生物活性的结晶牛胰岛素的人工合成。这项伟大的成就标志着人类在认识生命、探索生命奥秘的征途中迈出了关键一步。其基本思路是先分别合成胰岛素A、B两条肽链,再通过特定的条件将两条肽链组合,形成具有与天然胰岛素相同的空间结构和生理功能的蛋白质。
下图为胰岛素原分子加工成为成熟的胰岛素分子示意图,请回答下列问题:
(1)胰岛素等蛋白质可以用 鉴定,反应后溶液呈 。
(2)从化学组成上看,结晶牛胰岛素的基本单位是 ,它们通过 连接。
(3)已知胰岛素原加工成成熟胰岛素的过程中,切除了中间的甲肽(氨基酸序列),α链有21个氨基酸,β链有30个氨基酸,且两条链间及链内通过二硫键连接。若形成1分子成熟的胰岛素,则需要断裂 个肽键。
(4)治疗胰岛素依赖性糖尿病时,胰岛素只能注射,不能口服,原因是
。
【答案】 (1)双缩脲试剂 紫色 (2)氨基酸 肽键
(3)2 (4)胰岛素的化学本质是蛋白质,口服后会被消化道中的蛋白酶(催化)水解而失效
【情景分析】
“人工合成胰岛素”这项成果不仅是中国的骄傲,更是全人类智慧的结晶,它深刻地揭示了生命现象有其物质基础,人类可以通过认识和改造这些物质来探索生命的奥秘。
【高考链接】
蛋白质的功能与相关计算
1.(经典高考真题改编)哺乳动物的巨噬细胞吞噬、降解衰老的红细胞,获得的Fe2+通过膜上的铁输出蛋白(FPN)进入血液,用于骨髓生成新的红细胞。肝脏分泌的铁调素可靶向降解FPN。炎症可以促进铁调素的合成。下列叙述错误的是()。
A.由Fe参与构成的血红蛋白具有运输功能
B.衰老的红细胞被吞噬需要膜蛋白的参与
C.敲除铁调素编码基因,巨噬细胞会出现铁积累
D.长期炎症可能会减少红细胞生成,进而导致贫血
【答案】 C
【解析】 血红蛋白具有运输氧的功能,Fe是血红蛋白的组成成分,A正确;衰老的红细胞被巨噬细胞的膜蛋白识别后才能进行胞吞,B正确;巨噬细胞中Fe2+的输出需要铁输出蛋白(FPN)的参与,肝脏分泌的铁调素可靶向降解FPN,敲除铁调素的编码基因会抑制肝脏合成并分泌铁调素,FPN不再被铁调素降解,巨噬细胞中Fe2+的输出不会受抑制,胞内不会出现铁积累,C错误;长期炎症可以使铁调素的分泌增多,铁调素可靶向降解FPN,使巨噬细胞中Fe2+的输出减少,可影响红细胞的生成,从而导致贫血,D正确。
2.(经典高考真题)科学家将编码天然蜘蛛丝蛋白的基因导入家蚕,使其表达出一种特殊的复合纤维蛋白,该复合纤维蛋白的韧性优于天然蚕丝蛋白。下列有关该复合纤维蛋白的叙述,正确的是()。
A.该蛋白的基本组成单位与天然蜘蛛丝蛋白的不同
B.该蛋白的肽链由氨基酸通过肽键连接而成
C.该蛋白彻底水解的产物可与双缩脲试剂发生作用,产生紫色反应
D.高温可改变该蛋白的化学组成,从而改变其韧性
【答案】 B
【解析】 该蛋白的基本组成单位与天然蜘蛛丝蛋白的基本组成单位相同,均为氨基酸,A错误;氨基酸是组成蛋白质的基本单位,该蛋白的肽链由氨基酸经过脱水缩合反应通过肽键连接而成,B正确;该蛋白彻底水解的产物为氨基酸,氨基酸不能与双缩脲试剂发生作用产生紫色反应,C错误;高温可改变该蛋白的空间结构,从而改变其韧性,但不会改变其化学组成,D错误。
