第十一單元 生物技術(shù)實踐 第44課時 酶的研究和應(yīng)用 突破考點 提煉方法 1 影響果汁產(chǎn)量的物質(zhì)纖維素和果膠是組成水果的重要物質(zhì) 這兩種物質(zhì)的存在使制作果汁時存在兩個問題 一是果肉的出汁率低 耗時長 二是榨取的果汁渾濁 黏度高 容易發(fā)生沉淀 2 處理方法 酶解法常用的酶及其作用特點如下 考點1生物技術(shù)實踐應(yīng)用 影響果汁產(chǎn)量的物質(zhì)及處理方法 提醒果膠酶和纖維素酶都是復(fù)合酶 并不特指某一種酶 而是一類酶的總稱 3 探究酶活性最適條件和用量的實驗設(shè)計 1 原理 果膠酶的活性受溫度 或ph 的影響 處于最適溫度 可ph 時活性最高 果肉的出汁率 果法的澄清度與果膠酶的活性大小成正比 2 流程 各取一支 分9組分別放入30 35 40 45 50 55 60 65 70 的恒溫水浴中加熱 或各取一支 分5組分別調(diào)節(jié)蘋果泥和果膠酶的ph為5 6 7 8 9 置于同一恒溫水浴中 將果膠酶加入相同溫度 或ph 的蘋果泥內(nèi)恒溫保持10min 過濾果汁 用量筒測量果汁的量 并記錄于設(shè)計好的表格 3 注意事項 在蘋果泥和果膠酶混合之前 一定要保證底物和酶達到所要求的溫度或ph條件 以避免混合后條件的變化 確保實驗結(jié)果的可信度和可靠性 4 衡量實驗結(jié)果的指標(biāo) 以果汁澄清度與果汁產(chǎn)量的多少確認果膠酶活性的高低 4 探究果膠酶的最適用量 1 原理提示 本實驗是一個探究性的定量實驗 所測出的最適用量是在本實驗的溫度 ph條件下測出的 因而果膠酶的最適用量應(yīng)標(biāo)明溫度和ph 2 確定最適用量的方法 如果隨酶濃度的增加 過濾到的果汁的體積也增加 說明酶的用量不足 當(dāng)酶的濃度增加到某個值后 再增加酶的用量 過濾到的果汁的體積不再改變 說明酶的用量已經(jīng)足夠 那么 這個值就是酶的最適用量 3 結(jié)果分析計算澄清蘋果汁得率 r r v1 v2 100 式中 v1為澄清蘋果汁體積 v2為處理前蘋果汁體積 1 用果膠酶處理蘋果泥是為了使果膠酶能夠充分地催化反應(yīng) 應(yīng)采取的措施是 a 加大蘋果泥用量b 大幅度提高反應(yīng)溫度c 換成大型號容器d 用玻璃棒進行攪拌 對位訓(xùn)練 解析為了使果膠酶能夠充分地催化反應(yīng) 應(yīng)采取的措施是增大酶和反應(yīng)物的接觸面積 攪拌可以達到此目的 只換大型號容器不一定加快反應(yīng) 大幅度提高溫度有可能會出現(xiàn)溫度過高而使酶活性降低的現(xiàn)象 如果反應(yīng)物夠多 增加反應(yīng)物不改變反應(yīng)速率 答案d 排雷 1 果膠酶和纖維素酶都是復(fù)合酶 并不特指某一種酶 而是一類酶的總稱 2 既是酶促反應(yīng) 其催化速率受溫度 ph 酶的數(shù)量 攪拌 增大接觸面積 等眾多因素的影響 3 探究 酶的最適條件 溫度 ph 及最適用量時都需設(shè)置一系列濃度梯度 且不同的溫度梯度之間或不同的ph梯度之間構(gòu)成了相互對照 通過相互對照可確認果膠酶活性的溫度或ph的最適值 考點2生物技術(shù)實踐應(yīng)用 探究不同種類加酶洗衣粉的洗滌效果 1 實驗原理酶的催化作用具有專一性 復(fù)合酶洗衣粉加入的酶制劑種類較多 與單一加酶洗衣粉相比 對各種污漬都有較好的洗滌效果 拓展延伸常用酶制劑的種類及洗滌原理 2 實驗變量 1 自變量 加酶洗衣粉 2 無關(guān)變量 其他條件相同且適宜 如溫度 ph等 3 實驗步驟 提醒洗衣時 水溫控制過高或過低都會影響酶活性 進而影響洗滌效果 4 