2017-2018年高中生物 第3章 酶的制備及應(yīng)用 第4節(jié) 酶的固定化學(xué)案 中圖版選修1

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1、 第四節(jié) 酶的固定化 一、固定化酶 1．含義 通過物理或化學(xué)的方法，將水溶性的酶與不溶性的載體結(jié)合，使酶固定在載體上，并在一定的空間范圍內(nèi)進(jìn)行催化反應(yīng)。 2．方法 (1)共價(jià)鍵結(jié)合法：通過化學(xué)反應(yīng)將酶以共價(jià)鍵結(jié)合到尼龍等載體上。 (2)包埋法：將酶包埋到多孔性凝膠中的固定化方法。 (3)物理吸附法。 3．優(yōu)點(diǎn) (1)固定化酶的活性穩(wěn)定，可反復(fù)使用； (2)固定化酶能與反應(yīng)液分開，制品較易純化； (3)工業(yè)化生產(chǎn)可實(shí)現(xiàn)大批量、連續(xù)化、自動(dòng)化； (4)極大地降低了生產(chǎn)成本。 4．缺點(diǎn) 需要制備純凈的酶，稍有不慎，酶就會(huì)失活。 二、固定化細(xì)胞 1．含義 用適當(dāng)

2、的載體將合成酶的細(xì)胞固定起來。 2．優(yōu)點(diǎn) 比固定化酶更簡(jiǎn)捷，使用壽命更長(zhǎng)。 三、木瓜蛋白酶的固定化操作技術(shù) 取尼龍布浸入等體積的CaCl2溶液和甲醇溶液中10 s左右―→鹽酸溶液中室溫下水解45 min―→蒸餾水沖洗至中性―→室溫下放入戊二醛溶液中浸泡20 min―→磷酸緩沖液(pH為7.8)反復(fù)洗滌―→木瓜蛋白酶溶液中固定3.5 h，溫度為4_℃―→用NaCl溶液洗去多余的蛋白酶。 預(yù)習(xí)完成后，請(qǐng)把你認(rèn)為難以解決的問題記錄在下面的表格中 問題1 問題2 問題3 問題4 一、酶、固定化酶與固定化細(xì)胞的比較 直接使用酶 固定化酶 固定

3、化細(xì)胞 缺點(diǎn) ①對(duì)環(huán)境條件非常敏感，易失活 ②難回收，成本高，影響產(chǎn)品質(zhì)量 不利于催化一系列的酶促反應(yīng) 反應(yīng)物不易與酶接近，尤其是大分子物質(zhì)，反應(yīng)效率下降 優(yōu)點(diǎn) 催化效率高、耗能低、污染低 ①既能與反應(yīng)物接觸，又能與產(chǎn)物分離 ②可以反復(fù)利用 成本低，操作容易、壽命長(zhǎng) ①固定化細(xì)胞使用的都是活細(xì)胞，因此應(yīng)提供一定的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。 ②固定化細(xì)胞由于保證了細(xì)胞的完整性，因而酶的環(huán)境改變較小，酶活性受外界影響也較小。 二、固定化酶的制備及利用 1．酶的固定化：(1)18.6%的CaCl2溶液和甲醇溶液處理(10 s)，沖洗、吸干。 (2)3.65 mol/L的鹽酸水解

4、(45 min)，蒸餾水沖洗至中性。 (3)在5%的戊二醛溶液中浸泡(20 min)。 (4)0.1 mol/L的磷酸緩沖液洗滌，(多次)吸干。 (5)放1 mg/mL的木瓜蛋白酶溶液中(4 ℃處理3.5 h)。 　 ↓　 2．檢驗(yàn)酶的活性：(1)用固定化酶在適宜溫度下分解蛋白質(zhì)(10 min) (2)用雙縮脲試劑檢驗(yàn) ↓　　　 3．酶的再利用：用取出的固定化酶再分解蛋白質(zhì) 細(xì)胞的固定化技術(shù) 　請(qǐng)參照細(xì)胞固定化技術(shù)的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，完成下列問題。 (1)細(xì)胞固定化技術(shù)一般采用包埋法固定化，采用該方法的原因是_________。 (2)包埋法固定化是指______

