第二章 生物反应动力学 PPT课件

说明反应机理,即阐明各基元反应如何进行,也就是反应历程.
研究均相酶催化反应的目的:阐明反应机理及设计反应器及其操作. 非均相酶催化反应 指酶和反应物系不处于同一相(液相)中的酶催化反应，同时还存在固相 或另一个液相，因而存在相间的物质传递。这些情况主要有固定化酶反应、 双水相酶反应及有机相酶催化反应等。 这部分内容将在第三章生物反应器中的传质与传热中讨论。
k 1C E CS k 1C[ ES ] C E C E 0 C E C[ ES ] CE 0 K S C[ ES ] C[ ES ] CS C[ ES ] C[ ES ] (1 KS ) CS k 1C[ ES ] k 1CS KS
C[ ES ] CS
最后一式即为M-M方程ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 该方程中引入了两个参数：
C E 0C S CS K S r C kCE 0CS P ,max S K S CS K S CS
r rP
KS
k 1 k 1
rP,max --P的最大生成速率,mol/(L.S).
rP ,max kCE 0
M-M方程是一个两参数方程。 当从中间复合物生成产物P的速率与其分解成酶和底物的速率相当时，M-M 方程不适用。
M-M方程和B-H方程的比较见书P19表2-3。
几种特殊情况的讨论：
定义：催化活性中心速率常数 对于M-M和B-H方程， •存在多个中间复合物
kcat
rP ,max CE 0
kcat k
KS K K k ES [ES] [ES]' [ES]'' EP
1
简单的酶催化反应动力学
指由一种反应物(底物)参与的不可逆反应，例如酶催化的水解反应和 异构化反应。可以写为： E S P 其反应机理可以认为是：首先是底物S和酶E相结合形成中间复合物 [ES]，然后该复合物分解成产物P，并释放出酶E。即有：
S E [ ES] P E
上述反应的速率可表示为: 1 dnS rS V dt 上式中：V--反应体系的体积,L.
第二章
生物反应动力学（8学时）
• 基本要求： 掌握简单酶催化反应动力学、有抑制的和复杂的酶催化反应动 力学，掌握影响酶催化反应速率的因素，以及动力学参数的求取。 了解微生物反应过程的计量学，掌握分批培养时细胞生长动力 学、底物消耗及产物生成动力学，学会细胞反应动力学参数的估算。 了解细胞内生物反应－代谢工程的基础知识，掌握简单的代谢 流量分析，介绍代谢工程进展。 • 重点： 各种情况下的酶和细胞反应（过程）的动力学方程及其在形式 上差异、简单的代谢流量分析。 • 难点： 酶催化反应动力学机理方程的推导。
0
根据反应机理和拟稳态假设，有下述方程式：
最后一式即为B-H方程。 该方程中引入了两个参数：
rP ,max kCE 0 Km k1 k k KS k1 k1
C E 0C S k k C S 1 k 1
r rP
r C kCE 0C S P ,max S k 1 k K m CS CS k 1
拟稳态假设法—Briggs-Haldane方程 拟稳态假设：认为由于反应体系中底物浓度要比酶的浓度高得多，中间复合物 分解时所得到的酶又立即与底物相结合，使得反应体系中复合物的浓度维持不 变，即中间复合物的浓度不随时间变化，即：
dC[ ES ] dt
dCP kC[ ES ] dt dCS k 1C E C S k 1C[ ES ] dt dC[ ES ] k 1C E C S k 1C[ ES ] kC[ ES ] 0 dt C E 0 C E C[ ES ] C[ ES ] C[ ES ] ( k 1 k ) C[ ES ] C E 0 k 1C S
3.
与底物S的浓度相比,酶的浓度很小,因此可以不计由于生成中间复合物[ES] 所消耗的底物.
产物的抑制作用不计. 有两种推导反应速率方程的方法:平衡假设法和拟稳态假设法.
平衡假设法—Michaelis-Menten方程 平衡假设：认为酶催化反应历程中，生成产物一步的反应速率要慢于底物S和酶 形成中间复合物的可逆反应速率，因此生成产物一步的反应速率决定整个酶催 化反应的速率，生成复合物的可逆反应则达到平衡状态。 根据假设有： r rP kC[ ES ] 根据生成复合物的可逆反应有：
第一节
均相酶催化反应动力学
酶催化反应过程分为：均相酶催化反应过程和非均相酶催化反应过程。 均相酶催化反应
定义: 指酶和反应物系处于同一相(液相)中的酶催化反应.
特点: 不存在相间的物质传递.所描述的反应速率与反应物系的基本关系反映 了该反应过程的本征动力学关系,是分子水平上的反应.本征动力学可以
终的速率方程.为此,需用反应体系中的可测量来代替该未知量.这样得到的反应速 率方程可以用来描述反应的进行,知道随着反应的进行各组分浓度的变化情况,据 此可以设计相关的反应器. 下面我们来推导.对于上述反应,我们假设: 1. 在反应过程中,酶浓度保持恒定,即 CE 0 CE C[ ES ]
2.
1 dn P V dt
rP
底物的消耗速率,mol/(L.S) 产物的生成速率,mol/(L.S)
nS , nP --为底物S和产物P的量,mol.
t—为时间,S.
根据质量作用定律,P的生成速率可以表示为: rP kC[ ES ]
由于中间复合物[ES]的浓度
C[ ES ]
为一难测定的未知量,因此不能用它来表示最
'
•存在多个产物中间复合物
kKK ' kcat 1 K KK ' KS Km 1 K K '
k3 k1 k2 k4 [ EP]1 [ EP]2 [ EP]3 [ EP]4 EP
1 1 1 1 1 kcat k1 k2 k3 k4