2025年大學(xué)《資源化學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——生物催化劑的設(shè)計(jì)與合成方法考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋（每小題3分，共15分）1.生物催化劑2.固定化酶3.定向進(jìn)化4.載體偶聯(lián)法5.理性設(shè)計(jì)二、填空題（每空1分，共20分）1.與傳統(tǒng)化學(xué)催化劑相比，生物催化劑的主要優(yōu)點(diǎn)包括______、______和______。2.常用的酶固定化方法有______、______、______和______。3.基于天然酶進(jìn)行改造的設(shè)計(jì)策略主要包括______、______和______。4.利用基因工程手段獲得新型生物催化劑通常涉及______、______和______等關(guān)鍵步驟。5.生物催化技術(shù)在資源化學(xué)領(lǐng)域可用于______、______和______等方面。三、簡(jiǎn)答題（每小題5分，共20分）1.簡(jiǎn)述酶固定化技術(shù)的意義及其主要優(yōu)點(diǎn)。2.理性設(shè)計(jì)生物催化劑通常需要考慮哪些關(guān)鍵因素？3.什么是定向進(jìn)化？它與理性設(shè)計(jì)相比有何特點(diǎn)？4.比較吸附法和交聯(lián)法兩種固定化酶技術(shù)的原理和區(qū)別。四、論述題（每小題10分，共30分）1.論述固定化酶相比游離酶在穩(wěn)定性、重復(fù)使用性以及反應(yīng)條件（如底物濃度、pH、溫度）方面可能存在的優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合具體實(shí)例說(shuō)明。2.以生物催化在生物燃料生產(chǎn)或環(huán)境廢水處理中的應(yīng)用為例，分析其與傳統(tǒng)化學(xué)方法的比較優(yōu)勢(shì)，并指出當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)。3.設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的策略，用于提高某種特定工業(yè)酶（如用于降解某種污染物或合成特定化學(xué)品的酶）在有機(jī)溶劑中的活性或穩(wěn)定性，并說(shuō)明設(shè)計(jì)依據(jù)。試卷答案一、名詞解釋1.生物催化劑：指在生物體內(nèi)或由生物合成、改造產(chǎn)生的具有催化活性的物質(zhì)，主要是酶，也包括具有催化活性的微生物、細(xì)胞、組織等。**解析思路：*考察對(duì)核心概念的理解，答案需包含生物來(lái)源和催化活性兩個(gè)關(guān)鍵要素。2.固定化酶：指將水溶性酶分子通過(guò)物理或化學(xué)方法固定在不溶性載體上，或?qū)⑵湎拗圃谔囟臻g內(nèi)，使其仍保持催化活性的酶制劑。**解析思路：*考察對(duì)固定化酶定義的掌握，關(guān)鍵在于“固定”和“保持活性”。3.定向進(jìn)化：指在分子水平上模擬自然進(jìn)化過(guò)程，通過(guò)理性設(shè)計(jì)或隨機(jī)誘變結(jié)合篩選，對(duì)酶或其他蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行定向改造，以獲得具有特定優(yōu)良性狀（如提高活性、改變底物特異性、增強(qiáng)穩(wěn)定性等）的突變體。**解析思路：*考察對(duì)定向進(jìn)化核心方法的理解，包括誘變、篩選和目標(biāo)性狀。4.載體偶聯(lián)法：指利用共價(jià)鍵或其他非共價(jià)鍵將酶分子直接連接到惰性或不溶性載體表面的固定化酶制備方法。**解析思路：*考察對(duì)具體固定化技術(shù)的掌握，強(qiáng)調(diào)“共價(jià)連接”和“載體表面”。5.理性設(shè)計(jì)：指基于對(duì)酶的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系、反應(yīng)機(jī)理以及分子間相互作用的深刻理解，通過(guò)計(jì)算模擬、分子設(shè)計(jì)等手段，對(duì)酶進(jìn)行定點(diǎn)突變或構(gòu)建全新酶分子的策略，以期獲得期望的催化性能。**解析思路：*考察對(duì)設(shè)計(jì)策略的理解，強(qiáng)調(diào)“基于理解”和“計(jì)算/分子設(shè)計(jì)”的特點(diǎn)。二、填空題1.高效性、高選擇性、高專一性**解析思路：*考察生物催化劑相比傳統(tǒng)催化劑的核心優(yōu)勢(shì)。2.吸附法、包埋法、交聯(lián)法、載體偶聯(lián)法**解析思路：*考察固定化酶的常用方法分類。3.理性設(shè)計(jì)、定向進(jìn)化、蛋白質(zhì)工程**解析思路：*考察基于天然酶進(jìn)行改造的主要策略分類。4.基因克隆、蛋白質(zhì)表達(dá)、定向進(jìn)化（或突變體篩選）**解析思路：*考察基因工程獲得新酶的主要步驟。5.資源轉(zhuǎn)化、環(huán)境保護(hù)、生物能源**解析思路：*考察生物催化在資源化學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的典型應(yīng)用方向。