生物學(xué)案：第三章第二節(jié)制備和應(yīng)用固定化酶

學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精第二節(jié)制備和應(yīng)用固定化酶學(xué)習(xí)目標(biāo)重點(diǎn)難點(diǎn)1。能記住固定化酶的概念.2．能說出常見幾種制備固定化酶的方法.3．能記住固定化細(xì)胞技術(shù)的概念。4．能說出常見細(xì)胞固定化的方法。重點(diǎn)：能分析比較常見幾種固定化酶的方法的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)。難點(diǎn)：1．制備固定化酵母菌細(xì)胞的流程。2．說出固定化細(xì)胞及酶在實(shí)際中的應(yīng)用。一、固定化酶技術(shù)的應(yīng)用1．固定化酶固定化酶是指用______或______的方法將酶與__________結(jié)合在一起形成的仍具有________的酶復(fù)合物。在催化反應(yīng)中,它以固相狀態(tài)作用于底物，反應(yīng)完成后,容易與水溶性反應(yīng)物和產(chǎn)物分離，可被__________。預(yù)習(xí)交流1．直接使用的酶能反復(fù)利用嗎？2．任何一項(xiàng)新技術(shù)有利，也必有弊。固定化酶是將酶固定在不溶于水的載體上的一項(xiàng)新技術(shù)，由該特點(diǎn)你是否想到了固定化酶的不足？能否結(jié)合過氧化氫酶對過氧化氫的分解實(shí)驗(yàn)對固定化酶的不足之處進(jìn)行解釋說明?2．制備固定化酶的方法項(xiàng)目吸附法交聯(lián)法包埋法方法利用物理吸附、離子鍵作用利用多功能試劑進(jìn)行酶與載體之間交聯(lián)包埋在固化的載體中載體________、________、__________、離子交換樹脂等戊二醛凝膠方式____________________—包埋成格子型微膠囊型預(yù)習(xí)交流在固定化酶的三種方法中，酶不適合哪種方法?二、固定化細(xì)胞技術(shù)的應(yīng)用1．固定化細(xì)胞技術(shù)通過各種方法將______與一定的載體結(jié)合，使其仍保持原有的__________，這一過程稱為____________。2．細(xì)胞固定化的方法細(xì)胞固定化的方法也有多種，主要有________和________兩大類。________是制備固定化動物細(xì)胞的主要方法,此法也可制備固定化植物細(xì)胞,它既可將植物細(xì)胞吸附在__________的大孔隙或裂縫之中,也可將植物細(xì)胞吸附在__________的外壁上。包埋法是指將細(xì)胞包埋在______________中，其中，__________是應(yīng)用最廣泛的細(xì)胞固定化方法，它所使用的載體主要有________、__________和______等.固定化細(xì)胞技術(shù)有許多優(yōu)點(diǎn),可以取代____________進(jìn)行發(fā)酵，生產(chǎn)各種物質(zhì)。預(yù)習(xí)交流1．固定化細(xì)胞的實(shí)質(zhì)是固定酶,那么是胞內(nèi)酶還是胞外酶呢?2．固定化細(xì)胞技術(shù)固定的是活細(xì)胞還是死細(xì)胞？答案：一、1.物理化學(xué)固相載體酶活性反復(fù)利用預(yù)習(xí)交流：1．提示:不能,混在產(chǎn)物里難以回收利用.2．提示：將酶固定在不溶于水的載體上,限制了酶分子與底物分子（或離子)的接觸，減少了酶與底物的接觸面積，降低了化學(xué)反應(yīng)的速度。例如，用肝臟研磨液（內(nèi)含過氧化氫酶)分解過氧化氫就比用成塊的鮮肝分解過氧化氫的速度快,因?yàn)槌蓧K的鮮肝過氧化氫酶大部分存在于肝細(xì)胞內(nèi)，與過氧化氫的接觸面積小,不利于過氧化氫的分解,而肝臟研磨液將過氧化氫酶從肝細(xì)胞內(nèi)釋放出來，增加了過氧化氫酶與過氧化氫分子的接觸面積，使反應(yīng)更容易進(jìn)行。2．纖維素瓊脂糖多孔玻璃物理吸附、離子結(jié)合法、共價(jià)鍵結(jié)合預(yù)習(xí)交流:提示：酶不適合用包埋法,因?yàn)槊阜肿犹∪菀讖牟牧现新┑?。二?.細(xì)胞生物活性細(xì)胞固定化2．吸附法包埋法吸附法泡沫塑料中空纖維能固化的載體凝膠包埋法瓊脂糖海藻酸鈉明膠游離的細(xì)胞預(yù)習(xí)交流：1．提示:胞外酶。2．提示：活細(xì)胞。在預(yù)習(xí)中還有哪些問題需要你在聽課時(shí)加以關(guān)注？請?jiān)谙铝斜砀裰凶鰝€備忘吧！