2022版高考生物一轮复习课时作业三十六酶的应用和生物技术在其他方面的应用含解析新人教版

酶的应用和生物技术在其他方面的应用

(30分钟　100分)

1.(14分)(2021·南宁模拟)(1)红细胞含有大量血红蛋白,红细胞的机能主要是由血红蛋白完成的。我们可以选用猪、牛、羊等哺乳动物的血液进行实验,来提取和分离血红蛋白,请回答下列有关问题:

①实验前取新鲜的血液,要切记在采血容器中预先加入__________以防止血液凝固,取血回来,马上进行离心,收集血红蛋白溶液。此过程是样品处理,在获取红细胞内的血红蛋白时,较简便的办法是________________,然后再分离血红蛋白溶液。 

②收集到的血红蛋白溶液在透析袋中透析,透析的目的是_______________。 

③透析结束后,需将得到的样品通过__________法进一步纯化,最后可经__________凝胶电泳法进行纯度鉴定。 

(2)在固定化酵母细胞时,通常采用__________法,加热溶解海藻酸钠时需注意__________加热,溶化好的海藻酸钠溶液应冷却至室温后再与已活化的酵母细胞充分混合。 

【解析】(1)①采取血液时要在采血容器中预先加入柠檬酸钠以防止血液凝固。在获取红细胞内的血红蛋白时,较简便的办法是将红细胞置于蒸馏水中,利用渗透原理使红细胞吸水涨破,然后再分离血红蛋白溶液。

②收集到的血红蛋白溶液在透析袋中透析,由于透析的原理是透析袋能使小分子自由进出,而大分子则保留在袋内,所以透析的目的是去除相对分子质量较小的杂质。

③样品的纯化是通过凝胶色谱法将相对分子质量大的杂质蛋白除去。最后可经SDS—聚丙烯酰胺凝胶电泳法进行纯度鉴定。

(2)酵母细胞个大,难以被吸附或结合,所以在固定化酵母细胞时,通常采用包埋法。加热溶解海藻酸钠时需注意小火间断加热,溶化好的海藻酸钠溶液应冷却至室温后再与已活化的酵母细胞充分混合。

答案:(1)①柠檬酸钠(或抗凝剂)　　红细胞吸水涨破

②去除相对分子质量较小的杂质　　③凝胶色谱　SDS—聚丙烯酰胺　　(2)包埋　 小火间断

2.(14分)(2021·太原模拟)葡萄糖异构酶经固定化后,可用于工业化生产高果糖浆。请回答下列问题。

(1)戊二醛是一种交联剂,能与葡萄糖异构酶通过化学键交联。将酶液、 戊二醛溶液先后加入到海藻酸钠溶液中搅拌均匀, 用注射器将混合液注入__________溶液中可得到凝胶珠粒,此过程所用的固定化酶方法为____________________________________。 

(2)海藻酸钠的浓度会影响到凝胶珠粒的形状,若珠粒呈“蝌蚪”状,有明显的拖尾现象,说明________________,此珠粒中固定化酶活力较低,原因是__。 

(3)1个葡萄糖异构酶活力单位常定义为每分钟产生 1 μmol____________所需的酶量。如图是温度对葡萄糖异构酶的固定化酶和游离酶活力的影响曲线,该曲线表明______________________________ __。 

(4)在用葡萄糖异构酶凝胶反应柱生产高果糖浆时,若糖液在1次流经反应柱后果糖的浓度低于产品标准,对此你提出的改进方案是 ___________________ 

(答出2点即可)。

【解析】(1)戊二醛是一种交联剂,能与葡萄糖异构酶通过化学键交联。将酶液、戊二醛溶液先后加入到海藻酸钠溶液中搅拌均匀,用注射器将混合液注入CaCl2溶液中可得到凝胶珠粒,此过程所用的固定化酶方法为CaCl2包埋法、化学结合法。

(2)海藻酸钠的浓度会影响到凝胶珠粒的形状,若珠粒呈“蝌蚪”状,有明显的拖尾现象,说明海藻酸钠的浓度过高。此珠粒中固定化酶活力较低的原因是:交联后的葡萄糖异构酶易从海藻酸钠中漏出,影响酶与底物的结合。

