《2019-2020學(xué)年高中生物 第3章 酶的應(yīng)用技術(shù)實(shí)踐 第2節(jié) 固定化酶的制備和應(yīng)用學(xué)案 蘇教版選修1》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2019-2020學(xué)年高中生物 第3章 酶的應(yīng)用技術(shù)實(shí)踐 第2節(jié) 固定化酶的制備和應(yīng)用學(xué)案 蘇教版選修1（8頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、第二節(jié)　固定化酶的制備和應(yīng)用 [學(xué)習(xí)目標(biāo)]　1.掌握制備固定化酶的常用方法。(重點(diǎn))　2.掌握酵母菌細(xì)胞的固定化技術(shù)。(重難點(diǎn)) 知識(shí)點(diǎn)一| 固定化酶技術(shù) 1．固定化酶 固定化酶是指用物理學(xué)或化學(xué)的方法將酶與固相載體結(jié)合在一起形成的仍具有酶活性的酶復(fù)合物。 2．制備固定化酶的方法 (1)物理吸附法的顯著特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)便且條件溫和，在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用廣泛。 (2)化學(xué)結(jié)合法是利用多功能試劑進(jìn)行酶與載體之間的交聯(lián)，在酶和多功能試劑之間形成共價(jià)鍵，從而得到三維的交聯(lián)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。 (3)包埋法是將酶包埋在能固化的載體中。 3．固定化酶的優(yōu)點(diǎn)：在催化反應(yīng)中，它以固相狀態(tài)作用于底物，反應(yīng)完

2、成后容易與水溶性反應(yīng)物和產(chǎn)物分離，可被反復(fù)使用。 探討：對(duì)固定化酶的作用影響最小的固定方法是哪一種？ 提示：物理吸附法。 探討：為什么固定化酶不適合采用包埋法？ 提示：由于酶分子較小，容易在包埋材料中漏出，所以不適合采用包埋法固定化。 探討：如果反應(yīng)物是大分子物質(zhì)，應(yīng)該采用哪種方法？ 提示：因?yàn)榇蠓肿游镔|(zhì)不容易進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，應(yīng)采用固定化酶技術(shù)。 1．制備固定化酶的常用方法可用下圖所示 2．常用的制備固定化酶的方法 固定化酶方法 原理 固定載體 優(yōu)點(diǎn) 物理吸附法 離子鍵作用、物理吸附 纖維素、瓊脂糖等多糖類(lèi)或多孔玻璃、離子交換樹(shù)脂等載體 工藝簡(jiǎn)便且條

3、件溫和，在生產(chǎn)上應(yīng)用廣泛，而 且穩(wěn)定性能好 化學(xué)結(jié)合法 酶和多功能試劑之間形成共價(jià)鍵 利用多功能試劑進(jìn)行酶與載體之間的交聯(lián)，從而得到三維的交聯(lián)網(wǎng)架結(jié)構(gòu) 包埋法 將酶包埋在能固化的載體中 酶包裹在聚丙烯酰胺凝膠等高分子凝膠中，或包裹在硝酸纖維素等半透性高分子膜中，前者包埋成格子型，后者包埋成微膠囊型 1．關(guān)于固定化酶中酶的說(shuō)法，正確的是(　　) A．酶的種類(lèi)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(zhuān)一性特點(diǎn) B　[

4、固定化酶不能催化一系列酶促反應(yīng)的進(jìn)行；固定化酶被固定在不溶于水的載體上，可以反復(fù)利用，但是隨著利用次數(shù)的增加，受到外界因素的影響，其活性會(huì)逐漸降低；固定化酶具有高效性和專(zhuān)一性的特點(diǎn)。] 2．下列屬于固定化酶應(yīng)用特點(diǎn)的是(　　) ①可以被反復(fù)利用?、谟欣诿概c產(chǎn)物分離 ③能自由出入載體　④一種固定化酶只催化一種酶促反應(yīng)?、菝付嘤冒穹ü潭ɑ? A．①②③　　　　　 B．③⑤ C．①②④ D．①②⑤ C　[酶被固定化后可與產(chǎn)物分離，故可反復(fù)使用，但不能自由出入依附的載體。通常情況下固定化酶種類(lèi)單一，所以不能催化一系列酶促反應(yīng)。酶分子較小，不適合采用包埋法進(jìn)行固定。] 3．關(guān)于固定化

