第3讲　生命活动的主要承担者——蛋白质

　蛋白质的结构和功能(Ⅱ)

　蛋白质的结构和功能

1．氨基酸的结构及其种类

(1)氨基酸的结构

①结构通式：

②

③各氨基酸之间的区别在于R基的不同。

(2)氨基酸的种类

生物体中约20种（依据）(能否在体内合成)非必需氨基酸（12种）(必需氨基酸（8种）)

2．蛋白质的结构及其多样性

3．蛋白质的功能[连一连]

1．(必修1 P24拓展题改编)神经细胞和肌肉细胞含量最多的有机物都是蛋白质，但二者功能完全不同，从组成二者的蛋白质来考虑，其原因不包含(　　)

A．氨基酸数目不同

B．氨基酸种类不同

C．氨基酸排列顺序不同

D．由细胞中的遗传信息决定

答案：D

2．(必修1 P23与生活的联系改编)高温使蛋白质丧失功能的原理是什么？

提示：破坏了肽链盘曲、折叠形成的空间结构。

 突破1　组成蛋白质的氨基酸的判断方法

判断依据：氨基酸中氨基、羧基的数目和连接位置。

(1)从数量上看，至少有一个—NH₂和一个—COOH，如下所示不属于构成蛋白质的氨基酸：

①H₂N—CH₂—CH₂OH⇒缺乏羧基(—COOH)。

②⇒缺乏氨基(—NH₂)。

(2)从位置上看，必须有一个—NH₂和一个—COOH连接在同一个碳原子上，如下所示不属于构成蛋白质的氨基酸：

⇒氨基和羧基不连在同一个碳原子上。

 突破2　二肽的形成过程分析

肽键：连接两个氨基酸分子的化学键，可表示为—CO—NH—。

 突破3　蛋白质的结构层次分析

(1)肽的名称确定：一条多肽链由几个氨基酸分子构成就称为几肽。

(2)H₂O中H与O的每形成一个肽键脱去一分子H₂O，其中的H分别来自氨基和羧基，O来自羧基。

(3)一条肽链上氨基数或羧基数的确定：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。

(4)多肽链盘曲、折叠形成一定的空间结构。

1．蛋白质结构形成的4个“一”

2．蛋白质结构的3点提醒

(1)避免书写错误：不要将氨基写为NH₂或—NH₃；不要将羧基写为或COOH；也不要将肽键写为CO—NH或。

(2)氨基酸数目≠氨基酸种类：蛋白质分子含有多个氨基酸，构成生物体蛋白质的氨基酸约有20种。

(3)蛋白质分子的化学结构≠空间结构

蛋白质分子化学结构的多样性取决于氨基酸的种类、数目和排列顺序的多样性，由参与翻译的mRNA中的密码子决定。蛋白质空间结构是在其化学结构的基础上进一步形成的，就是在肽链形成后加工的过程中形成的。

【感知考题】

(2016·高考江苏卷，4)蛋白质是决定生物体结构和功能的重要物质。下列相关叙述错误的是(　　)

A．细胞膜、细胞质基质中负责转运氨基酸的载体都是蛋白质

B．氨基酸之间脱水缩合生成的H₂O中，氢来自氨基和羧基

C．细胞内蛋白质发生水解时，通常需要另一种蛋白质的参与

D．蛋白质的基本性质不仅与碳骨架有关，而且也与功能基团相关

[解析]　细胞膜上负责转运氨基酸的是载体蛋白，细胞质基质中负责转运氨基酸的载体是tRNA，A项错误；氨基酸之间脱水缩合生成H₂O，H₂O中的氢分别来自氨基和羧基，B项正确；细胞内蛋白质在酶的催化作用下水解，而大部分酶的化学本质是蛋白质，故细胞内蛋白质发生水解时，通常需要另一种蛋白质的参与，C项正确；蛋白质是生物大分子，其基本骨架是碳链，蛋白质的基本性质不仅与碳骨架有关，而且与功能基团相关，D项正确。

[答案]　A

(1)在分泌蛋白的合成、加工、运输和分泌过程中，用含³⁵S标记的氨基酸作为原料，则³⁵S存在于图示①～④中的①部位。

(2)具有催化作用的酶和具有信息传递作用的激素都是蛋白质吗？不是。原因是具有催化作用的酶其化学本质可能是RNA，具有信息传递作用的激素其化学本质可能是脂质(如性激素)或氨基酸衍生物(如甲状腺激素)。