(3)高果糖浆生产需要的酶是葡萄糖异构酶,1个葡萄糖异构酶活力单位常定义为每分钟产生1 μmol果糖所需的酶量。通过分析温度对相对酶活力影响的曲线图可知,固定化酶和游离酶的最适温度相同,均对应横坐标上的同一点,低于或高于最适温度时,固定化酶的酶活力都高于游离酶。

(4)固定化酶与游离酶的酶促反应相比,固定化酶的不足之处是与底物接触面积减小;产物不易扩散;单位时间内反应速率相对低或酶的活力降低等。改进方案主要有增加葡萄糖异构酶凝胶的装载量;降低糖液流速;将流出液再次加入反应柱;更换直径更细的柱筒等。

答案:(1)CaCl2　 CaCl2包埋法、 化学结合法

(2)海藻酸钠浓度过高　(交联后的)葡萄糖异构酶易从海藻酸钠中漏出

(3)果糖　 固定化酶和游离酶的最适温度相同,低于或高于最适温度时, 固定化酶的酶活力都高于游离酶

(4)增加葡萄糖异构酶凝胶的装载量(或凝胶柱高); 降低糖液流速;将流出液再次加入反应柱;更换直径更细的柱筒等(答出2点即可)

【方法技巧】固定化酶和固定化细胞的比较

3.(15分)青蒿素:无色针状晶体,易溶于有机溶剂,不溶于水,不易挥发。获取途径主要是从黄花蒿中直接提取得到。根据生物相关知识,回答下列问题:

(1)使用水蒸气蒸馏法________(填“适用”或“不适用”)提取青蒿素,原因是__ ________________________________________。 

(2)从黄花蒿中提取青蒿素时,应采用________法,并且通常在提取前将黄花蒿茎叶进行________和干燥,以提高效率;干燥过程应控制好________和________,以防止青蒿素分解。 

(3)提取过程中宜采用________加热以防止燃烧、爆炸;所得液体浓缩前需进行________。 

(4)最后需要对所提取物质进行________,以确定是否提取到青蒿素。 

【解析】(1)水蒸气蒸馏法适用于蒸馏挥发性物质,而青蒿素不易挥发。

(2)青蒿素易溶于有机溶剂,适合用萃取法进行分离,提取前将原料进行粉碎和干燥,以提高效率。干燥的温度和时间要控制好,以防止萃取物分解。

(3)水浴加热可以防止因受热不均引起的燃烧和爆炸,萃取后需要先过滤,再浓缩。

(4)必须经过鉴定才能确定所得提取物是青蒿素。

答案:(1)不适用　水蒸气蒸馏法适用于蒸馏挥发性物质,而青蒿素为非挥发性物质,不能随水蒸气蒸馏出　(2)萃取　粉碎　温度　时间

(3)水浴　过滤　(4)鉴定

4.(8分)(2021·通辽模拟)纳豆是一种大豆经纳豆杆菌发酵而成的健康食品,纳豆杆菌能分泌纳豆激酶等。回答下列问题:

(1)纳豆激酶能够水解血栓中水不溶性的纤维蛋白,所以具有溶解血栓的作用。提纯纳豆激酶可用于制备药物。为提取纯化纳豆激酶,可进行下列实验:

①接种具有高纤溶活性的菌落到液体发酵培养基。37 ℃,摇床振荡,发酵3天。

②收集发酵液,离心,分层,取________(填“上清液”或“沉淀物”)作为提取纳豆激酶的材料。 

③透析法分离:将上述离心所得样品装入透析袋,置于20 mmol/L磷酸盐缓冲液中透析,以便达到__________的目的。 

④____________法纯化:将透析液进行柱层析,用__________进行洗脱,试管连续收集。用此法分离蛋白质时,相对分子质量____________的蛋白质先从层析柱中洗脱出来。 

⑤SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳鉴定纯度:此过程中分子的迁移速度取决于______________。 

(2)如果用固定化技术固定纳豆激酶,适合使用__________________法,酶固定化后要检测酶的活性,酶的活性可以用一定条件下酶促反应速率即__________________________来表示。 

