2021新高考生物人教版一轮学案：选择性必修部分模块3第1单元第3讲　生物技术在其他方面的应用

第3讲　生物技术在其他方面的应用考纲研读备考定位考纲要求核心素养1.从生物材料中提取某些特定的成分2.蛋白质的提取和分离技术1.生命观念——通过蛋白质分离技术的深入理解建立生命的物质观。2.科学思维——分析与综合：分析玫瑰精油、橘皮精油和胡萝卜素的提取原理及过程。3.科学探究——设计实验探究成分提取的条件等。4.社会责任——关注人体健康，关注胡萝卜素缺乏引起的疾病考点一　蛋白质的提取和分离1．血红蛋白的提取(1)红细胞的洗涤①目的：去除杂蛋白。②方法：采集的血样要及时分离红细胞，分离时采用低速短时间离心，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稀释，再离心，重复洗涤三次，直至上清液中不再呈现黄色，表明红细胞已洗涤干净。(2)血红蛋白的释放加蒸馏水(作用是使红细胞吸水涨破)到原血液的体积，再加40%体积的甲苯(作用是溶解细胞膜)，充分搅拌，细胞破裂释放出血红蛋白。(3)分离血红蛋白溶液①将搅拌好的混合液转移到离心管中，以2 000 r/min的速度离心10 min后，可以明显看到试管中的溶液分为4层。②将试管中的液体用滤纸过滤，除去脂溶性沉淀层，于分液漏斗中静置片刻后，分出下层的红色透明液体，即血红蛋白溶液。2．血红蛋白的粗分离——透析(1)原理：透析袋能使小分子自由进出，而将大分子保留在袋内。(2)过程：取1 mL的血红蛋白溶液装入透析袋中，将透析袋放入盛有300 mL的物质的量浓度为20 mmol/L的磷酸缓冲液中(pH为7.0)，透析12 h。(3)目的：除去样品中相对分子质量较小的杂质。3．血红蛋白的纯化——凝胶色谱法(1)原理：相对分子质量较小的蛋白质由于扩散作用进入凝胶颗粒内部，路程较长，移动速度较慢而被滞留；相对分子质量较大的蛋白质被排阻在凝胶颗粒外面，在颗粒之间迅速通过。(2)过程①调整缓冲液面：打开色谱柱下端的流出口，调整缓冲液与凝胶面平齐↓②滴加透析样品：关闭下端出口，用吸管小心将1 mL样品加到色谱柱顶端↓③样品渗入凝胶床：加样后，打开下端出口，使样品渗入凝胶床内↓④再调整缓冲液面：关闭下端出口，小心加入物质的量浓度为20 mmol/L的磷酸缓冲液到适当高度↓⑤洗脱：打开下端出口，用磷酸缓冲液洗脱↓⑥收集：待红色的蛋白质接近色谱柱底端时，用试管收集流出液，每5 mL收集一管，连续收集4．纯度鉴定——电泳判断纯化的蛋白质是否达到要求，需要进行蛋白质纯度的鉴定。在鉴定的方法中，使用最多的是SDS—聚丙烯酰胺凝胶电泳。易错整合，判断正误。(1)透析法可去除小分子化合物杂质，原理是不同分子所携带净电荷不同(　×　)(2)通过控制离心速率，可使分子大小、密度不同的蛋白质沉降分层，从而分离不同的蛋白质(　√　)(3)不同的物质在同一电场中的泳动速度不同，因此可用电泳法分离蛋白质(　√　)(4)影响泳动速度的因素包括带电颗粒的性质、电场强度、溶液的pH等(　√　)　右图是用凝胶色谱法分离a、b两种蛋白质的示意图，请分析：(1)先从层析柱中洗脱出来的是哪种蛋白质？为什么？(2)d是什么？有什么特点？(3)层析柱装填时不能有气泡的原因是什么？[提示](1)a蛋白质先洗脱出来，因为a的相对分子质量较大，被排阻在凝胶颗粒外面，在颗粒之间迅速通过。(2)d是多孔板，蛋白质可以通过，凝胶颗粒不能通过。(3)气泡会扰乱蛋白质的洗脱次序，干扰实验结果。 
