Giải bài tập Chuyên đề Sinh học 10 Bài 5: Khái quát về công nghệ enzyme
Mở đầu trang 27 Chuyên đề Sinh học 10: Các sản phẩm trong hình trên đều là những ví dụ về sản phẩm ứng dụng công nghệ enzyme. Vậy công nghệ enzyme là gì mà sản phẩm của nó lại được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống đến vậy?
Lời giải:
– Công nghệ enzyme là quy trình kĩ thuật tách chiết và tinh sạch enzyme dùng cho nghiên cứu cũng như ứng dụng trong thực tiễn.
– Các chế phẩm của enzyme được sử dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống như: sản xuất thuốc chữa bệnh, chế biến thức ăn cho người và gia súc, xử lí ô nhiễm môi trường, sản xuất bột giặt và các chất tẩy rửa,…
I. THÀNH TỰU CỦA NGÀNH CÔNG NGHỆ ENZYME
Dừng lại và suy ngẫm 1 trang 30 Chuyên đề Sinh học 10: Em hãy liệt kê những thành tựu nổi bật của công nghệ enzyme qua các thời kì bằng cách hoàn thiện thông tin theo mẫu bảng dưới đây.
|
Thời kì |
Thành tựu |
|
? |
? |
Lời giải:
Thành tựu nổi bật của công nghệ enzyme qua các thời kì:
|
Thời kì |
Thành tựu |
|
Thời kì khởi đầu của công nghệ enzyme |
Tìm ra quá trình lên men, chất lên men: – Phát hiện ra quá trình lên men rượu và so sánh nó với sự tiêu hóa thức ăn trong cơ thể. – Ứng dụng enzyme thủy phân protein có nguồn gốc từ thực vật như dùng quả đu đủ để làm mềm thịt và chữa bệnh chốc lở. |
|
Từ thế kỉ XIX đến những năm 30 của thế kỉ XX |
– Thu tách được enzyme xúc tác quá trình lên men và phân giải các chất hữu cơ như tinh bột, protein. – Phát hiện nước chiết của mầm đại mạch có khả năng chuyển hóa tinh bột thành đường ở điều kiện nhiệt độ phòng. – Thu được chế phẩm enzyme amylase ở dạng dung dịch và dạng bột. – Tách chiết và tinh sạch một lượng lớn các enzyme. |
|
Từ những năm 30 của thế kỉ XX đến nay |
– Sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai từ bã mía, rơm, cỏ,… nhờ enzyme cellulase. – Sản xuất được enzyme làm chín trái cây, tạo mùi hương thay thế các chất hóa học độc hại. – Nghiên cứu thành công enzyme thủy phân rác thải nhựa trong thời gian ngắn, mở ra triển vọng xử lí môi trường bằng công nghệ enzyme trong tương lai. – Nghiên cứu và sử dụng enzyme trong lĩnh vực y tế: enzyme giới hạn, enzyme Cas9,… |
Dừng lại và suy ngẫm 2 trang 30 Chuyên đề Sinh học 10: Thành tựu của công nghệ enzyme trong giai đoạn từ những năm 30 của thế kỉ XX đến nay đã giải quyết được những vấn đề gì trong thực tiễn?
Lời giải:
Từ những năm 30 của thế kỉ XX đến nay, công nghệ enzyme phát triển lên một tầm cao mới và đã giải quyết được nhiều vấn đề phục vụ cho thực tiễn như:
– Xử lí phế phụ phẩm từ nông nghiệp như bã mía, rơm rạ, cỏ,.. để sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ thứ hai nhờ ứng dụng hoạt động của enzyme cellulase.
– Sản xuất được các enzyme làm chín trái cây, tạo mùi hương thay thế các hợp chất hóa học độc hại.
– Mở ra triển vọng xử lí rác thải nhựa bằng công nghệ enzyme.
– Nghiên cứu thành công enzyme cắt giới hạn, khởi đầu cho những thành tựu trong y học như tái tổ hợp gene.
– Nghiên cứu hệ enzyme CRISPR/Cas được sử dụng để sửa chữa DNA trong các bệnh lí di truyền ở người, biệt hóa tế bào gốc thành nhiều loại tế bào khác nhau, tạo ra sinh vật biến đổi gene với hiệu quả cao.
II. CƠ SỞ KHOA HỌC ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ENZYME
Dừng lại và suy ngẫm 1 trang 32 Chuyên đề Sinh học 10: Quan sát hình 5.3, mô tả cấu trúc hoạt động của enzyme dị lập thể.
Lời giải:
Cấu trúc hoạt động của enzyme dị lập thể:
– Enzyme dị lập thể là loại enzyme trong cấu trúc có một hoặc vài vị trí dị lập thể. Trung tâm hoạt động tiếp nhận cơ chất để xúc tác cho phản ứng, trong khi vị trí dị lập thể liên kết với chất tác dụng để điều chỉnh hoạt động xúc tác (ức chế hay tăng cường) của enzyme.
– Phân tử enzyme dị lập thể có thể có loại vị trí dị lập thể dương, loại vị trí dị lập thể âm hoặc cả hai. Trong cơ thể sống, vị trí dị lập thể âm rất quan trọng và phổ biến, thường thể hiện ở cơ chế ức chế ngược để đảm bảo tế bào không tạo ra các chất thừa so với nhu cầu.
Dừng lại và suy ngẫm 2 trang 32 Chuyên đề Sinh học 10: Phân tích những đặc tính ưu việt của enzyme để chỉ ra cơ sở khoa học của việc ứng dụng công nghệ enzyme trong các lĩnh vực khác nhau của đời sống.
