蛋白质结构的形成及多样性: 1、蛋白质的结构层次:
2、蛋白质种类多样性的原因:
(1)氨基酸的原因:
①氨基酸的种类不同。
②氨基酸的数目成百上千。
③氨基酸的排列顺序千变万化。
(2)肽链的原因:
肽链的盘曲、折叠方式及其形成的空间结构千差万别。
知识点拨:
1、脱去的水分子中的氢来自氨基和羧基,氧来自羧基。
2、肽键的写法有以下几种,这三种都是正确的。
或-CO-NH-或-NH-CO-
3、多肽中具体有几个氨基或几个羧基,应关注R基中是否有氨基或羧基。
4、若形成的多肽链是环状:氨基酸数=肽键数=失去水分子数。
5、在蛋白质分子量的计算中若通过图示或其他形式告知蛋白质分子中含有二硫键时,要考虑脱去氢的质量,每形成一个二硫键,脱去2个H。
知识拓展:
氨基酸形成多肽过程中的相关计算
1、蛋白质分子量、氨基酸数、肽链数、肽键数和脱去水分子数的关系
(1)肽键数=脱去水分子数=氨基酸数一肽链数;
(2)蛋白质分子量=氨基酸数目x氨基酸平均相对分子质量一脱去水分子数×18。
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肽链数目 |
酸数氨基 |
脱去水分子数 |
多肽链分子量 |
氨基数目 |
羧基数目 |
1条 |
m |
m-1 |
m-1 |
am-18(m-1) |
至少1个 |
至少1个 |
2条 |
m |
m-n |
m-n |
am-18(m-n) |
至少n个 |
至少1个 |
注:1、氨基酸平均相对分子质量为a。
2、蛋白质中游离氨基或羧基数的计算
(1)至少含有的游离氨基或羧基数=肽链数
(2)游离氨基或羧基数=肽链数+R基中含有的氨基或羧基数
3、蛋白质中含有N、O原子数的计算 (1)N原子数=肽键数+肽链数+R基上的N原子数=各氨基酸中N原子总数。
(2)O原子数=肽键数+2×肽链数+R基上的O原子数=各氨基酸中O原子总数一脱去水分子数。
4、巧记氨基酸结构通式让学生把自己身体想象成一个氨基酸分子:中央C原子、头-H原子、右手——氨基(-NH2)左手——羧基(-COOH)、脚-R基(-R)
5、巧记脱水缩合过程 首先由两个人手拉手,一个人出左手拉住另一个人的右手,脱去一分子水,形成二肽。然后再加上一个人,又脱去一分子水,形成三肽,以此类推,形成多肽。
核酸的结构组成:
1.核酸的基本组成单位——核苷酸
(1)种类:分为脱氧(核糖)核苷酸和核糖核苷酸两种。
(2)结构组成:
2. 核算的组成:
核酸的特性:
1、核酸的功能:核酸是细胞内携带遗传信息的物质,在生物体的遗传、变异和蛋白质的生物合成中具有极其重要的作用。
2、核酸分子的多样性:
(1)原因:核苷酸数量不同和排列顺序多样性。
(2)核酸中遗传信息的贮存
①原核生物、真核生物和DNA病毒的遗传信息贮存在DNA分子中。
②RNA病毒的遗传信息直接贮存在RNA中,如HIV、SARS病毒等。
知识点拨:
1.只有DNA(或RNA)的生物:病毒。 4种碱基:A、G、T、C(或A、G、U、C) 1种磷酸4种核苷酸 1种五碳糖:脱氧核糖(或核糖)
2.同时含有DNA和RNA的生物:原核生物和真核生物。 5种碱基A、G、T、C、U 1种磷酸 2种五碳糖:脱氧核糖、核糖 8种核苷酸
3、彻底水解与初步水解
物质 |
彻底水解 |
初步水解 |
DNA |
磷酸,脱氧核糖,碱基 |
脱氧核苷酸 |
RNA |
磷酸,核糖,碱基 |
核糖核苷酸 |
核酸 |
磷酸,五碳糖,碱基 |
核糖核苷酸 |
例:含有2000个碱基对的DNA分子片段彻底水解后得到的物质种类数最多为( )
A.4种B.5种C.6种D.8种
答案C
知识拓展:
(1)在既含DNA又含RNA的生物体内,只要出现A、C、G这三种碱基,每一种碱基都分别对应两种核苷酸:脱氧核苷酸和核糖核苷酸。当碱基为U或T时,只能分别对应尿嘧啶核糖核苷酸和胸腺嘧啶脱氧核苷酸。
(2)RNA作为遗传物质的前提是生物体内不存在DNA。当RNA作为遗传物质时,由于RNA单链结构不稳定,则易发生突变。
(3)若是在含有DNA和RNA的生物体中,则碱基种类为5种;核苷酸种类为8种。
(4)记忆碱基的方法:
“G”与“鸡”同音,鸡属于鸟类,记作鸟嘌呤;
“C”是细胞的英文(ceII)开头字母,记作胞嘧啶;
“T”是胸腺的英文开头字母,记作胸腺嘧啶;
“U”与“T”碱基比较记忆。
例题:有关烟草、烟草花叶病毒、T4噬菌体这三种生物的描述正确的是()
A.含核酸的种类依次为2、2、1
B.含核苷酸的种类依次为8、4、4
C.含碱基的种类依次为8、4、4
D.含五碳糖的种类依次为2、2、1
答案:B
解析:烟草是植物,真核生物有细胞结构就含两种核酸,即DNA、RNA。烟草花叶病毒和T4噬菌体都是病毒只有一种核酸,烟草花叶病毒含的是RNA,噬菌体含的是DNA。所以A选项错误应该是2、1、1。C中烟草含的碱基种类依此应该是5、4、4。D中五碳糖的种类应该是2、1、1。
观察DNA和RNA在细胞中的分布:
1、实验原理的分析
(1)染色:甲基绿和吡罗红两种染色剂对DNA和RNA的亲和力不同,甲基绿与DNA的亲和力强,吡罗红与RNA的亲和力强,即甲基绿+DNA一呈现绿色,吡罗红+RNA—呈现红色。利用甲基绿吡罗红混合染色剂对细胞染色,可显示DNA和RNA在细胞中的分布。
(2)水解:盐酸能够改变细胞膜的通透性,加速染色剂进入细胞,同时使染色质中的DNA与蛋白质分离,有利于DNA与染色剂结合。
2、实验步骤
3、实验结果及结论:
现象 |
结论 |
绿色明显集中且接近细胞中央 |
DNA主要分布于细胞核中 |
绿色周围的红色范围较广 |
DNA主要分布于细胞核中 |
知识点拨:
1、结果就是细胞核是绿色,细胞质是红色,得出结论DNA主要分布在细胞核,RNA主要分布在细胞质。
2、染色时用盐酸作用细胞之后细胞死亡。
观察DNA和RNA在细胞中的分布:
存在 |
主要在细胞核中 |
主要在细胞质中 |
一般结构 |
苷酸链构成两条脱氧核 |
苷酸链构成一条核糖核 |
功能 |
携带遗传信息,对生物体的遗传、变异和蛋白质的生物合成有重要作用 |
知识拓展:
1、DNA、RNA和蛋白质均存在物种特异性,可作为鉴别不同物种的依据。
2、DNA主要分布在细胞核中,但线粒体和叶绿体也含有少量DNA;RNA主要分布在细胞质中,细胞核、线粒体和叶绿体中也有少量分布。
3、实验中如发现染色较浅不易观察,可能的原因:
(1)水解不充分,染液不易进入细胞;
(2)冲洗不彻底,残留的盐酸会影响染色;
(3)也可能是染液配制不好,要现用现配。
例:在“观察DNA和RNA在细胞中的分布”实验中,下列操作正确的是()
A染色时先用甲基绿染液染色,再滴加吡罗红染液
B.将涂片用质量分数为8%的盐酸处理后,接着用染色剂染色
C.观察时应选择染色均匀、色泽较浅的区域
D.先用低倍镜找到较清晰的细胞,然后换用高倍镜观察
答案C
多聚酶链式反应扩增DNA片段:1、PCR原理:在解旋酶作用下,打开DNA双链,每条DNA单链作为母链,以4中游离脱氧核苷酸为原料,合成子链,在引物作用下,DNA聚合酶从引物3
'端开始延伸DNA链,即DNA的合成方向是从子链的5
'端自3
'端延伸的。实际上就是在体外模拟细胞内DNA的复制过程。DNA的复制需要引物,其主要原因是DNA聚合酶只能从3′端延伸DNA链。
2、PCR反应过程是:变性→复性→延伸
过程 |
说明 |
图解 |
变性 |
当温度上升到90℃以上时,双链DNA解聚为单链 |
|
复性 |