 高分点拨——类题通法

1．分析“碳骨架”，确定氨基酸的种类和数目的策略

当题目中给出肽链的结构简式时，首先要找出“中心碳原子”和“—CO—NH—”交替连接构成的“基本骨架”，然后在肽键中间“断开”，即可数出氨基酸的个数，通过比较R基的种类数可得出氨基酸的种类数。

2．辨识一些功能物质是否为蛋白质的图示判断法

一些功能物质的化学本质如下：(1)绝大多数酶是蛋白质，少数酶是RNA；激素中，有些是蛋白质，有些不是蛋白质。(2)抗体和载体的本质都是蛋白质，但结构各不相同。蛋白质与酶、激素、抗体、载体的关系如图所示：

【跟进题组】

 命题1　考查氨基酸的结构

1．甲硫氨酸的R基是—CH₂—CH₂—S—CH₃，它的分子式是(　　)

A．C₅H₁₁O₂NS　　　　　　　 B．C₃H₇S

C．C₄H₁₁O₂S D．C₅H₁₀O₂N

解析：选A。氨基酸分子通式为C₂H₄O₂N—R，氨基酸分子式中各原子数等于R基上的各原子数加上结构通式中的相应原子数。

 命题2　考查蛋白质的形成及结构

2．(2017·大连三中模拟)如图是某一多肽链的分子结构式，据图分析下列叙述错误的是(　　)

A．①是氨基，⑤是羧基

B．该多肽链中只有一个肽键，是④

C．该多肽链中的R基有②③⑥

D．该多肽链形成时失去了两分子水

解析：选B。分析题图，图中①为氨基，⑤为羧基，A正确；该多肽链中共有2个肽键，B错误；该多肽链中的R基有3个，为图中②③⑥，C正确；该多肽链中有2个肽键，形成时失去两分子水，D正确。

3．(2017·上海十二校联考)如图表示在胰岛B细胞中胰岛素原生成胰岛素的过程。该过程(　　)

A．发生在细胞质内的核糖体上

B．离不开内质网和高尔基体的作用

C．至少断裂两个肽键生成两分子水

D．需水参与，且水中氢全部用于形成—COOH

解析：选B。胰岛B细胞中胰岛素原生成胰岛素的过程是蛋白质的一个再加工的过程，该过程离不开内质网和高尔基体的作用，不是发生在核糖体上，A错误、B正确；断裂肽键需要水分子而不是生成水分子，C错误；水中的氢参与—COOH和—NH₂的形成，D错误。

4．(2017·安阳模拟)朊病毒蛋白(PrP)有两种构象：一种是PrP^c，一种是PrP^sc，它们的比较如表：

由此可以推测这两种蛋白质表现出不同性质的原因是(　　)

A．溶解度不同 B．氨基酸的种类不同

C．空间结构不同 D．氨基酸的数量不同

解析：选C。由表中信息可知，两种蛋白质的肽链中氨基酸排列顺序相同，由此可确定两种蛋白质的空间结构不同是它们表现出不同性质的原因。

 命题3　考查蛋白质的功能

5．如图中的①②③分别表示生物体内的三个生理过程，其中Q分别代表三种物质，下列有关Q的叙述，错误的是(　　)

A．Q可能位于细胞膜上

B．Q中可能含有硫元素

C．①不一定发生在细胞内

D．②必须依赖三磷酸腺苷

解析：选D。根据过程①知Q可能是酶，绝大多数酶的化学本质是蛋白质，可能含有硫元素；过程②说明Q可能是细胞膜上的载体蛋白；过程③说明Q可能是抗体。酶促反应在细胞内外均可发生，如唾液淀粉酶；物质跨膜运输不一定依赖三磷酸腺苷，如协助扩散。

6．(2015·高考四川卷，1)下列在叶绿体中发生的生理过程，不需要蛋白质参与的是(　　)

A．Mg^2＋吸收　　　　　 B．O₂扩散

C．光能转换 D．DNA复制

解析：选B。A项，Mg^2＋进入叶绿体的方式是主动运输，需要载体蛋白的参与。B项，O₂能通过自由扩散跨膜运输，不需要蛋白质的参与。C项，光能转换过程需要多种酶的参与，大多数酶的化学本质为蛋白质。D项，DNA的复制过程需要DNA聚合酶的参与，DNA聚合酶的化学本质是蛋白质。

