2021高三统考人教生物一轮（经典版）学案：选修1第11单元　第41讲　酶的应用和蛋白质的提取和分离


第41讲　酶的应用和蛋白质的提取和分离
[考纲明细]　1.酶活力测定的一般原理和方法　2.酶在食品制造和洗涤等方面的应用　3.制备和应用固定化酶　4.蛋白质的提取和分离
知识自主梳理
一　　酶的应用
1．果胶酶在果汁生产中的作用
(1)果胶
①作用：植物细胞壁以及胞间层的主要组成成分之一；在果汁加工中，会影响出汁率并使果汁浑浊。
②成分：是由半乳糖醛酸聚合而成的一种高分子化合物。
③特点：不溶于水。
(2)果胶酶
①组成：果胶酶是指分解果胶的一类酶的总称，包括多聚半乳糖醛酸酶、果胶分解酶和果胶酯酶等。
②作用：果胶酶能够瓦解植物细胞的细胞壁及胞间层，把果胶分解成可溶性的半乳糖醛酸，从而使果汁变得澄清，并提高水果的出汁率。
(3)酶的活性及影响酶活性的因素
①酶的活性：指酶催化一定化学反应的能力。
②表示方法：酶的活性可以用在一定条件下，酶所催化的某一化学反应的反应速度来表示。
③酶反应速度：酶反应速度用单位时间内、单位体积中反应物的减少量或产物的增加量来表示。
④影响酶活性的因素：温度、pH和酶的抑制剂等条件都会影响酶的活性。
(4)影响果汁质量的物质和处理方法
①榨取果汁过程中存在的问题：出汁率低，耗时长，果汁混浊，黏度高，易发生沉淀。
②影响果汁质量的物质：纤维素、果胶。
③处理方法：酶解法。
2．探究影响果胶酶活性因素实验的分析
(1)实验原则：单一变量原则、对照性原则。严格控制变量，尽量减少无关变量的影响。
(2)实验原理：果胶酶活性受温度、pH或酶抑制剂的影响，在最适温度或pH时，酶的活性最高，果肉的出汁率、果汁的澄清度都与果胶酶的活性大小成正比。
(3)实验流程
制备果泥
↓
设置一系列具有梯度的pH或温度
↓
加入果胶酶反应一段时间
↓
过滤果汁
(4)分析：该实验的自变量是温度或pH，因变量是酶的活性，检测因变量是通过测定果汁的体积或比较澄清度来实现的。
(5)无关变量
①探究最适温度时，pH为无关变量；探究最适pH时，温度为无关变量。
②探究果胶酶的最适用量时，最适用量是在温度、pH等适宜条件下测出来的，如果无关变量改变，最适用量也会发生变化。

1．(选修1 P44旁栏思考)为什么在混合苹果泥和果胶酶之前，要将果泥和果胶酶分装在不同的试管中恒温处理？
提示　将果泥和果胶酶分装在不同的试管中恒温处理，可以保证底物和酶在混合时的温度是相同的，避免了果泥和果胶酶混合时影响混合物的温度，从而影响果胶酶活性的问题。
2．(选修1 P44旁栏思考)在探究温度或pH对酶活性的影响时，是否需要设置对照？如果需要，又应该如何设置？为什么？
提示　需要设置对照实验，不同的温度梯度之间或不同的pH梯度之间就可以作为对照，这种对照称为相互对照。
3．(选修1 P44旁栏思考)想一想，为什么能够通过测定滤出的苹果汁的体积大小来判断果胶酶活性的高低？
提示　果胶酶将果胶分解为小分子物质，小分子物质可以通过滤纸，因此苹果汁的体积大小反应了果胶酶的催化分解果胶的能力。在不同的温度和pH下，果胶酶的活性越大，苹果汁的体积就越大。
4．(选修1 P44旁栏思考)当探究温度对果胶酶活性的影响时，哪个因素是变量，哪些因素应该保持不变？
提示　温度是变量，应控制果泥量、果胶酶的浓度和用量、水浴时间和混合物的pH等所有其他条件不变。只有这样才能保证只有温度一个变量对果胶酶的活性产生影响。
3．加酶洗衣粉在洗涤中的作用
(1)加酶洗衣粉和酶制剂
加酶洗衣粉是指含有酶制剂的洗衣粉，常用的酶制剂有四类：蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶和纤维素酶。
(2)加酶洗衣粉的去污机理
种类
洗涤原理
洗涤的物质种类
蛋白酶
蛋白质　小分子肽＋氨基酸
血渍、奶渍及各种食品类的蛋白质污垢
脂肪酶
脂肪甘油＋脂肪酸
食品的油渍、人体皮脂、口红
淀粉酶
淀粉麦芽糖＋葡萄糖
来自面条、巧克力等的污垢
纤维素酶
纤维素葡萄糖
棉纺织品

