化学选择性必修3第二单元 蛋白质第2课时导学案

第2课时　核酸的结构及生物功能

[核心素养发展目标]　1.能辨识核糖核酸、脱氧核糖核酸中的磷酯键，能基于氢键分析碱基的配对原理。能说明核糖核酸、脱氧核糖核酸对于生命遗传的意义。2.了解脱氧核糖核酸、核糖核酸的结构特点和生物功能。认识核酸的意义，体会化学科学在生命科学发展中所起的重要作用。

一、核酸的组成和分类

1．核酸的分类

天然的核酸根据其组成中所含戊糖的不同，分为脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。

2．核酸的组成

核酸是由许多核苷酸单体形成的聚合物。核苷酸进一步水解得到磷酸和核苷，核苷继续水解得到戊糖和碱基。因此，核酸可以看作磷酸、戊糖和碱基通过一定方式结合而成的生物大分子。其中的戊糖是核糖或脱氧核糖，它们均以环状结构存在于核酸中，对应的核酸分别是核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)。转化关系如图所示：

(1)核酸是一种无机酸(　　)

(2)核酸的性质与蛋白质相似，不会变性(　　)

(3)组成核酸的元素有C、H、O、N、P等(　　)

(4)核酸是生物小分子化合物(　　)

(5)根据组成，核酸分为DNA和RNA(　　)

答案　(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)√

1．核酸完全水解的产物是________、________和________，其中戊糖可以为________或________，对应的核酸分别为________、________。

答案　磷酸　戊糖　碱基　核糖　脱氧核糖　RNA　DNA

2．RNA水解时，只能得到腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶；DNA水解时只能得到腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶。其中，腺嘧啶、鸟嘧啶和胞嘧啶是DNA和RNA水解的三种相同的产物。

二、核酸的结构及生物功能

1．核酸的三级结构

2．DNA的双螺旋结构与碱基互补配对原则

在DNA的双螺旋结构中，不同的碱基通过氢键两两配对。碱基配对存在着严格的关系，即一条链上的碱基A与另一条链上的碱基T通过两个氢键配对；同样，G和C之间通过三个氢键配对，这一规律称为碱基互补配对原则。

3．DNA、RNA的生物功能

DNA主要存在于细胞核中，是遗传信息的储存和携带者，DNA的结构决定了生物合成蛋白质的特定结构，并保证把这种特性遗传给下一代。RNA主要存在于细胞质中，它们以DNA为模板而形成，将DNA的遗传信息翻译并表达成具有特定功能的蛋白质。

(1)核酸一般由几千到几十万个原子组成，相对分子质量可达十几万至几百万(　　)

(2)DNA是生物体遗传信息的载体、蛋白质合成的模板(　　)

(3)RNA主要存在于细胞核中，它根据DNA提供的信息控制体内蛋白质的合成(　　)

(4)DNA分子由两条多聚核苷酸链组成，两条链平行盘绕，形成双螺旋结构(　　)

答案　(1)√　(2)√　(3)×　(4)√

1．DNA分子中含有哪几种碱基？它们是如何相互作用进行配对的？

提示　DNA中的碱基主要有腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶；两条链上的碱基通过氢键作用，腺嘌呤(A)与胸腺嘧啶(T)配对，鸟嘌呤(G)与胞嘧啶(C)配对，结合成碱基对，遵循碱基互补配对原则。

2．辨识DNA片段中的构成基团

(1)用碱基的代号(A、T、G、C)标出碱基的位置。

(2)找出DNA两条链直接形成氢键的元素及位置。

DNA与RNA的区别与联系

1．(2020·四川省高三检测)化学与生活密切相关，下列说法错误的是(　　)

A．硅酸盐陶瓷化学性质稳定，耐氢氟酸、碱的腐蚀

B．“冰，水为之，而寒于水”，说明等质量的冰和水比较，冰的能量更低

C．飞沫传播病毒存在气溶胶，飞沫中有直径为1～100 nm的粒子

D．核酸检测是确认病毒类型的有效手段，核酸是高分子化合物

答案　A

解析　硅酸盐陶瓷化学性质稳定，但能与氢氟酸、 碱反应，故A错误；“冰，水为之，而寒于水”，说明等质量的冰和水比较，冰的温度更低，冰的能量更低，故B正确；飞沫传播病毒存在气溶胶，属于胶体，所以飞沫中有直径为1～100 nm的粒子，故C正确；核酸是由许多核苷酸聚合成的高分子化合物，故D正确。

2．(2020·天津高三模拟)2020年的春节期间，新冠病毒肆虐。因为核酸是生命的基础物质，是病毒的“身份证”，所以患者的确诊需要病毒的核酸检验。以下关于核酸的论述正确的是(　　)

