例析蛋白質(zhì)的合成過程及其相關(guān)計(jì)算的典型例題

韓喜建

(安徽省臨泉第一中學(xué) 236400)

蛋白質(zhì)的合成過程及其計(jì)算是高中生物必修二基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容，尤其是計(jì)算部分，對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)理解不到位、找不到計(jì)算思路、缺乏解題技巧造成解題效率低下都是當(dāng)前高中階段學(xué)生面臨的普遍問題.本文從蛋白質(zhì)的合成過程及其計(jì)算的典型例題出發(fā)，總結(jié)歸納了相關(guān)題型的解題技巧和解題思路，希望能給學(xué)生帶來啟示.

1 氨基酸數(shù)、肽鍵數(shù)和脫去水分?jǐn)?shù)的計(jì)算

通常，氨基酸在核糖體內(nèi)脫水縮合成多肽，形成肽鏈時(shí)，肽鍵數(shù)、脫去水子數(shù)與氨基酸數(shù)滿足表1所列數(shù)據(jù).

表1

需要引起學(xué)生注意的是，除了表1中的大多數(shù)情況，還存在形成環(huán)狀肽的特殊情形：若形成的是環(huán)狀多肽，則其形成的肽鍵數(shù)等于氨基酸數(shù).這是因?yàn)榄h(huán)狀肽的首位氨基酸相連成環(huán)，所以，環(huán)狀肽在形成過程中比直鏈鈦要多生成一個(gè)H2O，多形成一個(gè)肽鍵.換句話說，多肽形成過程中形成的肽鍵數(shù)不一定等于氨基酸數(shù)減1.

例1在下列5種氨基酸中，有部分是構(gòu)成人體的氨基酸，若將它們脫水縮合，使其形成一種多肽A，則A中含有的氨基、羧基和肽鍵的數(shù)目依次是( ).

①NH2—CH2—COOH

②NH2—CH2—CH2OH

A．7、5、4 B．4、4、2 C．2、2、2 D．3、2、3

解析C正確.構(gòu)成人體蛋白質(zhì)的氨基酸必須是α—氨基酸，根據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式可知，②不屬于氨基酸，③不是α—氨基酸，將剩余的①、④、⑤脫水縮合成三肽，據(jù)此分析即可.因此，根據(jù)分析可得氨基酸脫水縮合時(shí)的化學(xué)方程式為：

再根據(jù)三肽的結(jié)構(gòu)可知，氨基數(shù)目為2，羧基為2，肽鍵數(shù)目為2，故C符合題意，C正確.

反思本題主要考點(diǎn)在人體氨基酸這一記憶點(diǎn)，人體蛋白質(zhì)是由α—氨基酸脫水縮合反應(yīng)生成的，除了這一考點(diǎn)外，本題還涉及氨基酸的判斷，氨基、羧基、肽鍵的判斷等，屬于基本知識(shí)，基礎(chǔ)題型，難度不大.學(xué)生在解題時(shí)要靈活把握基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，做到無疏無漏.

2 蛋白質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量及多肽鏈中各原子數(shù)目的計(jì)算

蛋白質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量和多肽鏈中各個(gè)原子數(shù)目計(jì)算也是蛋白質(zhì)合成及其相關(guān)題型中常設(shè)及的考點(diǎn)，其滿足表2所列關(guān)系式(假設(shè)氨基酸的平均相對(duì)分子質(zhì)量為a).

表2

氨基酸在脫水縮合形成多肽結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)失去水分子，換言之，其H和O原子的數(shù)目會(huì)減少，而C原子和N原子的數(shù)目不會(huì)減少.根據(jù)這一規(guī)律，可以得出蛋白質(zhì)中含有N、O、C、H原子數(shù)的計(jì)算公式為：

(1)N原子數(shù)=肽鍵數(shù)+肽鏈數(shù)+R基上的N原子數(shù)=各氨基酸中N原子總數(shù)；

(2)O原子數(shù)=肽鍵數(shù)+2×肽鏈數(shù)+R基上的O原子數(shù)=各氨基酸中O原子總數(shù)-脫去水分子數(shù)；

(3)C原子數(shù)=2×氨基酸分子數(shù)+R基上的C原子數(shù)；

(4)H原子數(shù)=各氨基酸中H的總數(shù)- 2×脫去水分子數(shù).

學(xué)生要注意的是，在蛋白質(zhì)形成過程中，減少的H原子不只來自羧基和氨基，若肽鏈中的氨基酸含有“—SH”(硫基)時(shí)，每?jī)蓚€(gè)“—SH”會(huì)在形成“—S—S”(二硫鍵)過程中脫掉兩個(gè)H原子，故蛋白質(zhì)形成過程中減少的H原子可能來自羧基、氨基和硫基.

例2某49肽中有丙氨酸(R基為—CH3)4個(gè)，現(xiàn)脫掉其中的丙氨酸(相應(yīng)位置如圖1所示)，下列有關(guān)敘述錯(cuò)誤的是( ).