3.(经典高考真题)球状蛋白分子空间结构为外圆中空,氨基酸侧链极性基团分布在分子的外侧,而非极性基团分布在内侧。蛋白质变性后,会出现生物活性丧失及一系列理化性质的变化。下列叙述错误的是()。
A.蛋白质变性可导致部分肽键断裂
B.球状蛋白多数可溶于水,不溶于乙醇
C.加热变性的蛋白质不能恢复原有的结构和性质
D.蛋白质变性后生物活性丧失是因为原有空间结构被破坏
【答案】 A
【解析】 蛋白质变性主要是由于蛋白质分子内部的空间结构被破坏,变性后蛋白质的肽键没有断裂,A错误;球状蛋白的氨基酸侧链极性基团分布在分子的外侧,而非极性基团分布在内侧,说明外侧主要是极性基团,可溶于水,不易溶于乙醇,B正确;加热变性的蛋白质的空间结构发生了改变,该改变不可逆,不能恢复原有的结构和性质,C正确;蛋白质变性后其空间结构改变,导致一系列理化性质的改变和生物活性丧失,D正确。
4.(经典高考真题)将人胰岛素A链上的1个天冬氨酸替换为甘氨酸,B链末端增加2个精氨酸,可制备出一种人工长效胰岛素。下列关于该胰岛素的叙述,错误的是()。
A.进入人体后需经高尔基体加工
B.比人胰岛素多了2个肽键
C.与人胰岛素有相同的靶细胞
D.可通过基因工程方法生产
【答案】 A
【解析】 胰岛素作用于细胞表面的受体,不需要经高尔基体的加工,A错误;人工长效胰岛素比人胰岛素的B链上多了2个精氨酸,氨基酸与氨基酸之间通过肽键连接,故人工长效胰岛素比人胰岛素多2个肽键,B正确;人工长效胰岛素和人胰岛素的作用相同,都是降低血糖浓度,故两者的靶细胞相同,C正确;人工长效胰岛素是对天然蛋白质的改造,可通过基因工程生产,D正确。
考点三 核酸的组成、结构和功能
【知识梳理】
一、核酸的结构
1.核酸的结构层次
2.核苷酸的结构与种类
“三看法”判断DNA和RNA
【思考】
DNA和RNA的相同成分有含氮碱基 A、G、C 和磷酸;DNA特有的成分是 脱氧核糖 和 胸腺嘧啶(T) ;RNA特有的成分是 核糖 和 尿嘧啶(U) 。
二、核酸的功能及分布
【判断对错】
(1)细胞中RNA合成过程不会发生在细胞核外。 (×)
【提示】 RNA合成可发生在叶绿体和线粒体中。
(2)环状的DNA分子只存在于原核生物中。 (×)
【提示】 线粒体和叶绿体中的DNA也是环状的。
(3)有的RNA具有运输、催化和传递遗传信息的功能。 (√)
【思考】
(1)病毒含 1 种核酸,含 4 种核苷酸,含 4 种含氮碱基,含 1 种五碳糖。
(2)原核细胞含 2 种核酸,含 8 种核苷酸,含 5 种含氮碱基,含 2 种五碳糖。
(3)真核细胞含 2 种核酸,含 8 种核苷酸,含 5 种含氮碱基,含 2 种五碳糖。
【思维延伸】
(1)多糖和核酸都是由许多单体组成的多聚体。试从组成二者单体种类的角度分析,核酸是遗传信息的携带者,而多糖不是的原因: 构成多糖的基本单位是单糖,无论多少个单糖构成多糖,它的排列顺序没有什么变化。而核酸是由核苷酸连接而成的长链,核酸分子中4种脱氧核苷酸(或核糖核苷酸)在数量、排列顺序上千差万别,从而能够承担起携带遗传信息的功能 。