【解析】(1)纳豆激酶能够水解血栓中水不溶性的纤维蛋白,所以具有溶解血栓的作用。提纯纳豆激酶可用于制备药物。为提取纯化纳豆激酶,可进行下列实验:

①接种具有高纤溶活性的菌落到液体发酵培养基。37 ℃,摇床振荡,发酵3天,获得更多的纳豆激酶。②收集发酵液,离心,分层,取上清液作为提取纳豆激酶的材料,根据题意,纳豆激酶应该存在于上清液中。③透析法分离:将上述离心所得样品装入透析袋,置于20 mmol/L磷酸盐缓冲液中透析,透析的目的是去除相对分子质量较小的杂质。④用凝胶色谱法纯化的操作方法:将透析液进行柱层析,用(20 mmol/L)磷酸(盐)缓冲液(洗脱液)进行洗脱,试管连续收集。用此法分离蛋白质时,相对分子质量大的蛋白质因为在色谱柱中运动的距离短,所以先从层析柱中洗脱出来,而相对分子质量较小的蛋白质因为要进入凝胶颗粒的内部,运动的距离长,所以后从色谱柱中出来。⑤SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳鉴定纯度:由于SDS缓冲了蛋白质分子中的电荷,故此过程中分子的迁移速度只取决于分子的大小。

(2)如果用固定化技术固定纳豆激酶,因为酶相对分子质量小,容易从包埋材料中漏出,故适合使用化学结合法或物理吸附法,酶固定化后要检测酶的活性,酶的活性可以用一定条件下酶促反应速率即单位时间、单位体积中反应物的减少量或产物的增加量来表示。

答案:(1)上清液　 去除相对分子质量较小的杂质　 凝胶色谱　(20 mmol/L)磷酸(盐)缓冲液　 大　 分子大小

(2)化学结合法或物理吸附　 单位时间、单位体积中反应物的减少量或产物的增加量

5.(14分)(创新性·人源γ-分泌酶结合淀粉样前体蛋白(APP)的结构和应用)(2021·深圳模拟)《科学》上报道了人源γ-分泌酶结合淀粉样前体蛋白(APP)的高分辨率冷冻电镜结构,揭示了结合底物后γ-分泌酶发生的构象变化,并对这些构象变化的功能进行了生化研究,从而为研究与癌症以及阿尔兹海默症相关的特异性药物设计提供了重要的结构信息。回答下列问题:

(1)酶大规模应用于食品、医药等领域,于是出现了固定化酶和固定化细胞技术。固定化酶和固定化细胞技术是利用____________________________, 

包括______________和物理吸附法。 

(2)γ-分泌酶由4个跨膜蛋白亚基组成。若对γ-分泌酶4个跨膜蛋白亚基进行分离、纯化及分子量测定,需采用__________及电泳技术。前者是根据相对分子质量的大小分离蛋白质的有效方法,相对分子质量较大的跨膜蛋白移动速度__________(填“较快”“较慢”或“无差异”)。 

(3)电泳是指____________在电场的作用下发生迁移的过程。电泳利用了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____________,从而实现样品中各种分子的分离。 

(4)对γ-分泌酶的4个跨膜蛋白亚基进行分子量测定时,通常采用SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳的方法,SDS能使蛋白质完全变性,并解聚成单条肽链,SDS所带负电荷的量大大超过了蛋白质分子原有的电荷量,因而掩盖了不同蛋白质间的电荷差别,使该电泳迁移率完全取决于______________________。 

【解析】(1)固定化酶和固定化细胞技术是利用物理或化学方法,将酶或细胞固定在一定空间内的技术,包括包埋法、化学结合法(将酶分子或细胞相互结合,或将其结合到载体上)和物理吸附法。

(2)凝胶色谱法是根据相对分子质量的大小分离蛋白质的有效方法。相对分子质量较大的蛋白质只能在凝胶外部移动,路程较短,移动速度较快。

(3)电泳是指带电粒子在电场的作用下发生迁移的过程。电泳利用了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。

(4)蛋白质在聚丙烯酰胺凝胶中的迁移速率取决于它所带净电荷的多少以及分子的大小等因素,为了消除静电荷对迁移速率的影响,可在凝胶中加入SDS,SDS能与各种蛋白质形成蛋白质-SDS复合物,SDS所带负电荷的量大大超过了蛋白质分子原有的电荷量,因而掩盖了不同种蛋白质间的电荷差别,使电泳迁移率完全取决于相对分子质量的大小。

