2019版高考生物一輪總復習 生物技術實踐 專題3 酶的研究與應用課件 選修1 .ppt

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專題3酶的研究與應用 考綱導讀 一 果膠酶 果膠分解酶 霉菌 1 定義 果膠酶并不特指某一種酶 而是分解果膠的一類酶的總稱 包括多聚半乳糖醛酸酶 和果膠酯酶等 2 來源 植物 酵母菌和細菌均能產生果膠酶 3 應用 果膠酶能夠分解果膠成為可溶性的 瓦解植物的 及胞間層 使榨取果汁變得更容易且 使果汁變得 半乳糖醛酸 細胞壁 澄清 二 加酶洗衣粉 蛋白酶 1 常用酶制劑 蛋白酶 脂肪酶 淀粉酶和纖維素酶 其中應用最廣泛 效果最明顯的是堿性 和堿性脂肪酶 2 去污機制 蛋白質 氨基酸 1 堿性蛋白酶能將血漬 奶漬等含有的大分子 水解成可溶性的 或小分子肽 使污跡容易從衣物上脫落 2 脂肪酶 淀粉酶和纖維素酶也能將大分子的 淀粉和 水解為小分子物質 脂肪 纖維素 3 酶制劑的特點 能夠耐酸 耐堿 耐受表面活性劑和較高 并且通過特殊的化學物質將酶層層包裹 與洗衣 粉的其他成分隔離 溫度 三 制備和應用固定化酶 1 固定化酶技術的產生 強酸 高溫 1 酶通常對 強堿 和有機溶劑等條 件非常敏感 容易 失活 溶液 生產成本 2 由于酶促反應一般是在 中進行 酶與底物和產物混合在一起 很難回收利用 提高了 2 固定化酶與固定化細胞技術 1 固定化酶與固定化細胞技術 利用物理或化學方法將酶或細胞固定在一定空間內的技術 包括包埋法 化學結合法和 物理吸附法 包埋法 反復 2 一般來說 酶更適合采用化學結合法和物理吸附法固定化 而細胞多采用 固定化 3 固定化酶的優(yōu)點 酶既能與反應物接觸 又能與產物分離 還可以 利用 降低了生產成本 3 利用包埋法固定化酵母細胞 1 包埋法 將微生物細胞均勻地包埋在不溶于水的多孔性載體中 2 常用的載體 明膠 瓊脂糖 海藻酸鈉 醋酸纖維素和 聚丙烯酰胺等 不溶于水 3 載體的特點 判斷正誤 1 加酶洗衣粉中常加入的酶制劑有蛋白酶 脂肪酶 淀粉 酶和纖維素酶 2 使用加酶洗衣粉時 應注意水溫 水質等問題 3 固定化酶具有既能與反應物接觸 又能與產物分離 還 可以反復利用的優(yōu)點 答案 1 2 3 考點一 探究果膠酶活性的影響及其最適用量 考點梳理 1 實驗原理 1 酶活力的測定 酶的活力通常以單位時間內底物的消耗量或單位時間內產物的生成量來表示 2 果膠酶的活性受溫度 pH和酶抑制劑等的影響 在最適條件下 果膠酶的活性最高 果汁的出汁率 澄清度與果膠酶的活性大小成正比 果膠酶的用量建立在最適溫度和pH的基礎之上 此時研究的變量是果膠酶的用量 其他因素都應保持不變 3 果膠在果膠酶的催化下形成半乳糖醛酸 2 實驗設計 1 探究果膠酶的最適溫度時 設計多個溫度梯度 其他條件應保持一致 如pH應保持一致 且最好是最適pH 通過比較出汁率或者澄清度 確定最適合的溫度 2 同理 探究果膠酶的最適pH時 設計多個pH梯度 其 他條件保持一致 3 探究果膠酶的最適用量時 可以配制不同濃度的果膠酶溶液 也可以只配制一種濃度的果膠酶溶液 然后使用不同的體積即可 其他條件 如溫度和pH 應保持一致且是最適合的條件 1 實驗中所用的果膠酶盡量使用純酶制劑或不含抑制物 