细胞反应动力学概要
第四章第二节细胞反应动力学
μ μm μm μ S KS
b) 对于快速生长密度较高的微生物培养过程:
Where S0 ─ 底物的初始浓度 KS0 ─ 无纲量系数 c) 其它方程:
μmS μ KS0S0 S
or
μmS μ KS1 KS0S0 S
Blackman equation
S
限制性底物 的浓度
12
Monod方程与Michaelis-Menten方程的比较
Michaelis-Menten方程
1. 酶催化反应 2. 一种酶参与 3. 单底物的反应 4. 反应速率
kca t E 0 S dP Vm S vP dt Km S Km S
kca t S vP dP E 0 E 0 dt Km S
dS dt dP dt
a) Monod 方程的提出
假设条件： 1.只有一种限制性底物 2. 均衡生长 3. 细胞得率系数为常数
典型的非结构非分离动力学模型是Monod 方程， 表达形式类似于酶的Michaelis-Menten 方程:
μm S μ KS S
半经验公式
Where μ ─ 比生长速率 ( h-1 )
rP
μ
dP dt
dX Xdt
qS
dS Xd t
底物比消耗速率 (h-1)
产物比合成速率 (h-1)
5
dP qP Xdt
4.2.2 细胞反应动力学
细胞生长动力学 (X) 细胞反应动力学 产物合成动力学 (P) 底物消耗动力学 (S)
6
细胞生长与限制
什么是限制性底物？ During the microorganisms growth the environment will change but if the conditions remain favorable growth will continue until one of the essential substrates is depleted. If all other nutrients are available in excess this substrate is called the growth-limiting substrate. 培养基中某一底物S的浓度增加会影响细胞生长速率， 而其它营养物浓度的变化对生长速率无明显影响，则 底物S即为限制性底物。
细胞化学反应动力学例题和知识点总结
细胞化学反应动力学例题和知识点总结细胞化学反应动力学是研究细胞内化学反应速率和机制的重要领域，它对于理解细胞的生理功能、代谢过程以及疾病的发生发展都具有关键意义。
接下来，让我们通过一些例题来深入理解细胞化学反应动力学的相关知识点。
一、知识点回顾在探讨例题之前，先来回顾一下细胞化学反应动力学的几个重要知识点。
1、反应速率反应速率通常用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示。
对于一般的化学反应 aA ＋bB → cC ＋ dD，其反应速率可以表示为：v ＝－1/a(dA/dt) ＝－1/b(dB/dt) ＝ 1/c(dC/dt) ＝ 1/d(dD/dt) 。
2、浓度对反应速率的影响根据质量作用定律，反应速率与反应物浓度的乘积成正比。
对于简单的一级反应，反应速率只与一种反应物的浓度成正比；对于二级反应，反应速率与两种反应物浓度的乘积成正比。
3、酶促反应动力学酶能够显著加快反应速率，但不改变反应的平衡常数。
酶促反应的速率受到酶浓度、底物浓度、温度、pH 值等多种因素的影响。
米氏方程（v ＝ VmaxS ／（Km ＋ S)）常用于描述酶促反应的速率与底物浓度之间的关系，其中 Vmax 表示最大反应速率，Km 表示米氏常数。
4、反应级数通过实验确定反应速率与反应物浓度之间的关系，可以确定反应的级数。
一级反应的速率与反应物浓度的一次方成正比，二级反应的速率与反应物浓度的二次方成正比，零级反应的速率与反应物浓度无关。
二、例题解析例题 1：在一个细胞内的化学反应A → B 中，反应物 A 的初始浓度为 10 mol/L，经过 20 秒后，A 的浓度降低到 05 mol/L。
计算该反应在这段时间内的平均反应速率。
解：反应速率 v ＝（dA/dt) ，由于浓度的变化量为 10 05 ＝ 05mol/L ，时间为 20 秒，所以平均反应速率 v ＝（05 ／ 20) ＝ 0025mol/（L·s) 。
