高一生物核心课第3讲:细胞中的蛋白质与核酸——课堂讲稿

高一生物核心课第3讲：细胞中的蛋白质与核酸——课堂讲稿

同学们，大家好。今天我们要把细胞中最重要的两类有机物——蛋白质和核酸——梳理清楚。

上节课我们讲了组成细胞的分子基础，水、无机盐、糖类、脂质等等。但真正复杂、真正能体现生命活动奥秘的，是蛋白质和核酸。它们为什么重要？因为它们结构复杂、功能强大。蛋白质几乎参与细胞的一切生命活动，核酸则储存着生物的遗传信息。今天这节课，我们就按照“小分子→大分子→结构→功能”的逻辑，一层一层把它们讲透。

一、先补一个化学地基：什么是基团

要理解蛋白质和核酸，先要理解一个化学概念：基团。

基团不是一种具体的分子，而是原子集团。也就是说，几个原子结合在一起，形成一个较大的结构，作为分子的组成部分，并且能决定分子的化学性质。你可以把它理解成“给一个中心原子戴不同的帽子”，戴什么帽子，就有什么性质。

高中生物里，我们重点掌握几个基团：

1.氨基：写成-NH₂。它来自氨气NH₃去掉一个氢原子。氨基在水溶液中通常表现为碱性。

2.羧基：写成-COOH。它有一个碳原子，连着双键氧，再连一个羟基。羧基有酸性，能电离出氢离子。

3.R基，也叫侧链基团：它不是某一种固定的基团，而是一大类基团。它从主链上伸出来，决定不同分子的差异。

4.含氮碱基：这类基团都含氮，通常呈碱性。核酸中的A、G、C、T、U就属于含氮碱基。

记住这几个基团，后面学氨基酸、核苷酸就会非常顺。

二、蛋白质：结构复杂，功能多样

1.蛋白质的基本单位是氨基酸

蛋白质是大分子，但它不是随机堆出来的，而是由小分子连接而成的。这个小分子就是氨基酸。

氨基酸的结构通式可以这样记：

·中心是一个碳原子，叫中心碳，也叫α-碳。

·中心碳左边连一个氨基-NH₂。

·中心碳右边连一个羧基-COOH。

·中心碳上面连一个氢原子。

·中心碳下面连一个R基。

其中，氨基、羧基、氢原子都是共通的，唯一不同的是R基。R基不同，氨基酸种类就不同。

注意一个关键点：能构成蛋白质的氨基酸，氨基和羧基必须连在同一个碳原子上，也就是α-碳上。如果氨基和羧基连在不同碳原子上，它虽然可以叫氨基酸，但不是构成蛋白质的氨基酸。

2.氨基酸的种类

构成人体蛋白质的氨基酸有21种。常见图示画20种，第21种是硒代半胱氨酸，比较特殊。

氨基酸可以按“人体能不能自己合成”来分类：

·必需氨基酸：人体需要，但不能自己合成，必须从外界食物中摄取。成人有8种：苏氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸、色氨酸、缬氨酸、甲硫氨酸、异亮氨酸、亮氨酸。可以记成“苏苯赖色缬甲异亮”。