圖1

A．新生成的4條多肽鏈至少含有4個(gè)游離的羧基

B．水解后得到的多肽可以和雙縮脲試劑反應(yīng)出現(xiàn)紫色

C．若將新生成的4條多肽鏈重新連接成一條長(zhǎng)鏈，則將脫去3分子H2O

D．水解得到的多肽鏈比原49肽減少了2個(gè)氧原子，減少了12個(gè)碳原子

解析通過分析圖1和題目的已知條件可知該49肽是由49個(gè)氨基酸脫水縮合而成的，因此在脫水縮合的過程中會(huì)脫去48個(gè)水分子，形成48個(gè)肽鍵.若根據(jù)題意，將圖示位置的4個(gè)丙氨酸去掉，則原1條單直鏈將變成4條肽鏈，也就是4種氨基酸，此時(shí)肽鍵數(shù)目將減少7個(gè)，這過程需要消耗7個(gè)水分子.由此，再來分析以下4個(gè)選項(xiàng).A選項(xiàng)：每條肽鏈的末端都帶有一個(gè)游離的羧基，因此新生成的4條多肽鏈至少含有4個(gè)游離的羧基，A正確；B選項(xiàng)：雙縮脲試劑可以和肽鍵反應(yīng)出現(xiàn)紫色，水解后得到的多肽仍然含有肽鍵，所以仍然可以使雙縮脲試劑呈現(xiàn)紫色，B正確；C選項(xiàng)：4條多肽鏈脫水縮合形成3個(gè)肽鍵，將脫去3個(gè)水分子，C正確；D選項(xiàng)：原49肽水解后脫掉其中的4個(gè)丙氨酸(C3H7O2N)，得到4條多肽鏈，該過程中需要消耗7分子H2O，故水解得到的多肽鏈比原49肽減少的氧原子數(shù)為4×2-7=1個(gè)，減少的碳原子數(shù)為4×3=12個(gè)，D錯(cuò)誤.

反思本題主要考查的是氨基酸在脫水縮合過程中的反應(yīng)及其相關(guān)計(jì)算，需要學(xué)生理解氨基酸在脫水縮合時(shí)產(chǎn)生的變化，需要明確本題中脫去丙氨酸反應(yīng)與氨基酸脫水縮合反應(yīng)相反.再結(jié)合題目的已知條件和提示信息進(jìn)行準(zhǔn)確分析和計(jì)算，難度稍大，對(duì)學(xué)生的綜合能力要求較高.

3 蛋白質(zhì)中游離氨基和羧基數(shù)目的計(jì)算

通常，蛋白質(zhì)中游離的氨基數(shù)=肽鏈數(shù)+R基上的氨基數(shù)=各氨基酸中氨基總數(shù)-肽鍵數(shù)；游離的羧基數(shù)=肽鏈數(shù)+R基上的羧基數(shù)-各氨基酸中羧基總數(shù)-肽鍵數(shù).學(xué)生在實(shí)際計(jì)算時(shí)可以根據(jù)上面的兩個(gè)公式，快速求解出答案，提高解題效率.

例3一個(gè)由39個(gè)氨基酸形成的環(huán)狀多肽，其中有4個(gè)谷氨酸(R基為-CH2-CH2-COOH)，則該多肽( ).

A.可能沒有游離氨基

B.至多有36種氨基酸

C.至少有5個(gè)游離羧基

D.有38個(gè)肽鍵

解析D正確.在之前的生物學(xué)習(xí)過程中，已經(jīng)清楚掌握構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本單位是氨基酸.而分析氨基酸的原子結(jié)構(gòu)可以知道，每個(gè)氨基酸分子至少都含有一個(gè)氨基和一個(gè)羧基，一個(gè)H原子和一個(gè)R基.另外，氨基酸形成多肽鏈，是一個(gè)脫水縮合的過程，這一過程在細(xì)胞的核糖體中發(fā)生，它是一個(gè)氨基酸分子的羧基部分和另一個(gè)氨基酸分子的氨基部分連接形成一條完整的直肽鏈并脫去一分子水的過程.基于上述知識(shí)點(diǎn)，再來分析下面四個(gè)選項(xiàng).A選項(xiàng)：一個(gè)由39個(gè)氨基酸形成的環(huán)狀多肽至少含有的游離的氨基數(shù)=鏈狀肽鏈數(shù)=0個(gè)，A正確；B選項(xiàng)：一個(gè)由39個(gè)氨基酸形成的環(huán)狀多肽，至多有21種氨基酸，B錯(cuò)誤；C選項(xiàng)：谷氨酸的R基為—CH2—CH2—COOH，每分子谷氨酸的R基中含有一個(gè)游離的羧基，則一個(gè)由39個(gè)氨基酸形成的環(huán)狀多肽，其中有4個(gè)谷氨酸，則該環(huán)狀多肽分子中至少含有的游離的羧基數(shù)=鏈狀肽鏈數(shù)+4個(gè)谷氨酸的R基中的羧基數(shù)=0+4=4個(gè)，C錯(cuò)誤；D選項(xiàng)：一個(gè)由39個(gè)氨基酸形成的環(huán)狀多肽含有的肽鍵數(shù)=氨基酸數(shù)=39個(gè)，D錯(cuò)誤.

反思本題主要考查蛋白質(zhì)合成過程中，肽鍵數(shù)、肽鏈數(shù)以及游離氨基酸和羧基的變化數(shù)，屬于蛋白質(zhì)的合成過程中基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的相關(guān)計(jì)算.學(xué)生需要把握氨基酸脫水縮合的過程，根據(jù)公式靈活計(jì)算.如果學(xué)生在實(shí)際考察過程中難以記憶公式，則需根據(jù)氨基酸脫水縮合反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，做好關(guān)鍵物質(zhì)的推導(dǎo)公式，確保解題正確.

總的來說，高中生物涉及到蛋白質(zhì)的合成及其計(jì)算的類型大體就是以上三種，除了上述三種之外，還偶爾涉及多肽種類的計(jì)算(n種氨基酸形成一個(gè)三肽，那形成的三肽種類為n3種；n種氨基酸形成一個(gè)m肽，則形成的m肽得到種類有nm種)，學(xué)生在實(shí)際解題過程中，要靈活把握各個(gè)命題的特點(diǎn)，準(zhǔn)確選擇對(duì)應(yīng)的公式和解題技巧，從而縮短解題時(shí)間，提高自己的解題效率.