實驗時注意事項 1 在比較普通洗衣粉和加酶洗衣粉的洗滌效果的實驗中 自變量為洗衣粉的種類 設(shè)計時應(yīng)遵循單一變量原則 對照原則 有效控制其他變量 如水的用量 污染物的量 所用實驗的布的質(zhì)地和大小 兩種洗衣粉的用量 攪拌及洗滌時間等 2 在使用加酶洗衣粉時不但要考慮最佳洗滌效果的條件 如最適溫度 ph 還要考慮衣物的承受力 如蛋白酶洗衣粉不能洗滌絲綢類衣物 也要考慮洗滌成本問題 因污漬的成分比較復(fù)雜 一般選擇復(fù)合加酶洗衣粉 以減少用量 3 該實驗探究多種加酶洗衣粉對同一污漬的洗滌效果 也可以探究同一種加酶洗衣粉對于不同污漬的洗滌效果 2 為探究洗衣粉加酶后的洗滌效果 將一種無酶洗衣粉分成3等份 進行3組實驗 甲 乙組在洗衣粉中加入1種或2種酶 丙組不加酶 在不同溫度下清洗同種化纖布上的2種污漬 其他實驗條件均相同 下表為實驗記錄 請回答下列問題 對位訓(xùn)練 1 提高洗衣粉去污能力的方法有 甲組在洗衣粉中加入了 乙組在洗衣粉中加入了 2 甲 乙組洗滌效果的差異 說明酶的作用具有 3 如果甲 乙和丙3組均在水溫為80 時洗滌同一種污漬 請比較這3組洗滌效果之間的差異并說明理由 4 加酶洗衣粉中的酶是用特殊的化學(xué)物質(zhì)包裹的 遇水后包裹層很快溶解 釋放出來的酶迅速發(fā)揮催化作用 請說明這是否運用了酶的固定化技術(shù)及其理由 加酶和適當(dāng)提高溫度 蛋白酶 蛋白酶和脂肪酶 專一性 沒有差異 因為高溫使酶失活 未運用酶的固定化技術(shù) 因為酶未固定在不溶于水的載體上 也不能重復(fù)利用 解析加酶洗衣粉中添加了多種酶制劑 如堿性蛋白酶制劑和堿性脂肪酶制劑等 這些酶制劑不僅可以有效地清除衣物上的污漬 而且對人體沒有毒害作用 并且這些酶制劑及其分解產(chǎn)物能夠被微生物分解 不會污染環(huán)境 既然是酶制劑 就具備酶的特性 需要適宜的溫度和ph 具有專一性 溫度過高時 酶變性失活 三者幾乎沒有差別 固定化后的酶在保持原有催化活性的同時 又可以同一般催化劑一樣能回收和反復(fù)使用 可在生產(chǎn)工藝上實現(xiàn)連續(xù)化和自動化 更適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)的需要 排雷 1 與普通洗衣粉相比 加酶洗衣粉洗滌效果更好 又由于不含磷元素 酶制劑進入無機環(huán)境中后可以被微生物分解 因此不會對環(huán)境造成污染 2 一般說來 絲綢類的衣物不可以使用加酶洗衣粉洗滌 是因為蛋白酶會水解蛋白質(zhì)類的絲綢 3 酶的催化作用需要適宜的溫度 用溫水浸泡衣物可以縮短衣物的浸泡時間 加快洗滌 4 人體皮膚細胞有蛋白質(zhì) 如不徹底清洗雙手 就會使手的皮膚受到腐蝕 而使人患過敏性皮炎 濕疹等 因此 應(yīng)避免與這類洗衣粉長時間地接觸 5 加酶洗衣粉的酶制劑不含肽酶 因為肽本身易溶于水 考點3生物科學(xué)新技術(shù) 固定化酶和固定化細胞 1 固定化酶技術(shù)及應(yīng)用實例 1 固定化酶和固定化細胞是利用物理或化學(xué)方法將酶或細胞固定在一定空間內(nèi)的技術(shù) 2 將酶或細胞固定化的方法 包埋法 將酶或細胞包埋在不溶于水的多孔性載體中 化學(xué)結(jié)合法 將酶分子或細胞相互結(jié)合 或?qū)⑵浣Y(jié)合到載體上 物理吸附法 將酶分子吸附在載體的表面上 提醒酶更適合采用化學(xué)結(jié)合法和物理吸附法固定化 而細胞多采用包埋法固定化 這是因為細胞個大 而酶分子很小 個大的細胞難以被吸附或結(jié)合 而個小的酶容易從包埋材料中漏出 3 固定化細胞常用的載體材料常用的載體有明膠 瓊脂糖 海藻酸鈉 