　结合生活实践综合考查蛋白质

7．(2017·江西鹰潭一中高三月考)由我国自主开发的艾滋病病毒膜融合抑制剂西夫韦肽已顺利完成Ⅱb期临床实验。西夫韦肽是依据艾滋病病毒(HIV)膜融合蛋白Gp41的空间结构，全新设计并合成的新一代膜融合抑制剂，含有36个天然氨基酸。下列说法中正确的是(　　)

A．西夫韦肽为一种口服制剂

B．HIV的膜是由磷脂双分子层和蛋白质构成

C．西夫韦肽与双缩脲试剂发生反应，呈现紫色

D．西夫韦肽只有进入细胞内，才能发挥其效应

解析：选C。西夫韦肽的化学本质属于蛋白质类，是大分子，能与双缩脲试剂发生反应，呈现紫色，口服会被消化而失去疗效，A项错误、C项正确；HIV是病毒，没有膜结构，B项错误；西夫韦肽是全新设计并合成的新一代膜融合抑制剂，在HIV的宿主细胞表面发挥其效应，D项错误。

几种常见蛋白质的分布和功能

　蛋白质的相关计算

利用形成蛋白质的结构图解完成相应的计算规律

(1)氨基数和羧基数

①氨基数＝肽链数＋R基中的氨基数。

②羧基数＝肽链数＋R基中的羧基数。

(2)肽键数、脱去水分子数和蛋白质相对分子质量

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条链状多肽或m条链状多肽：

1．(必修1 P24科学史话)一个由20种、500个氨基酸组成的蛋白质，它的氨基酸的排列顺序就可能有________种。

提示：20⁵⁰⁰

2．(深入追问)某50肽中有丙氨酸(R基为—CH₃)4个，现脱掉其中的丙氨酸(相应位置如图所示)，得到4条多肽链和5个氨基酸(脱下的氨基酸均以游离态正常存在)。

(1)若该50肽水解得到的几种有机物比原50肽增加了________个氧原子。

(2)若将新生成的4条多肽链重新连接成一条长链，则将脱去________个H₂O。

提示：8　3

利用原子守恒法计算肽链中的原子数

(1)基本原理

①在一个氨基酸中，若不考虑R基，至少含有2个碳原子、2个氧原子、4个氢原子和1个氮原子。

②氨基酸在脱水缩合形成多肽时，要失去部分水分子，但是碳原子、氮原子的数目不会减少。

(2)常用公式

①碳原子数＝氨基酸分子数×2＋R基上的碳原子数。

②氢原子数＝各氨基酸中氢原子的总数－脱去的水分子数×2。

③氧原子数＝各氨基酸中氧原子的总数－脱去的水分子数。

④氮原子数＝肽键数＋肽链数＋R基上的氮原子数。

【感知考题】

(2017·广东中山一中模拟)某三十九肽中共有甘氨酸4个(甘氨酸结构式如图1)，现用某种水解酶去除其中的甘氨酸，得到4条长短不等的多肽(如图2)。如将原来多肽与4条多肽总的原子数或结构数进行比较，会出现下列4种情况中的(　　)

①肽键数目减少7个　②C原子减少8个　③氨基和羧基分别增加3个　④O原子数目减少1个

A．1种　　　　　　　　　 B．2种  

C．3种     D．4种

[解析]　据图分析，去掉4个甘氨酸，共需水解7个肽键，所以肽键减少7个；每个甘氨酸含2个C原子，脱掉4个甘氨酸减少8个C原子；每条肽链中至少含有一个氨基和一个羧基，4条多肽链，至少4个游离的氨基，4个游离的羧基，与原来1条多肽链相比氨基和羧基分别增加3个；水解7个肽键需7分子水参与，水解产生的所有产物中O原子数增加7个，而每个甘氨酸含有2个O原子，因此原来多肽与4条多肽相比O原子数目减少1个。

[答案]　D

如图为某蛋白质的结构示意图，其中“—S—S—”为由两个“—SH”(巯基)构成的二硫键，其作用是连接两个相邻肽链。若该蛋白质分子共由m个氨基酸组成，则形成一个该蛋白质分子时生成的水分子数和减少的相对分子质量分别为(m－2)、18(m－2)＋4。

