第七节 生物科学与工业二.docx

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第七节生物科学与工业二

生物科学与工业

（二）

主讲：

黄冈优秀生物教师　张孝中

一、知识概述

1、酶工程概述；

2、酶工程的应用；

3、生物技术与疫苗；

4、基因工程制药；

5、抗生素的合理使用；

6、基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程的区别与联系。

二、重点知识归纳及讲解

（一）酶工程概述

1、酶工程

　　是研究开发酶的生产、酶的分离与纯化、酶的固定化、酶反应器、酶的应用等工程科学。

　　酶工程是蛋白质化学与工程科学交叉渗透、相互结合发展形成的一门新的生物技术。

它是从应用的目的研究酶，利用酶的特异催化功能并通过工程化技术将相应的原料转化为有用物质的技术。

2、酶的生产方法

（1）提取法

（2）化学合成法

（3）微生物发酵法（主要方法）

3、酶的分离与纯化

离心分离是酶分离提纯过程中最常用的方法。

4、酶反应器

　　——以酶作为催化剂进行反应所需的设备。

　　酶反应器具有在常温、常压的条件下发挥作用，反应时耗能和产能比较少等特点。

5、固定化酶

　　——科学家把酶像化学催化剂一样固定在不溶性的惰性载体上，这样的酶称为固定化酶。

　　固定化酶是将酶定位或限制在一定的空间范围内，使其在反应后容易与反应底物和产物分开，达到重复使用和连续化生产的目的。

　　酶的固定方法：

吸附法、共价结合法、包埋法。

（二）酶工程的应用

（三）生物技术与疫苗

1、生物技术

　　——是指运用生物化学、分子生物学、微生物学、遗传学等学科的原理和技术与工程技术相结合来改造或重新创造设计细胞的遗传物质，培育出新品种，或根据工业规模利用现有生物体系，通过生物化学过程来制造所需要的产品。