5、酶和一般酶制劑在應(yīng)用效果上的說(shuō)法，錯(cuò)誤的是(　　) A．固定化酶生物活性可長(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 A　[固定化酶是將酶固定在不溶于水的載體上，使酶既能與底物接觸，又能與產(chǎn)物分離；同時(shí)，固定在載體上的酶還可以被反復(fù)利用，降低成本，產(chǎn)物中也不含酶，提高了產(chǎn)品的純度。固定化酶雖可以多次利用，但不可長(zhǎng)久使用。] 知識(shí)點(diǎn)二| 固定化細(xì)胞技術(shù) 1．最廣泛的細(xì)胞固定化方法 凝膠包埋法是應(yīng)用最廣泛的細(xì)胞固定化方法，適用于各種微生物、動(dòng)物和植物細(xì)胞的固定化。所使

6、用的載體主要有瓊脂、海藻酸鈉凝膠、角叉菜膠、明膠等。 2．優(yōu)點(diǎn) (1)無(wú)須進(jìn)行酶的分離和純化，減少了酶的活力損失，降低了生產(chǎn)成本。 (2)不僅可以作為單一的酶發(fā)揮作用，且可以利用細(xì)胞中所含的復(fù)合酶完成一系列的催化反應(yīng)。 (3)對(duì)于活細(xì)胞來(lái)說(shuō)，保持了酶的原始狀態(tài)，酶的穩(wěn)定性更高。 3．缺點(diǎn) (1)固定化細(xì)胞只能用于生產(chǎn)細(xì)胞外酶和其他能夠分泌到細(xì)胞外的產(chǎn)物。 (2)由于載體的影響，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)和產(chǎn)物的擴(kuò)散受到一定的限制。 (3)在好氧性發(fā)酵中，溶解氧的傳遞和輸送成為關(guān)鍵性的限制因素。 探討：固定化細(xì)胞為什么只能用于生產(chǎn)胞外酶和其他能分泌到細(xì)胞外的產(chǎn)物？ 提示：因?yàn)楣潭ɑ?xì)

7、胞固定的是活細(xì)胞，細(xì)胞膜具有選擇透過(guò)性，細(xì)胞內(nèi)有用的物質(zhì)(如胞內(nèi)酶)是不能自由進(jìn)出細(xì)胞的。 探討：能否在剛?cè)芑玫暮Ｔ逅徕c溶液中加入活化的酵母菌細(xì)胞？ 提示：不能，因?yàn)閯側(cè)芑玫暮Ｔ逅徕c溶液溫度較高，會(huì)將酵母菌細(xì)胞殺死。 探討：如果制作的凝膠珠顏色過(guò)淺，呈白色，則說(shuō)明了什么？如果凝膠珠不是圓形或橢圓形，又說(shuō)明了什么？ 提示：如果凝膠珠的顏色過(guò)淺，則說(shuō)明了海藻酸鈉溶液的濃度偏低，固定的酵母菌細(xì)胞數(shù)目較少；如果凝膠珠不是圓形或橢圓形，則說(shuō)明了海藻酸鈉的濃度過(guò)高，制作失敗。 1．制備固定化酵母菌細(xì)胞的操作流程 準(zhǔn)備各種實(shí)驗(yàn)藥品和器具 ↓ 制備麥芽汁 ↓ 活化酵母菌細(xì)胞 ↓

8、 制備固定化細(xì)胞 ↓ 浸泡凝膠珠，用蒸餾水洗滌 ↓ 發(fā)酵麥芽汁 2．酵母菌細(xì)胞的固定化實(shí)驗(yàn)需要注意的事項(xiàng) (1)選用的干酵母要具有較強(qiáng)的活性，而且物種單一。 (2)酵母菌細(xì)胞活化時(shí)體積會(huì)變大，因此活化前應(yīng)選擇體積足夠大的容器，防止酵母菌細(xì)胞的活化液溢出。 (3)固定化酵母菌細(xì)胞時(shí)，應(yīng)將海藻酸鈉與酵母菌細(xì)胞的混合液用注射器緩慢滴加到0.05 mol/L的氯化鈣溶液中，而不是注射，以免影響凝膠珠的形成。 (4)可利用海藻酸鈉制成不含酵母菌的凝膠珠，作為對(duì)照。 3．檢測(cè)凝膠珠是否制作合格的方法 (1)機(jī)械法：用鑷子夾取一個(gè)凝膠珠放在實(shí)驗(yàn)桌上，用手?jǐn)D壓，如果凝膠珠不容易破裂，沒(méi)有