三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述酶固定化技術(shù)的意義及其主要優(yōu)點(diǎn)。**答案：*意義在于將酶用于工業(yè)化生產(chǎn)或?qū)嶋H應(yīng)用中，克服游離酶穩(wěn)定性差、易失活、難以回收和重復(fù)使用、反應(yīng)后產(chǎn)物易抑制等缺點(diǎn)。主要優(yōu)點(diǎn)包括：①提高酶的穩(wěn)定性（熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性）；②增強(qiáng)酶的重復(fù)使用性，降低成本；③使酶易于與底物分離，簡(jiǎn)化產(chǎn)物純化過(guò)程；④改變酶的反應(yīng)特性（如提高反應(yīng)速率、擴(kuò)大反應(yīng)范圍）；⑤便于固定在特定位置（如生物傳感器、固定床反應(yīng)器）。**解析思路：*要求全面闡述固定化的作用和帶來(lái)的好處，需從穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、分離純化、應(yīng)用形式等方面回答。2.理性設(shè)計(jì)生物催化劑通常需要考慮哪些關(guān)鍵因素？**答案：*理性設(shè)計(jì)需要考慮：①目標(biāo)酶的催化機(jī)理和結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系；②底物和產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)特性；③靶向的氨基酸殘基在酶活性中心或結(jié)合位點(diǎn)的作用；④誘變（如點(diǎn)突變）引入的氨基酸種類及其理化性質(zhì)；⑤預(yù)測(cè)突變對(duì)酶空間結(jié)構(gòu)、電荷分布及催化能力的影響（常借助分子模擬）；⑥篩選策略的有效性。**解析思路：*考察理性設(shè)計(jì)的依據(jù)和過(guò)程，涉及酶學(xué)知識(shí)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、計(jì)算化學(xué)和篩選方法。3.什么是定向進(jìn)化？它與理性設(shè)計(jì)相比有何特點(diǎn)？**答案：*定向進(jìn)化是指通過(guò)模擬自然選擇過(guò)程，結(jié)合隨機(jī)誘變和篩選，對(duì)蛋白質(zhì)（酶）進(jìn)行定向改造以獲得理想功能的過(guò)程。其特點(diǎn)包括：①基于現(xiàn)有酶進(jìn)行改造，無(wú)需了解其完整的作用機(jī)制和結(jié)構(gòu)信息；②利用隨機(jī)誘變產(chǎn)生大量突變體庫(kù)；③通過(guò)高效篩選或定向進(jìn)化（如DNAShuffling）技術(shù)選出性能更優(yōu)的突變體；④更具實(shí)驗(yàn)操作性，尤其適用于對(duì)作用機(jī)制了解不深或難以進(jìn)行理性設(shè)計(jì)的酶。與理性設(shè)計(jì)相比，定向進(jìn)化更“試錯(cuò)”，更具盲目性，但適用性更廣。**解析思路：*要求準(zhǔn)確定義定向進(jìn)化，并能清晰對(duì)比其與理性設(shè)計(jì)的不同之處，特別是對(duì)初始知識(shí)和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的要求。4.比較吸附法和交聯(lián)法兩種固定化酶技術(shù)的原理和區(qū)別。**答案：*吸附法原理是利用酶分子與載體表面之間的物理吸附力（如范德華力、靜電引力、氫鍵等）將酶固定。其特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、成本低、對(duì)酶活性影響小，但結(jié)合力較弱，酶易脫落，重復(fù)使用性差。交聯(lián)法原理是利用交聯(lián)劑（如戊二醛）的官能團(tuán)與酶分子側(cè)鏈或活性中心基團(tuán)以及載體（如果使用）上的基團(tuán)反應(yīng)，形成共價(jià)鍵網(wǎng)絡(luò)將酶交聯(lián)起來(lái)。其特點(diǎn)是結(jié)合力強(qiáng)，穩(wěn)定性高，重復(fù)使用性好，但交聯(lián)劑可能影響酶活性，且操作相對(duì)復(fù)雜。**解析思路：*要求分別闡述兩種方法的原理，并從結(jié)合力、穩(wěn)定性、酶活性影響、操作復(fù)雜度、成本等方面進(jìn)行比較。四、論述題1.論述固定化酶相比游離酶在穩(wěn)定性、重復(fù)使用性以及反應(yīng)條件方面可能存在的優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合具體實(shí)例說(shuō)明。**答案：*固定化酶相比游離酶具有顯著優(yōu)勢(shì)。首先，固定化可以顯著提高酶的穩(wěn)定性。例如，通過(guò)包埋將酶封閉在凝膠網(wǎng)絡(luò)中，可以保護(hù)酶免受外界環(huán)境因素（如高濃度有機(jī)溶劑、極端pH、高溫、蛋白酶降解）的破壞，從而提高其熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。