5、___________________。 (3)與固定化酶技術(shù)相比，固定化細(xì)胞技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是___________。 (4)制備固定化大腸桿菌的步驟為： ①______________________________________________________________； ②______________________________________________________________； ③______________________________________________________________； ④______________________

6、________________________________________。 【審題導(dǎo)析】 　　 【精講精析】　(1)固定化細(xì)胞的方法有包埋法、化學(xué)結(jié)合法和物理吸附法，一般來說多采用包埋法固定化，因?yàn)閭€(gè)大的細(xì)胞難以被吸附或結(jié)合，且不易從包埋材料中漏出。 (2)包埋法固定化即將微生物細(xì)胞均勻地包埋在不溶于水的多孔性載體中。 (3)與固定化酶技術(shù)相比，固定化細(xì)胞技術(shù)的成本更低，操作更容易。 (4)制備固定化大腸桿菌的程序?yàn)椋号囵B(yǎng)大腸桿菌―→與生理鹽水和瓊脂混合―→瓊脂凝固后切塊―→用生理鹽水和蒸餾水洗凈。 【答案】　(1)細(xì)胞個(gè)大，不易從包埋材料中漏出 (2)將微生物細(xì)胞均勻

7、地包埋在瓊脂糖凝膠等多孔性載體中 (3)成本更低，操作更容易 (4)①用液體培養(yǎng)基培養(yǎng)大腸桿菌　②取1 mL菌液與8 mL生理鹽水和體積分?jǐn)?shù)為2%的瓊脂16 mL攪拌均勻?、郗傊毯笄谐尚K?、苡蒙睇}水和蒸餾水洗凈 固定化細(xì)胞的優(yōu)點(diǎn) (1)固定化細(xì)胞含有一系列的酶，可以催化一系列的反應(yīng)。 (2)反應(yīng)的條件較易控制。 (3)使用時(shí)間更長(zhǎng)。 1．生產(chǎn)酒精時(shí)，使用固定化細(xì)胞比固定化酶更好，原因不包括(　　) A．固定化細(xì)胞中含有一系列酶(與生產(chǎn)酒精有關(guān)) B．固定化細(xì)胞比固定化酶更經(jīng)濟(jì)、成本更低 C．固定化細(xì)胞需要提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) D．固定化細(xì)胞比固定化酶對(duì)環(huán)境條件要求

8、低 【解析】　固定化細(xì)胞由于有活細(xì)胞存在，含有的酶是一系列的酶，對(duì)酒精生產(chǎn)更有利，固定化細(xì)胞對(duì)環(huán)境條件的要求更低，生產(chǎn)成本更低。但是需要一定的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。 【答案】　C 固定化酶的應(yīng)用 　關(guān)于固定化酶中的酶的說法正確的是(　　) A．酶的種類多樣，可催化一系列的酶促反應(yīng) B．酶被固定在不溶于水的載體上，可反復(fù)利用 C．酶作為催化劑，反應(yīng)前后結(jié)構(gòu)不改變，所以固定化酶可永遠(yuǎn)利用下去 D．固定化酶由于被固定在載體上，所以喪失了酶的高效性和專一性特點(diǎn) 【審題導(dǎo)析】 【精講精析】　酶是蛋白質(zhì)，會(huì)出現(xiàn)老化、變性失活現(xiàn)象；作為催化劑，反應(yīng)前后酶的結(jié)構(gòu)不變，具有專一性和高效性。酶被固

9、定化后，仍然具有這些特性，并且由于固定在載體上，可以反復(fù)利用，但不能永遠(yuǎn)利用。 【答案】　B 固定化酶在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 (1)固定化酶活性穩(wěn)定，可反復(fù)使用。 (2)固定化酶可用于工業(yè)上大規(guī)模生產(chǎn)。 (3)用固定化酶生產(chǎn)可實(shí)現(xiàn)大批量、連續(xù)化、自動(dòng)化，極大地降低生產(chǎn)成本。 2．關(guān)于固定化酶和一般酶制劑應(yīng)用效果的說法中，錯(cuò)誤的是(　　) A．固定化酶生物活性強(qiáng)，可長(zhǎng)久使用 B．一般酶制劑應(yīng)用后和產(chǎn)物混在一起，產(chǎn)物的純度不高 C．一般酶制劑參加反應(yīng)后不能重復(fù)利用 D．固定化酶可以反復(fù)利用，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)量和質(zhì)量 【解析】　固定化酶只是將酶固定在載體上，活性不變，仍

