2020年(生物科技行业)南师附中生物奥赛教程全套

2020年高中生物学竞赛春季疫情辅导讲义生物反应2020.4南京3 酶反应器生物反应器的概念提出：20世纪70年代，Arkinson 提出生化反应器（biochemical reactor）一词。

同时，0llis提出另一术语—生物反应器（biological reactor）。

80年代，生物反应器（bioreactor）一词在专业期刊和书籍中大量出现。

生物反应器（bioreactor）是指有效利用生物反应机能的系统（场所）。

既包括传统的发酵罐、酶反应器，还包括采用固定化技术后的固定化酶或细胞反应器、动植物细胞培养用生物反应器和光合生物反应器。

3.1 酶反应器的分类：典型的酶反应器有连续搅拌式反应器、多级搅拌床、流化床、填充床、管式反应器。

如图所示。

搅拌罐多级搅拌床管式反应器流化床填充床与化学反应一样，酶反应器也是根据其型式和操作方式来分类的。

溶液酶反应器（1）根据所使用的酶，分为固定化酶反应器分批式操作（2）根据操作方式，分为连续式操作流加式操作罐型（3）根据几何形式，分为管型膜型非理想型酶反应器（4）根据流体流动特性活塞式反应器理想型酶反应器全混式反应器3.2 理想型酶反应器在管式反应器中，当流体以流速较小的层流流动时，管内流体速度呈抛物线形分布；当流体以流速较大的湍流流动时，速度分布较为均匀，但边界层中速度减缓，径向和轴向存在一定程度的混合。

流体流动速度分布不均或混合，将导致物料浓度分布不同，从而导致酶促反应速率计算的复杂性。

因此，设想了连续活塞式酶反应器（简称CPFR）（continuous plug flow reactor）。

CPFR型酶反应器的特点：连续稳态操作条件下，物料浓度不随时间而变化，径向上物料浓度均一分布，轴向上物料浓度存在差异。

因此酶促反应速率只在轴向存在不同分布。

真实反应器中速度分布CPFR反应器中速度分布在搅拌罐式反应器中，尽管有搅拌器不停地搅拌，物料浓度仍然存在差异，这种差异使酶促反应速率的计算变得非常复杂，因此设想了全混式反应器。

生物竞赛参考书目第一篇：生物竞赛参考书目大学教材类：普通生物学：普通生物学：普通生物学有很多种版本，但是一般推荐陈阅增版的，对整个生物学有着提纲挈领的作用，能够形成一个总体印象，内容也不难理解，可以作为初学的入门教材，也可后期作为复习的线索使用。

植物学：1.植物学（上册）：植物学教材中的经典之作，上册对植物形态解剖有着较完整而深入的叙述，而且书中几乎处处可以作为考点，为必读之作。

2.植物学（下册）：对植物各个们的分类有着系统的阐述，几乎是一章对应一个门，每一章前面都对这个门的特征等有着充分的讲解，后面讲代表植物等，被子植物门之前的内容都比较简练，但是被子植物门的分类太过于丰富，建议重点掌握要求的分科。

3.植物学（彩图版马伟梁著）：可以算是植物学上下册的合集，彩图不容易让人产生厌倦之情，尤其是分类部分选的科不如下册那么冗杂，而且配有插图，宜用来学习分类。

4.植物学（周云龙著）：整体写的比较简洁明了，也是形态解剖和分类兼而有之，分类部分有一些表格非常实用，而且语言简洁，适宜初学和最后复习使用。

植物生理学：植物生理学（潘瑞炽著）：植物生理学的最经典教材，对植物生理学各方面的内容阐述清晰，每一个要点都有必要好好掌握。

动物学：1．普通动物学（3版）：动物学中的首选学习用书，第3版较之第4版可能更能对应于现有的题目，每个门的形态解剖和分类都有必要好好掌握，可适当弱化一下过于小的门类，如腕足动物门等。