9、液體流出，就表明凝膠珠制作成功；也可以在實(shí)驗(yàn)桌上用力摔打凝膠珠，如果凝膠珠很容易彈起，也表明制備的凝膠珠是成功的。 (2)目測(cè)法：合格的凝膠珠應(yīng)是淡黃色，圓形或橢圓形的。如果顏色過(guò)淺呈白色，說(shuō)明海藻酸鈉溶液的濃度過(guò)低，固定的酵母菌細(xì)胞數(shù)目較少；如果形成的凝膠珠形狀不規(guī)則，則說(shuō)明海藻酸鈉的濃度偏高。 1．固定化細(xì)胞常用包埋法固定化，原因是(　　) A．包埋法固定化操作最簡(jiǎn)便 B．包埋法對(duì)酶活性的影響最小 C．包埋法固定化具有普遍性 D．細(xì)胞體積大，難以被吸附或結(jié)合 D　[因?yàn)榧?xì)胞體積大，而酶分子很小，體積大的細(xì)胞難以被吸附或結(jié)合，但不易從包埋的材料中漏出，所以常用包埋法進(jìn)行固定

10、。] 2．下圖1表示制備固定化酵母菌細(xì)胞的有關(guān)操作，圖2是利用固定化酵母菌細(xì)胞進(jìn)行酒精發(fā)酵的示意圖。請(qǐng)回答下列問(wèn)題： 圖1　　　　　　　圖2 (1)圖1中X溶液為_(kāi)_______________________，其作用是________________________。 (2)圖1中制備的凝膠珠用________洗滌后才能轉(zhuǎn)移到圖2裝置中。圖2發(fā)酵過(guò)程中攪拌的目的是________________________________________________。 (3)在用海藻酸鈉包埋酵母菌形成凝膠珠的過(guò)程中，加熱溶化海藻酸鈉時(shí)需注意________加熱，然后將溶化好的海藻酸鈉溶

11、液________后，加入酵母菌充分?jǐn)嚢杌旌暇鶆颉? (4)研究發(fā)現(xiàn)，固定化強(qiáng)度強(qiáng)的酵母顆粒發(fā)酵效果好，且穩(wěn)定性高、使用壽命長(zhǎng)。某機(jī)構(gòu)利用上述裝置，將2%、2.5%、3%的海藻酸鈉分別用2%、3%、4%的X溶液進(jìn)行凝膠化處理，所得到的固定化酵母顆粒的強(qiáng)度及在28 ℃下發(fā)酵48 h后的酒精產(chǎn)量見(jiàn)表： 海藻酸鈉/% 2 2.5 3 2 2.5 3 2 2.5 3 X溶液/% 2 2 2 3 3 3 4 4 4 固定化強(qiáng)度 (g/30個(gè)) 930 950 990 1 030 1 100 1 140 1 170 1 170 1 160 酒

12、精量/% 6.7 6.5 6.5 6.7 6.4 6.2 6.7 6.4 6.3 可以看出，隨著X溶液濃度的增加，________________________________ 增加；凝膠固定化效果較好的海藻酸鈉與X溶液的濃度分別是________、________。 [解析]　圖1所示為制備固定化酵母菌細(xì)胞的操作步驟，X溶液為氯化鈣溶液，作用是使海藻酸鈉形成凝膠珠。圖2所示為酒精發(fā)酵過(guò)程，因酵母菌進(jìn)行的是無(wú)氧呼吸，故攪拌的目的只是增加培養(yǎng)液與酵母菌的接觸面積，而不是增加溶氧量；溶化海藻酸鈉時(shí)需注意用小火或間斷加熱，然后將溶化好的海藻酸鈉溶液冷卻至室溫后，加入酵母菌充