温度下降到50℃左右,两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合 |
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延伸 |
72℃左右时,TaqDNA聚合酶有最大活性,可使DNA新链由5'端向3'端延伸 |
|
3、结果:上述三步反应完成后,一个DNA分子就变成了两个DNA分子,随着重复次数的增多,DNA分子就以2
n的形式增加。PCR的反应过程都是在PCR扩增仪中完成的。
细胞被DNA复制与PCR技术的比较:
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细胞内DNA复制 |
体外DNA扩增(PCR) |
不同点 |
解旋 |
在解旋酶作用下边解旋边复制 |
80~100℃高温解旋,双链完全分开 |
酶 |
DNA解旋酶、DNA聚合酶 |
TaqDNA聚合酶 |
引物 |
RNA |
DNA、RNA |
温度 |
体内温和条件 |
高温 |
相同点 |
①需提供DNA模板 ②四种脱氧核苷酸为原料 ③子链延伸的方向都是从5'端到3'端 |
知识点拨:1、DNA分子复制的人工控制
解开螺旋:在80~100℃时,DNA双螺旋打开,形成两条DNA单链,称为变性。
恢复螺旋:在50~60℃左右时,两条DNA单链重新形成双螺旋结构,称为复性。
复制条件:缓冲液,DNA模板、四种脱氧核苷酸、热稳定DNA聚合酶、两种引物。
控制仪器:PCR仪(温度周期性自动调节仪)。
2、PCR的含义是多聚酶链式反应。
3、PCR技术反应的条件:①稳定的缓冲溶液环境;②DNA模板;③合成引物;④四种脱氧核甘酸;⑤DNA聚合酶;⑥温控设备
4、PCR技术最突出的优点是快速、高效、灵活、易于操作。
5、TaqDNA聚合酶的特点是:耐高温。
知识拓展:
1、DNA含量的测定——分光光度法
项目 |
说明 |
原理 |
DNA在260nm的紫外线波段有一强烈吸收峰,峰值大小与DNA的含量是正相关 |
过程 |
稀释 |
2μLPCR反应液,加入98μL蒸馏水,即将样品进行50倍稀释 |
对照调零 |
以蒸馏水作为空白对照,在波长260nm处,将紫外分光光度计的赌注调节至零 |
测量 |
取DNA稀释液100μL至比色杯中,测定260nm处的光吸收值 |
计算 |
DNA含量(μg/mL)=50×(260nm的读数)×稀释倍数 |
2、DNA聚合酶不恩能够从头合成DNA,只能从DNA的3'端开始延伸DNA链,因此DNA复制需要引物。
血红蛋白的提取和分离:1、实验原理
蛋白质的物化理性质:形状、大小、电荷性质和多少、溶解度、吸附性质、亲和力等千差万别,由此提取和分离各种蛋白质。
(1)凝胶色谱法(分配色谱法):
①原理:分子量大的分子通过多孔凝胶颗粒的间隙,路程短,流动快;分子量小的分子穿过多孔凝胶颗粒内部,路程长,流动慢。
②凝胶材料:多孔性,多糖类化合物,如葡聚糖、琼脂糖。
③分离过程:
混合物上柱→洗脱→大分子流动快、小分子流动慢→收集大分子→收集小分子
洗脱:从色谱柱上端不断注入缓冲液,促使蛋白质分子的差速流动。
④作用: 分离蛋白质,测定生物大分子分子量,蛋白质的脱盐等。
(2)缓冲溶液
①原理:由弱酸和相应的强碱弱酸盐组成(如H
2CO
3—NaHCO
3, NaH
2PO
4/Na
2HPO
4等),调节酸和盐的用量,可配制不同pH的缓冲液。
②缓冲液作用:抵制外界酸、碱对溶液pH的干扰而保持pH稳定。
(3)凝胶电泳法:
①原理:不同蛋白质的带电性质、电量、形状和大小不同,在电场中受到的作用力大小、方向、阻力不同,导致不同蛋白质在电场中的运动方向和运动速度不同。
②分离方法:琼脂糖凝胶电泳、聚丙烯酰胺凝胶电泳等。