2．普通动物学（4版）：印刷更加细致，排版也更美观，提出了一些新的观点，可能就某些问题的阐述与第3版有少许冲突，建议两本书可一本用来学习，一本用来复习。

3．无脊椎动物学：对无脊椎动物有着于普通动物学更加详尽的叙述，同时也有些许观点于普通动物学有分歧，可以作为无脊椎部分的补充阅读。

4．脊椎动物比较解剖学：相对于普通动物学，比较解剖的观点更有利于记忆，考题也多涉及这方面的内容，为必读书籍。

动物生理学：1.人体及动物生理学：无论是第二版还是第三版都有其可读之处，生理学的经典教材。

2020年南京师范大学附属中学高三生物期中试题及答案解析一、选择题：本题共15小题，每小题2分，共30分。

每小题只有一个选项符合题目要求。

1. 受精卵能发育成一个完整的个体，这种能使后代细胞形成完整个体的潜能叫做细胞的（）A.单能性B.多能性C.全能性D.发育性2. 下列有关物质跨膜运输的叙述，错误的是A. 水分子主要是以协助扩散方式进出细胞的B. 性激素进入靶细胞的过程属于自由扩散C. 小肠液中的葡萄糖顺浓度梯度被小肠上皮细胞吸收D. 生物大分子通过胞吞胞吐进出细胞，需要膜蛋白的参与3. 下列关于兴奋传导的叙述，正确的是A. 突触小体可完成“电信号→化学信号→电信号”的转变B. 兴奋在神经元之间传递是从突触前膜到突触后膜C. 神经递质作用于突触后膜，只能使突触后膜产生兴奋D. 神经纤维内部局部电流的方向与兴奋传导的方向相反4. 如图所示为外界O2到肝细胞中被消耗的路径，下列相关叙述正确的是（）A.外界O2由红细胞转运并在肝脏区域进入血浆需经过6层生物膜B.O2进行跨膜运输时需要载体蛋白，但是不消耗能量C.肝细胞和毛细血管壁细胞生活的液体环境完全不同D.外界O2进入内环境是顺浓度梯度，内环境中CO2排出是逆浓度梯度5. 下列有关细胞中元素和化合物的说法，正确的是（）A. 将作物秸秆充分晒干后，其体内剩余的物质主要是无机盐B. 三磷酸腺苷分子的分解与细胞中许多放能反应相伴发生C.DNA多样性与碱基数目、种类、排列顺序有关，与空间结构无关D. 微量元素可参与某些复杂化合物组成，如Fe、Mg分别参与血红蛋白和叶绿素组成6. 下图为高等动物细胞结构的示意图，下列相关叙述正确的是（）A. 在植物细胞中观察不到结构①B. 蛋白质、RNA、DNA等物质均可通过结构①C. 结构①和①中均会发生碱基互补配对D. 用经3H标记的氨基酸研究分泌蛋白时，3H会依次出现在①①①中7. 图表示苹果在氧浓度为a、b、c、d时CO2释放量和O2吸收量关系。

两种性别的后代，即雌蚜和雄蚜。

雌蚜和雄蚜经交配产生受精卵，受精卵排在植物的茎上或根上越冬，到第二年春天孵化，仍为雌蚜，继续以单性生殖产生后代。

蚜虫的单性生殖和两性生殖随季节的变化而交替进行。

单性生殖对蚜虫的广泛分布起着重要作用。

因为既使一个雌虫被偶然带到新环境，就有可能迅速繁殖起来。

所以单性生殖是蚜虫在有利条件下迅速扩大种群的一种适应性。

第二节雌、雄配子形成过程各种生物都具有一定数目的细胞染色体，进行有性生殖的生物，如果雌、雄配子的染色体数也和体细胞染色体数一样，那末，通过受精形成合子，合子发育成新个体，其染色体数必然要世代加倍，但是，这种情况并没有发生，这是什么原因呢？19世纪末，一些生物学家如施特斯伯格(Strasburger)、萨顿(Sutton)、蒙哥马利(Mongtgomery)等研究动、植物生殖细胞的形成过程，发现了配子形成时的减数分裂现象，揭开了亲子之间染色体世代恒定的奥秘所在。

