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当质量守恒定律遇到蛋白质!

王苗苗 学科探究 2017-09-04 0 0
与蛋白质相关的计算问题是高中生物学中常考的题型,其中部分题目难度较大,学生解答起来往往会感觉比较困难。根据质量守恒定律,化学……

与蛋白质相关的计算问题是高中生物学中常考的题型,其中部分题目难度较大,学生解答起来往往会感觉比较困难。根据质量守恒定律,化学反应前后反应物与生成物的总质量相等,原子的种类和数量相等。利用此规律解答与蛋白质相关的计算问题,往往能够使解题的思路更加清晰,计算的过程更加简捷。接下来,笔者结合几道例题谈谈如何利用质量守恒定律,建构解答此类题目的模型,以供读者参考。

1.化学反应前后质量守恒

【例1】组成生物体某蛋白质的20种氨基酸的平均相对分子质量为128,则由100个氨基酸构成的含2条多肽链的蛋白质,其分子量为(  )

A. 12 800 B. 11 018

C. 11 036 D. 8 800

【解析】氨基酸形成蛋白质(多肽)的反应为脱水缩合反应,首先可根据化学反应前后反应物与生成物的总质量相等建立解答此类题目的一个基本模型,即:氨基酸的总质
量=蛋白质(多肽)质量+水的质量。题目求蛋白质分子量,可假设其为x,而水分子数=氨基酸数-肽链数=100-2,因此,将题中数据套入模型“氨基酸的总质量=蛋白质(多肽)质量+水的质量”,即得到等式:128×100=x+18(100-2),则易算出x=11 036。

【答案】C

【变式训练】若某蛋白质的分子量为11 935,在合成这个蛋白质分子的过程中脱水量为1 908,假设氨基酸的平均分子量为127,则组成该蛋白质分子的肽链有(  )

A. 1条 B. 2条

C. 3条 D. 4条

【解析】假设组成该蛋白质分子的肽链有x条,而氨基酸数=水分子数+肽链数=x+1 908/18,将题中数据套入模型“氨基酸的总质量=蛋白质(多肽)质量+水的质量”,即得到等式:127(x+1 908/18)=11 935+1 908,则易算出x=3。

【答案】C

2.化学反应前后原子数量守恒

【例2】某多肽的分子式为C55H70O19N10,已知它由下列4种氨基酸组成:甘氨酸(C2H5NO2)、丙氨酸(C3H7NO2)、苯丙氨酸(C9H11NO2)、谷氨酸(C5H9NO4),那么该多肽彻底水解可产生多少个谷氨酸分子(  )

A. 4个 B. 5个

C. 6个 D. 3个

【解析】氨基酸形成蛋白质(多肽)的反应为脱水缩合反应,首先可根据化学反应前后反应物与生成物原子的种类和数量相等建立解答此类题目的一个基本模型,即:氨基酸中某原子的数量=蛋白质中该原子的数量+水中该原子的数量。就本题而言,由于这四种氨基酸均仅含有1个N原子,而多肽中共有10个N原子,说明该多肽共有10个氨基酸组成。而题中要求谷氨酸的数量,通过观察不难发现谷氨酸与其他三种氨基酸最大的差异在于它的分子中含有4个O原子,而其他氨基酸则为2个。那么,只需假设谷氨酸的数量为x个,则其他氨基酸一共有10-x个,根据反应前后O原子数目守恒,将题中数据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

【变式训练1】有一条多肽链,分子式为CxHyOpNqS,将它彻底水解后,只得到下列四种氨基酸。分析推算可知,水解得到的氨基酸个数为(  )

A. q+1 B. p-1

C. q-2 D. p+1

【解析】假设水解得到的氨基酸个数为m个,由于四种氨基酸的共同点是均含有2个O原子,因此可根据脱水缩合反应前后O原子数量守恒进行计算,只需将题中数据套入模型“氨基酸中某原子的数量=蛋白质中该原子的数量+水中该原子的数量”,即可得到等式:2m=p+1(m-1),易算出m=p-1。

【答案】B

【变式训练2】丙氨酸的R基为“—CH3”,现用酶解法去除某二十肽最末端的一个丙氨酸,得到十九肽。下列有关该十九肽与二十肽的比较错误的是(  )

A. H原子减少5个 B. C原子减少3个

C. 氨基和羧基不变 D. O原子减少2个

【解析】多数学生解答此类题目采用的是画图分析的方法,固然也能解决问题,但费时且易错,利用原子数目守恒直接进行计算则更加简单易行。二十肽去除最末端的一个丙氨酸属于水解反应,反应过程需要1分子水的参与。根据化学反应前后反应物与生成物原子的种类和数量相等,则可建立等式:二十肽中某原子的数量+水中该原子数量=十九肽中该原子数量+丙氨酸中该原子数量。丙氨酸的R基为“—CH3”,根据氨基酸的结构通式易知丙氨酸的分子式为C3H7O2N。根据上述等式,二十肽中的H原子数+2=十九肽中的H原子数+7,则二十肽中的H原子数-十九肽中的H原子数=5,故十九肽比二十肽H原子减少5个,A选项正确;同理,可推算出C原子减少3个、O原子减少1个,故B选项正确、D选项错误;由于二十肽和十九肽链的两端均各有1个氨基和1个羧基,而脱掉的丙氨酸的R基团上不存在氨基和羧基,所以该二十肽变成十九肽的过程中氨基和羧基数目不变,C选项正确。故本题选D。

【答案】D

3.总结

熟练掌握氨基酸的结构通式、脱水缩合反应的过程和特点以及该过程中氨基酸数目与水和肽链数之间的关系等知识是准确解答与蛋白质相关计算问题的前提,而利用质量守恒定律对此类问题进行分析、解答则会使得学生思路清晰、计算简便,不易出错。事实上,只要涉及质量及原子数量的计算,上述解题模型皆可适用。