10、具有蛋白質(zhì)的特性，可以發(fā)生老化、變性、失活等。 【答案】　A 1．下圖中所示的酶固定化技術(shù)中屬于包埋法的一組是(　　) ①　　　 　?、凇? ③　　　 ?、堋? A．①②　　　　　　　　 B．①③④ C．①④ D．③④ 【解析】　①為吸附法，②為化學(xué)結(jié)合法，③④為包埋法，③包埋于網(wǎng)格中，④包埋于微膠囊中。 【答案】　D 2．下列不屬于固定化酶在利用時(shí)的特點(diǎn)的是(　　) A．有利于酶與產(chǎn)物分離 B．可以被反復(fù)利用 C．能自由出入依附的載體 D．一種固定化酶一般情況下不能催化一系列酶促反應(yīng) 【解析】　固定化酶只是將酶固定在載體上，仍然具有酶的特點(diǎn)(如專一性)，

11、此外固定化酶還具有易與產(chǎn)物分離、能反復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)。 【答案】　C 3．為了探索海藻酸鈉固定化對(duì)綠球藻生長(zhǎng)的影響，以及固定化藻對(duì)含Zn2＋污水的凈化作用，科研人員用篩選到的一株綠球藻進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，流程及結(jié)果如下。請(qǐng)回答下列問題： 圖1 圖2 (1)實(shí)驗(yàn)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)24 h后，移動(dòng)凝膠球，溶液呈綠色，原因是________________。 (3)為探索固定化藻對(duì)含Zn2＋污水的凈化作用，應(yīng)選

12、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(jié)合圖1和圖2分析，固定化藻的實(shí)驗(yàn)組24～48 h間Zn2＋濃度下降速度較快的主要原因是____________；72～96 h間Zn2＋濃度下降速度較慢的原因有_________________。 【解析】　(1)綠球藻為單細(xì)胞生物，可用包埋法固定化，實(shí)驗(yàn)中海藻酸鈉的作用是包埋綠球藻。配制好的海藻酸鈉溶液需要滴入CaCl2溶液中，與CaCl2反應(yīng)形成凝膠球，剛形成的凝膠球應(yīng)在CaCl2溶液中浸泡一段時(shí)間，有利于形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。(2)將固定好的凝膠球用綠球藻的培養(yǎng)液(生理

13、鹽水)清洗2～3次，能夠洗去凝膠球上殘余的CaCl2和其他污染物，并保持綠球藻的活性。如果包埋綠球藻用的海藻酸鈉濃度過低，或形成的凝膠球孔徑過大，在培養(yǎng)過程中會(huì)有綠球藻從包埋材料中漏出來，使溶液呈綠色。(3)分析圖綠球藻數(shù)量變化曲線可知，濃度為2.0%的海藻酸鈉對(duì)綠球藻的包埋效果最好，凝膠球中包埋的綠球藻數(shù)量最多，故應(yīng)選用該濃度的海藻酸鈉制備凝膠球。(4)由Zn2＋濃度變化曲線可知，空白凝膠球組Zn2＋濃度下降的原因是凝膠對(duì)Zn2＋有一定的吸附作用。培養(yǎng)初期，綠球藻生長(zhǎng)(增殖)速度較快，導(dǎo)致Zn2＋濃度下降速度較快；培養(yǎng)后期，由于綠球藻生長(zhǎng)(增殖)速度減慢、溶液中Zn2＋濃度較低等，Zn2＋濃度下降速度較慢。 【答案】　(1)包埋綠球藻(包埋劑)　與海藻酸鈉反應(yīng)形成凝膠球(凝固劑)　(2)培養(yǎng)液(生理鹽水)　海藻酸鈉濃度過低(凝膠球孔徑過大)　(3)2.0%　(4)凝膠吸附Zn2＋　綠球藻生長(zhǎng)(增殖)速度快　綠球藻生長(zhǎng)(增殖)速度減慢，溶液中Zn2＋濃度較低 7