Giải bài tập Chuyên đề Sinh học 10 Bài 7: Cơ sở khoa học và một số thành tựu của công nghệ enzyme
A/ Câu hỏi mở đầu
Mở đầu trang 45 Chuyên đề Sinh học 10: Ô nhiễm rác thải nhựa hiện nay đang là vấn đề nan giải toàn cầu do loại rác thải này không phân hủy hoặc có thời gian phân hủy dài hàng trăm năm. Hình 7.1 mô phỏng mong muốn của các nhà khoa học tìm ra loại sinh vật có khả năng phân hủy hoặc tái tạo rác thải nhựa.
Năm 2005, Rudolf Muller và cộng sự lần đầu tiên báo cáo về cutinase, một enzyme ngoại bào từ xạ khuẩn ưa nhiệt Thermobifida fusca có khả năng thủy phân nhựa tổng hợp từ dầu mỏ (PET – polyethylene terephthalate). Từ đó đến nay, cutinase đã được phát hiện ở nhiều vi sinh vật khác nhau.
Làm thế nào để ứng dụng được enzyme cutinase trong thực tiễn? Nêu các cơ sở khoa học ứng dụng công nghệ enzyme.
Trả lời:
– Để ứng dụng được enzyme cutinase trong thực tiễn, cần sử dụng công nghệ enzyme để sản xuất các chế phẩm sinh học chứa enzyme này rồi phổ biến lợi ích, cách sử dụng của các chế phẩm này vào đời sống.
– Các cơ sở khoa học ứng dụng công nghệ enzyme:
(1) Enzyme là chất xúc tác sinh học, có nguồn gốc từ sinh vật.
(2) Enzyme có thể hoạt động bên ngoài tế bào và cơ thể sống trong điều kiện gần với điều kiện trong tế bào sinh vật đó.
(3) Enzyme xúc tác chuyển hóa đặc hiệu một hoặc một nhóm cơ chất thành sản phẩm.
(4) Phần lớn các chế phẩm enzyme hiện nay được sản xuất từ vi sinh vật do chúng có khả năng sinh trưởng nhanh, dễ điều khiển các hoạt động sinh tổng hợp protein.
(5) Enzyme từ các vi sinh vật sống trong điều kiện khắc nghiệt, enzyme được sản xuất và cải biến bằng công nghệ DNA tái tổ hợp và công nghệ gene trở thành xu thế của công nghệ enzyme hiện đại, giúp phục vụ điều kiện công nghiệp khác nhau.
(6) Enzyme được ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau có chất lượng và các đặc tính khác nhau.
B / Câu hỏi giữa bài
I. CƠ SỞ KHOA HỌC ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ENZYME
Hình thành kiến thức, kĩ năng 1 trang 45 Chuyên đề Sinh học 10: Sản phẩm đầu ra của công nghệ enzyme là gì? Nêu một vài ví dụ về sản phẩm của công nghệ enzyme mà em biết.
Trả lời:
– Sản phẩm đầu ra của công nghệ enzyme là các chế phẩm enzyme.
– Một vài ví dụ về sản phẩm của công nghệ enzyme như:
+ Chế phẩm carbohydrase và cellulase có nguồn gốc từ Aspergillus niger để sử dụng trong chế biến ngao và tôm.
+ Chế phẩm bột giặt và chất tẩy rửa sinh học chứa các enzyme.
+ Chế phẩm men tiêu hóa chứa các enzyme hỗ trợ phân giải thức ăn và giúp cơ thể hấp thu dinh dưỡng.
Hình thành kiến thức, kĩ năng 2 trang 46 Chuyên đề Sinh học 10: Hiện tượng sủi bọt khí trong thí nghiệm A và B xảy ra mạnh nhất ở điều kiện nhiệt độ nào? Dự đoán kết quả theo gợi ý ở bảng 7.1.
Bảng 7.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt động của chất xúc tác
|
Nhiệt độ phản ứng |
0 oC |
25 oC |
100 oC |
|
Thí nghiệm A |
? |
? |
? |
|
Thí nghiệm B |
? |
? |
? |
Trả lời:
– Hiện tượng sủi bọt khí trong thí nghiệm A xảy ra mạnh nhất ở điều kiện nhiệt độ 25 oC, thí nghiệm B xảy ra mạnh nhất ở 100 oC.
– Dự đoán kết quả:
|
Nhiệt độ phản ứng |
0 oC |
25 oC |
100 oC |
|
Thí nghiệm A |
Sủi bọt nhẹ |
Sủi bọt mạnh nhất |
Không sủi bọt |
|
Thí nghiệm B |
Hầu như không sủi bọt |
Sủi bọt nhẹ |
Sủi bọt mạnh nhất |
Hình thành kiến thức, kĩ năng 3 trang 46 Chuyên đề Sinh học 10: Thí nghiệm đối chứng (ĐC) có hiện tượng sủi bọt không? Tại sao?
Trả lời:
Thí nghiệm đối chứng (ĐC) không có hiện tượng sủi bọt, vì ống nghiệm chỉ có nước mà không có chất xúc tác sinh học hay chất xúc tác hóa học nên không tác dụng phân giải H2O2 để tạo thành O2.
Hình thành kiến thức, kĩ năng 4 trang 46 Chuyên đề Sinh học 10: Tại sao lại có sự khác biệt về ảnh hưởng của nhiệt độ đến kết quả phản ứng phân hủy H2O2 tạo ra khí O2 trong thí nghiệm A và B nêu trên?