的粗酶制劑 以免影響對酶用量的估算 2 確定最適用量的方法 若隨著酶濃度的增加 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 說明酶的用量已經飽和 這個值就是酶的最適用量 高考探究 考向 探究果膠酶活性的影響及其適用量 典例1 2015年海南卷 生產果汁時 用果膠酶處理果泥可提高果汁的出汁率 回答下列相關問題 1 某同學用三種不同的果膠酶進行三組實驗 各組實驗除酶的來源不同外 其他條件都相同 測定各組的出汁量 據此計算各組果膠酶的活性的平均值并進行比較 這一實驗的目的是 2 現有一種新分離出來的果膠酶 為探究其最適溫度 某同學設計了如下實驗 取試管16支 分別加入等量的果泥 果膠酶 緩沖液 混勻 平均分為4組 分別置于0 5 10 40 下保溫相同時間 然后測定各試管中的出汁量并計算各組出汁量平均值 該實驗溫度設置的不足之處有 和 3 某同學取5組試管 A E 分別加入等量的同種果泥 在A B C D4個實驗組的試管中分別加入等量的緩沖液和不同量的同種果膠酶 然后補充蒸餾水使4組試管內液體體積相同 E組加入蒸餾水使試管中液體體積與實驗組相同 將5組試管置于適宜溫度下保溫一定時間后 測定各組的出汁量 通過A D組實驗可比較不同實驗組出汁量的差異 本實驗中 若要檢測加入酶的量等于0而其他條件均與實驗組相同時的出汁量 E組設計 填 能 或 不能 達到目的 其原因是 解析 1 根據題意可知 用三種不同的果膠酶進行三組實驗 各組實驗除酶的來源不同外 其他條件都相同 據此計算各組果膠酶的活性的平均值并進行比較 說明該實驗的自變量是果膠酶的來源 因變量是果膠酶的活性 所以該實驗的目的是探究不同來源果膠酶的活性 2 根據實驗設計可知 該實驗是探究果膠酶的最適溫度 所以自變量是溫度 因變量是果膠酶的活性 用出汁量進行衡量 出汁量越多則果膠酶活性越高 該實驗方案中 溫度應該在常溫范圍內設置系列溫度梯度且梯度差值相等 例如4組的溫度可分別設置為15 20 25 30 另外探究溫度對酶活性的影響時 應保證酶促反應只能在設定的溫度下進行 同一實驗組的反應溫度只能是一個 所以實驗操作應該是將各組盛有果膠酶的試管與盛有果泥的試管分別在設定溫度下處理一定時間后再將兩支試管混合 才能保證實驗在設定的溫度下進行 3 根據題意 若要檢測加入酶的量等于0而其他條件均與實驗組相同時的出汁量 則實驗的自變量是果膠酶的量 因變量是出汁量 對照實驗的設計應遵循單一變量原則和對照原則 根據實驗設置 E組應加入緩沖液而不是蒸餾水 才符合實驗設計應遵循單一變量原則 答案 1 探究不同來源果膠酶的活性 2 溫度范圍設置不合理 溫度梯度設置不合理 3 不能 E組加入蒸餾水而不是緩沖液違背了單一變量原 則 考向預測 1 果膠是植物細胞壁以及胞間層的主要成分之一 果膠酶能夠分解果膠 瓦解植物的細胞壁及胞間層 在果汁生產中使用果膠酶可以提高出汁率和澄清度 請你完成以下有關果膠酶和果汁生產的實驗課題 實驗用具和材料 磨漿機 燒杯 試管 量筒 刀片 玻璃棒 漏斗 紗布 蘋果 質量分數為2 的果膠酶溶液 蒸餾水等 課題一 驗證果膠酶在果汁生產中的作用 實驗方法及步驟 1 將蘋果洗凈去皮 用磨漿機制成蘋果泥 加入適量蒸餾 水備用 2 取兩個100mL潔凈的燒杯 編號為1 2 按相應程序 