1．(选修1 P46旁栏思考)查阅资料，看看普通洗衣粉中包含哪些化学成分？
提示　普通洗衣粉中通常包含有：表面活性剂、水软化剂、碱剂、漂白剂等成分，有的洗衣粉中还含有增白剂、香精和色素，以及填充剂等。
2．(选修1 P48课后习题)比较普通洗衣粉和加酶洗衣粉去污原理的异同？
提示　

普通洗衣粉
加酶洗衣粉
相同点
表面活性剂可以产生泡沫，可以将油脂分子分散开；水软化剂可以分散污垢；等等。
不同点
酶可以将大分子有机物分解为小分子有机物，小分子有机物易于溶于水，从而与纤维分开。
4．酵母细胞的固定化
(1)固定化酶的应用实例：高果糖浆的生产
①反应机理：葡萄糖果糖。
②固定化酶的反应柱示意图

③生产过程
将葡萄糖异构酶固定在颗粒状载体上
↓

↓
葡萄糖溶液从反应柱上端注入
↓
流经反应柱，与葡萄糖异构酶接触
↓
果糖从反应柱下端流出
④固定化酶技术的特点：使生产成本大大降低，同时提高了果糖的产量和质量。
(2)固定化细胞技术
①概念：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，叫作固定化酶和固定化细胞技术。
②方法
名称
原理
图示
包埋法
将酶或微生物细胞均匀地包埋在细微网格中

化学结合法
利用共价键、离子键将酶分子或细胞相互连接起来

物理吸附法
通过物理吸附作用，把酶或细胞固定在载体表面

(3)制备固定化酵母细胞
①酵母细胞的固定化方法



②实验注意事项
a．酵母细胞的活化：酵母细胞需要的活化时间一般为1 h，因此需要提前做好准备。此外，酵母细胞活化时体积会变大，因此活化前应该选择体积足够大的容器，以避免酵母细胞的活化液溢出容器。
b．海藻酸钠溶液的浓度：海藻酸钠溶液浓度过高，将很难形成凝胶珠；如果其浓度过低，形成的凝胶珠所包埋的酵母细胞的数量少，两种情况都会影响实验效果。
c．配制海藻酸钠溶液的注意事项：海藻酸钠溶化时要用小火或间断加热，避免海藻酸钠发生焦糊；将溶化后的海藻酸钠溶液先冷却至室温，再与酵母细胞混合，避免高温的海藻酸钠溶液杀死酵母细胞；固定化酵母细胞时，应将海藻酸钠溶液和酵母细胞的混合液用注射器以恒定的速度缓慢滴加到CaCl2溶液中，而不是注射，以免影响凝胶珠的形成。CaCl2溶液的作用是使海藻酸钠胶体发生聚沉，形成凝胶珠。
d．凝胶珠的颜色和形状：如果制作的凝胶珠颜色过浅、呈白色，说明海藻酸钠的浓度偏低，固定的酵母细胞数目较少；如果形成的凝胶珠不是圆形或椭圆形，则说明海藻酸钠的浓度偏高，制作失败，需要重新尝试。
二　　蛋白质的提取和分离
1．蛋白质的分离方法
(1)凝胶色谱法
①概念：是根据相对分子质量的大小分离蛋白质的有效方法。
②原理
a．凝胶
b．分离
项目
内容
蛋白质类型
进入凝胶内部的程度
路程
移动速度
相对分子质量较小
容易
较长
较慢
相对分子质量较大
无法进入
较短
较快
(2)电泳法
①概念：是指带电粒子在电场的作用下发生迁移的过程。
②原理：在一定的pH下，多肽、核酸等生物大分子的可解离基团会带上正电或负电，在电场的作用下，这些带电分子会向着与其所带电荷相反的电极移动。
③作用过程