答案:(1)物理或化学方法将酶或细胞固定在一定空间内的技术　包埋法、化学结合法

(2)凝胶色谱法　较快　(3)带电粒子　迁移速度

(4)相对分子质量的大小

6.(9分)(2021·贵阳模拟)在制作果汁时,为了增加出汁率和澄清度(用果汁透光率表示),常常加入果胶酶。 某研究小组的研究结果如表(注:果胶含量程度“+”越多,表示果胶含量越高)。回答下列问题:

(1)根据表中数据分析,在果汁生产中,果胶酶的使用剂量为__________ mL·L-1比较适宜,原因是__________。当果胶酶剂量超过0.21 mL·L-1时,透光率反而下降,这时使果汁变浑浊的物质是__________。  

(2)在工业生产中还可以将果胶酶进行固定化处理。一般来说,酶更适合采用物理吸附法和__________法进行固定,而细胞多采用__________法进行固定,这是因为 ____________________________________________。与一般酶制剂相比, 

固定化酶的突出优点是________________________________。 

【解析】(1)根据表中数据分析,在果汁生产中,果胶酶的使用剂量为0.15 mL·L-1比较适宜,原因是此时在果胶酶的作用下果胶完全分解,果汁澄清度高,且酶用量相对少。当果胶酶剂量超过0.21 mL·L-1时,透光率反而下降,这时使果汁变浑浊的物质是果胶酶。

(2)在工业生产中还可以将果胶酶进行固定化处理。一般来说,酶更适合采用物理吸附法和化学结合法进行固定,而细胞多采用包埋法进行固定,这是因为体积大的细胞难以被吸附或结合,而体积小的酶容易从包埋材料中漏出。与一般酶制剂相比,固定化酶的突出优点是容易与产物分离,可以反复利用,降低成本。

答案:(1)0.15　 该剂量的酶分解果胶彻底,果汁澄清度高,且酶用量少　果胶酶　(2)化学结合　包埋　 体积大的细胞难以被吸附或结合,而体积小的酶容易从包埋材料中漏出　容易与产物分离,可以反复利用

【加固训练】

　　(2021·南昌模拟)请回答下列生物技术方面的问题:

(1)玫瑰精油是香料工业中的“液体黄金”,其化学性质稳定,难溶于水,易溶于______________,能随水蒸气一同蒸馏,一般采用水蒸气蒸馏法提取。提取胡萝卜素常用______________,一般选择石油醚作为萃取剂,这是因为萃取时的____________越高,效果越好。另外,萃取效果还取决于胡萝卜的__________、紧密程度和颗粒大小,以及萃取时间,萃取后还需进行过滤、浓缩等步骤。浓缩时使用的装置为如图中的____________。 

(2)柠檬精油是植物芳香油中的一种,它是一种广谱性的杀虫剂,它可杀死蚊子、苍蝇、蟑螂和臭虫等传染疾病的害虫,以及危害粮食、蔬菜的常见害虫,包括幼虫、蛹等,被称为一种绿色杀虫剂。提取的必经步骤如图所示,请根据实验流程图回答下列问题:

①柠檬果皮精油是食品、化妆品和香水配料的优质原料,具有很高的经济价值。该精油的提取适宜采用____________法,不采取水蒸气蒸馏法的原因是 __。 

②A是____________,目的是______________________________________________。B过程一般加入相当于柠檬果皮质量0.25%的小苏打和5%的硫酸钠,其目的是__________________。C过程为______________。  

③采用柠檬精油作为杀虫剂,可以解决其他杀虫剂给人类带来的隐患,其突出的优点是 _____________________________。 

【解析】(1)玫瑰精油,难溶于水,易溶于有机溶剂,能随水蒸气一同蒸馏,一般采用水蒸气蒸馏法提取。提取胡萝卜素常用萃取法,一般选择石油醚作为萃取剂,这是因为萃取时的温度越高,效果越好。另外,萃取效果还取决于胡萝卜的含水量、紧密程度和颗粒大小,以及萃取时间,萃取后还需进行过滤、浓缩等步骤。浓缩时使用的蒸馏装置为题图中的A。