减数分裂是配子形成时的一种特殊方式的有丝分裂。

其特点为形成配子的性母细胞的染色体复制一次，而细胞连续分裂两次，分裂结果使配子染色体只有体细胞染色体数的一半。

由于减数分裂，雌、雄配子染色体数都减半，通过受精作用，合子(受精卵)又恢复本物种细胞染色体数目。

由此可见减数分裂在维持有性生殖后代染色体数恒定上的重要意义。

一、哺乳动物和人的减数分裂(一)精巢的结构、功能和精子的形成1．精巢(睾丸)的结构、功能精巢是产生雄性激素和精子的器官。

哺乳动物和人体的精巢位于阴囊内，卵圆形。

表面被覆结缔组织膜，称白膜。

白膜在后缘增厚，称睾丸纵隔，纵隔向内侧延展，在睾丸实质内形成许多睾丸小隔，两小隔之间称睾丸小叶。

每一小叶内有数条细长迂曲的小管，叫曲细精管，曲细精管是精子发生的场所。

曲细精管的管壁由两种上皮细胞组成，一种是分生能力很强的精原细胞，一种是有支持、营养和分泌雄性激素的支持细胞。

曲细精管向睾丸内侧集中汇集，形成盘曲的睾丸网，进而构成附睾，附睾是精子进一步发育成熟的部位。

2020年高中生物学竞赛春季疫情辅导讲义生物反应2020.4南京8 生物反应工程领域的拓展1980年前后，生物工业的核心是微生物发酵工业，此时的生物化学工程领域更多地开展微生物培养工学方面的研究。

由于1972年重组DNA技术的出现，1985年PCR技术的开发成功，极大地拓宽了生物反应工程所涉及的的领域。

与此同时。

人们对极端条件下微生物活性的变化以及微生物形态变化等方面，给予了更多的关注。

拓宽了生物反应工程领域。

8.1 质粒复制与表达的动力学利用DNA重组技术提高微生物生产有用物质能力已取得可喜的成果。

为进行工程菌株发酵过程中的优化控制，有必要研究目的产物的产率与质粒的基因结构、基因数量，宿主的遗传特性及发酵过程中操作条件等之间定性与定量的关系。

当基因的表达仅取决于微生物细胞所含基因数量时，工程菌细胞中所含质粒的稳定性及其复制与表达能力成为至关重要的因素。

由于质粒的复制数对于提高工程菌株的生产能力是重要的决定因素，因此，下面简要介绍质粒复制与表达的动力学模型。

8.1.1 λdv质粒的概述λdv质粒是从λ噬菌体中分离得到的小突变体，分子量为4.7×166，约为λ噬菌体的十分之一。

λdv质粒的“核心区域”由自身控制区域和启始复制区域两部分构成。

前者包括启动子基因、操作子基因、自身阻遇物基因和终止物基因；后者含有复制起源基因和初始物基因两部分。

质粒复制子的基因结构（Matsebara,Mukai 1975）λdv基因群是在PR OR的支配下进行表达，I与Pr的复合体IPr和活性ori的相互结合控制着基因组的复制，而cro阻遏蛋白积聚起来会抑制自身操纵子的转录，最终是作为自身阻遏物而起作用。

8.1.2 动力学模型的几点假设1、λdv质粒是由PR ORP基因构成的一单体形式；2、由于I蛋白质不稳定，其作为限制性初始物而起作用；3、λdv质粒是以随机模型的方式进行复制，这已由DNA密度沉降实验所证实；4、复制起源点由于转录作用而活化，初始蛋白与活性化ori相结合形成一复合体，为起始复制，复合体的活性要达到某一临界值；5、细胞分裂时，质粒以均等方式进行分配；6、宿主细胞的体积以指数形式增长，质粒对宿主细胞的生长无影响。

2020年高中生物学竞赛春季疫情辅导讲义生物反应2020.4南京4 微生物反应动力学19世纪生物学家巴斯德坚持由糖变为酒精的发酵过程是由细胞产生的，而毕希纳却发现磨碎了的酵母仍能使糖发酵产生酒精，认为发酵是由活细胞产生的非生命物质引起的，称为酶。