進行操作 請把表中未填寫的內容填上 3 取出兩個燒杯 同時進行過濾 觀察 或比較 并記錄結果 預測實驗結果及結論 說明果膠酶對果膠的水解具有催化作用 課題二 探索果膠酶催化果膠水解適宜的pH 4 本課題實驗步驟中 在完成 燒杯中分別加入蘋果泥 試管中分別注入果膠酶溶液 編號 編組 之后有下面兩種操作 方法一 將試管中的果膠酶溶液和燒杯中的蘋果泥相混合 再把混合液的pH分別調至4 5 6 10 方法二 將試管中果膠酶溶液和燒杯中蘋果泥的pH分別調至4 5 6 10 再把pH相同的果膠酶溶液和蘋果泥相混合 哪一種方法更科學 請說明理由 5 實驗步驟中也有玻璃棒攪拌的操作 其目的是使 以減少實驗誤差 答案 2 注入果膠酶溶液 2mL 3 相同時間內濾出的果汁體積和果汁的澄清度預測實驗結果及結論 相同時間內1號燒杯濾出的果汁體積比2號燒杯濾出的果汁體積大 澄清度高 4 方法二 方法二的操作能夠確保酶的反應環(huán)境從一開 始便達到實驗預設的pH 或方法一的操作會在達到預設pH之前就發(fā)生了酶的催化作用 5 果膠酶與底物 果膠 充分接觸 2 在果汁生產中需要用到果膠酶 某課題研究小組為了探 究果膠酶的某些特性 進行了如下實驗 1 請將上圖所示的操作進行排序 2 實驗結果 對照組與實驗組進行了相同時間的實驗 結 果如下圖中曲線甲所示 圖中自變量是溫度 除此之外還可用 表示 A 酶的濃度C 水的加入量 B 蘋果泥的量D pH 圖中的縱坐標還可用 來表示 實驗步驟中 在果膠酶和蘋果泥混合前 將二者分裝在不同試管中并進行恒溫處理的目的是 實驗小組改變了實驗條件后重復做實驗 得到曲線乙 蘋果汁的澄清度最高點對應的橫坐標是同一位置的原因是 引起曲線乙下移的原因可能是 至少答出兩條 3 下表是某實驗小組的詳細實驗結果 根據上述結果 說明當溫度為 時果汁量最多 能不能確定該溫度就是果膠酶的最適溫度 如果不能 請設計出進一步研究果膠酶的最適溫度的實驗方案 答案 1 acdb 2 D 蘋果汁的體積 保證底物和酶在混合時的溫度是相同的 同一種酶的最適溫度是一定的 不會因酶的濃度 底物 量不同而改變 pH 酶的濃度和蘋果泥的量等因素 3 40 不能 再設置多套裝置 以40 為中心 以更 小的溫差 如0 5 在更小溫度范圍內記錄果汁的產生量 果汁的產量最高的溫度最接近酶的最適宜溫度 考點二 測定酶活力及不同類型的加酶洗衣粉的洗滌效果 考點梳理 1 酶活力的測定 1 通過測定單位時間內麥芽糖的生成量來檢測淀粉酶的活力 由于麥芽糖與3 5 二硝基水楊酸試劑反應生成紅棕色的氨基化合物 在一定范圍內 麥芽糖的量和紅棕色物質的顏色深淺程度成一定比例關系 利用分光光度法進行比色 可以測出麥芽糖的生成量 2 通過測定單位時間內淀粉的消耗量來檢測淀粉酶的活力 2 常用酶制劑的種類及其洗滌原理和實例 3 探究加酶洗衣粉的洗滌效果 1 實驗原理 加酶洗衣粉中含有酶制劑 蛋白酶 脂肪酶 淀粉酶 纖 維素酶 污漬中的蛋白質 脂肪 淀粉 纖維素在酶制劑的分解 下形成小分子物質 溫度 pH 表面活性劑會影響酶的活性 酶具有專一性 2 實驗變量 高考探究 考向 酶活力的測定 典例2 2015年遼寧大連模擬 某化工廠生產的一種加酶洗衣粉 其包裝袋上印有如下說明 成分 含堿性蛋白酶等 用法 洗滌前先將衣物浸于洗衣粉溶液內一段時間 