2.细胞反应动力学
对N平衡：14b＝0.86×14c＝0.86×14×2.42 b＝2.085
对H平衡：34×1+3b＝7.3c+2d d＝12.43
对O平衡：2a×16＝1.2c×16+2e×16+16d a＝12.427
葡萄糖：
1mol底物中含有碳量为72g 转化为细胞的碳量为72×2/3＝48g
葡萄糖：
C6H12O6 aO2 bNH3 c C4.4H7.3O0.86N1.2 dH2O eCO 2
（2）计算上述两反应的得率系数YX/S和YX/O
解（1）求计量系数
十六烷烃：
1mol底物中含有碳量为16×12＝192g 转化为细胞的碳量为192×2/3＝128g
根据反应计量方程式，则有：128＝4.4×12c c＝2.42
则生成1Kg细胞量时消耗葡萄糖为1/0. 42= 2.38 g
Q 1.59104 2.38 1.50104 1 2.28104 (kJ )
2.3 细胞反应动力学的非结构模型
细胞的生长、繁殖代谢是一个复杂的生物化学过程。 该过程包括细胞内的生化反应，也包括胞内与胞外的物质交
换，还包括胞外的物质传递以反应。该体系的特点： 多相：体系内常含有气体、液体和固相。 多组分：培养液中有多种营养成分；多种代谢产物以及具有
三、细胞反应过程的主要特征
1. 细胞是反应的主体。 2. 细胞反应过程的本质是复杂的酶催化反应体系。 3. 细胞反应与酶催化反应也有着明显的不同。
a. 酶催化为分子水平，酶本身不进行再生产 b. 细胞反应是细胞与分子之间，反应的同时细胞也得到
生长。 c. 整个过程中，细胞要经历生长、繁殖、维持和死亡等
第二章-生物反应动力学-2-细胞反应PPT课件
.
18
霉菌的生长特性是菌丝伸长和分枝。从
菌丝体（顶端生长）的顶端细胞间形成
隔膜进行生长，一旦形成一个细胞，它
就保持其完整性。霉菌的倍增时间可短
至60～90 min，但典型的霉菌倍增时间
为4～8 h。
.
19
病毒能在活细胞内繁
殖，但不能在一般培
养基中繁殖。病毒是
通过复制方式进行繁
1 细胞反应过程计量学
反应计量学是对反应物的组成和反应
转化程度的数量化研究。通过计量学，可
知道反应过程中有关组分的组成变化规律
以及各反应之间的数量关系。知道了这些
数量关系，就可以由一个物质的消耗或生
成速率来推知其他物质的消耗或生成速率。
.
40
由于细胞反应过程由众多组分参与，
且代谢途径错综复杂，在细胞生长和繁殖
的。
CH
O
m
n aO
2bNH
3
cCH
fCO
xO
yN
z dCH
uO
vN
weH
2O
2
.
45
CH
O
bNH
m
n aO
2
3
cCH
fCO
xO
yN
z dCH
uO
vN
weH
2O
2
• 式中CHmOn为碳源的元素组成，CHxOyNz
是细胞的元素组成，CHuOvNw为产物的元
素组成。下标m、n、u、v、w、x、y、z
最伟大的发现。
.
3
第三代现代生物技术产品
从1953年美国的Watson及Crick发现了
DNA分子的双螺旋结构，由此而来21世
WBC生理概要
白细胞生理概要
白细胞为球形，直径7-25um，分为粒细胞、淋巴细胞、单核细胞。
是肌体的抵御病原微生物等异物入侵的主要防线。
1. 粒细胞起源于骨髓造血干细胞(了解)
a. 中性粒细胞：防御功能
b. 嗜酸性粒细胞：限制过敏反应，参与蠕虫的免疫反应。
c. 嗜碱性粒细胞：形态与功能与肥大细胞相似，参与超敏反应。
? 中性粒细胞动力学
A.分裂池：从原粒细胞、早幼粒细胞、到中幼粒细胞，这些细胞均有合成DNA的能力。
B.成熟池：包括晚幼粒和杆状粒细胞。
粒细胞自晚幼粒开始失去分裂能力，逐渐发育成熟。
C.贮存池：包括分叶核粒细胞和部分杆状核粒细胞，粒细胞成熟后就贮存于骨髓中，根据需要再释放入外周血，贮存池粒细胞约为外周血的5-20倍。
D.循环池：成熟粒细胞释放入血，有半数随血液循环，常规白细胞计数实际反映了循环池的白细胞。
边缘池：进入血液的半数粒细胞，因微静脉边缘血流较慢而附着于管壁。
边缘池和循环池粒细胞处于动态平衡，可以互换。
2.单核细胞：来自粒-单祖细胞，进入组织后变为巨噬细胞，寿命2-3月。