④方法：常用的电泳方法有琼脂糖凝胶电泳和聚丙烯酰胺凝胶电泳。测定蛋白质分子量时通常使用SDS－聚丙烯酰胺凝胶电泳。
2．血红蛋白提取和分离实验操作程序

3．操作提示
(1)红细胞的洗涤
洗涤次数、离心速度与离心时间十分重要。洗涤次数过少，无法除去血浆蛋白；离心速度过高和时间过长会使白细胞等一同沉淀，达不到分离的效果。
(2)色谱柱填料的处理
商品凝胶是干燥的颗粒，使用前需直接放在洗脱液中膨胀。为了加速膨胀，可以将加入洗脱液的湿凝胶用沸水浴加热，逐渐升温至接近沸腾，通常只需1～2 h。这种方法不但节约时间，而且可以除去凝胶中可能带有的微生物，排除胶粒内的空气。
(3)凝胶色谱柱的装填
在色谱柱中装填凝胶的时候要尽量紧密，以降低凝胶颗粒之间的空隙。在装填凝胶柱时，不得有气泡存在。气泡会搅乱洗脱液中蛋白质的洗脱次序，降低分离效果。在凝胶色谱操作过程中，不能发生洗脱液流干，露出凝胶颗粒的现象。一旦发生这种情况，凝胶色谱柱需要重新装填。
(4)蛋白质的分离
在蛋白质分离过程中，仔细观察红色区带在洗脱过程中的移动情况。如果红色区带均匀一致地移动，说明色谱柱制作成功。
考点题型突破
考点1　　酶的应用
题型一 果胶酶在果汁生产中的应用的实验分析
1．(2015·海南高考)生产果汁时，用果胶酶处理果泥可提高果汁的出汁量。回答下列相关问题：
(1)某同学用三种来源的果胶酶进行三组实验，各组实验除酶的来源不同外，其他条件都相同，测定各组的出汁量，据此计算各组果胶酶活性的平均值并进行比较。这一实验的目的是__________________。
(2)现有一种新分离出来的果胶酶，为探究其最适温度，某同学设计了如下实验：取试管16支，分别加入等量的果泥、果胶酶、缓冲液，混匀，平均分为4组，分别置于0 ℃、5 ℃、10 ℃、40 ℃下保温相同时间，然后，测定各试管中的出汁量并计算各组出汁量平均值。该实验温度设置的不足之处有________________和________________。
(3)某同学取5组试管(A～E)分别加入等量的同种果泥，在A、B、C、D 4个实验组的试管中分别加入等量的缓冲液和不同量的同种果胶酶，然后，补充蒸馏水使4组试管内液体体积相同；E组加入蒸馏水使试管中液体体积与实验组相同。将5组试管置于适宜温度下保温一定时间后，测定各组的出汁量。通过A～D组实验可比较不同实验组出汁量的差异。本实验中，若要检测加入酶的量等于0而其他条件均与实验组相同时的出汁量，E组设计________(填“能”或“不能”)达到目的，其原因是________________________。
答案　(1)比较不同来源果胶酶的活性
(2)温度范围设置不合理　温度梯度设置不合理
(3)不能　未加入缓冲液
解析　(1)利用不同来源的果胶酶处理果泥，检测各组出汁量，据此可以比较不同来源的果胶酶的活性大小。
(2)探究果胶酶的最适温度时，一般在20～70 ℃范围内，设置等浓度梯度。显然题中温度设置过低，温度梯度设置不合理。
(3)本实验的目的是检测不同量的同种果胶酶下的出汁量的差异，为保证单一变量，A～E组都应加入等量缓冲溶液。
2．我国水果生产发展迅速，但由于收获的季节性强，易造成积压、腐烂变质，为了解决上述问题且满足不同人群的需求，可以将水果加工制作成果汁、果酒、果醋等。在果汁生产中要用到果胶酶，某生物研究小组为了探究温度对果胶酶活性的影响，进行了如图所示实验。

(1)请将图中所示的操作进行排序：________。
(2)对照组与实验组进行了相同时间的实验，结果如图中曲线所示：

①图中自变量是温度，除此之外还可以是________。
A．酶的浓度 B．苹果泥的量
C．水的加入量 D．pH
②图中的纵坐标还可用________来表示。
③实验组改变实验条件后重复做实验，得到曲线乙，两次实验中苹果汁的体积的最高点对应的横坐标是同一位置的原因是__________________________________________________________。
④步骤c中，将两者分装在不同试管中进行恒温处理的目的是____________________________________。
(3)如表所示是某实验小组的详细实验结果：
温度/℃
10
20
30
40
50
60
70
80
苹果汁的产量/mL
8
13
15
25
15
12
11
10
根据上述实验结果可知，当温度为________时苹果汁的产量最多，能不能确定该温度就是果胶酶的最适温度？如果不能，请设计出进一步探究果胶酶的最适温度的实验方案。
答案　(1)acdb
(2)①D　②苹果汁的澄清度　③同一种酶的最适温度是一定的，不会因酶的浓度、底物量不同而改变
④保证底物和酶在混合时的温度是相同的
(3)40 ℃　不能，再设置多套装置，以40 ℃为中心，以更小的温差(如0.5 ℃)测量更小温度范围内的果汁的产量，果汁的产量最高的温度更接近酶的最适温度。
解析　(1)实验顺序是准备苹果泥和配制果胶酶、苹果泥和果胶酶分别水浴保温、苹果泥和果胶酶混合保温、过滤果汁后用量筒计量。
(2)果胶酶的活性受温度、pH等条件的影响，而与底物的量、酶的浓度和水的加入量没有关系；每一种酶都有一个最适温度和最适pH，且这两个值恒定。衡量实验结果的指标有两个：一是果汁的量，另一个是果汁的澄清度。为了保证实验在相应温度下进行，必须使酶和底物分别保温达到要求后再混合。在相同温度条件下，pH、酶的浓度和底物浓度也会改变反应速率。
(3)根据表格中数据可看出，在40 ℃时产生的果汁量最多。要将温度确定得更加精确，需要以40 ℃为中心，以更小的温差(如0.5 ℃)设置自变量。
3．食品种类多，酸碱度范围广。某生物兴趣小组拟探究在食品生产中应用范围较广的蛋白酶，查阅相关文献，得知：

