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第四章 生物大分子
第二節 蛋白質
學習目標：
1.通過結構分析認識氨基酸的組成、結構特點和主要化學性質，知道氨基酸、多肽和蛋白質之間的關系。能判斷氨基酸的縮合產物和多肽的水解產物。
2.認識蛋白質的組成和性質特點。
3.認識蛋白質空間結構的復雜性和種類的多樣性，了解酶催化反應的特點。
素養目標：
1.證據推理與模型認知：通過從分子水平上認識氨基酸的組成、結構和性質，進一步深化“結構決定性質”學科認知模型。
2.宏觀辨識與微觀探析：能辨識蛋白質結構中的肽鍵，能說明蛋白質的基本結構特點，能分析氨基酸、蛋白質與人體健康的關系，從微觀和宏觀相結合的視角認識蛋白質的結構與性質。
3.科學態度與社會責任：認識人工合成多肽和蛋白質的意義，體會化學科學在生命科學發展中所起的重要作用。
教學重、難點：氨基酸和蛋白質的結構特點和主要性質
教學過程：
概述：蛋白質是生物體內一類極為重要的_________，是________的主要物質基礎。它不僅是_____的重要成分，而且具有多種___________。例如，動植物體內起催化作用的大多數____、一些調節代謝的______和發生免疫反應的_____等均為蛋白質。從最簡單的病毒、細菌等微生物直至人類，生物體內的絕大多數生命過程都與蛋白質密切相關，可以說沒有蛋白質就___________。______是組成蛋白質的基本結構單位，要認識蛋白質，必須首先認識_______。
學習任務一：氨基酸
1.什么是氨基酸 羧酸分子里烴基上的氫原子被氨基取代所得到的化合物。雙官能團：羧基(-COOH) 和氨基(-NH2),屬于取代羧酸。
2.存在 ：自然界中存在的氨基酸有____種，但組成生物體內蛋白質的氨基酸一般只有____種。其中有___種氨基酸在人體內不能合成，必須通過食物供給，這些氨基酸稱為__________。因此，為了人體的健康，應注意合理膳食、科學營養，保證人體必需氨基酸的攝取。
2.分子結構是怎樣的
組成蛋白質的氨基酸幾乎都是________ ，氨基連接在與_________的α位的碳原子上，結構簡式:
α-氨基酸除甘氨酸外，一般均含有連接四個不同原子或原子團的_____，具有_______。
味精——谷氨酸單鈉鹽
3.物理性質
天然的氨基酸均為_____色晶體,熔點較 ,在200℃-300℃熔化時_____。 一般都___溶于水,而難溶于____________等有機溶劑。
思考與討論 根據以上氨基酸結構簡式中所含有的官能團，推測氨基酸可能具有哪些化學性質。
具有兩性(酸性和堿性)，發生成肽反應。
4.化學性質
(1)兩性：
(2)成肽反應(取代反應）:兩個氨基酸分子(可以相同也可以不同)，在一定條件下，通過氨基和羧基縮合脫去水，形成含有肽鍵的化合物的反應。
由兩個氨基酸分子縮合后形成的含有肽鍵的化合物稱為二肽。二肽還可以繼續與其他氨基酸分子縮合生成三肽、四肽、五肽，以至生成長鏈的多肽。
多肽常呈鏈狀，因此也叫肽鏈。肽鏈能盤曲、折疊，還可以相互結合，形成蛋白質。一般把相對分子質量在1萬以上，并具有一定空間結構的多肽稱為蛋白質。
學習任務二：蛋白質
(一)組成：蛋白質主要由 _______________等元素組成，有些蛋白質還含有________________等元素。人體含有的蛋白質種類超過______種。
(二)結構：蛋白質是由多種氨基酸通過_____等相互連接形成的一類____________，是一般細胞中含量_____的有機分子，約占細胞干重的______以上。
蛋白質的結構不僅取決于多肽鏈的氨基酸____、____及_________，還與其特定的__________有關。蛋白質分子中氨基酸單體的排列順序稱為蛋白質的_____結構，它是蛋白質高級結構的_____，對蛋白質的性質和功能起著決定性作用。例如，血紅蛋白分子中的谷氨酸會因遺傳因素變成纈氨酸，這一微小差別會導致紅細胞的形態由正常的圓餅狀變為異常的鐮刀狀，使人患鐮狀細胞貧血。
肽鍵中的氧原子與氫原子之間存在_____，會使肽鏈_____或_____成特定的空間結構，形成蛋白質的________。肽鏈在二級結構基礎上還會進一步_________，形成更復雜的_________。多個具有特定三級結構的多肽鏈通過非共價鍵相互作用（如氫鍵等）排列組裝，形成蛋白質的_________。
資料卡片
蛋白質含量的測定由于生物組織中絕大部分氮元素都來自蛋白質，而且各種來源不同的蛋白質的含氮量都比較接近，平均為16%。因此生物樣品中的1g氮元素大致相當于6.25 g 蛋白質，由此可以通過測定樣品中氮元素的質量分數計算出其中蛋白質的含量。
(三) 性質：
1. 有膠體的性質：有些蛋白質能溶于水，由于蛋白質分子直徑相對很大。已達到膠體微粒的大小，故蛋白質溶液(如雞蛋清溶液)能發生______效應.