A．核酸是核蛋白的非蛋白部分，也是由氨基酸残基组成的

B．核酸水解产物中含有磷酸、葡萄糖和碱基

C．核酸、核苷酸都是高分子化合物

D．核酸有核糖核酸和脱氧核糖核酸两类，对蛋白质的合成和生物遗传起重要作用

答案　D

解析　核酸是由磷酸、戊糖和碱基通过一定的方式结合而成的，故A错误；核酸水解的最终产物是磷酸、戊糖和碱基，故B错误；核酸是高分子化合物，但核苷酸不是高分子化合物，故C错误。

3．下列有关核酸的叙述正确的是(　　)

A．核酸对生物体的生长繁殖、遗传变异等起着决定性作用，是生命活动的控制者，大量存在于细胞核中

B．核酸指挥控制着蛋白质的合成、细胞的分裂，主要存在于细胞质中

C．生物体遗传信息的载体DNA，大量存在于细胞核中，决定蛋白质的合成

D．生物体遗传信息的载体RNA，大量存在于细胞质中，控制蛋白质的合成

答案　C

解析　核酸根据戊糖不同分为DNA和RNA，核酸是遗传信息的携带者，对于生物的遗传变异及蛋白质的生物合成具有重要作用。RNA主要存在于细胞质中，DNA大量存在于细胞核中，A错误；RNA主要存在于细胞质中，根据DNA提供的信息控制体内蛋白质的合成，B错误；DNA大量存在于细胞核中，是生物体遗传信息的载体，决定蛋白质的合成，C正确；生物体遗传信息的载体是DNA，D错误。

4．如图表示DNA分子结构中的一部分，其中连接碱基A与T的是(　　)

A．肽键   B．氢键

C．磷酸酯键   D．二硫键

答案 　B

解析　DNA分子结构中连接碱基A与T的是氢键。

题组一　核酸的组成和分类

1．下列有关核酸的说法不正确的是(　　)

A．核酸是一类含磷的生物高分子化合物

B．RNA主要存在于细胞核中，而DNA主要存在于细胞质中

C．核酸分为脱氧核糖核酸和核糖核酸两种

D．1981年，我国科学工作者用人工方法合成了酵母丙氨酸转移核糖核酸

答案　B

解析　核酸是一类含磷的生物高分子化合物，故A说法正确；DNA大量存在于细胞核中，RNA主要存在于细胞质中，故B说法错误；核酸分为脱氧核糖核酸和核糖核酸两种，故C说法正确；1981年，我国科学工作者用人工方法合成了酵母丙氨酸转移核糖核酸，故D说法正确。

2．下列有关核酸的叙述正确的是(　　)

A．除病毒外，一切生物都有核酸存在

B．核酸是由C、H、O、P、N等元素组成的小分子有机物

C．核酸是生物的遗传物质

D．组成核酸的基本单位是脱氧核苷酸

答案　C

解析　一般地说，病毒由核酸和蛋白质组成，A不正确；核酸是由C、H、O、N、P等元素组成的有机高分子化合物，B不正确；核酸按戊糖的不同分为核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)两大类，其中DNA的基本单位是脱氧核苷酸，D不正确。

3．下列物质中不属于高分子化合物的是(　　)

A．蛋白质   B．核酸

C．淀粉   D．硬脂酸甘油酯

答案　D

解析　蛋白质是天然高分子化合物，故不选A；核酸是由核苷酸单体聚合而成的高分子化合物，故不选B；淀粉是天然高分子化合物，故不选C；硬脂酸甘油酯的相对分子质量较小，不是高分子化合物，故选D。

4．(2020·北京东城区期末)DNA完全水解后，得到的化学物质是(　　)

A．氨基酸、葡萄糖、碱基   B．脱氧核糖、碱基、磷酸

C．氨基酸、核苷酸、葡萄糖   D．核糖、碱基、磷酸

答案 　B

5．下列关于核酸的叙述不正确的是(　　)

A．DNA中的戊糖是脱氧核糖，RNA中的戊糖是核糖

B．核酸中共有五种碱基

C．组成核酸的核苷酸共有四种

D．核酸是所有生物的遗传物质

答案 　C

解析　核酸中共有A、G、C、T、U五种碱基；组成核酸的核苷酸共有八种，包括四种脱氧核糖核苷酸和四种核糖核苷酸。

题组二　核酸的结构和生物功能

6．核酸有两种：含核糖的是核糖核酸(RNA)，含脱氧核糖的是脱氧核糖核酸(DNA)，人类的基因组通过从细胞核里的DNA向蛋白质的合成机制发出生产蛋白质的指令运作，这些指令通过mRNA传送。核糖是合成核酸的重要原料，常见的两种核糖结构简式为：D-核糖；戊醛糖CH2OH—CHOH—CHOH—CHOH—CHO。下列关于核糖的叙述不正确的是(　　)