·非必需氨基酸：人体需要，但可以自己合成，不一定要从外界摄取。

·婴儿多一种必需氨基酸：组氨酸。所以婴儿必需氨基酸是9种。

另外还有几个拓展点：

·含硫氨基酸有两种：甲硫氨酸和半胱氨酸。半胱氨酸含有巯基-SH，两个巯基可以形成二硫键。

·含硒氨基酸有一种：硒代半胱氨酸。

·R基上也可能含有氨基或羧基，所以一个氨基酸不一定只有一个氨基、一个羧基。

·甘氨酸的R基就是一个氢原子，是最小的氨基酸。

3.氨基酸怎样连成蛋白质：脱水缩合

两个氨基酸可以连在一起。过程叫脱水缩合：

·一个氨基酸的羧基脱去一个-OH。

·另一个氨基酸的氨基脱去一个-H。

·脱下来的-OH和-H结合成一分子水。

·剩下的部分相互连接，形成一个化学键，叫肽键。

肽键的结构是-CO-NH-，也可以写成-CO-NH-。它非常稳定。

几个重要概念：

·两个氨基酸脱水缩合，形成二肽。

·三个氨基酸形成三肽，多个氨基酸形成多肽。

·发生脱水缩合后，氨基酸就不完整了，叫氨基酸残基。

·肽链两端还没有参与反应的氨基和羧基，叫游离的氨基和游离的羧基。

·一条肽链中，n个氨基酸形成n-1个肽键，脱去n-1分子水。

·如果是环肽，首尾相接，n个氨基酸形成n个肽键，脱去n分子水。

·每条肽链至少含一个游离氨基和一个游离羧基，R基上可能还有更多。

另外，半胱氨酸的巯基之间可以形成二硫键，帮助维持蛋白质的空间结构。二硫键不是肽键，但很重要。

4.蛋白质的空间结构

蛋白质不是一条直链就完事了，它还要盘曲折叠，形成复杂的空间结构。

·一级结构：氨基酸的种类、数量、排列顺序，以及肽键连接方式。

·二级结构：肽链局部形成α-螺旋、β-折叠，主要靠氢键维持。

·三级结构：一条肽链进一步盘曲折叠，形成复杂的空间构象。

·四级结构：多条肽链（亚基）相互组合，形成更复杂的蛋白质。

可以这样类比：一级结构是毛线，二级结构是毛线织出的花纹，三级结构是用花纹织成毛衣的身体、袖子、领子，四级结构是把这些部件拼成一件完整的毛衣。不是所有蛋白质都有四级结构，但空间结构对蛋白质功能极其重要。

5.蛋白质的变性

蛋白质在某些物理或化学因素下，空间结构会被破坏，这就是变性。

·常见因素：高温、过酸、过碱、重金属盐、酒精等。

·变性后：空间结构被破坏，生物活性丧失。

·但肽键通常不断，一级结构保留。

·变性一般不可逆。

比如鸡蛋煮熟，就是蛋白质变性。变性后结构变得松散，肽键暴露出来，反而更容易被蛋白酶水解，所以熟鸡蛋比生鸡蛋更好消化。

还有一个概念叫盐析：加入某些无机盐，使蛋白质溶解度降低而析出。盐析不改变空间结构，是可逆的。加水后还能重新溶解。

6.蛋白质的功能

蛋白质功能非常多样，核心逻辑是：结构决定功能。

·结构蛋白：如细胞骨架。

·催化功能：如酶。

·运输功能：如血红蛋白运输氧气、转运蛋白运输物质。

·调节功能：如胰岛素调节血糖。

·免疫功能：如抗体对抗病原体。

如果蛋白质结构改变，功能就会受影响。例如镰状细胞贫血，就是血红蛋白结构异常，导致运输氧气能力下降。

7.解题小技巧

遇到多肽链题目，可以这样判断：

·找肽键：-CO-NH-。

·找中心碳：左边氨基、右边羧基的碳。

·数肽键：链状多肽中，肽键数=氨基酸数-1；环肽中，肽键数=氨基酸数。

·看游离氨基和羧基：每条链至少一端一个。

·看R基：R基不同，氨基酸种类不同。

例如脑啡肽是五肽，有5个氨基酸、4个肽键，但只有4种氨基酸，因为其中两个R基相同。谷胱甘肽是三肽，有2个肽键，其中一个谷氨酸是用R基上的羧基参与脱水缩合。环肽则首尾相接，7个氨基酸可以有7个肽键。

