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

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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

(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

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。

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(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。