13、分?jǐn)嚢杌旌暇鶆颉? 由表格分析可知，隨著X溶液濃度的增加，酵母菌細(xì)胞的固定化強(qiáng)度增加，固定化強(qiáng)度和酒精產(chǎn)量都較大的海藻酸鈉與X溶液的濃度分別是2%、4%。 [答案]　(1)氯化鈣溶液　使海藻酸鈉形成凝膠珠 (2)蒸餾水　使培養(yǎng)液與酵母菌細(xì)胞充分接觸 (3)用小火(或間斷)　冷卻至室溫　(4)固定化強(qiáng)度　2%　4% [課堂小結(jié)] 知識(shí)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 核心語(yǔ)句歸納 1.固定化酶是指用物理學(xué)或化學(xué)的方法將酶與固相載體結(jié)合在一起形成的仍具酶活性的酶復(fù)合物。 2.制備固定化酶的方法主要有物理吸附法、化學(xué)結(jié)合法、包埋法等。 3.固定化細(xì)胞是通過(guò)各種方法將細(xì)胞與一定的載體結(jié)合，使細(xì)胞仍保

14、持原有的生物活性。 4.固定化細(xì)胞技術(shù)能充分利用細(xì)胞內(nèi)的酶，能催化多步的連續(xù)反應(yīng)。 1．下列說(shuō)法不正確的是(　　) A．固定化酶和固定化細(xì)胞的技術(shù)方法包括包埋法、化學(xué)結(jié)合法和物理吸附法 B．固定化酶更適合采用化學(xué)結(jié)合法和物理吸附法 C．由于細(xì)胞個(gè)大，而酶分子很小，因此細(xì)胞多采用物理吸附法固定 D．反應(yīng)物是大分子物質(zhì)應(yīng)采用固定化酶 C　[由于細(xì)胞個(gè)大，酶分子很小，個(gè)大的細(xì)胞難以被吸附或結(jié)合，而個(gè)小的酶容易從包埋材料中漏出。 因此，細(xì)胞多采用包埋法固定化，酶更適合采用化學(xué)結(jié)合法和物理吸附法固定化。] 2．試分析下圖中，哪一種與用海藻酸鈉作載體制備的固定化酵母菌細(xì)胞相似(　　)

15、 A　　 B　　　 C　　　　D D　[A、B選項(xiàng)適合于酶的固定化，C選項(xiàng)既用于酶固定，也可用于細(xì)胞固定。制備固定化酵母菌細(xì)胞用的是包埋法，即將酵母菌包埋在海藻酸鈉制成的凝膠珠中，所以與D選項(xiàng)相似。] 3．下列關(guān)于酵母細(xì)胞固定化實(shí)驗(yàn)的敘述，正確的是(　　) A．用溫水使海藻酸鈉迅速溶解，待其冷卻到室溫后用于包埋細(xì)胞 B．進(jìn)行包埋時(shí)，用于懸浮細(xì)胞的CaCl2溶液濃度要適宜 C．注射器(或滴管)出口應(yīng)盡量貼近液面以保證凝膠珠成為球狀 D．包埋酵母細(xì)胞的凝膠珠為淡黃色半透明狀，并具有一定的彈性 D　[用小火間斷加熱使海藻酸鈉迅速溶解，待其冷卻到室溫后用于包埋細(xì)胞，A錯(cuò)誤；進(jìn)

16、行包埋時(shí)，CaCl2溶液濃度要適宜，用于凝膠珠的聚沉，B錯(cuò)誤；注射器(或滴管)出口應(yīng)盡量離液面一段距離，以保證凝膠珠成為球狀，C錯(cuò)誤；包埋酵母細(xì)胞的凝膠珠為淡黃色半透明狀，并具有一定的彈性，這樣包埋的酵母細(xì)胞數(shù)量適宜，D正確。] 4．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(wèn)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

17、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)選用濃度為_(kāi)_______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_______________________________________________________

18、____________。 [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(guò)低，或形成的凝膠球孔徑過(guò)大，在培養(yǎng)過(guò)程中會(huì)有綠球藻從包埋材料中漏出來(lái)，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

19、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(guò)低(凝膠球孔徑過(guò)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 - 8 -