3.淋巴细胞：起源造血干细胞，分T和B淋巴细胞。
细胞生物学中的生物化学反应动力学
细胞生物学中的生物化学反应动力学近年来，随着科技的不断进步，细胞生物学中的生物化学反应动力学研究也得到了极大的发展。
生物化学反应动力学是研究化学反应速率及其影响因素的学科，细胞生物学中研究生物化学反应动力学可以揭示生物现象的本质，为疾病的治疗和预防提供更有效的方法。
一、生物化学反应动力学的概念生物化学反应动力学是一门研究化学反应速率及其影响因素的学科。
在细胞生物学中，生物化学反应动力学研究细胞内各种生化反应的速率和对速率的影响。
细胞内的化学反应通常由酶催化，而酶催化的反应速率受到很多因素的制约。
二、反应速率常数的计算方法反应速率常数是生物化学反应动力学中最基本的参数，它是化学反应速率与反应物浓度的函数。
计算反应速率常数需要用到一些公式，其中最基本的公式为：k = (1/t) ln([A]₀/[A])其中k表示反应速率常数，t为反应时间，[A]₀表示反应初始时刻A的浓度，[A]表示t时刻A的浓度，ln表示自然对数。
该公式表明，反应速率常数与反应时间和反应物浓度有关，可以通过实验测定得到。
三、影响反应速率的因素生物化学反应速率受到很多因素的影响，其中包括温度、pH 值、浓度、催化剂和反应物分子间的碰撞概率。
其中，温度和pH 值是影响反应速率最主要的因素。
温度影响反应速率的原因在于温度升高会使反应物分子的平均动能增加，达到一定温度后，反应物分子的碰撞能够克服反应物分子间的相互作用能，从而使反应发生。
不过，温度过高时，酶的空间构型被破坏，反应速率会急剧下降。
pH值对反应速率的影响是因为酶对pH值非常敏感。
当pH值偏离其最适pH值时，酶的活性减退，反应速率明显降低。
四、酶催化反应的动力学酶是生物体内催化化学反应的生物催化剂。
酶催化反应动力学研究的重要性体现在酶反应速率与底物浓度之间的函数关系深入研究中。
基本的Michaelis-Menten方程可以描述酶催化反应速率（v）与底物浓度（[S]）的关系，该方程表达为：V = Vmax * [S] / (Km + [S])其中，Vmax表示酶的最大催化速率，在酶浓度饱和时达到。
第二章 酶抑制剂及反应动力学
农业领域
胆碱酯酶:胆碱酯酶催 化胆碱酯生成乙酰胆 碱（神经系统受体）， 缺乏受体造成昆虫神 经系统紊乱，痉挛而 死。
构建抗除草剂工程植物机理 （1）提高除草剂作用靶酶的剂量
❖ EPSP合成酶的生理作用与草甘膦的抑制作用
❖ EPSP合成酶: 5-烯醇丙酮酸莽草酸-3-磷酸合成酶
❖ EPSP合成酶是芳香族氨基酸——色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸生 物合成过程中的关键酶，芳香族氨基酸参与植物体内一些生物碱、 香豆素、类黄酮、木质素、酚类物质等的次生代谢。
1．竞争性抑制动力学 若在反应体系中存在有与底物结构相类似的物质，该 物质能在酶的活性部位上结合，从而阻碍了酶与底物 的结合，使酶催化底物的反应速率下降。这种抑制称 为竞争性抑制。
例1：底物类似物 二氢叶酸合成酶 ：对氨基苯甲酸→二氢叶酸 其竞争性抑制剂：对氨基苯磺酸
反应式
Ks E+S
+
I
Ki
EI
竞争性抑制动力学的主要特点是增大米氏常数(即 亲和力下降)，即当[I] 增加，或KI减小，都将使 KmI增大，反应速率下降，但Vm不变,因为可以通 过增加底物浓度解除抑制。
V0：抑制后反应速度 Km：米氏常数 Ki：抑制常 数（酶抑制剂复合物解离常数） KmI：加入抑制剂 后的米氏常数
2、反竞争性抑制
❖ Kcat（catalyze)型不可逆抑制剂(自杀性底 物)：具有与天然底物相类似的结构，本身也是酶 的底物，被酶催化后，潜伏性的反应基团因酶的 催化而暴露或活化，作用于酶的活性中心或辅基， 使酶被共价修饰而失活。
E +Ss ESs EI
自杀性底物
克拉维酸在抑制β—内酰 胺酶的过程中，既为酶 的底物又为酶的抑制剂, 当每一个酶分子被不可 逆的钝化，约有115个 克拉维酸分子作为底物 被破坏。
第二章--细胞反应动力学PPT课件
戚以政 王炳武 北京化工大学生命科学与技术学院
.