使用溫水效果更佳 注意 切勿用于絲質及羊毛衣料 某研究性學習小組為探究該洗衣粉中酶催化作用的最適溫度 設計了如圖1的裝置進行實驗 并將結果用圖2的曲線圖表示 圖1 圖2 請回答以下各題 1 由圖可知 使用該加酶洗衣粉的最適宜溫度為 2 在0 和75 時 酶的催化效率基本都為零 但當溫度從75 降到45 時 酶的催化能力已不能恢復 這是因為 3 在實驗過程中可通過直接測定 指標 來表示該洗衣粉中酶的催化效率 4 目前使用的加酶洗衣粉都是一次性的 某洗滌公司為降低生產成本研制了一種能多次重復使用加酶洗衣粉的設備 他們將酶固定在不溶于水的尼龍載體上 洗滌完衣物后 經過簡單處理 這些酶還可以多次重復利用 這種方法制成的酶叫 5 除加酶外 很多洗衣粉中還加有香精 高檔洗衣粉中的香精都是由植物芳香油制成的 目前從植物中提取芳香油的方法有 6 加酶洗衣粉中的淀粉酶可以從霉菌中提取 用固體培養(yǎng)基分離 純化霉菌的方法有 解析 1 由圖1及圖2可知 使用該加酶洗衣粉的最適宜溫度為45 2 當溫度從75 降到45 時 酶的催化能力已不能恢復 這是因為高溫條件下酶的結構已遭到破壞 3 在實驗過程中可通過直接測定膠片上的蛋白膜存在時間的長短 指標 來表示該洗衣粉中酶的催化效率 4 將酶固定在不溶于水的尼龍載體上 洗滌完衣物后 這些酶經過簡單處理 還可以多次重復利用 這種酶是固定化酶 5 目前從植物中提取芳香油的方法有萃取法 蒸餾法 壓榨法等 6 用固體培養(yǎng)基分離 純化霉菌的常用方法有平板劃線法 稀釋涂布平板法 答案 1 45 2 高溫條件下酶的結構已遭破壞 3 膠片上的蛋白膜存在時間的長短 其他合理答案亦可 4 固定化酶 5 萃取法 蒸餾法 壓榨法 6 平板劃線法 稀釋涂布平板法 考向預測 3 2016年湖北武漢調研 為了進一步增強洗衣粉對血漬 奶漬 油污 土豆泥等衣物上常見污漬的去除能力 洗衣粉中常常會添加各種酶類 請回答有關問題 1 根據衣物上常見的污漬分析 加酶洗衣粉中應添加的酶類有蛋白酶 蛋白酶能將血漬 奶漬等中含有的大分子蛋白質水解成可溶性的 2 加酶洗衣粉的包裝袋上的產品說明中標明 水溫以30 50 為宜 切忌用60 以上的熱水 根據你所學習的有關知識 解釋其原因 3 下面表格中的數據是探究洗衣粉洗滌效果的有關實驗 的結果 請據表回答問題 該實驗要探究的問題是 該實驗設計體現了 原則 若1號實驗組中洗凈所需時間接近7min 請分析最可能的原因是 答案 1 脂肪酶 淀粉酶 纖維素酶 多肽 或氨基酸 2 酶的催化作用受溫度影響 30 50 是加酶洗衣粉中的酶的最適溫度范圍 60 以上的熱水可能會使酶的活性喪失 3 溫度對洗衣粉的洗滌效果的影響 洗衣粉的種類對洗 單一變量原則及對照 加酶洗衣粉中的酶 滌效果的影響變性或失效 4 2017年廣東興寧月考 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 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物質包裹的 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及其理由 解析 1 由表格數據可知提高洗衣粉去污能力的方法有加酶和適當提高溫度 