可见微生物反应与酶促反应在催化作用的实质看是一致的。

区别在于微生物反应过程是自催化过程，生物反应过程中出现菌体增殖；酶促反应过程中，酶只可能失活，不可能增多。

4.1微生物反应的质量能量衡算 4.1.1 微生物反应式在微生物细胞中，包含的酶促反应成百上千，产物是否也是这样多呢？并非如此。

这是由于一个反应的产物，又是另一个反应的基质，这样就形成了一条条代谢途径，如糖类代谢、脂类代谢、蛋白质代谢。

由于存在精巧的代谢调控，如正反馈、副反馈，中间产物不会大量积累，最终大量积累的只是少数几种终产物。

可见，我们不仅没有可能一个一个研究微生物细胞中的酶反应，也没这个必要。

我们可采用黑箱的研究方法，只考虑其与外界环境的物质交换。

因此，微生物反应过程可以用微生物反应式表示：碳源 + 氮源 + O 2 菌体 + CO 2 + H 2O + 产物与普通化学反应及酶促反应不同的是，在微生物反应式中，出现了菌体项。

菌体可以用实验化学式来表示。

我们来看微生物细胞的化学成分（见教材P 49表3－2）。

在微生物细胞中，C 、H 、O 、N 四种元素含量占菌体干重的90%左右，因此可用实验化学式表示：C αH βN γO δ，通常令α＝1。

例1：细菌的化学元素测定结果是：碳元素含量(干重)53%，氢元素7.3%，氮元素12.0%，氧元素19.%，确定其化学式。

解：α = 165.1125313.7==β2.01253140.12==γ27.01253160.19==δ 细菌的化学式：CH 1.65N 0.2O 0.27表4-1 微生物的元素组成[1]微生物反应式中各项系数的确定，部分通过实验测定，部分根据元素平衡计算确定。

2020年高中生物学竞赛春季疫情辅导讲义生物反应2020.4南京2 酶促反应动力学2.1 酶促反应动力学的特点 2.1.1 酶的基本概念2.1.2 酶的稳定性及应用特点酶是以活力、而不是以质量购销的。

酶有不同的质量等级：工业用酶、食品用酶、医药用酶。

酶的实际应用中应注意，没有必要使用比工艺条件所需纯度更高的酶。

2.1.3酶的应用研究与经典酶学研究的联系与区别经典酶学研究中，酶活力的测定是在反应的初始短时间内进行的，并且酶浓度、底物浓度较低，且为水溶液，酶学研究的目的是探讨酶促反应的机制。

工业上，为保证酶促反应高效率完成，常需要使用高浓度的酶制剂和底物，且反应要持续较长时间，反应体系多为非均相体系，有时反应是在有机溶剂中进行。

2.2 均相酶促反应动力学均相酶促反应动力学是以研究酶促反应机制为目的发展起来的。

作为酶工程技术人员，如果仅仅比较详细地解释了酶促反应机制和过程是不够的，还应对影响其反应速率的因素进行定量的分析，建立可信赖的反应速率方程，并以此为基础进行反应器的合理设计和确定反应过程的最佳条件。

因此，以讨论反应机制为目的的酶促反应动力学与为了设计与操作反应器的工业酶动力学，在研究方法上自然不同。

这与化学中的反应动力学和工业上的化学反应动力学的不同一样。

2.2.1 酶促反应动力学基础可采用化学反应动力学方法建立酶促反应动力学方程。

对酶促反应 Q P B A k+→+ ，有：B A P AC kC r r r === （2－1） dtdC r AA -= （2－2） dtdC r PP =（2－3） 式中，k ：酶促反应速率常数；r ：酶促反应速率；r A ：以底物A 的消耗速率表示的酶促反应速率； r P ：以产物P 的生成速率表示的酶促反应速率。

对连锁的酶促反应，如P M A k k −→−−→−21，有：A AkC dtdC =-（2－4） M A MC k C k dtdC 21-= （2－5） M PC k dtdC 2= （2－6） 2.2.2 单底物酶促反应动力学（米氏方程）单底物不可逆酶促反应是最简单的酶促反应。