Giải bài tập Chuyên đề Sinh học 10 Bài 10: Ứng dụng và triển vọng của công nghệ enzyme
A/ Câu hỏi mở đầu
Mở đầu trang 60 Chuyên đề Sinh học 10: So với việc sử dụng chất xúc tác hóa học và các tác nhân vật lí, việc sử dụng enzyme trong các quy trình sản xuất và đời sống làm giảm chất thải gây ô nhiễm môi trường, giúp chúng ta “sống xanh” hơn (hình 10.1). Liệu chúng ta có thể “sống xanh” hơn nữa bằng cách giảm sử dụng, sử dụng lại hoặc tái chế enzyme để giảm thiểu việc tiêu tốn năng lượng, phát thải khí CO2, nước thải và các phế phụ phẩm cần được xử lí trong quy trình sản xuất enzyme không?
Trả lời:
Chúng ta có thể “sống xanh” hơn nữa bằng cách giảm sử dụng, sử dụng lại hoặc tái chế enzyme để giảm thiểu việc tiêu tốn năng lượng, phát thải khí CO2, nước thải và các phế phụ phẩm cần được xử lí trong quy trình sản xuất enzyme. Muốn tái sử dụng chế phẩm enzyme cần có phương pháp giữ cho enzyme không bị biến tính như cố định enzyme.
B/ Câu hỏi giữa bài
I. ỨNG DỤNG ENZYME
Hình thành kiến thức, kĩ năng 1 trang 60 Chuyên đề Sinh học 10: Khi nào enzyme được dùng ở dạng tự do, cố định hay trong tế bào?
Trả lời:
– Enzyme thường được dùng ở dạng tự do khi cơ chất là các chất không tan như cellulose, tinh bột, các chế phẩm và phụ phẩm dạng rắn trong công nghiệp chế biến,…
– Enzyme thường được dùng ở dạng cố định khi muốn tái sử dụng enzyme nhiều lần và cơ chất ở dạng hòa tan.
– Enzyme thường được dùng ở dạng trong tế bào khi sản phẩm chuyển hóa đòi hỏi sự xúc tác của enzyme có gắn với coenzyme hoặc của phức hệ nhiều enzyme phức tạp trong tế bào, đòi hỏi năng lượng ATP.
Hình thành kiến thức, kĩ năng 2 trang 60 Chuyên đề Sinh học 10: Nêu các ưu điểm, nhược điểm của chế phẩm enzyme tự do.
Trả lời:
– Ưu điểm của chế phẩm enzyme tự do: Các enzyme trong chế phẩm tự do tiếp xúc với cơ chất, không bị giới hạn không gian, do vậy, chúng thể hiện được đầy đủ hoạt tính của mình.
– Nhược điểm: Các enzyme tự do rất dễ bị biến tính bởi các điều kiện môi trường (nhiệt độ, pH, các chất ức chế,…).
Hình thành kiến thức, kĩ năng 3 trang 61 Chuyên đề Sinh học 10: Người ta có thể tái sử dụng enzyme bằng những cách nào?
Trả lời:
Người ta có thể tái sử dụng enzyme bằng cách cố định enzyme. Enzyme có thể được cố định trong các hạt vi nang hoặc được hấp phụ, gắn trên các giá thể bằng các liên kết khác nhau, nhờ đó, enzyme vẫn giữ được hoạt tính xúc tác nhưng thường không hòa tan vào dung dịch có chứa cơ chất giúp enzyme được tái sử dụng nhiều lần.
Luyện tập 1 trang 61 Chuyên đề Sinh học 10: Quan sát hình 10.2 và cho biết kĩ thuật cố định enzyme từ (a) đến (e) thuộc loại nào sau đây?
(1) Cố định trong vi nang.
(2) Hấp phụ trên giá thể.
(2) Gắn trên giá thể bằng các liên kết khác nhau.
Trả lời:
– Kĩ thuật cố định enzyme (a), (b) thuộc loại cố định trong vi nang.
– Kĩ thuật cố định enzyme (c), (d), (e) thuộc loại gắn trên giá thể bằng liên kết khác nhau.
Hình thành kiến thức, kĩ năng 4 trang 62 Chuyên đề Sinh học 10: Quan sát hình 10.3 và cho biết cơ chất A được chuyển hóa thành sản phẩm B nhờ những enzyme nào trong tế bào? Các enzyme đó cần hỗ trợ gì từ tế bào?
Trả lời:
– Cơ chất A được chuyển hóa thành sản phẩm B nhờ các enzyme-1, enzyme-2 và enzyme-3 trong tế bào.
– Sự hỗ trợ từ tế bào đối với hoạt động của enzyme: Sự hoạt động của enzyme-2 cần có các tiền chất hoặc coenzyme từ chu trình trao đổi chất của tế bào.
Luyện tập 2 trang 62 Chuyên đề Sinh học 10: Nêu các ưu điểm và hạn chế của kĩ thuật sử dụng enzyme trong tế bào so với sử dụng enzyme tự do.
Trả lời:
– Ưu điểm: Giảm chi phí tinh sạch enzyme, giảm thiểu sự biến tính của enzyme do tác động của môi trường.
– Hạn chế:
+ Cơ chất cần phải đi qua màng tế bào để vào bên trong tế bào và sản phẩm cần phải đi qua màng tế bào để ra ngoài môi trường dẫn đến tộc độ phản ứng enzyme bị chậm lại.
+ Việc duy trì sinh trưởng của tế bào trong môi trường cũng gặp khó khăn đối với các vi sinh vật sống trong điều kiện khắc nghiệt.