醋酸纖維素和聚丙烯酰胺等 4 固定化酶的優(yōu)點 易接觸 易分離 可反復(fù)利用 5 固定化酶的應(yīng)用實例 固定化酶的反應(yīng)柱示意圖 將酶固定在一種顆粒狀的載體上 再將這些酶顆粒裝到一個反應(yīng)柱內(nèi) 柱子底端裝上分布著許多小孔的篩板 酶顆粒無法通過篩板的小孔 而反應(yīng)溶液卻可以自由出入 利用固定化酶技術(shù)生產(chǎn)高果糖漿的實例 如上圖 高果糖漿的生產(chǎn)需要使用葡萄糖異構(gòu)酶 它能將葡萄糖轉(zhuǎn)化成果糖 生產(chǎn)過程中 將葡萄糖溶液從反應(yīng)柱的上端注入 使葡萄糖溶液流過反應(yīng)柱 與固定化葡萄糖異構(gòu)酶接觸 轉(zhuǎn)化成果糖 從反應(yīng)柱的下端流出 2 固定化酵母細胞的制備和應(yīng)用 1 操作流程酵母細胞的活化 配制cacl2溶液 配制海藻酸鈉溶液 海藻酸鈉溶液與酵母細胞混合 固定化酵母細胞 沖洗 發(fā)酵 2 實驗結(jié)果 觀察凝膠珠的顏色和形狀 如果制作的凝膠珠顏色過淺 呈白色 說明海藻酸鈉的濃度偏低 固定的酵母細胞數(shù)目較少 如果形成的凝膠珠不是圓形或橢圓形 則說明海藻酸鈉的濃度偏高 制作失敗 需要再做嘗試 觀察發(fā)酵的葡萄糖溶液 利用固定的酵母細胞發(fā)酵產(chǎn)生酒精 可以看到產(chǎn)生了很多氣泡 同時會聞到酒味 3 注意事項 酵母細胞的活化 酵母細胞所需要的活化時間較短 一般需要0 5 1h 此外 酵母細胞活化時體積會變大 因此活化前應(yīng)該選擇體積足夠大的容器 以避免酵母細胞的活化液溢出容器 加熱使海藻酸鈉溶化是操作中最重要的一環(huán) 關(guān)系到實驗的成敗 海藻酸鈉的濃度關(guān)系到固定化細胞的質(zhì)量 如果海藻酸鈉濃度過高 將很難形成凝膠珠 如果濃度過低 形成的凝膠珠所包埋的酵母細胞的數(shù)目少 影響實驗效果 剛形成的凝膠珠應(yīng)在cacl2溶液中浸泡一段時間 以便形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu) 檢驗?zāi)z珠的質(zhì)量是否合格 可以使用下列方法 一是用鑷子夾起一個凝膠珠放在實驗桌上用手?jǐn)D壓 如果凝膠珠不容易破裂 沒有液體流出 就表明凝膠珠 的制作成功 二是在實驗桌上用力摔打凝膠珠 如果凝膠珠很容易彈起 也能表明制備的凝膠珠是成功的 3 2011 江蘇卷 15 下列有關(guān)酶的制備和應(yīng)用的敘述 正確的是 a 酶解法和吸水漲破法常用于制備微生物的胞內(nèi)酶b 透析 電泳和酸解等方法常用于酶的分離與純化c 棉織物不能使用添加纖維素酶的洗衣粉進行洗滌d 多酶片中的胃蛋白酶位于片劑的核心層 對位訓(xùn)練 答案a 解析抗蟲棉固然可以減少農(nóng)藥的使用 但外源基因可能通過花粉逸散到近緣的其他植物 從而造成基因污染 解析利用酶解法和吸水漲破法使細胞解體 用于制備胞內(nèi)酶 酶的純化和分離的方法有透析法 離心沉降法和電泳法 纖維素酶能去除棉紡織品表面的浮毛 平整織物表面 故可用添加纖維素酶的洗衣粉洗滌棉織物 多酶片中的胃蛋白酶位于片劑的最外層 保持其他酶在胃中不被破壞 排雷 1 通常情況下 酶都是在水溶液中與底物進行反應(yīng)的 因此酶在反應(yīng)系統(tǒng)中是與底物 產(chǎn)物混合在一起的 反應(yīng)結(jié)束后 即使酶仍具有較高活力 也很難回收 同時給產(chǎn)品進一步純化帶來了困難 2 一般來說 酶更適合采用化學(xué)結(jié)合法和物理吸附法固定化 而細胞多采用包理法固定化 這是因為細胞個大 而酶分子很小 個大的細胞難以被吸附或結(jié)合 