其次，固定化酶可以多次循環(huán)使用，降低了生產(chǎn)成本。例如，固定化葡萄糖異構(gòu)酶在連續(xù)糖化工藝中可重復(fù)使用數(shù)百次，而游離酶使用一次即失活。最后，固定化酶有時(shí)能耐受更寬泛的反應(yīng)條件。例如，某些固定化酶（如固定在有機(jī)溶劑兼容載體上的酶）可以在非水相中催化反應(yīng)，而游離酶通常只能在水相中工作。又如，通過(guò)特定方法固定化的酶可能表現(xiàn)出更高的耐酸堿或耐溫性。這些優(yōu)勢(shì)使得固定化酶在工業(yè)生產(chǎn)中具有巨大應(yīng)用潛力。**解析思路：*需要分別論述穩(wěn)定性、重復(fù)使用性、反應(yīng)條件三個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)，并每個(gè)方面至少結(jié)合一個(gè)具體的實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明，體現(xiàn)理解深度和應(yīng)用能力。2.以生物催化在生物燃料生產(chǎn)或環(huán)境廢水處理中的應(yīng)用為例，分析其與傳統(tǒng)化學(xué)方法的比較優(yōu)勢(shì)，并指出當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)。**答案：*以生物催化在生物燃料生產(chǎn)中的應(yīng)用為例，其優(yōu)勢(shì)在于：①條件溫和，通常在常溫常壓、中性或近中性pH、水相條件下進(jìn)行，能耗低，環(huán)境友好；②高效、高選擇性，能特異性催化復(fù)雜底物的轉(zhuǎn)化，副反應(yīng)少；③對(duì)底物結(jié)構(gòu)適應(yīng)性較好，可以利用非天然底物或復(fù)雜生物質(zhì)組分。例如，利用酶催化將纖維素水解為葡萄糖，再發(fā)酵為乙醇生產(chǎn)生物燃料，過(guò)程更加綠色高效。與傳統(tǒng)化學(xué)方法（如酸水解、高溫高壓氣化）相比，生物催化更環(huán)保、效率更高。然而，生物催化也面臨挑戰(zhàn)：①酶的穩(wěn)定性不足，尤其在高溫、高濃度底物/產(chǎn)物、有機(jī)溶劑等工業(yè)條件下易失活；②酶的催化活性相對(duì)較低，可能需要較長(zhǎng)時(shí)間或較高的酶濃度；③酶成本較高，特別是對(duì)于工業(yè)級(jí)應(yīng)用；④副反應(yīng)仍可能發(fā)生，影響產(chǎn)率。以環(huán)境廢水處理為例，生物催化（如利用降解酶處理有機(jī)污染物）優(yōu)勢(shì)在于特異性強(qiáng)，能去除特定污染物，操作相對(duì)簡(jiǎn)單。挑戰(zhàn)則包括：①部分污染物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以被現(xiàn)有酶降解；②廢水中可能存在抑制物或毒性物質(zhì)影響酶活性；③處理效率有時(shí)難以滿足要求；④部分降解過(guò)程需要特定微生物群落，難以控制。**解析思路：*選擇一個(gè)具體應(yīng)用方向（如生物燃料或廢水處理），先系統(tǒng)分析其相比傳統(tǒng)化學(xué)方法的優(yōu)勢(shì)（結(jié)合具體實(shí)例或原理），再客觀指出當(dāng)前面臨的主要技術(shù)或經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)。3.設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的策略，用于提高某種特定工業(yè)酶（如用于降解某種污染物或合成特定化學(xué)品的酶）在有機(jī)溶劑中的活性或穩(wěn)定性，并說(shuō)明設(shè)計(jì)依據(jù)。**答案：*以提高某用于有機(jī)溶劑中降解污染物X的酶（假設(shè)為E）的穩(wěn)定性為例，設(shè)計(jì)策略：采用有機(jī)溶劑耐受性篩選結(jié)合蛋白質(zhì)工程進(jìn)行改造。具體步驟：①篩選：從自然界或已知的酶庫(kù)中篩選能夠在高濃度有機(jī)溶劑（如DMF或TCE，污染物X的溶劑或環(huán)境介質(zhì)）中仍保持一定活性的E的天然變異體或相關(guān)酶。②蛋白質(zhì)工程改造：**提高穩(wěn)定性：*基于篩選得到的候選酶或原始酶的結(jié)構(gòu)，利用分子動(dòng)力學(xué)模擬等計(jì)算手段，預(yù)測(cè)在有機(jī)溶劑中導(dǎo)致構(gòu)象變化或失活的關(guān)鍵殘基。通過(guò)定點(diǎn)突變，將這些關(guān)鍵殘基替換為更疏水、更親脂或具有更強(qiáng)相互作用（如鹽橋、氫鍵）的氨基酸，以增強(qiáng)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)骨架的剛性或修復(fù)有機(jī)溶劑誘導(dǎo)的構(gòu)象變化。例如，替換為丙氨酸、纈氨酸等疏水性氨基酸以增加疏水核心，或替換為半胱氨酸以引入二硫鍵增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。**提高活性：*如果有機(jī)溶劑