③分离过程:在一定pH下,使蛋白质基团带上正电或负电;加入带负电荷多的SDS,形成“蛋白质—SDS复合物”,使蛋白质迁移速率仅取决于分子大小。
2、实验步骤
(1)样品处理
① 红细胞的洗涤
洗涤红细胞的目的是去除杂蛋白,采集的血样要及时采用低速短时间离心分离红细胞,然后用胶头吸管吸出上层透明的黄色血浆,将下层暗红色的红细胞液体倒入烧杯,再加入五倍体积的生理盐水,缓慢搅拌10min,低速短时间离心,如此重复洗涤三次,直至上清液中没有黄色,表明红细胞已洗涤干净。
②血红蛋白的释放
在蒸馏水和甲苯作用下,红细胞破裂释放出血红蛋白。
注:加入蒸馏水后红细胞液体积与原血液体积要相同。加入甲苯的目的是溶解细胞膜,有利于血红蛋白的释放和分离。
(2)粗分离
①分离血红蛋白溶液
将搅拌好的混合溶液离心后,试管中的溶液分为4层。第一层为无色透明的甲苯层,第2层为白色薄层固体,是脂溶性物质的沉淀层,第3层是红色透明液体,这是血红蛋白的水溶液,第4层是其他杂质的暗红色沉淀物。将试管中的液体用滤纸过滤,除去之溶性沉淀层,于分液漏斗中静置片刻后,分出下层的红色透明液体。
②透析
取1mL的血红蛋白溶液装入透析袋中,将透析袋放入盛有300mL的物质的量的浓度为20mmol/L的磷酸缓冲液中,透析12h。透析可以去除样品中分子量较小的杂质,或用于更换样品的缓冲液。
(3)纯化:调节缓冲液面→加入蛋白质样品→调节缓冲液面→洗脱→收集分装蛋白质
(4)纯度鉴定——SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳
知识点拨:
注意事项
(1)电泳技术
电泳技术就是在电场的作用下,利用待分离样品中各种分子带电性质以及分子本身大小、形状等性质的差异,使带电分子产生不同的迁移速度,从而达到对样品进行分离、鉴定或提纯的目的。
(2)红细胞的洗涤
如果分层不明显,可能是洗涤次数少、未能除去血浆蛋白的原因。此外,离心速度过高和时间过长,会使白细胞和淋巴细胞一同沉淀,也得不到纯净的红细胞,影响后续血红蛋白的提取纯度。
(3)如何检测凝胶色谱柱的装填是否成功
由于凝胶是一种半透明的介质,因此可以在凝胶柱旁放一支与凝胶柱垂直的日光灯,检查凝胶是否装填得均匀。
此外,还可以加入大分子的有色物质,观察色带移动的情况。如果色带均匀、狭窄、平整,说明凝胶色谱柱的性能良好。如果色谱柱出现纹路或是气泡,轻轻敲打柱体以消除气泡,消除不了时要重新装柱。
(4)为什么凝胶的装填要紧密、均匀?
如果凝胶装填得不够紧密、均匀,就会在色谱柱内形成无效的空隙,使本该进入凝胶内部的样品分子从这些空隙中通过,搅乱洗脱液的流动次序,影响分离的效果。
(5)沸水浴处理加入洗脱液的湿凝胶的目的
不但节约时间,还能除去凝胶中可能带有的微生物和排除凝胶内的空气。
(6)G-75
“G”代表凝胶的交联程度,膨胀程度及分离范围,75表示凝胶得水值,即每克凝胶膨胀时吸水7.5g。
(7)装填完后,立即用洗脱液洗脱的目的:使凝胶装填紧密
(8)加入柠檬酸钠有何目的?为什么要低速、短时离心?为什么要缓慢搅拌?
防止血液凝固;防止白细胞沉淀;防止红细胞破裂释放出血红蛋白。
(9)与其他真核细胞相比,红细胞的特点及这一特点对进行蛋白质的分离的意义
哺乳动物及人的成熟的红细胞是双面凹圆饼状,没有细胞核和细胞器。其含有的血红蛋白是有色蛋白,因此在凝胶色谱分离时可以通过观察颜色来判断什么时候应该收集脱液。这使血红蛋白的分离过程非常直观,大大简化了实验操作。
(10)如何检测血红蛋白的分离是否成功
如果凝胶色谱柱装填得很成功、分离操作也正确的话,能清楚地看到血红蛋白的红色区带均匀、狭窄、平整,随着洗脱液缓慢流出;如果红色区带歪曲、散乱、变宽,说明分离的效果不好,这与凝胶色谱柱的装填有关。