1．常用的蛋白质分离方法(1)凝胶色谱法蛋白质项目相对分子质量大相对分子质量小凝胶内部不能进入能进入运动方式垂直向下垂直向下和无规则扩散运动经过路程较短较长洗脱次序先流出后流出(2)电泳法原理a．在一定pH下，蛋白质分子的某些基团解离后带上正电或负电。在电场的作用下，带电分子会向着与其所带电荷相反的电极移动。b．由于待分离样品中各种分子带电性质的差异以及分子本身的大小、形状的不同，使带电分子产生不同的迁移速度，从而实现样品中各种分子的分离。2．比较琼脂糖凝胶电泳和SDS—聚丙烯酰胺凝胶电泳(1)从载体上看，利用琼脂糖凝胶作为载体的是琼脂糖凝胶电泳，利用SDS—聚丙烯酰胺凝胶作为载体的是SDS一聚丙烯酰胺凝胶电泳。(2)从依据上看，利用了分子带电性质差异和分子大小的是琼脂糖凝胶电泳，仅利用了分子大小的是SDS—聚丙烯酰胺凝胶电泳。(3)从优点上看，琼脂糖凝胶电泳操作简单，电泳速度快，样品不需处理，电泳图谱清晰，分辨率高，重复性好；SDS—聚丙烯酰胺凝胶电泳消除了净电荷对迁移率的影响，使电泳迁移率完全取决于分子的大小。例1 请完成有关血红蛋白提取与分离的相关问题：(1)实验前取新鲜血液，要在采血器中预先加入柠檬酸钠，取血回来，马上进行破碎离心，收集血红蛋白溶液。加入柠檬酸钠的目的是防止血液凝固。(2)在对样品进行处理时，主要包括红细胞的洗涤、血红蛋白的释放；对样品进行粗分离时主要包括：分离血红蛋白溶液、透析等步骤。其中透析技术的原理是小分子可以自由进出透析袋(半透膜)，而大分子不能通过。(3)同学甲利用琼脂糖凝胶电泳技术，将得到的蛋白质进行分离，在电泳过程中，影响蛋白质迁移速度的因素包括蛋白质分子的大小、带电性质__以及分子的形状等。而加入SDS后，使得蛋白质的迁移率只取决于分子的大小。(4)同学乙利用凝胶色谱法进行血红蛋白的分离(如下图1)，他在操作中加样的正确顺序是④①②③，在执行图1中②所示操作时，色谱柱下端连接的尼龙管应该关闭(填“打开”或“关闭”)。(5)图2是同学乙利用样品分离得到的结果，则图2中蛋白质相对分子质量最小的是丙。[解析]　(1)新鲜血液中加入柠檬酸钠的目的是防止血液凝固。(2)样品的处理包括红细胞的洗涤、血红蛋白的释放等步骤。分离血红蛋白中所用的透析方法的原理是半透膜的半透性，即小分子可以自由通过，大分子不能自由通过。(3)琼脂糖凝胶电泳时，影响蛋白质迁移速度的因素有蛋白质分子大小、带电性质及分子的形状等。而加入SDS后，使得蛋白质的迁移率只取决于分子的大小。(4)装填完毕的凝胶柱需用缓冲液充分洗涤，使其装填紧密，加样时应先加入样品，后加入一定量的缓冲液到适当高度，即正确顺序为④①②③；进行②所示的环绕加缓冲液时，应关闭下端出口。(5)凝胶色谱法分离蛋白质时，洗脱时间最长的蛋白质相对分子质量最小。由图2可看出，丙的洗脱时间最长，相对分子质量应是最小的。 考点二　植物有效成分的提取1．提取玫瑰精油实验(1)方法：水蒸气蒸馏法。(2)实验流程：  2．提取橘皮精油的实验(1)方法：一般采用压榨法。(2)实验流程3．胡萝卜素的提取(1)胡萝卜素性质：不溶于水，微溶于乙醇，易溶于石油醚等有机溶剂。(2)提取方法及流程①方法：萃取法，石油醚最适宜作萃取剂。②实验流程胡萝卜→粉碎→干燥→萃取→过滤→浓缩→胡萝卜素。(3)鉴定方法：纸层析法。易错整合，判断正误。(1)油水混合物中加入无水硫酸钠，有利于分离油层(　×　)(2)蒸馏法的实验原理是利用水将芳香油溶解出来，再把水蒸发掉，剩余的就是芳香油(　×　)(3)原料易焦糊和有效成分易水解的植物芳香油的提取，不宜采用水蒸气蒸馏法，宜采用压榨法(　√　)(4)萃取是利用了芳香油易溶于有机溶剂的特性进行提取的一种方法(　√　)(5)由于胡萝卜素易溶于石油醚等有机溶剂中，所以可以采用萃取的方法进行提取(　√　)(6)影响萃取效率的因素除了萃取剂的性质和使用量之外，还有原料颗粒的大小、紧密程度、含水量、萃取的温度和时间等(　√　)　下图是提取植物有效成分的两种方法，据图分析：(1)图甲、图乙分别为何种装置？