(1)pH对不同蛋白酶的活力影响有差异。据图可知，________________更适宜作为食品添加剂，理由是__________________。蛋白酶的活力可用__________________________来表示。
(2)该蛋白酶的提取工艺流程如下：

兴趣小组分别对酶保护剂浓度、提取液pH进行了探究实验。结果显示，酶保护剂浓度在0.02～0.06 mol/L范围内，酶活力较高；提取液pH在6.0～8.0范围内，酶活力较高。他们认为，要进一步提高粗酶制剂的酶活力，以达到最佳提取效果，还需对酶保护剂浓度和提取液pH进行优化，并确定以此为探究课题进行探究。请分析回答：
①本实验的课题是________________________________________________________________________。
②本实验的自变量为____________________________，因变量为______________________________________。
答案　(1)木瓜蛋白酶　木瓜蛋白酶的活力基本不受pH的影响　单位时间内底物的消耗量或产物的生成量
(2)①探究酶保护剂的最适浓度和提取液的最适pH
②酶保护剂的浓度和提取液的pH　粗酶制剂的活力
解析　(1)结合图形和文字可知，在题目中已经提供了信息“食品种类多，酸碱度范围广”，所以选择的食品添加剂应该有较广的酸碱适应范围，从图中可以看出木瓜蛋白酶的适应范围最广，所以可以选作食品添加剂。酶的活力一般用单位时间内底物消耗量或者产物的生成量来表示。
(2)实验设计时应该明确实验目的，这里的实验目的是探究酶保护剂的最适浓度和提取液的最适pH，所以我们可以将酶保护剂的浓度和提取液的pH作为自变量，因变量为粗酶制剂的活力。

1.探究果胶酶的最适用量
(1)实验流程

(2)实验结果分析
如果随着酶浓度的增加，过滤到的果汁体积也增加，说明酶的用量不足；当酶的浓度增加到某个值后，再增加酶的用量，过滤到的果汁的体积不再改变，说明酶的用量已经足够，这个值就是酶的最适用量。
2．三个实验的变量分析
实验名称(目的)
自变量
因变量
注意事项
探究温度对果胶酶活性的影响
温度
果汁量(澄清度)
①底物和酶混合时的温度是相同的；②温度梯度越小，实验结果越精确；③苹果泥和果胶酶用量在各个试管中应相同；④pH应为最适pH
探究pH对果胶酶活性的影响
pH
①温度应为最适温度；②pH梯度可用NaOH溶液和盐酸调节；③用玻璃棒搅拌使反应充分进行
探究果胶酶的最适用量
果胶酶的用量
①制备苹果泥后迅速加热，使苹果泥中的果胶酶变性；②温度、pH应为最适且保持不变
题型二 探究加酶洗衣粉的洗涤效果的实验分析
4．(2018·江苏高考)(多选)下列关于加酶洗衣粉的叙述，错误的是(　　)
A．洗衣粉中添加的酶通常是由微生物发酵生产而来
B．洗衣粉中的蛋白酶通常会将添加的其他酶迅速分解
C．在50 ℃热水中用加酶洗衣粉洗衣时，其中的酶会迅速失活
D．加酶洗衣粉受潮后重新晾干保存，不会影响其中酶的活性
答案　BCD
解析　加酶洗衣粉中加入的酶多是微生物发酵产生的，其本质与生物体内的酶无明显差异，A正确；洗衣粉中的蛋白酶通常不会将添加的其他酶迅速分解，这是因为加酶洗衣粉中的酶经过了特殊的化学物质的包裹，使之与其他成分隔离，这些酶在遇水后，包裹层分解，酶才能发挥作用，B错误；在水温45～60 ℃时，加酶洗衣粉能充分发挥洗涤作用，因此在50 ℃热水中用加酶洗衣粉洗衣时，其中的酶不会失活，C错误；加酶洗衣粉受潮后重新晾干保存，会导致其中酶的活性降低，D错误。
5．为探究洗衣粉加酶后的洗涤效果，将一种无酶洗衣粉分成3等份，进行3组实验。甲、乙组在洗衣粉中加入1种或2种酶，丙组不加酶，在不同温度下清洗同种化纤布上的2种污渍，其他实验条件均相同，下表为实验记录。请回答下列问题。
水温/℃
10
20
30
40
50
组别
甲
乙
丙
甲
乙
丙
甲
乙
丙
甲
乙
丙
甲
乙
丙
清除血渍时间/min
67
66
88
52
51
83
36
34
77
11
12
68
9
11
67
清除油渍时间/min
93
78
95
87
63
91
82
46
85
75
27
77
69
8
68
(1)提高洗衣粉去污能力的方法有________________。甲组在洗衣粉中加入了________________。乙组在洗衣粉中加入了________________。
(2)甲、乙组洗涤效果的差异，说明酶的作用具有________。
(3)如果甲、乙和丙3组均在水温为80 ℃时洗涤同一种污渍，请比较这3组洗涤效果之间的差异并说明理由：______________________________________________。
(4)加酶洗衣粉中的酶是用特殊的化学物质包裹的，遇水后包裹层很快溶解，释放出来的酶迅速发挥催化作用。请说明这是否运用了酶的固定化技术及其理由：__________________________________________________________________。
答案　(1)加酶和适当提高温度　蛋白酶　蛋白酶和脂肪酶
(2)专一性　(3)没有差异，因为高温使酶失活
(4)未运用酶的固定化技术，因为酶未固定在载体上，也不能重复利用
解析　(1)由表格数据可知，提高洗衣粉去污能力的方法有加酶和适当提高温度。
(2)血渍的主要成分是蛋白质，甲组去除血渍所用的时间相对较短，说明甲组洗衣粉中加入了蛋白酶；乙组去除血渍和油渍的时间都相对较短，说明乙组洗衣粉中加入了蛋白酶和脂肪酶。甲、乙组洗涤效果的差异，主要原因是其中酶种类不同，说明酶具有专一性。
(3)酶的作用条件温和，高温(80 ℃)会使酶变性失活，因此三组之间没有差异。
(4)固定化酶是利用物理或化学的方法将酶固定在某种载体上，可以重复利用，加酶洗衣粉未运用酶的固定化技术。