甲組去除血漬所需的時間相對較短 而血漬的主要成分是蛋白質 說明甲組洗衣粉中加入了蛋白酶 乙組去除血漬和油漬的時間都相對較短 說明乙組洗衣粉中加入了蛋白酶和脂肪酶 2 甲 乙組洗滌效果的差異 主要原因是其中酶種類不同 說明酶具有專一性 3 酶的作用條件溫和 高溫 80 會使酶變性失活 因此3組之間沒有差異 4 由于加酶洗衣粉中的酶未固定在不溶于水的載體上 也不能重復利用 所以沒有利用酶的固定化技術 答案 1 加酶和適當提高溫度 蛋白酶 蛋白酶和脂肪酶 2 專一性 3 沒有差異 因為高溫使酶失活 4 未運用酶的固定化技術 因為酶未固定在不溶于水的載體上 也不能重復利用 考點三 制備和應用固定化酶 考點梳理 1 游離酶 固定化酶和固定化細胞的比較 1 物理吸附法 吸附法 是將酶吸附在載體表面的一種固定方法 特點是工藝簡便且條件溫和 應用廣泛 實質是利用酶與載體之間的范德華力實現吸附 2 化學結合法 交聯法 是利用酶與載體之間形成的共價鍵 將酶進行固定的 2 酵母細胞的固定化 續(xù)表 1 加熱使海藻酸鈉溶化是操作中最重要的一步 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目少 影響實驗效果 2 剛形成的凝膠珠應在CaCl2溶液中浸泡一段時間 以便 形成穩(wěn)定的結構 3 檢驗凝膠珠的質量是否合格 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擠壓 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 4 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 需要再作嘗試 3 用固定化酵母細胞發(fā)酵 1 配制麥芽汁或葡萄糖溶液 注意濃度適宜 過高會造成 固定的酵母細胞失水 甚至死亡 2 固定化酵母凝膠珠的處理 固定好的凝膠珠從CaCl2溶液取出后要用蒸餾水沖洗2 3次 洗去CaCl2溶液的目的是防止凝膠珠硬度過大 影響通透性 3 發(fā)酵 開始時凝膠珠沉在發(fā)酵液的底部 一段時間后慢 慢上浮且有氣泡產生 發(fā)酵液有酒味 高考探究 考向 固定化酶的應用 典例3 2016年江蘇卷 為了探索海藻酸鈉固定化對綠球藻員用篩選到的一株綠球藻進行試驗 流程及結果如下 請回答下列問題 生長的影響 以及固定化藻對含Zn2 污水的凈化作用 科研人 圖1 圖2 1 實驗中的海藻酸鈉作用是 CaCl2的作用是 2 為洗去凝膠球上殘余的CaCl2和其他污染物 并保持綠球藻活性 宜采用 洗滌 圖1中1 0 海藻酸鈉組培養(yǎng)24h后 移去凝膠球 溶液呈綠色 原因是 3 為探索固定化藻對含Zn2 污水的凈化作用 應選用濃度 為 海藻酸鈉制備凝膠球 4 圖2中空白凝膠球組Zn2 濃度下降的原因是 結合圖1和圖2分析 固定化藻的實驗組24 48h間Zn2 濃度下降速度較快的主要原因是 72 96h間Zn2 濃度下降速度較慢的原因有 48h間綠球藻數量增加最快 使Zn2 解析 1 海藻酸鈉溶液在CaCl2溶液中形成凝膠球 包埋綠球藻 2 可使用培養(yǎng)液或生理鹽水洗去凝膠球上殘余的CaCl2和其他污染物 并保持綠球藻活性 溶液呈綠色 