(2)①柠檬精油的提取适宜采用压榨法,不采取水蒸气蒸馏法的原因是水中蒸馏会导致原料焦糊和有效成分水解。②A是石灰水,目的是破坏细胞结构,分解果胶,防止压榨时果皮滑脱,提高出油率。

B过程一般加入相当于柠檬果皮质量0.25%的小苏打和5%的硫酸钠,其目的是使精油易与水分离。C过程为过滤。 ③采用柠檬油作为杀虫剂,可以解决其他杀虫剂给人类带来的隐患,其突出的优点是对人、其他动物、植物均无毒性;减少对环境的污染。

答案:(1)有机溶剂　萃取法　温度　含水量　A

(2)①压榨　水中蒸馏会导致原料焦糊和有效成分水解　②石灰水　破坏细胞结构,分解果胶,防止压榨时果皮滑脱,提高出油率　使精油易与水分离　过滤　③对人、其他动物、植物均无毒性;减少对环境的污染

7.(14分)(2021·巢湖模拟)偃松(又名马尾松、五针松)松塔精油富含具有抑菌活性的蒈烯、莰烯、β-蒎烯等物质且相对含量较高。某兴趣小组分别采用了水蒸气蒸馏法(SD)、盐析辅助水蒸气蒸馏法(SOSD)、超声波辅助水蒸气蒸馏法(USD超声波具有很强的破碎能力)三种方式提取偃松松塔精油并比较其出油率。回答下列问题:

注:盐析辅助水蒸气蒸馏法是在基础物料中加入8 g氯化钠,混合均匀后浸泡3 h再进行蒸馏;超声波辅助水蒸气蒸馏法是将装有基础物料的圆底烧瓶在超声功率270 W、25 ℃条件下超声50 min后再进行蒸馏。

(1)偃松松塔精油适宜用水蒸气蒸馏法提取,可推测其具有的性质是____________;蒸馏过程中,当水和原料的用量一定时,影响其提取量的因素有__________________。 

(2)实验结果表明,采用SOSD、USD提取偃松松塔精油的出油率均比SD更高,推测其原因是  ____________________________________。 

(3)为探究不同方式提取得到的偃松松塔精油的抑菌能力大小,该兴趣小组继续进行了实验:取上述三种方式提取得到的等量精油分别滴在大小相同的滤纸小圆片上,再将滤纸小圆片平铺在长满大肠杆菌的平板上,并设置空白对照组,放在相同且适宜的条件下培养观察。

①设置空白对照组的作用是________________________________________, 

可通过测量____________________来比较三种提取方式得到的偃松松塔精油的抑菌能力大小。 

②实验结果表明,采用SOSD、USD提取得到的偃松松塔精油抑菌能力比SD更大,其原因可能是 ________________________________。 

③有研究表明,偃松松塔精油对多种病菌都有抑制作用,据此推测偃松松塔精油可应用于______________等方面。 

【解析】(1)偃松松塔精油化学性质稳定,具有较强的挥发性,难溶于水,易溶于有机溶剂,因此适合用水蒸气蒸馏法提取。提取偃松松塔精油时,影响提取量的主要因素是蒸馏时间和蒸馏温度。

(2)采用SOSD提取偃松松塔精油的出油率较高的原因是:氯化钠可增大原料细胞内外的渗透压,精油更容易被水蒸气携带出来;利用USD提取出油率高的原因是:超声波加速了原料细胞的破碎速度,使得精油有效成分加快渗出,可释放更多的松塔精油。

(3)①为增加实验的可信度,排除无关变量对实验结果的干扰,该实验需设置空白对照。设置的空白对照如下:增加一组未用精油浸泡的滤纸片进行的实验,其他条件均相同。判断精油的抑菌能力大小的指标是抑菌圈直径大小,抑菌圈直径大则说明精油的杀伤作用大。 ②采用SOSD、USD提取得到的精油中,具有抑菌活性的蒈烯、莰烯、β-蒎烯等物质相对含量比SD更高,所以采用SOSD、USD提取得到的偃松松塔精油抑菌能力比SD更大。③偃松松塔精油对多种病菌都有抑制作用,由于化学抑菌剂副作用较大,所以偃松松塔精油作为天然成分对于食物的保鲜防腐、杀菌消毒的开发应用提供了新的途径。