A．戊醛糖和D-核糖互为同分异构体

B．它们都能发生酯化反应

C．戊醛糖属于单糖

D．由戊醛糖→脱氧核糖(CH2OH—CHOH—CHOH—CH2—CHO)可看成是一个氧化过程

答案　D

解析　A项，它们的分子式相同，都为C5H10O5，但结构不同，互为同分异构体；B项，分子结构中都有羟基，能发生酯化反应；C项，戊醛糖不能再水解，属于单糖；D项，戊醛糖(C5H10O5)→脱氧核糖(C5H10O4)少一个氧原子，应为还原过程。

7．下列碱基只存在于RNA而不存在于DNA的是(　　)

A．尿嘧啶   B．腺嘌呤

C．胞嘧啶   D．鸟嘌呤

答案　A

8．DNA与RNA完全水解后产物的特点是(　　)

A．部分碱基相同，戊糖相同

B．部分碱基不同，戊糖不同

C．碱基相同，戊糖不同

D．碱基不同，戊糖相同

答案　B

9．下列说法不正确的是(　　)

A．组成天然蛋白质的氨基酸几乎都是α-氨基酸

B．利用盐析可以分离和提纯蛋白质

C．DNA是生物体遗传信息的载体，蛋白质合成的模板

D．RNA主要存在于细胞核中，它根据DNA提供的信息控制体内蛋白质的合成

答案　D

解析　RNA主要存在于细胞质中，根据DNA提供的信息控制体内蛋白质的合成；DNA主要存在于细胞核中，它是生物体遗传信息的载体，蛋白质合成的模板；盐析不改变蛋白质的生理活性，蛋白质只是暂时失去溶解性，利用多次盐析和溶解可分离、提纯蛋白质。

10．(2020·北京大兴区高三一模)如图1是脱氧核糖核酸(DNA)的结构片段，它的碱基中胞嘧啶的结构如图2，下列说法正确的是(　　)

A．脱氧核糖核酸中含有的化学键都是不同原子形成的极性共价键

B．2-脱氧核糖(C5H10O4)与葡萄糖属于同系物，都能发生银镜反应

C．胞嘧啶分子式为C4H5N3O，含有的官能团只有氨基和肽键

D．脱氧核糖核酸由磷酸、2-脱氧核糖和碱基通过一定方式结合而成

答案 　D

解析　根据脱氧核糖核酸结构可知，其中含有的化学键既有不同原子形成的极性共价键，也有碳原子之间形成的非极性共价键，A错误；2-脱氧核糖(C5H10O4)分子中无醛基，不能发生银镜反应，B错误；胞嘧啶分子式为C4H5N3O，含有的官能团是酰胺基、碳氮双键、碳碳双键和氨基，C错误；根据脱氧核糖核酸结构片段示意图可知，脱氧核糖核酸由磷酸、2-脱氧核糖和碱基通过一定方式结合而成，D正确。

11．脱氧核糖核酸的结构片段如图：(其中“…”或者“……”表示氢键)

它在酶和稀盐酸中可以逐步发生水解，下列关于该高分子的说法不正确的是(　　)

A．完全水解产物中，含有磷酸、戊糖和碱基

B．完全水解产物的单个分子中，一定含有官能团—NH2和—OH

C．氢键对该高分子的性能有很大影响

D．其中碱基的一种结构简式为

答案 　B

解析　B错，生成的戊糖、磷酸中不含—NH2；C对，分子中存在O…H—N、N—H…N等氢键，影响高分子的性能。

12．(2020·北京石景山区高二期末)关于下图的下列说法不正确的是(　　)

A．①代表磷酯键

B．A与T之间有2个氢键

C．G与C之间有3个氢键

D．RNA指导DNA合成蛋白质

答案 　D

解析　A对，磷酸和脱氧核糖的羟基之间形成酯基，①代表磷酯键；B、C对，DNA分子中，A和T之间有2个氢键，G与C之间有3个氢键；D错，DNA指导RNA合成蛋白质。

13．(2020·江苏南通高二期末)核酸检测为确认病毒感染提供了关键的支持性证据。某核糖核酸(RNA)的结构片段示意图如下，它在酶的催化作用下能完全水解生成戊糖、碱基和某酸。下列说法不正确的是(　　)

A．核酸也可能通过人工合成的方法得到

B．酶是有机化合物，催化活性与温度有关

C．该核酸水解生成的碱基中含有氮元素

D．该核酸完全水解生成的酸是H3PO3

答案 　D

解析　采用有机合成反应或酶促合成反应可进行核酸大分子的合成，A正确；酶的本质是有机物，绝大多数是蛋白质，极少数是RNA，RNA也是有机物，酶催化活性与温度有关，B正确；碱基是形成核苷的含氮化合物，所以该核酸水解生成的碱基中含有氮元素，C正确；从图中可分析，该核酸完全水解生成的酸是H3PO4，D错误。