 高分点拨——类题通法

1．环状肽的结构与计算

环状肽如图所示：

根据图示可知：肽键数＝脱去的水分子数＝氨基酸数(由于环肽首尾氨基酸彼此相连，故形成一个环肽时比形成一条直链肽要多生成一个水分子)。

2．计算蛋白质分子量时别忽略了二硫键：当肽链上出现二硫键(—S—S—)时，要再减去2(即2个H)。

【跟进题组】

 命题1　直链肽的相关计算

1．(2017·江苏盐城月考)分析多肽E和多肽F(均由1条肽链组成)得到如表所示结果。(单位：个)

请推算这两种多肽中参与缩合的氨基酸的数目最可能是(　　)

解析：选D。多肽E有3个游离的氨基，其中有两个位于R基上，可判断多肽E含有的氨基酸数为53－2＝51；多肽F有6个游离的氨基，有5个位于R基上，多肽F含有的氨基酸数为54－5＝49。

 命题2　环肽的相关计算

2．一条由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．可能没有游离的氨基

C．至少有5个游离的羧基

D．至多有36种氨基酸

解析：选B。一条由39个氨基酸形成的环状多肽，应有39个肽键，A错误；因为谷氨酸的R基上没有游离氨基，又不知其他氨基酸的R基的情况，则可能没有游离氨基，B正确；由于谷氨酸的R基上有1个游离羧基，则该多肽至少有4个游离羧基，C错误；组成蛋白质的氨基酸最多为20种，D错误。

 命题3　多肽中含有二硫键的相关计算

3．(2017·怀化模拟)如图表示一个由三条多肽链形成的蛋白质分子，共含271个氨基酸，图中每条虚线表示由两个R基中的巯基(—SH)脱氢形成一个二硫键(—S—S—)。下列相关叙述不正确的是(　　)

A．组成该分子的氨基酸最多有20种

B．氨基酸合成该分子后相对分子质量减少了4 824

C．该分子至少含有3个游离的氨基

D．该物质遇到双缩脲试剂会发生紫色反应

解析：选B。组成蛋白质的氨基酸最多有20种；由271个氨基酸合成该分子时，脱去268分子水，同时在形成4个二硫键时脱去8个氢，即减少的相对分子质量为268×18＋8＝4 832；该分子由三条多肽链形成，至少含有3个游离的氨基；蛋白质遇到双缩脲试剂会发生紫色反应。

 命题4　多肽中原子数目的相关计算

4．(2017·长沙三校联考)某六十肽中有2个丙氨酸(C₃H₇O₂N)，现脱掉其中的丙氨酸(相应位置如图)得到几种不同的有机产物，其中脱下的氨基酸均以游离态正常存在。下列有关该过程产生的全部有机物中有关原子、基团或肽键数目的叙述，错误的是(　　)

A．肽键数目减少4个　　　　 B．氢原子数目增加8个

C．氨基和羧基分别增加4个 D．氧原子数目增加2个

解析：选D。1个丙氨酸左右有2个肽键，脱掉2个丙氨酸肽键数目减少4个。该过程得到3条短肽链和2个游离的丙氨酸，3条短肽链增加了2个氨基和2个羧基，2个游离的丙氨酸增加了2个氨基和2个羧基，氨基和羧基分别增加4个。增加的氨基、羧基中氢原子和氧原子分别增加了12个和8个，又因为水解过程肽键减少4个，减少了4个氢原子和4个氧原子，所以氢原子数目增加8个，氧原子数目增加4个。

[核心体系构建]

[填空]　①C、H、O、N　②　③肽键　

④功能　⑤免疫　⑥信息传递　⑦种类　⑧排列顺序　⑨空间结构

[规范答题必备]

1．氨基酸中氨基和羧基的两大特点

(1)数目：至少含有一个氨基和一个羧基。

(2)连接方式：都有一个氨基和一个羧基连接在同一个碳原子上。

2．氨基酸的种类和性质的唯一决定因素：R基。

3．蛋白质的四个结构层次：元素C、H、O、N等→氨基酸→多肽→蛋白质。

4．脱水缩合过程中重要的数量关系

肽键数＝脱掉水分子数＝氨基酸数－肽链数。

5．蛋白质结构多样性的原因：组成蛋白质的氨基酸的种类、数目、排列顺序不同，肽链的盘曲、折叠方式及其形成的空间结构不同。

6．蛋白质的五大功能：构成细胞和生物体、催化、运输、免疫、调节。