答案:(1)较强的挥发性　蒸馏时间、蒸馏温度

(2)氯化钠(的盐析作用)可使得精油更容易被水蒸气携带出来,超声波的破碎作用使原料细胞充分破裂,可释放更多的松塔精油

(3)排除无关变量对实验结果的干扰　抑菌圈(透明圈、透明斑)的直径大小　 具有抑菌活性的蒈烯、莰烯、β-蒎烯等物质相对含量比SD更高　防腐保鲜、消毒杀菌

【知识拓展】水中蒸馏、水上蒸馏和水气蒸馏的区别

(1)基本原理相同,但原料放置的位置不同。

①水中蒸馏:原料放在蒸馏容器的水中,水要完全浸没原料。

②水上蒸馏:容器中水的上方有筛板,原料放在筛板上,水量以沸腾时不浸湿原料为宜。

③水气蒸馏:蒸馏容器下方有一排气孔,连接外源水蒸气,上方有筛板,上面放原料。

(2)各自特点: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。

8.(12分)(2021·太原模拟)三孢布拉氏霉菌是一种可产生胡萝卜素的真菌,常用于胡萝卜素的工业化生产。回答下列问题:

(1)配制三孢布拉氏霉菌的培养基时,需将pH调至________(填“微酸性”“中性”或“微碱性”)。 

(2)将发酵后的三孢布拉氏霉菌处理后研磨成粉末,加入________(填“石油醚”“乙醇”或“丙酮”)萃取,选择该萃取剂的依据是:具有较高的沸点,能够充分溶解胡萝卜素,并且__。 

(3)将提取的胡萝卜素粗品通过____________法进行鉴定,据如图结果可判断出样品 2 中含有胡萝卜素,判断依据是________________________________。 

(4)研究者利用聚丙烯酰胺凝胶电泳对三孢布拉氏霉菌的蛋白质进行分离,为了消除蛋白质分子原有电荷量对迁移率的影响,可在凝胶中加入__________________,原理是________________________________, 

因而掩盖了不同种蛋白质间的电荷差别,使电泳迁移率完全取决于蛋白质分子的大小。

【解析】(1)一般霉菌适合于微酸性环境,因此在制备三孢布拉氏霉菌培养基的过程中,灭菌之前应将培养基的pH调至微酸性。

(2)萃取胡萝卜素选用石油醚,其原因是石油醚具有较高的沸点,能够充分溶解胡萝卜素,并且不与水混溶。

(3)提取的胡萝卜素粗品通过纸层析法进行鉴定,据图示结果可判断出样品2中含有胡萝卜素,判断依据是样品2具有与标准样对应的色带1。

(4)利用聚丙烯酰胺凝胶电泳对三孢布拉氏霉菌的蛋白质进行分离,为了消除蛋白质分子原有电荷量对迁移率的影响,可在凝胶中加入SDS,原理是SDS能与各种蛋白质形成蛋白质-SDS混合物,SDS所带负电荷的量大大超过了蛋白质分子原有的电荷量,因而掩盖了不同种蛋白质间的电荷差别,使电泳迁移率完全取决于蛋白质分子的大小。

答案:(1)微酸性　(2)石油醚　不与水混溶

(3)纸层析　样品2具有与标准样对应的色带1

(4)SDS　SDS能与各种蛋白质形成蛋白质-SDS混合物,SDS所带负电荷的量大大超过了蛋白质分子原有的电荷量

【易错警示】

(1)石油醚、乙酸乙酯、苯和四氯化碳都能用来提取胡萝卜素,乙醇和丙酮不能用于胡萝卜素的萃取。在这四种溶剂中,石油醚的沸点最高,在加热萃取时不易挥发,所以石油醚最适宜用作胡萝卜的萃取剂。

(2)胡萝卜素可溶于乙醇和丙酮,但它们是水溶性有机溶剂,在萃取中能与水混溶而影响萃取效果,所以不能用它们作萃取剂。