(2)图中a、b哪一个是进水口，哪一个为出水口？加热时为何常向液体中加入几片碎石或瓷片？(3)提取玫瑰精油时，能否用干燥的玫瑰花瓣？(4)在提取橘皮精油的实验中，使用石灰水充分浸泡原料的目的是什么？[提示](1)图甲为水蒸气蒸馏装置，图乙为萃取装置。(2)图中a为出水口，b为进水口，这与蒸气流方向相反；加热时向液体中加入几片碎石或瓷片的目的是“防暴沸”。(3)由于玫瑰精油易挥发，干燥后玫瑰精油已挥发。因此用水蒸气蒸馏法提取玫瑰精油时应选择新鲜的玫瑰花瓣。(4)目的是破坏细胞结构，分解果胶，防止橘皮压榨时滑脱，提高出油率。1．三种提取方法的比较提取方法水蒸气蒸馏法压榨法有机溶剂萃取法实验原理利用水蒸气将挥发性较强的植物芳香油携带出来通过机械加压，压榨出果皮中的芳香油使芳香油溶解在有机溶剂中，蒸发溶剂获得芳香油方法步骤①水蒸气蒸馏②分离油层③除水过滤①石灰水浸泡、漂洗②压榨、过滤、静置③再次过滤①粉碎、干燥②萃取、过滤③浓缩适用范围适用于提取玫瑰油、薄荷油等挥发性强的芳香油适用于柑橘、柠檬等易焦糊原料的提取适用范围广，要求原料的颗粒要尽可能细小，能充分浸泡在有机溶剂中优点简单易行，便于分离生产成本低，易保持原料原有的结构和功能出油率高，易分离局限性水中蒸馏会导致原料焦糊和有效成分水解等问题分离较为困难，出油率相对较低使用的有机溶剂处理不当会影响芳香油的质量2.植物有效成分提取过程的注意事项(1)在玫瑰精油的提取过程中，加入NaCl的目的是增加水层的密度，有利于玫瑰油与水分层，加入无水Na2SO4的目的是吸收精油中残留的水分。(2)在提取橘皮精油时，为了提高出油率，需要将柑橘皮干燥去水，并用石灰水浸泡，浸泡时间为10 h以上。橘皮要浸透，这样压榨时不会滑脱，且出油率高，过滤时不会堵塞筛眼。(3)在胡萝卜素的提取中，原料颗粒的大小、紧密程度、含水量、萃取的温度和时间等条件也能影响萃取。因此在萃取的过程中，要先将胡萝卜进行粉碎和干燥，使之与萃取剂充分接触，提高溶解度。　　■(1)植物芳香油提取成功的关键点①水蒸气蒸馏要适当延长蒸馏时间，温度不能太高。②用于萃取的有机溶剂必须事先精制，除去杂质。③压榨时原料必须要浸透，这样压榨时不会滑脱，出油率高，不堵塞筛眼；使用石灰水充分浸泡原料的目的是破坏细胞结构，分解果胶，防止橘皮压榨时滑脱，提高出油率。(2)影响萃取的因素①主要因素：萃取剂的性质和使用量②次要因素：原料颗粒的大小、紧密程度、含水量、萃取的温度、萃取的时间等。总之，溶解越充分，效果就越好。(3)水蒸气蒸馏法特点①水中蒸馏设备简单、成本低、易操作，而水上蒸馏和水气蒸馏时间短，出油率高。②水中蒸馏对于柑橘和柠檬等原料不适用。因为水中蒸馏会导致原料焦糊和有效成分水解。③水蒸气蒸馏法只适用于具有挥发性的，能随水蒸气蒸馏而不被破坏，与水不发生反应，且难溶或不溶于水的成分的提取。例2 (全国卷Ⅱ)回答与胡萝卜素有关的问题：(1)胡萝卜含有的胡萝卜素中，最主要的是β－胡萝卜素(填“α－胡萝卜素”“β－胡萝卜素”或“γ－胡萝卜素”)，该胡萝卜素在人体内可以转变成两分子维生素A，后者缺乏会引起人在弱光下视物不清的病症，该疾病称为夜盲症。胡萝卜素是非挥发性(填“挥发性”或“非挥发性”)物质。(2)工业生产上，用养殖的岩藻作为原料提取胡萝卜素时，需要(填“需要”或“不需要”)将新鲜的岩藻干燥。