2、疫苗

　　——一般是指用于预防接种的抗原制剂。

（四）基因工程制药

　　基因工程制药是指应用基因工程技术生产的用于防治各种疾病的药物，其中活性蛋白质药物最为引人关注。

（五）抗生素的合理使用

1、抗生素

　　——是指由细菌、放线菌、霉菌等微生物在代谢过程中所产生的对其他微生物具有拮抗或杀灭作用的一类物质。

2、合理使用

（1）不能过度使用抗生素：

避免细菌的耐药性增强和杀死有益菌。

（2）不能滥用抗生素：

抗生素只能用于治疗敏感性细菌引起的感染，不能预防感染。

　　（3）正确使用抗生素：

抗生素不可外用、不等同于消炎药，能用窄谱的就不用广谱的，能用一种抗生素解决问题的就不用两种。

（六）基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程的区别与联系

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同步测试

一、选择题

1、酶的固定化常用的固定方式不包括（　）

A．吸附　　　　　　　　　　　　　　　　　B．包埋

C．连接　　　　　　　　　　　　　　　　　D．将酶加工成固体

2、与普通洗衣粉相比，加酶洗衣粉的优点不包括（　）

A．容易除去汗渍　　　　　　　　　　　　　B．容易除去油污

C．容易除去奶渍　　　　　　　　　　　　　D．可以重复使用

3、利用微生物生产酶制剂的一般过程包括（　）

①DNA重组　　　　　②发酵　　　　　　　③酶的提取

④治疗疾病　　　　⑤酶的分离纯化　　　⑥酶的固定

A．①②⑤⑥　　　　　　　　　　　　　　　B．②③④⑤

C．②③⑤⑥　　　　　　　　　　　　　　　D．①②④⑥

4、当前生产酶制剂所需的酶主要来自（　）

A．动物组织和器官　　　　　　　　　　　　B．植物组织和器官

C．微生物　　　　　　　　　　　　　　　　D．基因工程

5、根据酶在生物体内存在的部位，可分为胞内酶和胞外酶，下列酶中属于胞外酶的是（　）

A．呼吸酶　　　　　　　　　　　　　　　　B．光合酶

C．解旋酶　　　　　　　　　　　　　　　　D．消化酶

6、下列用来治疗血栓病的酶是（　）

A．溶菌酶　　　　　　　　　　　　　　　　B．尿激酶

C．溶纤维蛋白酶原　　　　　　　　　　　　D．血红蛋白酶

7、用DNA探针检测饮用水中病毒的具体方法是（　）

A．检测病毒DNA的碱基序列

B．检测病毒DNA的核苷酸序列

C．与被检测病毒DNA杂交进行检测

D．A、B、C三种方法均可

8、与血糖快速测试仪原理相同的酶的应用是（　）

A．多酚氧化酶传感器　　　　　　　　　　　B．嫩肉粉

C．氨苄青霉素的生产　　　　　　　　　　　D．尿糖试纸

9、有关酶的固定化的叙述中正确的是（　）

A．分离后的酶加填充剂

B．分离纯化后的酶加稳定剂构成

C．分离后的酶包埋在明胶中

D．固定化酶的形状单一

10、下列实践与基因工程无关的是（　）

A．利用DNA探针检测饮水是否含病毒

B．选择“工程菌”来生产胰岛素

C．用不育系培育杂种一代

D．培育转基因抗虫棉

显示提示

　　2、D　解答此题可从如下几步入手分析：

第一步，加酶洗衣粉中含有蛋白酶和脂肪酶等多种酶。

第二步，汗渍中的主要成分为脂肪类和蛋白类物质；油污中的主要污物为脂类；奶渍中的主要污物为蛋白类和脂肪类。

第三步，可重复使用的酶制剂应为固定化酶，加酶洗衣粉中的酶为固体酶制剂而非固定化酶，因此可以确定D项不是加酶洗衣粉的优点。

　　3、C　解该题需从如下几步入手分析：

第一步，利用微生物生产酶制剂时基因工程的手段不一定是必需的，因而应排除DNA重组。

第二步，治疗疾病是酶制剂应用的一个方面，不属于酶制剂生产的过程。

第三步，利用微生物生产酶制剂的一般过程首先是利用微生物生长繁殖快的特点，在选好菌种后通过发酵大量培养，然后按需要采取一定方法提取所需酶类，由于生产中往往需要纯度较高的单一酶类，所以应该分离纯化后再使用效果更佳。

但是在生产中还会遇到催化结束后酶与产物混在一起，不仅影响产品纯度，且酶制剂不能重复使用，降低了经济效益的问题，因而酶的固定不可缺少。

综合上述分析得出正确答案。

　　7、C　基因工程的方法可以用于环境监测。

用DNA探针可以检测饮用水中病毒的含量。

具体的方法是使用一个特殊的DNA片段制成探针，与被检测的病毒DNA杂交，从而把病毒检测出来。

10、C　C属于杂交育种技术，不是DNA重组技术，与基因工程无关。

DDCCDBCACC

二、简答题

11、“多酶片”是一种可以治疗消化不良的药片，它含有胰蛋白酶、胰淀粉酶和胃蛋白酶等，它是用特殊工艺制成的双层片，请根据人类消化系统的结构特点及酶所需的生理环境进行分析：

（1）多酶片是_________酶制剂，它是利用酶________________的原理。

（2）“多酶片”的外层含有_________，内层中含有_________________。

　　（3）“多酶片”制成双层片的原因是：

____________________________。

显示答案

提示：

　　要正确解答本题必须弄清酶的特性，为高效性。

掌握影响其活性的外界因素pH。

还要知道人的消化系统组成。

答案：

（1）固体　　酶的高效性

（2）胃蛋白酶　　胰脂肪酶、胰蛋白酶、胰淀粉酶

　　（3）a、胃蛋白酶的酸性环境中活性最大，而胰蛋白酶只有在偏碱性环境中才有活性，且经过酸性环境时就可能导致失活。

b、根据人体消化系统结构特点，多酶片先进入胃（酸性环境）然后才进入小肠（偏碱性环境）。

-END-

课外拓展

固定化酶的特点

　　酶类可粗分为天然酶和修饰酶，固定化酶属于修饰酶。

在修饰酶中，除固定化酶外，还包括经过化学修饰的酶和用分子生物学方法在分子水平上进行改良的酶等。

固定化酶的最大特点是既具有生物催化剂的功能，又具有固相催化剂的特性。

与天然酶相比，固定化酶具有下列优点：

①可以多次使用，而且在多数情况下，酶的稳定性提高。

如固定化的葡萄糖异构酶，可以在60～65℃条件下连续使用超过1000h；固定化黄色短杆菌的延胡索酸酶用于生产L—苹果酸，连续反应一年，其活力仍保持不变。

②反应后，酶与底物和产物易于分开，产物中无残留酶，易于纯化，产品质量高。

③反应条件易于控制，可实现转化反应的连续和自动控制。

④酶的利用效率高，单位酶催化的底物量增加，用酶量减少。

⑤比水溶性酶更适合于多酶反应。

基因工程与疫苗

　　畜禽疫苗和疫病诊断试剂盒应用已成为保证现代畜牧业集约化、大规模生产的一个重要条件。

随着核酸探针技术、单克隆抗体技术、基因工程技术的迅速发展，现已能大批生产高效、优质和多功能的畜禽疫苗，以及特异性强、灵敏度高和使用简便的诊断试剂盒，从而向控制和消灭畜禽疫病的目标迈出了一大步。