(2)(必修1 P34“问题探讨”)DNA能够提供犯罪嫌疑人的信息的原因是 DNA是遗传物质,携带遗传信息,不同个体的遗传信息一般都有区别 。
【高考链接】
核酸的结构和功能分析
1.(2025·浙江卷1月,T13)多种多样的生物通过遗传信息控制性状,并通过繁殖将遗传物质传递给子代。下列关于遗传物质的叙述,正确的是()。
A.S型肺炎链球菌的遗传物质主要通过质粒传递给子代
B.水稻、小麦和玉米三大粮食作物的遗传物质主要是DNA
C.控制伞藻伞帽的遗传物质通过半保留复制表达遗传信息
D.烟草叶肉细胞的遗传物质水解后可产生4种脱氧核苷酸
【答案】 D
【解析】 S型肺炎链球菌是原核生物,其遗传物质主要分布于拟核中,因此,S型肺炎链球菌的遗传物质主要通过拟核传递给子代,A错误;水稻、小麦和玉米三大粮食作物都是植物,都属于真核生物,真核生物的遗传物质是DNA,B错误;基因指导蛋白质的合成过程是遗传信息的表达过程,伞藻通过复制传递遗传信息,而不是表达遗传信息,C错误;烟草叶肉细胞的遗传物质是DNA,其单体是脱氧核苷酸,DNA水解后可产生4种脱氧核苷酸,D正确。
2.(2024·海南卷,T1)海南黎锦是非物质文化遗产,其染料主要来源于植物。DNA条形码技术可利用DNA条形码序列(细胞内一段特定的DNA序列)准确鉴定出染料植物的种类。下列有关叙述正确的是()。
A.不同染料植物的DNA均含有元素C、H、O、N、S
B.DNA条形码序列由核糖核苷酸连接而成
C.染料植物的DNA条形码序列仅存在于细胞核中
D.DNA条形码技术鉴定染料植物的依据是不同物种的DNA条形码序列不同
【答案】 D
【解析】 不同染料植物的DNA均含有元素C、H、O、N、P,不含S,A错误;DNA条形码序列由脱氧核糖核苷酸连接而成,B错误;染料植物的DNA条形码序列主要存在于细胞核中,有少部分存在于细胞质中,C错误;不同DNA的区别在于碱基排列顺序不同,DNA条形码技术鉴定染料植物的依据是不同物种的DNA条形码序列不同,D正确。
4.(2024·贵州卷,T16)李花是两性花,若花粉落到同一朵花的柱头上,萌发产生的花粉管在花柱中会停止生长,原因是花柱细胞产生一种核酸酶降解花粉管中的rRNA。下列叙述错误的是()。
A.这一特性表明李不能通过有性生殖繁殖后代
B.这一特性表明李的遗传多样性高,有利于进化
C.rRNA彻底水解的产物是碱基、核糖、磷酸
D.该核酸酶可阻碍花粉管中核糖体的形成
【答案】 A
【解析】 根据题意可知,李花不能自花传粉,但可以异花传粉,故李能通过有性生殖繁殖后代,A错误;由于李花通过异花传粉繁殖后代,因此遗传多样性高,有利于进化,B正确;rRNA彻底水解的产物有碱基(A、C、G、U)、核糖和磷酸,C正确;由于rRNA和蛋白质构成核糖体,因此该核酸酶可阻碍花粉管中核糖体的形成,D正确。
考点四 生物大分子及其相互关系
【知识梳理】
一、生物大分子
1.