14．化合物G是生命体合成核酸的必需前体物质，对机体免疫功能和修复具有重要作用。化合物G 的一种合成路线如下：

(1)化合物A中含氧官能团的名称为________和________。

(2)化合物E的分子式为C5H10O3N2，其结构简式为________________；由F→G的反应类型为________。

(3)一定条件下F可转化为H()，写出同时满足下列条件的H的一种同分异构体的结构简式：______________________________________________________________。

①能与FeCl3溶液发生显色反应；②能与盐酸反应；③分子中只含有3种不同化学环境的氢原子。

(4)已知：①RCHO

请写出以为原料制备的合成路线流程图(无机试剂任用，合成路线流程图示例见本题题干)。

答案　(1)羟基　酯基

(2)　取代反应

(3)(或)

(4)

解析　(1)根据A的结构简式，推出含氧官能团是羟基和酯基。(2)对比D和F的结构简式以及E的分子式可知，D和E发生取代反应，E中氨基上的氢原子取代D中的氯原子，推出E的结构简式为，对比F和G的结构简式，NH3中氢原子取代F中氯原子的位置，发生的反应是取代反应。(3)①能和FeCl3发生显色反应，说明含有酚羟基，②能与盐酸反应，说明含有氨基或亚氨基，③只含有3种不同环境的氢原子，说明是对称结构，因此结构简式为或。

15．“凯式定氮法”测定奶粉中蛋白质的含量是由丹麦人约翰·凯达尔发明的，其原理是用强酸处理蛋白质样品，让样品当中的氮元素释放出来，通过测得氮元素的含量，再乘以系数6.38，即为蛋白质含量。凯式定氮法步骤如下：

①样品处理：准确称取一定质量的奶粉试样置于烧瓶中，加入稀硫酸及相应的催化剂，一定条件下充分反应，所得产物用水溶解并冷却后全部转移到容量瓶中定容。

②碱化蒸馏：量取一定体积容量瓶中的溶液转移至图示中的反应管中，再加入足量NaOH溶液，塞好进样口橡皮塞。通入高温水蒸气，用吸收剂吸收产生的氨气。

③滴定：向吸收氨气后的溶液中滴加指示剂，用标准盐酸溶液滴定至终点。

回答下列问题：

(1)样品处理的目的是_________________________________________________________。

(2)碱化蒸馏时反应的离子方程式为______________________________________________，

冷凝管中冷却水的进水口为________(填“A”或“B”)；如何通过简单的实验确定生成的氨气全部被水蒸气蒸出并进入锥形瓶：_____________________________________________。

(3)“凯式定氮法”测定奶粉中蛋白质的含量灵敏度高，操作简单，缺点是_____________。

(4)当奶粉含下列杂质或出现下列错误的实验操作时，会使所测蛋白质含量值“增大”的是________(填字母)。

A．含三聚氰胺()

B．样品入口未用蒸馏水冲洗

C．第①步定容时俯视刻度线

D．滴定开始时仰视读数，滴定终点时俯视读数

答案　(1)将奶粉中的氮元素全部转化为NH

(2)NH＋OH－NH3↑＋H2O　B　取最后一滴冷凝管中流出的液体，用红色石蕊试纸(或pH试纸)检验不变蓝(或呈中性)

(3)无法确定氮元素是否一定来自蛋白质

(4)AC

解析　(1)蛋白质中的氮元素不容易测定，从测量步骤可知样品处理的目的是把蛋白质中的氮元素转化为NH。(2)铵根离子与氢氧根离子反应生成氨气，则碱化蒸馏时反应的离子方程式为NH＋OH－NH3↑＋H2O；冷凝水与蒸汽的流向相反时冷却效果好，所以冷凝水从B口流入，从A口流出；根据氨气的性质分析，氨气的水溶液显碱性，取最后一滴冷凝流出液，用红色石蕊试纸(或pH试纸)检验不变蓝(或呈中性)，则证明氨全部被水蒸气蒸出并进入锥形瓶。

(3)测定原理：把蛋白质样品中的氮元素释放出来，通过测定氮元素的质量从而换算出蛋白质的含量，此方法的局限性很明显，它把样品中释放出来的氮元素全部归为蛋白质中的氮元素，若样品中含有其他含氮化合物，则无法准确测定蛋白质的含量。

(4)三聚氰胺()含氮量高，会使计算结果中蛋白质含量值“增大”，故A符合；样品入口未用蒸馏水冲洗，损失了氮元素，会使计算结果中蛋白质含量值偏低，故B不符合；第①步定容时俯视刻度线，则溶液体积偏小，会使计算结果中蛋白质含量值“增大”，故C符合；滴定开始时仰视读数，滴定终点时俯视读数，盐酸读数偏小，会使计算结果中蛋白质含量值偏低，故D不符合。