而個小的酶容易從包埋材料中漏出 3 固定化細胞仍能進行正常的生長 繁殖和代謝 可以像游離的細胞一樣用于發(fā)酵生產(chǎn) 考綱能力關(guān)于微生物和酶的問題考題 2011 上海卷 五 回答下列關(guān)于微生物和酶的問題 環(huán)境污染物多聚聯(lián)苯難以降解 研究發(fā)現(xiàn)聯(lián)苯降解菌內(nèi)的聯(lián)苯水解酶是催化多聚聯(lián)苯降解的關(guān)鍵酶 1 下列培養(yǎng)基中能有效分離聯(lián)苯降解菌的是 原因是 a培養(yǎng)基 g l 某生長因子2 0 nh4 2so42 0 k2hpo43 0 mgso41 0 ph7 4 多聚聯(lián)苯50mlb培養(yǎng)基 g l 牛肉膏10 0 蛋白胨20 0 葡萄糖20 0 nacl5 0 ph7 4 考題鏈接關(guān)于微生物和酶的問題 該培養(yǎng)基中多聚聯(lián)苯為唯一碳源 a c培養(yǎng)基 g l 某生長因子2 0 淀粉20 0 nh4no32 5 mgcl20 5 k2hpo43 0 多聚聯(lián)苯50ml ph7 4進一步研究發(fā)現(xiàn) 不同的金屬離子對聯(lián)苯水解酶的活性有一定影響 結(jié)果見下表 2 依據(jù)表中結(jié)果 金屬離子 對該酶的活性有一定的促進作用 金屬離子對酶的活性有促進或抑制作用 可能的原因是 3 通過酶工程可將聯(lián)苯水解酶用于生產(chǎn)實踐 酶工程通常包括酶的生產(chǎn) 酶的固定化和酶的應(yīng)用等方面 酶固定化的好處是 4 下圖實線表示聯(lián)苯水解酶催化的反應(yīng)速率與酶濃度的關(guān)系 虛線表示在其他條件不變的情況下 底物濃度增加一倍 反應(yīng)速率與酶濃度的關(guān)系 能正確表示兩者關(guān)系的是 便于重復(fù)利用 能連續(xù)進行反應(yīng) mn2 金屬離子與酶結(jié)合可以改變酶的空間結(jié)構(gòu) 尤其是活性部 酶的分離純化 b 位的結(jié)構(gòu) 5 紅球菌和假單孢菌都能降解多聚聯(lián)苯 但研究發(fā)現(xiàn)以每克菌體計算 兩種菌降解多聚聯(lián)苯的能力有所不同 對此現(xiàn)象合理的假設(shè)是 或 兩種菌內(nèi)酶基因的結(jié)構(gòu) 酶結(jié) 兩種菌內(nèi)酶量不同 構(gòu) 不同 體會 1 選擇培養(yǎng)基選擇作用關(guān)鍵體現(xiàn)在根據(jù)所要選擇微生物的特點 在配制培養(yǎng)基時關(guān)鍵成分的添加或缺失 如選擇固氮微生物則不需要在培養(yǎng)基上加氮源 2 固定化酶最大優(yōu)點 接觸易 分離更易 且可反復(fù)利用 易錯警示對直接使用酶 固定化酶 固定化細胞混淆不清 典例在20世紀(jì)50年代 酶已經(jīng)大規(guī)模地應(yīng)用于各個生產(chǎn)領(lǐng)域 到了70年代又發(fā)明了固定化酶與固定化細胞的技術(shù) 1 在實際生產(chǎn)中 固定化酶技術(shù)的優(yōu)點是 與固定化酶技術(shù)相比 固定化細胞固定的是 2 制備固定化酵母細胞 常用的包埋材料是 使用了下圖中方法 填出號碼與名稱 反應(yīng)物接觸 又容易與產(chǎn)物分離 固定在載體上的酶能反復(fù)利用 酶既容易與反應(yīng) 多酶系統(tǒng) 海藻酸鈉 包埋法 解析將酶固定化后 可使酶在催化反應(yīng)之后不隨產(chǎn)物流走 可以反復(fù)利用 將細胞固定化后 可以將一種細胞內(nèi)的多種酶同時進行固定 海藻酸鈉一般不能