　　传统疫苗包括第一代、第二代疫苗，它们是由含减毒病毒和细菌培养物，或者死亡的整个细胞、病毒或灭活毒素等制备而成。

基因工程可应用于开发抵抗动物疾病（如狂犬病、口蹄疫、家禽瘟疫和细菌感染等）的疫苗。

DNA重组技术的发展已经能确定、克隆和表达抗原分子，从而可以方便地获得大量纯抗原分子，由此发展出使用抗原分子而不是整个生物体作疫苗，这种疫苗叫亚单位疫苗。

　　基因工程亚单位疫苗是用基因工程方法分离出病原的保护性抗原基因，将此基因转入原核或真核系统，使其表达出此病原的保护性抗原而制成的一类疫苗；或将病原的毒力相关基因删除掉或突变使其失去相关活性，使其成为不带毒力相关基因的基因缺失苗或突变苗。

基因工程疫苗只含有病原的部分组成，而传统疫苗往往是完整的病原体，因此基因工程疫苗的最大优点是安全性高。

　　基因工程亚单位疫苗最常采用的表达系统为大肠杆菌表达系统，例如预防幼畜腹泻的疫苗。

但有时因为大肠杆菌系统表达的糖蛋白不能糖基化，导致免疫原性大大降低，这时比较理想的表达系统是酵母菌表达系统或昆虫细胞表达系统。

　　可用植物作生物反应器生产疫苗，利用植物生产疫苗的最大优点是生产出的疫苗可以作为食品直接口服。

目前该领域研究较深入的是利用转基因植物生产口服乙型肝炎疫苗。

将乙肝表面抗原基因转入马铃薯并得到表达，用该转基因马铃薯喂养小鼠，在小鼠体内检测到保护性抗原，包括黏膜抗体，它们分泌到循环系统，能发挥正常功能。

该实验证明，转基因植物中的抗原可安全通过动物消化道最终成为黏膜性抗原，不会被蛋白酶降解，而且只需口服少量的乙肝表面抗原蛋白就可产生良好的免疫应答反应。

采用马铃薯只是为了研究工作方便，要使转基因植物成为真正的口服疫苗而应用，必须能在生食或只需简单加工的植物如蔬菜、水果中大量表达抗原蛋白。

这样可以避免在食品加工过程中破坏抗原蛋白，如加热破坏抗原蛋白。

-END-

高考解析

例1、（江苏，12）关于青霉素生产的叙述，正确的是（　）

A．青霉素是青霉菌生长代谢中重要的初级代谢产物

B．用紫外线、激光、化学诱变剂处理青霉菌再经筛选的方法可以选育高产菌种

C．发酵罐接种后必须进行灭菌处理

D．在青霉菌生长的稳定期，活菌数不再增加，青霉素产量也不再增加

解析：

　　青霉菌能够合成青霉素，青霉素属于青霉菌的次级代谢产物；接种后再行灭茵，会把菌种杀死；在稳定期可以通过连续培养的方法保持微生物长时间的高速增长，提高产量；微生物育种可通过多种方法，包括诱变育种、基因工程、细胞工程等手段，其中诱变育种包括物理诱变和化学诱变等，因此本题选B。

答案：

B

例2、（江苏，15）我国科学家运用基因工程技术，将苏云金芽孢杆菌的抗虫基因导入棉花细胞并成功表达，培育出了抗虫棉。

下列叙述不正确的是（　）

A．基因非编码区对于抗虫基因在棉花细胞中的表达不可缺少

B．重组DNA分子中增加一个碱基对不一定导致毒蛋白的毒性丧失

C．抗虫棉的抗虫基因可通过花粉传递至近缘作物，从而造成基因污染

D．转基因棉花是否具有抗虫特性是通过检测棉花对抗生素抗性来确定的

解析：

　　基因只有保持完整性，才能表达；重组DNA分子中增加一个碱基对，如果对抗虫基因没有造成破坏，转录翻译出的蛋白质照样具有生物活性；转基因抗虫棉是否具有抗虫特性，可通过让害虫吞吃抗虫棉后观察效果即可，与抗生素抗性是两回事。

答案：

D

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