1.加酶洗衣粉的洗涤效果的探究方法
(1)判断加酶洗衣粉洗涤效果的方法：可在洗涤后比较污物残留状况，如已消失、颜色变浅、面积缩小等。
(2)加酶洗衣粉的洗涤效果的探究方法：实验设计遵循的原则是对照原则和单一变量原则，如在探究普通洗衣粉和加酶洗衣粉对衣物污渍的洗涤效果有何不同时，以洗衣粉的种类为自变量，其他条件完全一致；同时，普通洗衣粉处理污物与加酶洗衣粉处理污物形成对照。
(3)变量分析
实验
自变量
因变量
无关变量
探究普通洗衣粉和加酶洗衣粉的洗涤效果
洗衣粉的种类(普通和加酶)
洗涤效果
水的用量，污物的量，实验用布的质地与大小，不同洗衣粉的用量，搅拌、洗涤时间等
探究不同种类加酶洗衣粉的洗涤效果
加酶洗衣粉中酶的种类
探究不同温度对加酶洗衣粉洗涤效果的影响
温度
2.使用加酶洗衣粉要注意的问题
(1)对于丝绸等主要成分为蛋白质的面料，若使用含有碱性蛋白酶的洗衣粉，衣物会受到损伤，因此蛋白质类丝织物不能用含蛋白酶的洗衣粉来洗涤。
(2)使用加酶洗衣粉要注意洗涤用水的温度。碱性蛋白酶在35～50 ℃的范围内活性最高，在低温或60 ℃以上时就会失效。
(3)衣服的洗涤，不仅要考虑洗涤效果，还要考虑衣物的承受能力、洗涤成本等因素。
(4)人体皮肤细胞有蛋白质，使用加酶洗衣粉后如不彻底清洗双手，就会使手的皮肤受到腐蚀，而使人患过敏性皮炎、湿疹等。
(5)酶制剂中的蛋白酶、淀粉酶等并非是单一酶，而是复合酶，如蛋白酶制剂实际包括蛋白酶和某些肽酶，可将蛋白质水解成小分子肽和氨基酸。
(6)酶作为一种生物催化剂，有一定的寿命，不能放置太久。
题型三 固定化酶和固定化细胞的比较
6．下列关于制备固定化酵母细胞的操作，正确的是(　　)
A．制备好海藻酸钠溶液后，要立即将其与酵母细胞混合以防凝固
B．制备固定化酵母细胞的过程中需用到注射器
C．以恒定的速度把混合液注射到CaSO4溶液中
D．凝胶珠在CaCl2溶液中应浸泡10 min左右
答案　B
解析　应将海藻酸钠溶液冷却至室温，再加入已活化的酵母细胞，否则会把酵母细胞杀死，A错误；应以恒定的速度把混合液滴加到CaCl2溶液中，而不是CaSO4溶液中，C错误；凝胶珠在CaCl2溶液中应浸泡30 min左右，D错误。
7．下列有关固定化酶技术和固定化细胞技术的叙述，不正确的是(　　)
A．固定化酶和固定化细胞的方法包括包埋法、化学结合法和物理吸附法
B．因为酶分子比较大，所以固定化酶技术更适合采用包埋法
C．与固定化酶技术相比，固定化细胞制备的成本低，操作更容易
D．凝胶包埋常用的凝胶种类有琼脂糖、海藻酸钠、醋酸纤维素、明胶和聚丙烯酰胺等
答案　B
解析　一般来说，酶更适合采用化学结合法和物理吸附法固定化，而细胞多采用包埋法固定化，这是因为细胞体积大，而酶分子很小，体积大的难以被吸附或结合，而体积小的酶容易从包埋材料中漏出，B错误。
8．(2016·江苏高考)为了探索海藻酸钠固定化对绿球藻生长的影响，以及固定化藻对含Zn2＋污水的净化作用，科研人员用筛选到的一株绿球藻进行实验，流程及结果如下。请回答下列问题：
→→

