新高考生物人教版一轮复习讲义选择性必修部分 模块3 第1单元 第3讲 生物技术在其他方面的应用.docx
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新高考生物人教版一轮复习讲义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
考纲研读备考定位
考纲要求
核心素养
1.从生物材料中提取某些特定的成分
2.蛋白质的提取和分离技术
1.生命观念——通过蛋白质分离技术的深入理解建立生命的物质观。
2.科学思维——分析与综合:
分析玫瑰精油、橘皮精油和胡萝卜素的提取原理及过程。
3.科学探究——设计实验探究成分提取的条件等。
4.社会责任——关注人体健康,关注胡萝卜素缺乏引起的疾病
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2000r/min的速度离心10min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1mL的血红蛋白溶液装入透析袋中,将透析袋放入盛有300mL的物质的量浓度为20mmol/L的磷酸缓冲液中(pH为7.0),透析12h。
(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1mL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20mmol/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5mL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
蛋白质
项目
相对分子质量大
相对分子质量小
凝胶内部
不能进入
能进入
运动方式
垂直向下
垂直向下和无规则扩散运动
经过路程
较短
较长
洗脱次序
先流出
后流出
(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
提取方法
水蒸气蒸馏法
压榨法
有机溶剂萃取法
实验原理
利用水蒸气将挥发性较强的植物芳香油携带出来
通过机械加压,压榨出果皮中的芳香油
使芳香油溶解在有机溶剂中,蒸发溶剂获得芳香油
方法步骤
①水蒸气蒸馏
②分离油层
③除水过滤
①石灰水浸泡、漂洗
②压榨、过滤、静置
③再次过滤
①粉碎、干燥
②萃取、过滤
③浓缩
适用范围
适用于提取玫瑰油、薄荷油等挥发性强的芳香油
适用于柑橘、柠檬等易焦糊原料的提取
适用范围广,要求原料的颗粒要尽可能细小,能充分浸泡在有机溶剂中
优点
简单易行,便于分离
生产成本低,易保持原料原有的结构和功能
出油率高,易分离
局限性
水中蒸馏会导致原料焦糊和有效成分水解等问题
分离较为困难,出油率相对较低
使用的有机溶剂处理不当会影响芳香油的质量
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10h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。
■
(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2mm)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。