我的學(xué)困點(diǎn)我的學(xué)疑點(diǎn)一、固定化酶技術(shù)的應(yīng)用1．固定化酶的概念指用______________的方法將酶與__________結(jié)合在一起形成的仍具有酶活性的酶復(fù)合物。2．固定化酶的方法（1）填寫下列固定化酶的方法A________B________C1__________C2__________(2）吸附法是把酶固定在________、________、__________等載體上。（3）交聯(lián)法最常用的交聯(lián)劑是________.（4）包埋法最常用的載體是______。(5）這三種方法中包埋法適合較大的酶分子還是較小的？原因是什么？3．固定化酶是否可以永遠(yuǎn)地利用下去?下列關(guān)于固定化酶的說法中，錯誤的是（）.A．固定化酶的活力也受強(qiáng)酸、高溫等因素的影響B(tài)．酶固定化后會使酶的利用率提高C．利用固定化酶可降低生產(chǎn)成本D．反應(yīng)結(jié)束后，固定化酶與產(chǎn)物混合成為雜質(zhì)1．酶的共性及固定化酶的優(yōu)點(diǎn)（1)酶：起催化作用,絕大多數(shù)是蛋白質(zhì)。（2）酶的活力在受高溫、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和重金屬離子等外界條件影響下變性失活。（3）普通酶促反應(yīng)的缺陷：①一次性使用難回收，增加生產(chǎn)成本，難以連續(xù)化生產(chǎn).②反應(yīng)結(jié)束后，雜質(zhì)與產(chǎn)物混合在一起，不利于產(chǎn)物進(jìn)一步純化。（4)固定化酶的優(yōu)點(diǎn)：①可以使反應(yīng)過程管道化、自動化，產(chǎn)物易從反應(yīng)液中回收；②酶的穩(wěn)定性有所改進(jìn)；③酶的使用效率提高。2．固定化酶的應(yīng)用實(shí)例—-生產(chǎn)高果糖漿（1）高果糖漿高果糖漿是指果糖含量為42%左右的糖漿。（2）固定化酶反應(yīng)的過程將葡萄糖異構(gòu)酶固定在顆粒狀載體上↓放入底部有許多小孔的反應(yīng)柱（酶顆粒不能通過，反應(yīng)液能通過)↓葡萄糖溶液從反應(yīng)柱的上端注入↓流經(jīng)反應(yīng)柱↓與固定化葡萄糖異構(gòu)酶接觸，轉(zhuǎn)化成果糖↓果糖從反應(yīng)柱的下端流出二、固定化細(xì)胞技術(shù)的應(yīng)用1．固定化細(xì)胞的概念：通過各種方法將細(xì)胞與一定的______結(jié)合，使細(xì)胞仍保持原有的__________,這一過程稱為細(xì)胞的固定化。2．閱讀教材P54內(nèi)容，填寫表格內(nèi)容。細(xì)胞固定化的方法方法________；________優(yōu)點(diǎn)①________________________②________________________缺點(diǎn)①__________________________②____________________③____________________下列關(guān)于固定化細(xì)胞技術(shù)的說法中,正確的是()。A．吸附法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、吸附牢固B．包埋法的優(yōu)點(diǎn)是操作復(fù)雜、條件溫和、對細(xì)胞無毒性C．吸附法容易對酶活性產(chǎn)生影響D．凝膠包埋法常用的凝膠種類有瓊脂、海藻酸鈉凝膠、角叉菜膠和明膠等在固定化細(xì)胞技術(shù)中，載體的主要作用是固定細(xì)胞,不讓細(xì)胞溶于產(chǎn)物中，要保證酶和底物盡可能多地接觸，所以多孔。當(dāng)然，也要考慮固定的材料盡可能對酶的催化不產(chǎn)生影響或產(chǎn)生的影響最小。固定化細(xì)胞在催化化學(xué)反應(yīng)的同時(shí)，自身獲得了物質(zhì)和能量，因此，不需額外提供營養(yǎng)物質(zhì)。三、制備固定化酵母菌細(xì)胞1．寫出制備固定化酵母菌細(xì)胞的流程（閱讀教材P54“酵母菌細(xì)胞的固定化技術(shù)”）制備________→______________→__________________→________洗滌→____________2．制備固定化酵母菌細(xì)胞中麥芽汁的作用是什么?3．制備固定化酵母菌細(xì)胞中活化的目的是什么?4．將海藻酸鈉冷卻的目的是什么?5．飽和硼酸-氯化鈣溶液的作用是什么？6．將注射器中的溶液如何放入CaCl2溶液中?7．此實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵是什么?8．