生物大分子(多聚体)
基本单位(单体)
多糖
单糖
蛋白质
氨基酸
核酸
核苷酸
2.有机物的初步水解产物、彻底水解产物和代谢终产物
物质
初步水
解产物
彻底水解产物
代谢终产物(或氧化分解终产物)
DNA
脱氧核苷酸
脱氧核糖、碱基( A、T、G、C )、磷酸
CO2、H2O、磷酸盐及含氮物质
RNA
核糖核
苷酸
核糖、碱基( A、U、G、C )、磷酸
CO2、H2O、磷酸盐及含氮物质
主要是
多肽
氨基酸
CO2、H2O、含氮物质
淀粉
主要是
麦芽糖
葡萄糖
CO2、H2O
脂肪
甘油和
脂肪酸
—
CO2、H2O
二、蛋白质与核酸的相互关系
1.构建蛋白质和核酸的结构与功能关系模型
2.蛋白质与核酸的关系模型及解读
①图1中由A、B、C三种大分子之间的关系可推断:A为 DNA ,B为 RNA ,C为 蛋白质 ,甲是 DNA复制 ,乙是 转录 ,丙是 翻译 ;单体a、b、c分别为 脱氧核苷酸 、 核糖核苷酸 和 氨基酸 ;元素X为 N、P ,Y为 N 。
②染色体的主要成分是DNA和蛋白质,核糖体的主要成分是RNA和蛋白质。因此图2中甲、乙、丙分别是 DNA 、 RNA 和 蛋白质 ,a是核苷酸,b是氨基酸
3.常见的核酸—蛋白质复合体
【判断对错】
(1)碳骨架是单体的碳原子之间通过单键或双键相连接形成的分支状、链状或环状结构。 (√)
(2)多糖、脂肪、蛋白质、核酸都是由相应的单体聚合形成的多聚体。 (×)
【提示】 多糖、蛋白质和核酸等生物大分子都是由相应的单体聚合形成的多聚体,脂肪一般不是生物大分子。
【高考链接】
生物大分子综合考查
1.(2025·河北卷,T3)下列对生物体有机物的相关叙述,错误的是()。
A.纤维素、淀粉酶和核酸的组成元素中都有C、H和O
B.糖原、蛋白质和脂肪都是由单体连接成的多聚体
C.多肽链和核酸单链可在链内形成氢键
D.多糖、蛋白质和固醇可参与组成细胞结构
【答案】 B
【解析】 纤维素属于糖类,其元素组成是C、H、O;淀粉酶的化学本质是蛋白质,其元素组成主要是C、H、O、N;核酸的元素组成是C、H、O、N、P,它们的组成元素都有C、H、O,A正确。糖原是多糖,是由葡萄糖单体连接成的多聚体;蛋白质是由氨基酸单体连接成的多聚体;脂肪不是多聚体,它是由甘油和脂肪酸形成的酯,B错误。多肽链中的某些区域(如α螺旋结构)可以形成氢键,核酸单链(如tRNA)可在链内形成氢键,形成特定的空间结构,C正确。多糖(如纤维素)是植物细胞壁的组成成分,蛋白质是细胞膜、细胞质等结构的重要组成成分,固醇中的胆固醇是动物细胞膜的组成成分,D正确。
2.(经典高考真题)生物体内参与生命活动的生物大分子可由单体聚合而成,构成蛋白质等生物大分子的单体和连接键以及检测生物大分子的试剂等信息如下表。
单体
连接键
生物大分子
检测试剂或染色剂
葡萄糖
—
①
—
②
③
蛋白质
④
⑤
—
核酸
⑥
根据表中信息,下列叙述错误的是()。
A.①可以是淀粉或糖原
B.②是氨基酸,③是肽键,⑤是碱基
C.②和⑤都含有C、H、O、N元素
D.④可以是双缩脲试剂
【答案】 B
【解析】 葡萄糖是多糖的单体,多糖包括淀粉、糖原和纤维素,故①可以是淀粉或糖原,A正确;蛋白质是由单体②(氨基酸)通过脱水缩合形成③(肽键)连接形成的,核酸的单体是核苷酸,故⑤是核苷酸,B错误;②(氨基酸)的元素组成是C、H、O、N等,⑤(核苷酸)的元素组成是C、H、O、N、P,C正确;检测蛋白质的④可以是双缩脲试剂,D正确。
3.(经典高考真题)南极雌帝企鹅产蛋后,由雄帝企鹅负责孵蛋,孵蛋期间不进食。下列叙述错误的是()。
A.帝企鹅蛋的卵清蛋白中N的质量分数高于C
B.帝企鹅的核酸、多糖和蛋白质合成过程中都有水的产生
C.帝企鹅蛋孵化过程中有mRNA和蛋白质种类的变化
D.雄帝企鹅孵蛋期间主要靠消耗体内脂肪以供能
【答案】 A
【解析】 组成蛋白质的氨基酸中至少含1个氮和2个碳,帝企鹅蛋的卵清蛋白中N的质量分数低于C,A错误;核酸、多糖、蛋白质的合成都经历了脱水缩合过程,都有水的产生,B正确;帝企鹅蛋孵化过程涉及基因的选择性表达,故帝企鹅蛋孵化过程中有mRNA和蛋白质种类的变化,C正确;脂肪是良好的储能物质,雄帝企鹅孵蛋期间不进食,主要靠消耗体内脂肪以供能,D正确。
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