(1)实验中的海藻酸钠作用是________，CaCl2的作用是__________________________________。
(2)为洗去凝胶球上残余的CaCl2和其他污染物，并保持绿球藻活性，宜采用________洗涤。图1中1.0%海藻酸钠组培养24 h后，移去凝胶球，溶液呈绿色，原因是____________________。
(3)为探索固定化藻对含Zn2＋污水的净化作用，应选用浓度为________海藻酸钠制备凝胶球。
(4)图2中空白凝胶球组Zn2＋浓度下降的原因是____________。结合图1和图2分析，固定化藻的实验组24～48 h间Zn2＋浓度下降速度较快的主要原因是________________；72～96 h间Zn2＋浓度下降速度较慢的原因有____________________________________________。
答案　(1)包埋绿球藻(包埋剂)　与海藻酸钠反应形成凝胶球(凝固剂)
(2)培养液(生理盐水)　海藻酸钠浓度过低(凝胶球孔径过大)
(3)2.0%
(4)凝胶吸附Zn2＋　绿球藻生长(繁殖)速度快　绿球藻生长(增殖)速度减慢
解析　(1)海藻酸钠在固定化绿球藻的过程中作为包埋剂。CaCl2可与海藻酸钠反应，促使海藻酸钠形成凝胶球。
(2)利用培养液或生理盐水等洗涤凝胶球不至于造成绿球藻过量吸水或失水，从而保持正常的活性状态。1.0%海藻酸钠组移去凝胶球，溶液呈绿色，说明绿球藻逸出了凝胶球，原因是制备凝胶球时，使用的海藻酸钠浓度过低，导致凝胶球孔径过大。
(3)图1显示，在不同浓度的海藻酸钠的作用下，当海藻酸钠浓度为2.0%时，固定化的绿球藻数量最多，故探索固定化藻对含Zn2＋污水的净化作用，应选用浓度为2.0%的海藻酸钠制备凝胶球。
(4)空白凝胶球中无绿球藻，故该组Zn2＋浓度下降是空白凝胶的吸附作用所致。图1显示，固定化藻的实验组24～48 h间绿球藻数量增加快，而72～96 h间绿球藻数量基本不变，这是导致两个时间段Zn2＋浓度下降速度不同的原因。

直接使用酶、固定化酶和固定化细胞的比较

直接使用酶
固定化酶
固定化细胞
酶的种数
一种或几种酶
一种酶
一系列酶
常用载体
无
高岭土、皂土、硅胶、凝胶
明胶、琼脂糖、海藻酸钠、醋酸纤维素、聚丙烯酰胺
固定方法
—
化学结合法、物理吸附法
包埋法
是否需要营养物质
否
否
是
催化反应
单一或多种
单一
一系列(或多种)
反应底物
各种物质(大分子、小分子)
各种物质(大分子、小分子)
小分子物质
缺点
①对环境条件非常敏感，易失活；
②难回收，成本高；
③酶会混在产物中，可能影响产品质量
不利于催化一系列酶促反应
反应物不易与酶接近，尤其是大分子物质，反应效率下降
优点
催化效率高、耗能低、低污染
①既能与反应物接触，又能与产物分离；
②可以重复利用
成本低、操作容易
考点2　　蛋白质的提取和分离
题型 蛋白质的提取和分离
1．已知某样品中存在甲、乙、丙、丁、戊五种蛋白质分子，其分子大小、电荷的性质和数量情况如图所示，下列有关蛋白质分离的叙述正确的是(　　)

