利用質量守恒定律解決與蛋白質相關的計算問題

浙江 王苗苗

利用質量守恒定律解決與蛋白質相關的計算問題

浙江 王苗苗

與蛋白質相關的計算問題是高中生物學中常考的題型，其中部分題目難度較大，學生解答起來往往會感覺比較困難。根據質量守恒定律，化學反應前后反應物與生成物的總質量相等，原子的種類和數量相等。利用此規律解答與蛋白質相關的計算問題，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，筆者結合幾道例題談談如何利用質量守恒定律，建構解答此類題目的模型，以供讀者參考。

1.化學反應前后質量守恒

【例1】組成生物體某蛋白質的20種氨基酸的平均相對分子質量為128，則由100個氨基酸構成的含2條多肽鏈的蛋白質，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（多肽）的反應為脫水縮合反應，首先可根據化學反應前后反應物與生成物的總質量相等建立解答此類題目的一個基本模型，即：氨基酸的總質量=蛋白質（多肽）質量+水的質量。題目求蛋白質分子量，可假設其為x，而水分子數=氨基酸數-肽鏈數=100-2，因此，將題中數據套入模型“氨基酸的總質量=蛋白質（多肽）質量+水的質量”，即得到等式：128×100=x+18（100-2），則易算出x=11 036。

【答案】C

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

A. 1條 B. 2條

C. 3條 D. 4條

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

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

【答案】C

2.化學反應前后原子數量守恒

【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（多肽）的反應為脫水縮合反應，首先可根據化學反應前后反應物與生成物原子的種類和數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量=蛋白質中該原子的數量+水中該原子的數量。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量，通過觀察不難發現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，只需假設谷氨酸的數量為x個，則其他氨基酸一共有10-x個，根據反應前后O原子數目守恒，將題中數據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為 （ ）

A. q+1 B. p-1

C. q-2 D. p+1

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

【答案】B

【變式訓練2】丙氨酸的R基為“—CH3”，現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】多數學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，反應過程需要1分子水的參與。根據化學反應前后反應物與生成物原子的種類和數量相等，則可建立等式：二十肽中某原子的數量+水中該原子數量=十九肽中該原子數量+丙氨酸中該原子數量。丙氨酸的R基為“—CH3”，根據氨基酸的結構通式易知丙氨酸的分子式為C3H7O2N。根據上述等式，二十肽中的H原子數+2=十九肽中的H原子數+7，則二十肽中的H原子數-十九肽中的H原子數=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目不變，C選項正確。故本題選D。

【答案】D

3.總結

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

（作者單位：浙江省臨安中學）