(3)现有乙醇和乙酸乙酯两种溶剂，应选用其中的乙酸乙酯作为胡萝卜素的萃取剂，不选用另外一种的理由是萃取胡萝卜素的有机溶剂应不与水混溶，而乙醇为水溶性有机溶剂。[解析]　(1)胡萝卜含有的胡萝卜素有三类，其中最主要的是β－胡萝卜素，β－胡萝卜素在人体内可以转变成维生素A，维生素A缺乏会导致夜盲症。胡萝卜素是非挥发性物质。(2)胡萝卜素的提取一般采用萃取法，萃取前需要对材料进行干燥处理，以提高萃取的效率。(3)萃取胡萝卜素的有机溶剂应该具有很高的沸点，能够充分溶解胡萝卜素，并且不与水混溶，如乙酸乙酯。乙醇是水溶性有机溶剂，因萃取过程中能与水混溶而影响萃取效果，所以不选用它作萃取剂。〔对应训练〕1．(2019·河北省石家庄市高三一模)植物组织中存在许多有机物，不同有机物的提取和鉴定方法不尽相同。根据所学知识，回答下列问题：(1)植物芳香油具有的共同特点有挥发性强、易溶于有机溶剂。(2)提取玫瑰精油和橘皮精油过程中都要用到的一种化学试剂是Na2SO4。(3)从橘皮中提取橘皮精油时，为提高出油率，需要将橘皮干燥，并用石灰水浸泡；为探究浸泡时间对出油率的影响，设置未经浸泡的样品作为空白对照。(4)胡萝卜素为橘黄色结晶，精提取胡萝卜素所用的萃取剂应该具有较高的沸点而且不与水混溶，能充分溶解胡萝卜素。  课末总结 1．〔思维导图〕2．〔简答题常考长句分析〕1．辨析胡萝卜素粗品鉴定过程中的四个易错点(1)层析时没有选择干净的滤纸，导致实验现象不明显。(2)点样时点样圆点太大(直径大于2 mm)导致最终无法辨认被提取的色素。(3)将点好样的滤纸卷成圆筒时，滤纸两边不能相互接触。(4)层析液不可没及样品原点。2．增加植物有效成分提取量的关键措施(1)用水蒸气蒸馏法提取植物芳香油时应选择新鲜的植物材料(干燥的植物芳香油挥发)。(2)植物材料中的果胶、果蜡会影响压榨和出油率，压榨前通常采用石灰水浸泡的方法除去果胶、果蜡，以提高出油率。3．〔探究高考·明确考向〕(2017·全国卷Ⅲ，37)绿色植物甲含有物质W，该物质为无色针状晶体，易溶于极性有机溶剂，难溶于水，且受热、受潮易分解。其提取流程为：植物甲→粉碎→加溶剂→振荡→收集提取液→活性炭处理→过滤去除活性炭→蒸馏(含回收溶剂)→重结晶→成品。回答下列问题：(1)在提取物质W时，最好应选用的一种原料是晾干(填“高温烘干”“晾干”或“新鲜”)的植物甲，不宜选用其他两种的原因是高温烘干过程中，植物甲中的物质W易被破坏；新鲜的植物甲含水量高，用于提取的极性有机溶剂会被水稀释，进而降低对物质W的提取效果。(2)提取物质W时，振荡的作用是使原料和溶剂充分混匀。(3)活性炭具有很强的吸附能力，在提取过程中，用活性炭处理提取液的目的是去除提取液中的色素。(4)现有丙酮(沸点56 ℃)、乙醇(沸点约78 ℃)两种溶剂，在提取物质W时，应选用丙酮作为提取剂，理由是丙酮沸点低于乙醇，蒸馏时物质W分解较少。(5)该实验操作过程中应注意的事项是在温度较低的情况下操作，防火(答出两点即可)。[解析]　(1)依据题干信息，物质W受热、受潮易分解，因此不宜选择高温烘干的原料，而新鲜的植物甲含水量高，用于提取的极性有机溶剂会被水稀释，进而降低对物质W的提取效果，故不应选用新鲜的植物甲。(2)提取物质W时，振荡可以使原料和所加有机溶剂充分混匀。(3)利用活性炭的吸附能力，可以去除提取液中植物甲所含的色素，从而得到较为纯净的物质W与有机溶剂的混合物。(4)丙酮沸点低于乙醇，蒸馏时物质W分解较少。(5)物质W容易受热分解，因此蒸馏操作适宜在较低的温度下进行，同时因实验中使用了有机溶剂，要注意防火。