A．若将样品以2000 r/min的速度离心10 min，分子戊存在于沉淀中，则分子甲也存在于沉淀中
B．若用凝胶色谱柱分离样品中的蛋白质，则分子甲移动速度最快
C．将样品装入透析袋中透析12 h，若分子乙保留在袋内，则分子丙也保留在袋内
D．若用SDS－聚丙烯酰胺凝胶电泳分离样品中的蛋白质分子，则分子甲和分子戊形成的电泳带相距最远
答案　C
解析　由题图知分子量的大小依次为丙>丁>乙>戊>甲，分子甲的分子量小于分子戊，故分子戊存在于沉淀中，分子甲不一定存在于沉淀中，A错误；甲的分子量最小，其在凝胶色谱柱中移动时会进入凝胶内部通道，移动速度最慢，B错误；透析利用半透膜的半透性可除去分子量较小的杂质，分子乙的分子量小于分子丙，若分子乙保留在透析袋内，则分子丙也一定保留在袋内，C正确；SDS－聚丙烯酰胺凝胶电泳时，其电泳迁移率完全取决于分子的大小，分子量相差越大，形成的电泳带相距越远，则分子甲与分子丙形成的电泳带相距最远，D错误。
2．凝胶色谱技术是一种快速而又简单的分离技术，对高分子物质有很好的分离效果，目前已经被多个领域广泛应用，不但应用于科学实验研究，而且已经大规模地用于工业生产。据图回答问题：

(1)a、b均为蛋白质分子，其中先从层析柱中洗脱出来的是____________，原因是________________________________________________________________________。
(2)自己制作凝胶色谱柱时，在色谱柱底部d位置相当于多孔板的结构可由______________替代。
(3)装填凝胶色谱柱时，色谱柱内不能有气泡存在，原因是________________________________________________________________________。
(4)洗脱用的液体应尽量与浸泡凝胶所用的液体________(填“相同”或“不同”)，洗脱时，对洗脱液的流速要求是____________。
(5)若选用Sephadex G－75，则“G”表示____________________，75表示______________________。
答案　(1)a　a相对分子质量较大，无法进入凝胶内部的通道，只能在凝胶间隙移动，路程较短，移动速度较快
(2)尼龙网和尼龙纱
(3)气泡会搅乱洗脱液中蛋白质的洗脱次序，降低分离效果
(4)相同　 保持稳定
(5)凝胶的交联程度，膨胀程度及分离范围　凝胶得水值，即每克凝胶膨胀时吸水7.5 g
解析　(1)用凝胶色谱技术分离各种不同蛋白质时，大分子物质由于直径较大，只能分布于颗粒之间，所以向下移动的速度较快。小分子物质除了可在凝胶颗粒间隙中扩散外，还可以进入凝胶颗粒的微孔，在向下移动的过程中，从一个凝胶颗粒内扩散到颗粒间隙后再进入另一凝胶颗粒内，如此不断地进入和扩散，小分子物质的下移速度落后于大分子物质，所以大分子物质先洗脱出来。
(2)自己制作凝胶色谱柱时，在色谱柱底部d位置相当于多孔板的结构可由尼龙网和尼龙纱替代。
(3)在色谱柱中装填凝胶的时候要尽量紧密，以降低凝胶颗粒之间的空隙。一是在装填凝胶柱时，不得有气泡存在，因为气泡会搅乱洗脱液中蛋白质的洗脱次序，降低分离效果。二是凝胶色谱操作过程中，不能发生洗脱液流干、露出凝胶颗粒的现象。一旦发生上述两种情况，凝胶色谱柱需要重新装填。
(4)洗脱液应与浸泡凝胶所用液体相同，且洗脱液流速要稳定，以免干扰洗脱结果。
3．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，血红蛋白的主要功能是携带O2和CO2，我们可以选用猪、牛、羊或其他脊椎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)血红蛋白的提取和分离一般可分为四步：________、粗分离、________和________。
(2)实验前取新鲜的血液，要切记在采血容器中预先加入柠檬酸钠，取血回来，马上进行离心，收集血红蛋白溶液。
①加入柠檬酸钠的目的是________________________________________________________________________。
②以上所述的过程即是样品处理，它包括红细胞的洗涤、________、分离血红蛋白溶液。
(3)收集的血红蛋白溶液要进行粗分离，其方法是______________。
(4)然后通过________法将样品纯化，样品纯化的目的是____________________。最后经____________________进行纯度鉴定。
(5)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的________、形状的不同，使带电分子产生不同的迁移速率，从而实现样品中各种分子的分离。
答案　(1)样品处理　纯化　纯度鉴定
(2)①防止血液凝固　②血红蛋白的释放
(3)透析
(4)凝胶色谱　去除大分子杂质蛋白　SDS－聚丙烯酰胺凝胶电泳
(5)大小
解析　(1)血红蛋白提取和分离一般分为四步：样品处理、粗分离、纯化和纯度鉴定。
(2)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。②样品处理包括红细胞的洗涤、血红蛋白的释放、分离血红蛋白溶液。
(3)将收集的血红蛋白溶液在透析袋中透析进行样品的粗分离。
(4)通过凝胶色谱法将样品纯化，纯化的目的是去除大分子杂质蛋白，最后经SDS－聚丙烯酰胺凝胶电泳进行纯度鉴定。
(5)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的大小、形状的不同，使带电分子产生不同的迁移速率，从而实现样品中各种分子的分离。