Lời giải:
Những đặc tính ưu việt của enzyme là cơ sở khoa học của việc ứng dụng công nghệ enzyme trong các lĩnh vực khác nhau của đời sống:
– Enzyme có trung tâm hoạt động liên kết đặc hiệu với cơ chất. Do đó, mỗi enzyme chỉ tác động lên một hay một số chất có cấu hình không gian tương ứng tạo nên tính đặc hiệu của enzyme.
– Một số enzyme có vùng cấu trúc dị lập thể, có thể liên kết với chất hoạt hóa dị lập thể để ức chế hoặc tăng cường hoạt động của enzyme. Do đó, có thể ứng dụng trong điều trị bệnh hoặc chủ động sản xuất các chế phẩm với số lượng mong muốn.
– Enzyme có điều kiện hoạt động ôn hòa. Đồng thời, nhờ khả năng làm giảm năng lượng hoạt hóa, phản ứng có enzyme xúc tác xảy ra nhanh hơn nhiều lần so với khi xúc tác bằng chất hóa học khác; enzyme cũng có khả năng xúc tác chuyển hóa cho một lượng cơ chất rất lớn chỉ với lượng enzyme rất nhỏ. Do đó, enzyme sử dụng trong các lĩnh vực sản xuất sẽ tiết kiệm được chi phí, thời gian giúp tăng hiệu quả sản xuất, hạ giá thành sản phẩm.
– Nguồn nguyên liệu để thu nhận enzyme rẻ tiền; dễ kiếm; không gây độc cho con người, các sinh vật khác và môi trường.
Luyện tập và vận dụng 1 trang 33 Chuyên đề Sinh học 10: Giải thích cơ chế hoạt động của enzyme dị lập thể trong hình sau:
Lời giải:
Enzyme trong hình có 2 vị trí là trung tâm hoạt động và vị trí dị lập thể:
– Khi không có chất hoạt hóa dị lập thể liên kết tại vị trí liên kết dị lập thể, cơ chất không thể liên kết được với trung tâm hoạt động của enzyme do cấu trúc của trung tâm hoạt động không tương thích dẫn đến enzyme bị bất hoạt.
– Khi chất hoạt hóa dị lập thể liên kết tại vị trí dị lập thể, làm cho cấu hình trung tâm hoạt động của enzyme thay đổi, trung tâm hoạt động lúc này tương thích với cơ chất, enzyme hoạt động xúc tác phản ứng để tạo thành sản phẩm.
Luyện tập và vận dụng 2 trang 33 Chuyên đề Sinh học 10: Hãy phân tích mô hình hoạt động của enzyme và cơ chất theo Fisher (1894) và theo Koshland (1958) trong hình dưới, tìm ra điểm giống và khác nhau giữa hai cơ chế hoạt động này.
Lời giải:
– Điểm giống nhau giữa hai mô hình hoạt động của enzyme và cơ chất: Khi cơ chất có cấu trúc phù hợp với trung tâm hoạt động thì phản ứng mới xảy ra.
– Khác nhau:
|
Mô hình hoạt động của enzyme theo Fisher |
Mô hình hoạt động của enzyme theo Koshland |
|
Trung tâm hoạt động không có sự biến đổi về hình dạng ở giai đoạn tạo phức hợp enzyme – cơ chất. |
Có sự thay đổi về hình dạng của trung tâm hoạt động ở giai đoạn tạo phức hợp enzyme – cơ chất. |
Luyện tập và vận dụng 3 trang 34 Chuyên đề Sinh học 10: Phosphofructokinase – 1 là enzyme quan trọng điều khiển quá trình đường phân, được hoạt hóa dị lập thể bởi AMP và fructose 2,6 – bisphosphate. Nồng độ của hai chất này tăng khi nguồn năng lượng dự trữ của tế bào giảm đi.
a) Dựa vào sơ đồ điều hòa, hãy nêu cơ chế hoạt hóa của enzyme phosphofructokinase – 1.
b) Giả sử, các nhà khoa học đang nghiên cứu để tạo ra một loại thuốc giảm béo dựa trên hoạt động của fructose 2,6 – bisphosphate. Các phân tử thuốc được sản xuất dựa trên cơ chế làm tăng ái lực với fructose 2,6 – bisphosphate. Hãy giải thích cơ chế giảm béo của loại thuốc này.
Lời giải:
a) Cơ chế hoạt hóa của phosphofructokinase – 1:
– Phosphofructokinase – 1 là enzyme quan trọng trong điều khiển quá trình đường phân, được hoạt hóa dị lập thể bởi AMP và fructose 2,6 – bisphosphate. Khi nồng độ hai chất này tăng sẽ xúc tác chuyển hóa fructose 6 – phosphate.
– Ngược lại, ATP và citrate là chất ức chế enzyme phosphofructokinase – 1 nên khi hai chất này tăng sẽ ức chế chuyển hóa fructose 6 – phosphate. Khi fructose 6 – phosphate dư thừa do không được chuyển hóa sẽ tạo thành fructose 2,6 – bisphosphate, chất này lại kích thích hoạt động của enzyme giúp tăng cường chuyển hóa fructose 6 – phosphate.
b) Cơ chế giảm béo của loại thuốc này: Thuốc giảm béo làm tăng ái lực với đường fructose 2,6 – bisphosphate dẫn đến làm giảm nồng độ fructose 2,6 – biphosphate, từ đó tăng cường chuyển hóa fructose 6 – phosphate để tạo fructose 2,6 – bisphosphate. Quá trình này tiêu tốn ATP, ATP sẽ giảm sự ức chế hoạt động của enzyme phosphofructokinase – 1, từ đó làm tăng cường chuyển hóa đường phân, hạn chế tích lũy năng lượng dư thừa dưới dạng lipid, giúp cơ thể giảm béo.