2.兩性：蛋白質的結構含有—NH2和—COOH，故有兩性，它能與酸、堿反應，生成鹽。
3.水解：
[實驗4－3] 現象:滴入飽和的(NH4)2SO4溶液有沉淀生成,加入蒸餾水，沉淀又溶解。
4.鹽析：輕金屬鹽(如硫酸銨、硫酸鈉、氯化鈉等)在蛋白質溶液中達到一定濃度時，使蛋白質的溶解度降低而使其從溶液中析出。
鹽析是一個可逆的過程,屬于物理變化,可分離提純蛋白質。
[實驗4－4] 現象:加熱、加入醋酸銀溶液或乙醇均生成白色沉淀，加水后沉淀不溶解。
5.變性：在某些物理因素和化學因素的影響下，蛋白質的性質和生理功能發生了改變，稱為蛋白質的變性。變性是不可逆的，蛋白質失去生理活性，屬于化學變化。
物理因素：加熱、加壓、攪拌、振蕩、超聲波、紫外線和放射線。
化學因素：強酸、強堿、重金屬鹽、乙醇、甲醛等。
應用：殺菌、消毒
①食物加熱后，其中的蛋白質發生了變性，有利于人體消化吸收；
②乙醇、苯酚和碘等作為消毒防腐藥可以使微生物的蛋白質變性，導致其死亡，達到消毒的目的；
③紫外線可用于殺菌消毒。有時也要注意防止蛋白質變性。例如，疫苗等生物制劑需要在低溫下保存；攀登高山時為防止強紫外線引起皮膚和眼睛的蛋白質變性灼傷，需要防曬護目。
思考與討論
(1)因誤服鉛、汞等重金屬鹽中毒的患者在急救時，為什么可口服牛奶、蛋清或豆漿？
牛奶、蛋清、豆漿中含大量的蛋白質，讓鉛、汞等重金屬鹽使他們變性，減少對人體傷害。
(2)為什么紫外線可用于環境和物品消毒，放射線可用于醫療器械滅菌？
紫外線、放射線能使病毒、細菌蛋白蛋變性而滅活。
[實驗4－5 ] 現象：加入濃硝酸生成白色沉淀，加熱沉淀變黃色。
6.顏色反應：含有苯環的蛋白質和濃HNO3作用生成白色沉淀，加熱后沉淀變黃色。
應用：用于鑒別蛋白質的存在
除了硝酸，其他一些試劑也可以與蛋白質作用，呈現特定的顏色，可用于蛋白質的分析檢測。
7.灼燒反應：燃燒蛋白質有燒焦羽毛的氣味
應用：用于鑒別蛋白質的存在。如鑒別羊毛、蠶絲等布料。
(四) 社會價值：人們對蛋白質結構、性質和功能的研究，為蛋白質的合成與應用奠定了基礎。蛋白質的人工合成，不僅為生命起源的化學途徑提供了有力的證據，而且可以為人們提供性能優異的藥物和生物催化劑，對探索生命活動規律、促進人類健康具有重要意義。
資料卡片 燙發的原理
頭發主要由角蛋白組成，其中的含硫氨基酸形成的二硫鍵(-S-S-)是維持頭發彈性和形狀的一個重要結構。一般燙發時使用的還原劑可以使頭發中的二硫鍵斷裂，產生游離的巰基（-SH )。再用一定的工具將頭發卷曲或拉直成需要的形狀。然后用氧化劑使巰基之間發生反應，生成新的二硫鍵，使頭發的形狀得以固定。頻繁燙發會對頭發造成一定程度的損害。
科學史話 人工合成結晶牛胰島素
胰島素是由胰腺分泌的一種激素，具有調節體內糖類、蛋白質和脂肪代謝等功能。胰島素是最先被確定氨基酸序列的蛋白質，其結構由桑格①等于1955年測定。它由兩條肽鏈組成，分別是由21個氨基酸形成的A鏈和30個氨基酸形成的B鏈，兩條鏈通過二硫鍵（- S - S -）連接。
中國科學院生物化學研究所、有機化學研究所和北京大學化學系等單位的多位科學家經過長期不懈努力，在1965年首先合成了結晶牛胰島素。他們根據胰島素的一級結構，將氨基酸按照一定順序，通過縮合反應分別合成了A鏈和B鏈，然后再使兩條鏈結合在一起，完成了復雜而艱巨的化學全合成工作。所得產物的結構和物理、化學性質與天然牛胰島素完全一致，生物活性也十分接近。這項工作有力地推動了生命科學的發展，是人類在探索生命奧秘征途中邁出的重要一步。
學習任務三：酶
1.什么是酶 酶是一類由細胞產生的對生物體內的化學反應具有催化作用的有機物，其中絕大數是蛋白質。
2.酶有什么功能 在酶的作用下，生物才能進行新陳代謝，完成消化、呼吸、運動、生長、發育、繁殖等生命活動。
3.酶催化作用有什么特點
(1)具有高效性，一般是普通催化劑的107倍。
(2)具有溫和性，一般在接近體溫和中性的條件下進行。
(3)具有高度專一性，每種酶只催化一種或一類化合物的化學反應。
4.酶有哪些應用 目前，酶已經得到了廣泛的應用，如蛋白酶用于醫藥、制革等工業，淀粉酶用于食品、發酵、紡織等工業，有的酶還可用于疾病的診斷。
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