利用質(zhì)量守恒定律解決與蛋白質(zhì)相關(guān)的計算問題

浙江 王苗苗

利用質(zhì)量守恒定律解決與蛋白質(zhì)相關(guān)的計算問題

浙江 王苗苗

與蛋白質(zhì)相關(guān)的計算問題是高中生物學(xué)中常考的題型，其中部分題目難度較大，學(xué)生解答起來往往會感覺比較困難。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，化學(xué)反應(yīng)前后反應(yīng)物與生成物的總質(zhì)量相等，原子的種類和數(shù)量相等。利用此規(guī)律解答與蛋白質(zhì)相關(guān)的計算問題，往往能夠使解題的思路更加清晰，計算的過程更加簡捷。接下來，筆者結(jié)合幾道例題談?wù)勅绾卫觅|(zhì)量守恒定律，建構(gòu)解答此類題目的模型，以供讀者參考。

1.化學(xué)反應(yīng)前后質(zhì)量守恒

【例1】組成生物體某蛋白質(zhì)的20種氨基酸的平均相對分子質(zhì)量為128，則由100個氨基酸構(gòu)成的含2條多肽鏈的蛋白質(zhì)，其分子量為 （ ）

A. 12 800 B. 11 018

C. 11 036 D. 8 800

【解析】氨基酸形成蛋白質(zhì)（多肽）的反應(yīng)為脫水縮合反應(yīng)，首先可根據(jù)化學(xué)反應(yīng)前后反應(yīng)物與生成物的總質(zhì)量相等建立解答此類題目的一個基本模型，即：氨基酸的總質(zhì)量=蛋白質(zhì)（多肽）質(zhì)量+水的質(zhì)量。題目求蛋白質(zhì)分子量，可假設(shè)其為x，而水分子數(shù)=氨基酸數(shù)-肽鏈數(shù)=100-2，因此，將題中數(shù)據(jù)套入模型“氨基酸的總質(zhì)量=蛋白質(zhì)（多肽）質(zhì)量+水的質(zhì)量”，即得到等式：128×100=x+18（100-2），則易算出x=11 036。

【答案】C

【變式訓(xùn)練】若某蛋白質(zhì)的分子量為11 935，在合成這個蛋白質(zhì)分子的過程中脫水量為1 908，假設(shè)氨基酸的平均分子量為127，則組成該蛋白質(zhì)分子的肽鏈有 （ ）

A. 1條 B. 2條

C. 3條 D. 4條

【解析】假設(shè)組成該蛋白質(zhì)分子的肽鏈有x條，而氨基酸數(shù)=水分子數(shù)+肽鏈數(shù)=x+1 908/18，將題中數(shù)據(jù)套入模型“氨基酸的總質(zhì)量=蛋白質(zhì)（多肽）質(zhì)量+水的質(zhì)量”，即得到等

式：127（x+1 908/18）=11 935+1 908，則易算出x=3。

【答案】C

2.化學(xué)反應(yīng)前后原子數(shù)量守恒

【例2】某多肽的分子式為C55H70O19N10，已知它由下列4種氨基酸組成：甘氨酸（C2H5NO2）、丙氨酸（C3H7NO2）、苯丙氨酸（C9H11NO2）、谷氨酸（C5H9NO4），那么該多肽徹底水解可產(chǎn)生多少個谷氨酸分子 （ ）

A. 4個 B. 5個

C. 6個 D. 3個

【解析】氨基酸形成蛋白質(zhì)（多肽）的反應(yīng)為脫水縮合反應(yīng)，首先可根據(jù)化學(xué)反應(yīng)前后反應(yīng)物與生成物原子的種類和數(shù)量相等建立解答此類題目的一個基本模型，即：氨基酸中某原子的數(shù)量=蛋白質(zhì)中該原子的數(shù)量+水中該原子的數(shù)量。就本題而言，由于這四種氨基酸均僅含有1個N原子，而多肽中共有10個N原子，說明該多肽共有10個氨基酸組成。而題中要求谷氨酸的數(shù)量，通過觀察不難發(fā)現(xiàn)谷氨酸與其他三種氨基酸最大的差異在于它的分子中含有4個O原子，而其他氨基酸則為2個。那么，只需假設(shè)谷氨酸的數(shù)量為x個，則其他氨基酸一共有10-x個，根據(jù)反應(yīng)前后O原子數(shù)目守恒，將題中數(shù)據(jù)套入上述模型即可得到等式：4x+2（10-x）=19+1（10-1），易算出x=4。

【答案】A

【變式訓(xùn)練1】有一條多肽鏈，分子式為CxHyOpNqS，將它徹底水解后，只得到下列四種氨基酸。分析推算可知，水解得到的氨基酸個數(shù)為 （ ）

A. q+1 B. p-1

C. q-2 D. p+1

【解析】假設(shè)水解得到的氨基酸個數(shù)為m個，由于四種氨基酸的共同點是均含有2個O原子，因此可根據(jù)脫水縮合反應(yīng)前后O原子數(shù)量守恒進行計算，只需將題中數(shù)據(jù)套入模型“氨基酸中某原子的數(shù)量=蛋白質(zhì)中該原子的數(shù)量+水中該原子的數(shù)量”，即可得到等式：2m=p+1（m-1），易算出m=p-1。

【答案】B

【變式訓(xùn)練2】丙氨酸的R基為“—CH3”，現(xiàn)用酶解法去除某二十肽最末端的一個丙氨酸，得到十九肽。下列有關(guān)該十九肽與二十肽的比較錯誤的是 （ ）

A. H原子減少5個 B. C原子減少3個

C. 氨基和羧基不變 D. O原子減少2個

【解析】多數(shù)學(xué)生解答此類題目采用的是畫圖分析的方法，固然也能解決問題，但費時且易錯，利用原子數(shù)目守恒直接進行計算則更加簡單易行。二十肽去除最末端的一個丙氨酸屬于水解反應(yīng)，反應(yīng)過程需要1分子水的參與。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)前后反應(yīng)物與生成物原子的種類和數(shù)量相等，則可建立等式：二十肽中某原子的數(shù)量+水中該原子數(shù)量=十九肽中該原子數(shù)量+丙氨酸中該原子數(shù)量。丙氨酸的R基為“—CH3”，根據(jù)氨基酸的結(jié)構(gòu)通式易知丙氨酸的分子式為C3H7O2N。根據(jù)上述等式，二十肽中的H原子數(shù)+2=十九肽中的H原子數(shù)+7，則二十肽中的H原子數(shù)-十九肽中的H原子數(shù)=5，故十九肽比二十肽H原子減少5個，A選項正確；同理，可推算出C原子減少3個、O原子減少1個，故B選項正確、D選項錯誤；由于二十肽和十九肽鏈的兩端均各有1個氨基和1個羧基，而脫掉的丙氨酸的R基團上不存在氨基和羧基，所以該二十肽變成十九肽的過程中氨基和羧基數(shù)目不變，C選項正確。故本題選D。

【答案】D

3.總結(jié)

熟練掌握氨基酸的結(jié)構(gòu)通式、脫水縮合反應(yīng)的過程和特點以及該過程中氨基酸數(shù)目與水和肽鏈數(shù)之間的關(guān)系等知識是準確解答與蛋白質(zhì)相關(guān)計算問題的前提，而利用質(zhì)量守恒定律對此類問題進行分析、解答則會使得學(xué)生思路清晰、計算簡便，不易出錯。事實上，只要涉及質(zhì)量及原子數(shù)量的計算，上述解題模型皆可適用。

（作者單位：浙江省臨安中學(xué)）