Trả lời:
Sự khác biệt về ảnh hưởng của nhiệt độ đến kết quả phản ứng phân hủy H2O2 tạo ra khí O2 trong thí nghiệm A và B là do:
– Ở thí nghiệm A, chất xúc tác sinh học là enzyme catalase có trong gan gà sẽ xúc tác cho phản ứng phân giải H2O2. Enzyme catalase hoạt động mạnh nhất trong nhiệt độ khoảng 25 oC, vì vậy có hiện tượng sủi bọt mạnh nhất. Khi nhiệt độ quá thấp (0 oC), enzyme catalase bị giảm hoạt tính nên chỉ xuất hiện hiện tượng sủi bọt nhẹ. Khi nhiệt độ quá cao (100 oC), enzyme catalase bị biến tính và mất khả năng hoạt động nên không có hiện tượng sủi bọt.
– Ở thí nghiệm B, phản ứng FeSO4 tác dụng với H2O2 xảy ra trong điều kiện nhiệt độ cao nên khi nhiệt độ càng tăng thì phản ứng xảy ra càng mạnh, do đó, hiện tượng sủi bọt mạnh nhất ở nhiệt độ 100oC.
Vận dụng 1 trang 47 Chuyên đề Sinh học 10: Quy trình giặt tẩy công nghiệp thường diễn ra ở nhiệt độ cao (50 – 90 oC) và nồng độ các chất tẩy rửa có tính kiềm cao (pH > 8). Enzyme được sử dụng trong công nghiệp bột giặt và chất tẩy rửa cần có những đặc tính gì? Các sinh vật sinh enzyme có đặc tính trên có thể được tìm thấy ở đâu?
Trả lời:
– Enzyme được sử dụng trong công nghiệp bột giặt và chất tẩy rửa cần có những đặc tính là: chịu nhiệt, chịu kiềm (giữ được hoạt tính trong điều kiện nhiệt độ và pH cao).
– Các sinh vật sinh enzyme có đặc tính này có thể được tìm thấy ở các vi sinh vật sống trong môi trường khắc nghiệt như trong môi trường như suối nước nóng, các khe nứt dưới biển sâu, trong các hồ và biển có môi trường kiềm cao,…
Vận dụng 2 trang 47 Chuyên đề Sinh học 10: Chế phẩm enzyme protease dùng trong công nghiệp bột giặt và chất tẩy rửa có khác gì so với chế phẩm enzyme protease dùng trong công nghiệp dược (ví dụ chế phẩm protease dùng để phân giải các cục máu đông gây tắc nghẽn mạch)?
Trả lời:
Chế phẩm enzyme protease dùng trong công nghiệp bột giặt và chất tẩy rửa khác so với chế phẩm enzyme protease dùng trong công nghiệp dược khác nhau về điều kiện hoạt động và chất lượng:
– Chế phẩm enzyme protease dùng trong công nghiệp bột giặt và chất tẩy rửa có thể hoạt động tốt trong điều kiện nhiệt độ cao, pH kiềm; nhưng có độ tinh sạch thấp hơn.
– Chế phẩm enzyme protease dùng trong công nghiệp dược hoạt động tốt trong môi trường cơ thể; có độ tinh sạch rất cao để đảm bảo tính hiệu quả và an toàn của thuốc.
II. MỘT SỐ THÀNH TỰU CỦA CÔNG NGHỆ ENZYME
Luyện tập 1 trang 47 Chuyên đề Sinh học 10: So với động vật và thực vật, vi sinh vật có lợi thế gì khi được dùng để sản xuất chế phẩm enzyme?
Trả lời:
Vi sinh vật có nhiều lợi thế hơn so với động vật và thực vật khi dùng để sản xuất chế phẩm enzyme vì:
– Vi sinh vật sinh trưởng nhanh trong môi trường nuôi cấy nhân tạo giúp tăng hiệu suất sản xuất enzyme.
– Rất nhiều vi sinh vật sinh trưởng được trên các môi trường chỉ chứa nguồn carbon rẻ tiền và các khoáng chất đơn giản giúp tiết kiệm cho phí sản xuất.
– Vi sinh vật có nguồn enzyme phong phú, có những tính chất đặc biệt, phù hợp với các ứng dụng khác nhau của con người mà enzyme từ thực vật và động vật không có.
Luyện tập 2 trang 47 Chuyên đề Sinh học 10: Nêu tên một số chế phẩm enzyme được sản xuất bằng công nghệ DNA tái tổ hợp mà em biết. Chúng được ứng dụng trong lĩnh vực nào?
Trả lời:
Một số chế phẩm enzyme được sản xuất bằng công nghệ DNA tái tổ hợp:
– Chế phẩm chymosin được sản xuất bằng công nghệ DNA tái tổ hợp trong nấm mốc Aspergillus niger, được dùng trong công nghiệp chế biến bơ và phô mai.
– Chế phẩm protease được sản xuất bằng công nghệ DNA tái tổ hợp trong E. coli, được ứng dụng thủy phân bã nấm men bia tạo peptide có hoạt tính sinh học.
– Chế phẩm phytase được sản xuất bằng công nghệ DNA tái tổ hợp trong nấm mốc Aspergillus niger, vi khuẩn E. coli, nấm men Saccharomyces cerevisiae,…, được ứng dụng để hỗ trợ tiêu hóa cho động vật nuôi, giảm thiểu ô nhiễm môi trường do phân thải ra.