Vận dụng 1 trang 62 Chuyên đề Sinh học 10: Nêu tên một số chế phẩm enzyme được dùng trong công nghiệp chế biến thực phẩm mà em biết.
Trả lời:
Một số chế phẩm enzyme được dùng trong công nghiệp chế biến thực phẩm:
– Chế phẩm enzyme alpha – amylase từ Bacillius stearothermophilus được sử dụng để thủy phân tinh bột ăn để sản xuất maltodextrin và chất ngọt carbohydrate dinh dưỡng.
– Chế phẩm enzyme urease từ Lactobacillus fermentum được sử dụng để sản xuất rượu vang.
– Chế phẩm protease được sử dụng để giảm thời gian trộn, giảm độ đặc và tạo độ đồng đều của bột, điều chỉnh độ bền gluten trong bánh mì và cải thiện kết cấu, hương vị trong các loại bánh mì, thực phẩm nướng, bánh quy giòn và bánh quế.
– Chế phẩm enzyme lipase từ Rhizopus niveus được sử dụng để cải thiện hương vị, cấu trúc và độ mềm đặc trưng của phô mai.
– Chế phẩm protein thực vật như bromelain, ficin và papain được dùng để sản xuất bia.
Hình thành kiến thức, kĩ năng 5 trang 63 Chuyên đề Sinh học 10: Quan sát hình 10.4 và cho biết các enzyme được sử dụng trong quy trình sản xuất syrup HFCS thực hiện xúc tác các phản ứng nào trong quy trình đó.
Trả lời:
Các enzyme được sử dụng trong quy trình sản xuất syrup HFCS thực hiện xúc tác các phản ứng tương ứng trong quy trình là:
– Enzyme nhóm amylase xúc tác cho phản ứng thủy phân tinh bột ngô thành glucose.
– Enzyme glucose isomerase xúc tác cho phản ứng chuyển glucose thành fructose.
Hình thành kiến thức, kĩ năng 6 trang 63 Chuyên đề Sinh học 10: Đọc bảng 10.1 và cho biết enzyme được dùng trong các ứng dụng nào của ngành y dược.
Trả lời:
Enzyme được dùng trong các ứng dụng của ngành y dược với những vai trò như:
– Dùng để sản xuất thuốc. Ví dụ: penicillin acylase dùng để sản xuất 6-amino penicillanic acid.
– Dùng để làm chất chỉ thị, chẩn đoán bệnh. Ví dụ: Creatine kinase dùng để chẩn đoán cơn đau tim,…
– Dùng để hỗ trợ tăng hiệu quả của thuốc. Ví dụ: Hyaluronidase được tăng tính dẫn thuốc, làm thuốc hấp thụ sâu vào mô cơ thể,…
– Dùng để làm thuốc trị liệu. Ví dụ: Trypsin được sử dụng để chống viêm, chống phù nề, sưng tấy,…
Luyện tập 3 trang 64 Chuyên đề Sinh học 10: Trong quy trình tạo dòng DNA tái tổ hợp (hình 9.3, bài 9), enzyme được dùng trong những bước nào? Chúng là những enzyme nào? Nêu vai trò xúc tác của các enzyme đó.
Trả lời:
|
Bước trong quy trình tạo dòng DNA tái tổ hợp |
Loại enzyme được sử dụng |
Vai trò xúc tác của enzyme |
|
Bước (1): Tách chiết hoặc tổng hợp DNA đích |
Enzyme lysozyme, cellulase, protease |
Có tác dụng phá vỡ thành, màng tế bào để thu vật liệu di truyền |
|
Enzyme DNA polymerase |
Dùng để xúc tác quá trình lắp các nucleotide vào mạch DNA trong tổng hợp hóa học hoặc nhân DNA bằng PCR. |
|
|
Bước (2): Cắt giới hạn vector (thể truyền) và DNA đích bằng cùng 1 loại enzyme |
Enzyme cắt giới hạn restriction |
Có tác dụng cắt DNA tại những đoạn trình tự nhất định mà chúng nhận biết |
|
Bước (3): Ghép nối vector và đoạn DNA đích đã được cắt giới hạn bằng enzyme nối để tạo DNA tái tổ hợp |
Enzyme nối ligase |
Có tác dụng nối đoạn DNA đích vào vector chuyển gen để tạo DNA tái tổ hợp |
|
Bước (5): Sàng lọc, tuyển chọn dòng tế bào chủ mang vector tái tổ hợp |
Enzyme beta – galactosidase |
Sàng lọc, tuyển chọn dòng tế bào chủ mang vector tái tổ hợp |
Hình thành kiến thức, kĩ năng 7 trang 63 Chuyên đề Sinh học 10: Theo em, ngành công nghệ enzyme trong tương lai sẽ tập trung vào các lĩnh vực nào?
Trả lời:
Ngành công nghệ enzyme trong tương lai sẽ tập trung vào các lĩnh vực như:
– Sử dụng công nghệ gene để cải biến các đặc tính của các enzyme cho phù hợp với các ứng dụng các nhau, nâng cao hiệu quả xúc tác của enzyme.
– Tìm kiếm các enzyme mới từ các vi sinh vật sống trong điều kiện khắc nghiệt nhờ công nghệ phân tích hệ gene.
– Phát triển kĩ thuật mới trong ứng dụng các loại chế phẩm enzyme nhằm loại bỏ các hạn chế của các loại chế phẩm enzyme hiện nay (enzyme tự do, enzyme cố định và enzyme trong tế bào).