三、核酸：储存遗传信息的大分子

1.核酸的命名和种类

核酸最早是在细胞核中发现的酸性物质，所以叫核酸。

核酸有两种：

·DNA：脱氧核糖核酸，主要存在于细胞核中。

·RNA：核糖核酸，主要存在于细胞质中。

2.核酸的基本单位：核苷酸

核苷酸由三部分组成：

1.一分子磷酸。

2.一分子五碳糖。

3.一分子含氮碱基。

五碳糖有两种：

·核糖：C₅H₁₀O₅，2号碳上连羟基-OH。

·脱氧核糖：C₅H₁₀O₄，2号碳上连氢-H。所谓“脱氧”，就是脱去了一个氧。

含氮碱基有五种：

·A：腺嘌呤

·G：鸟嘌呤

·C：胞嘧啶

·T：胸腺嘧啶

·U：尿嘧啶

可以这样记：C像cell，胞嘧啶；U像urine，尿嘧啶；G是鸟嘌呤，联想“鸟”；A是腺嘌呤；T是胸腺嘧啶，和胸腺有关。

核苷酸分成两类：

·脱氧核糖核苷酸：脱氧核糖+磷酸+A/T/C/G。共4种，构成DNA。

·核糖核苷酸：核糖+磷酸+A/U/C/G。共4种，构成RNA。

所以，含氮碱基有5种，但核苷酸共有8种。

注意：DNA中含A、T、C、G，不含U；RNA中含A、U、C、G，不含T。T是DNA特有的，U是RNA特有的。

3.核苷酸怎样连成核酸

核苷酸之间通过脱水缩合连接，形成的化学键叫磷酸二酯键，具体是3',5'-磷酸二酯键。很多核苷酸连成长链，就形成DNA或RNA。

·DNA通常是双链结构，两条链上的碱基通过氢键配对。

·碱基配对规律：A与T配对，C与G配对。

·RNA通常是单链结构。

DNA双链结构比单链更稳定，所以DNA更适合储存遗传信息。

4.核酸的功能

核酸的功能是储存遗传信息。

遗传信息储存在哪里？就储存在含氮碱基的排列顺序中。磷酸和五碳糖都一样，真正变化的是碱基顺序。碱基排列顺序不同，遗传信息就不同，生物的性状就可能不同。

DNA具有多样性和特异性：

·多样性：碱基排列顺序多种多样。

·特异性：每个个体的DNA碱基序列有自身特点。

所以DNA可以用于亲子鉴定、案件侦破，也叫“DNA指纹”。

5.核酸的分布

·细胞生物：既有DNA，也有RNA，但遗传物质是DNA。

·病毒：只有一种核酸，要么只有DNA，要么只有RNA。DNA病毒的遗传物质是DNA，RNA病毒的遗传物质是RNA。

·原核细胞的DNA通常是环状的。

·真核细胞的DNA通常是链状的，主要在细胞核中。

四、生物大分子与碳

最后我们总结一个更大的概念：生物大分子。

生物大分子是由单体连接形成的多聚体。高中常见的生物大分子有三类：

·多糖：单体是葡萄糖。

·蛋白质：单体是氨基酸。

·核酸：单体是核苷酸。

脂肪虽然分子比较大，但它不能像多糖、蛋白质、核酸那样由单体无限连接，所以高中一般不把它当作生物大分子。

生物大分子都以碳链为基本骨架。碳原子能形成四个键，可以相互连接成长链，也可以连接其他基团。所以碳是生命的最基本元素，没有碳就没有生物大分子，也就没有复杂的生命活动。

当然，碳不是唯一重要的元素。蛋白质中有氮，核酸中有氮和磷，很多基团也参与其中。但碳链是基本骨架，这一点要牢牢记住。

五、课堂总结与作业

今天这节课，我们主要掌握两条主线：

蛋白质主线：氨基酸→脱水缩合→肽键→多肽→空间结构→功能。          核心概念：氨基、羧基、R基、中心碳、必需氨基酸、非必需氨基酸、脱水缩合、肽键、二肽、多肽、游离氨基、游离羧基、二硫键、一级结构、二级结构、三级结构、四级结构、变性、盐析、结构决定功能。

核酸主线：磷酸+五碳糖+含氮碱基→核苷酸→核酸。核心概念：核糖、脱氧核糖、A/G/C/T/U、脱氧核糖核苷酸、核糖核苷酸、磷酸二酯键、DNA双链、RNA单链、碱基互补配对、遗传信息、DNA指纹。

课后作业：

1.在草稿纸上画三遍氨基酸结构通式，标出中心碳、氨基、羧基、氢原子、R基。

2.背诵必需氨基酸、含氮碱基、核苷酸种类、DNA和RNA的区别。

3.自己整理一张表：DNA与RNA在五碳糖、碱基、链数、分布、功能上的区别。

4.找几道多肽链题目，练习数肽键、数氨基酸、判断游离氨基和羧基。

这节课内容多，但逻辑很清楚。大家不要死记硬背，要抓住“小分子→大分子→结构→功能”这条线。把概念一层一层理清，蛋白质和核酸就不再难了。下一节刷题课，我们再用题目巩固。大家课后及时复习，有问题随时问老师。