濃度高低對結(jié)果有何影響?9．配制海藻酸鈉時(shí)小火加熱并不斷攪拌的目的是什么?10．發(fā)酵過程中錐形瓶為什么要密封？11．當(dāng)觀察到哪些現(xiàn)象時(shí)，可以說明實(shí)驗(yàn)獲得成功?下列有關(guān)固定化酵母細(xì)胞制備步驟，正確的是（）。A．應(yīng)使干酵母與自來水混合并攪拌，以利于酵母菌活化B．配制海藻酸鈉溶液時(shí)要用小火或間斷加熱的方法C．向剛?cè)芑玫暮Ｔ逅徕c溶液中加入已活化的酵母菌細(xì)胞，充分?jǐn)嚢璨⒒旌暇鶆駾．將與酵母菌細(xì)胞混勻的海藻酸鈉溶液注入CaCl2溶液中，會觀察到CaCl2溶液中有球形或橢球形的凝膠珠形成制備固定化酵母菌細(xì)胞的注意事項(xiàng)（1）酵母菌細(xì)胞的活化：在缺水的狀態(tài)下，微生物會處于休眠狀態(tài).活化就是讓處于休眠狀態(tài)的微生物重新恢復(fù)正常的生活狀態(tài).酵母菌細(xì)胞所需要的活化時(shí)間較短,一般需要1h左右，要提前作好準(zhǔn)備。此外，酵母菌細(xì)胞活化時(shí)體積會變大，因此活化前應(yīng)該選擇體積足夠大的容器,以避免酵母菌細(xì)胞的活化液溢出容器。（2)加熱：加熱使海藻酸鈉溶化是操作中最重要的一環(huán)，影響到實(shí)驗(yàn)的成敗。海藻酸鈉的濃度影響固定化細(xì)胞的質(zhì)量。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菌細(xì)胞的數(shù)目少，影響實(shí)驗(yàn)效果。（3)凝膠珠的檢測：剛形成的凝膠珠應(yīng)在CaCl2溶液中浸泡一段時(shí)間,以便形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。檢驗(yàn)?zāi)z珠的質(zhì)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(shí)驗(yàn)桌上用手?jǐn)D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(shí)驗(yàn)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)觀察凝膠珠的顏色和形狀.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,固定的酵母菌細(xì)胞數(shù)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。四、直接使用酶、固定化酶、固定化細(xì)胞的比較填寫表格內(nèi)容。直接使用酶固定化酶固定化細(xì)胞酶的種類____________________________常用載體-高嶺土、皂土、硅膠、凝膠明膠、瓊脂糖、海藻酸鈉、醋酸纖維素、聚丙烯酰胺制作方法—____________、________________________是否需要營養(yǎng)物質(zhì)____________催化反應(yīng)__________________________反應(yīng)底物各種物質(zhì)（大分子、小分子）各種物質(zhì)（大分子、小分子）小分子物質(zhì)缺點(diǎn)①對環(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________________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)__________________________________________________________________________________下列關(guān)于固定化酶和固定化細(xì)胞的敘述,正確的是（)。A．固定化細(xì)胞技術(shù)在多步連續(xù)催化反應(yīng)方面優(yōu)勢明顯B．固定化酶的應(yīng)用中，要控制好pH、溫度和溶解氧C．利用固定化酶降解水體中有機(jī)磷農(nóng)藥，需提供適宜的營養(yǎng)條件D．利用固定化酵母菌細(xì)胞進(jìn)行發(fā)酵,糖類的作用只是作為反應(yīng)底物一般來說，酶更適合采用化學(xué)結(jié)合法和物理吸附法固定，而細(xì)胞多采用包埋法固定。這是因?yàn)榧?xì)胞體積大，而酶分子很?。惑w積大的細(xì)胞難以被吸附或結(jié)合,而體積小的酶容易從包埋材料中漏出。答案：活動與探究一：1．物理學(xué)或化學(xué)固相載體2．（1）吸附法交聯(lián)法凝膠包埋法微膠囊法（2）纖維素瓊脂糖多孔玻璃（3)戊二醛(4）凝膠(5)提示：較大的酶分子；較小的容易從包埋材料中漏出。