說明固定化的綠球藻數量少 原因是海藻酸鈉濃度過低 或凝膠球孔徑過大 3 根據圖1可知 濃度為2 0 的海藻酸鈉制備的凝膠球最有利于綠球藻的繁殖 4 空白凝膠球可吸附Zn2 導致溶液 濃度下降速度較快 72 中Zn2 濃度下降 結合圖1和圖2分析 固定化藻的實驗組24 96h間綠球藻數量基本不再增加 故Zn2 濃度下降速度較慢 答案 1 包埋綠球藻 與海藻酸鈉反應形成凝膠球 2 培 養(yǎng)液 或生理鹽水 海藻酸鈉濃度過低 凝膠球孔徑過大 3 2 0 4 凝膠球吸附Zn2 綠球藻生長 增殖 速度快 綠球 藻生長 增殖 速度減慢 溶液中Zn2 濃度較低 考向預測 5 某實驗小組進行固定化酵母細胞的制備 并進行了游離酵母和固定化酵母發(fā)酵產酒酒精度的比較 結果如下表所示 請回答下列問題 產酒酒精度的比較 1 制備固定化酵母細胞的實驗步驟是 酵母細胞的活化 配制海藻酸鈉溶液 固定化酵母細胞 2 影響實驗成敗的關鍵步驟是 3 海藻酸鈉起 的作用 4 該小組將制備好的固定化酵母與游離酵母分別放在一定的相同條件下發(fā)酵 定時記錄發(fā)酵液中酒精度的變化 實驗過程中的 在一定的相同條件下發(fā)酵 的條件是 要求條件相同是為了確保 由表格可知 固定化酵母和游離酵母發(fā)酵都能產生酒精 但固定化酵母在發(fā)酵前期的延遲期的時間比游離酵母發(fā)酵前期的延遲期的時間要 解析 1 制備固定化酵母細胞的實驗步驟 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 2 影響實驗成敗的關鍵步驟是配制海藻酸鈉溶液 3 實驗中鈣離子的作用是使膠體聚沉 海藻酸鈉起包埋酵母細胞 或載體 的作用 4 由于酶活性受溫度和pH等的影響 因此實驗過程中的 在一定條件下發(fā)酵 的條件是適宜的溫度 pH等 其他條件相同是為了確保單一變量 由表格可知 固定化酵母和游離酵母發(fā)酵都能產生酒精 但固定化酵母在發(fā)酵前期的延遲期的時間比游離酵母的要短 并且固定化酵母發(fā)酵產生酒精的速度比游離酵母要快 海藻酸鈉溶液與酵母細胞混合 答案 1 配制CaCl2溶液 2 配制海藻酸鈉溶液 3 包埋酵母細胞 或載體 4 適宜的溫度 pH等 單一變量 短 6 固定化酶技術運用于工業(yè)化生產前 需要獲得酶的有關參數 如下圖 曲線 表示某種酶在各種溫度下酶活性相對最高酶活性的百分比 曲線 是將該種酶在不同溫度下保溫足夠長的時間 再在酶活性最高的溫度下測其殘余酶活性 由此得到酶的熱穩(wěn)定性數據 請回答下列問題 1 與普通酶制劑相比 固定化酶在生產中的優(yōu)點是 2 曲線 中 35 和80 的數據點是在 時測得的 通過本實驗 你對酶的最適溫度的認識是 該種酶固定化后運用于生產 最佳溫度范圍是 3 研究發(fā)現有甲 乙兩種物質能降低該種酶的催化效率 該酶催化的底物濃度變化會改變甲物質對酶的影響 而不會改變乙物質對酶的影響 下圖是降低酶活性的兩種機制模型 符合甲 乙物質對酶影響的模型分別是 4 在酶的活性不受抑制時 起始反應速率與底物濃度的關系如下圖所示 請畫出加入甲物質時 起始反應速率與底物濃度之間的關系曲線 答案 1 可反復使用 2 80 既能使酶具有高的催化活性 又能維持較長時間 60 70 3 AB 4 曲線如下圖所示