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－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。
方向真题体验
1．(2018·江苏高考)下列关于酵母细胞固定化实验的叙述，正确的是(　　)
A．用温水使海藻酸钠迅速溶解，待其冷却到室温后用于包埋细胞
B．进行包埋时，用于悬浮细胞的CaCl2溶液浓度要适宜
C．注射器(或滴管)出口应尽量贴近液面以保证凝胶珠成为球状
D．包埋酵母细胞的凝胶珠为淡黄色半透明状，并具有一定的弹性
答案　D
解析　在酵母细胞固定化实验中，应该用小火、间断加热的方式使海藻酸钠缓慢溶解，A错误；将混合液用注射器缓慢滴加到CaCl2溶液进行固定化酵母细胞，CaCl2的作用是使海藻酸钠形成凝胶珠，B错误；注射器(或滴管)出口应与液面保持适当的距离，以保证凝胶珠成为球状，C错误；包埋酵母细胞的凝胶珠为淡黄色半透明状，并具有一定的弹性，D正确。
2．(2016·江苏高考)(多选)为了使牛仔裤呈现“穿旧”效果，在工业洗衣机中用酶洗代替传统的浮石擦洗，是目前重要的生产手段(工艺流程见下图)。下列叙述中错误的是(　　)

A．纤维素酶在仿旧中的作用机理与其在洗衣粉中去污的机理相似
B．在上述工艺中，为重复使用纤维素酶，可选用适当的包埋剂固定化酶
C．在上述工艺中，通过调节温度、酸碱度、处理时间可控制仿旧颜色的深浅
D．纤维素酶催化葡萄糖残基间磷酸二酯键的水解分解纤维素
答案　BD
解析　纤维素酶在仿旧中的作用机理是适当分解布料中的纤维素成分，洗衣粉中添加纤维素酶的作用机理是适当分解布料中的纤维素成分使织物膨松，有利于去污，两者作用机理相似，A正确；酶分子较小，容易从包埋材料中漏出，一般采用化学结合法或物理吸附法固定化酶，B错误；温度、酸碱度会影响酶的活性，处理时间会影响酶的作用效果，故通过调节温度、酸碱度和处理时间可控制仿旧颜色的深浅，C正确；纤维素分子中不含磷酸二酯键，D错误。
3．(2015·江苏高考)下列关于酶的叙述，正确的是(　　)
A．发烧时，食欲减退是因为唾液淀粉酶失去了活性
B．口服多酶片中的胰蛋白酶可在小肠中发挥作用
C．用果胶酶澄清果汁时，温度越低澄清速度越快
D．洗衣时，加少许白醋能增强加酶洗衣粉中酶的活性
答案　B
解析　发烧时食欲减退是因为体温升高抑制了消化酶的活性，但还没引起唾液淀粉酶失去活性，A错误；口服的多酶片中胰蛋白酶往往在内层，可到达小肠中发挥作用，B正确；低温会使果胶酶的活性受到抑制，只有在最适温度时酶的活性最高，果汁澄清的速度才最快，C错误；加酶洗衣粉中含有碱性蛋白酶和碱性脂肪酶等，白醋呈酸性，会使pH降低，更加偏离酶的最适pH，因此，加白醋会降低酶的活性，D错误。
4．(2015·山东高考)乳糖酶能够催化乳糖水解为葡萄糖和半乳糖，具有重要应用价值。乳糖酶的制备及固定化步骤如下：
―→―→―→
(1)筛选产乳糖酶的微生物L时，宜用________作为培养基中的唯一碳源。培养基中琼脂的作用是________。从功能上讲，这种培养基属于________。
(2)培养微生物L前，宜采用________方法对接种环进行灭菌。
(3)纯化后的乳糖酶可用电泳法检测其分子量大小。在相同条件下，带电荷相同的蛋白质电泳速度越快，说明其分子量越________。
(4)乳糖酶宜采用化学结合法(共价键结合法)进行固定化，可通过检测固定化乳糖酶的________确定其应用价值。除化学结合法外，酶的固定化方法还包括________、________、离子吸附法及交联法等。
答案　(1)乳糖　凝固剂　选择培养基
(2)灼烧　(3)小
(4)(酶)活性[或：(酶)活力]　包埋法　物理吸附法(注：两空可颠倒)
解析　(1)该培养基中的唯一碳源应为乳糖，只有能利用乳糖的微生物能在该培养基上生存，而其他微生物将因缺乏碳源而无法生存，利用这个原理可以筛选产乳糖酶的微生物L；固体培养基中琼脂是很好的凝固剂；从功能上讲这种培养基属于选择培养基。
(2)接种环的灭菌宜采用灼烧法。
(3)电泳过程中若蛋白质所带电荷相同，则电泳速度只与蛋白质的分子量大小有关，蛋白质分子量越小，电泳速度越快。
(4)固定化酶常要通过测定其活性来确定其应用价值；酶的固定化方法包括包埋法、化学结合法、物理吸附法等。