3．提示:不能.酶是生物催化劑，其活性受環(huán)境影響較大,隨著時(shí)間推移活性降低，一般一個反應(yīng)柱可以連續(xù)使用半年。遷移與應(yīng)用：D解析：固定化酶容易與產(chǎn)品分離，有利于產(chǎn)物的純化；能反復(fù)使用提高了酶的利用率，因此可降低成本；固定化酶本質(zhì)是蛋白質(zhì)，活力也受強(qiáng)酸、高溫等因素的影響.活動與探究二:1．載體生物活性2．吸附法包埋法不用破碎細(xì)胞提取酶，又能充分利用細(xì)胞內(nèi)的酶保留細(xì)胞內(nèi)多酶系統(tǒng),能催化多步連續(xù)反應(yīng)只能用于生產(chǎn)胞外酶和分泌到細(xì)胞外的產(chǎn)物營養(yǎng)物質(zhì)和產(chǎn)物的擴(kuò)散受載體限制溶解氧的傳遞和輸送限制好氧性發(fā)酵遷移與應(yīng)用:D解析:細(xì)胞固定化的方法主要有吸附法和包埋法.它們各有利弊,吸附法的主要優(yōu)點(diǎn)是酶活性不受影響，但吸附過程相當(dāng)復(fù)雜，這一過程與細(xì)胞的性質(zhì)、載體的性質(zhì)以及兩者之間的相互作用等有關(guān)，吸附力較弱且吸附不牢固，細(xì)胞容易脫落。包埋法操作簡單，條件溫和，對細(xì)胞無毒性，適合于生長細(xì)胞的固定化?；顒优c探究三：1．麥芽汁活化酵母菌細(xì)胞制備固定化細(xì)胞無菌水發(fā)酵麥芽汁2．提示：為酵母細(xì)胞提供營養(yǎng)物質(zhì)。3．提示：使酵母細(xì)胞從休眠狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)。4．提示：防止將酵母菌細(xì)胞凍死。5．提示：使膠體聚沉，形成凝膠珠。6．提示：以恒定的速度滴加。7．提示：海藻酸鈉溶液的濃度.8．提示：濃度高會很難形成凝膠珠，濃度低包埋數(shù)目過少。9．提示：防止海藻酸鈉焦糊.10．提示：酵母菌的酒精發(fā)酵需要無氧條件.11．提示:利用固定的酵母菌細(xì)胞發(fā)酵產(chǎn)生酒精，可以看到產(chǎn)生了很多氣泡，同時(shí)會聞到酒味。遷移與應(yīng)用：B解析：由于在缺水狀態(tài)下，微生物處于休眠狀態(tài),為了加速酵母菌細(xì)胞的活化，將干酵母與蒸餾水混合后用玻璃棒充分?jǐn)嚢?。為避免海藻酸鈉發(fā)生焦糊，溶化時(shí)要用小火或間斷加熱.如果將剛?cè)芑玫暮Ｔ逅徕c與已活化的酵母菌細(xì)胞混合，有可能會殺死酵母菌細(xì)胞.將與酵母菌細(xì)胞混勻的海藻酸鈉用注射器緩慢滴加到CaCl2溶液中，而不是注入?；顒优c探究四:一種或幾種一種一系列酶化學(xué)結(jié)合法固定化物理吸附法固定化包埋法固定化否否是單一或多種單一一系列不利于催化一系列酶促反應(yīng)催化效率高、耗能低、低污染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、操作容易遷移與應(yīng)用：A解析:A項(xiàng)中，固定化細(xì)胞技術(shù)由于保留了細(xì)胞內(nèi)原有的多酶系統(tǒng),連續(xù)催化反應(yīng)的優(yōu)勢非常明顯。B項(xiàng)中，固定化酶的應(yīng)用中,不需控制溶解氧；C項(xiàng)中，不需各種營養(yǎng)條件；D項(xiàng)中,糖類的作用不只是作為反應(yīng)底物，還能維持酵母菌細(xì)胞的滲透壓，防止酵母菌細(xì)胞過多地吸水或失水.1．若用固定化酵母菌細(xì)胞發(fā)酵葡萄糖溶液時(shí)發(fā)現(xiàn)無酒精產(chǎn)生，原因不可能是（）。A．實(shí)驗(yàn)瓶蓋了塞子B．瓶內(nèi)氧氣充足，進(jìn)行了有氧呼吸C．固定化酵母菌細(xì)胞內(nèi)可能沒有酵母菌細(xì)胞D．所謂的葡萄糖溶液可能是其他物質(zhì)2．下列敘述正確的是（)。A．一種固定化酶能催化一系列的化學(xué)反應(yīng)B．固定化細(xì)胞能產(chǎn)生一系列酶C．酵母菌細(xì)胞活化就是使酵母菌細(xì)胞由無氧呼吸變成有氧呼吸D．固定化酶更適合大分子反應(yīng)物3．在制備固定化酵母菌細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)中,CaCl2溶液的作用是（)。A．用于調(diào)節(jié)溶液pH B．用于進(jìn)行離子交換C．用于膠體聚沉 D．用于為酵母菌提供Ca2＋4．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便 B．包埋法對酶活性的影響最小C．包埋法固定化