1
第二章 细胞反应动力学
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2
第一节 细胞反应概论
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3
一、发展历史
19世纪以前 1857年Pasteur 一战期间 1933年 1945年 1954年White
自然发酵 酒精发酵由yeast引起 丙酮丁醇、甘油发酵 摇瓶培养法 青霉素发酵 补料操作
✓ 均衡生长模型：细胞各 组分按相同比率增加
✓ 确定论模型：忽略个体 差异，取平均值。
.
7
第二节 细胞反应计量学
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8
一、细胞浓度的测定
测定细胞数目 测定细胞重量
.
9
1、测定细胞数目
比浊法 计数器计数法 活菌平板计数法
.
10
比浊法
分光光度计 菌悬液 只适用于颜色浅、悬浮颗粒极少、细胞
1 1m
YX / S
Y* X/S
.
44
3、用于细胞生长、维持和产物合成
1
1
rSYX */SrXmX CY*P/SrP
1 qSYX */S
mY*1P/SqP
.
45
二、细胞反应中氧的传递
难溶气体 氧的传递的重要性
o在常压和25℃时，空气中的氧在纯水中的饱和溶解度 为0.25mol/m3 o工业发酵常用的微生物的比呼吸速率约为 0.1~0.4kg(O2)/[hr•kg(干细胞)]
.
49
1、相关模型
rP YP/XrX
qP YP/X
产物的生成与细 胞生长相关，保 持同步。
最大值出现在同 关模型
rPrXCX
qP
当细胞生长达到 一定程度后产物 开始合成。
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（3）以氧消耗为基准的细胞得率
生成细胞的质量 mX 消耗氧的质量 mO
YX / O
（4）以有效电子数为基准的细胞得率YaveYave
YX / S 细胞质量 g / mol 底物的有效电子数 Yave / S
（5）对能量的细胞得率YC
YATP mX YX / S M S g / m ol nATP YATP / S
1
c b
s
dቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ p
s
4a
s
b p
例：葡萄糖为基质进行面包酵母(S.cerevisiae)培养， 培养的反应式可用下式表达，求计量关系中的系数 a,b,c,d.
2.2.2 细胞反应过程的得率系数
得率系数：对碳源等物质生成细胞或其他产物的潜力进行定量 评价的重要参数。消耗1g基质生成细胞的克数称为细胞得率或 称生长得率Yx/s (cell yield或growth yield)。
三、细胞反应过程的主要特征
1. 细胞是反应的主体。 2. 细胞反应过程的本质是复杂的酶催化反应体系。 3. 细胞反应与酶催化反应也有着明显的不同。
a. 酶催化为分子水平，酶本身不进行再生产 b. 细胞反应是细胞与分子之间，反应的同时细胞也得到 生长。 c. 整个过程中，细胞要经历生长、繁殖、维持和死亡等 不同阶段。
有单一胞外产物：
CHmOn aO2 bNH3 cCHαOβ Nδ dCH xO y N z eH2O fCO2
细胞： γb＝4 + α － 2β － 3δ 底物： γs＝4 + m － 2n 产物： γp＝4 + x － 2y － 3z 有效电子平衡方程： γs － 4a＝cγb + dγp
YX / S MX c MS MX c MO a M Pd MS
YX / O YP / S
[例2-1] 假设通过实验测定，反应底物十六烷烃和 葡萄糖中有2/3的碳转化为细胞中的碳， (1)计算下述反应的计量系数 十六烷烃：
C16 H34 aO2 bNH3 cC4.4H7.3O0.86N1.2 dH 2O eCO2
二、微生物细胞的性质
细胞的基本特征
（1）组成 细胞的元素组成主要由C，H，O，N四种元素，约占细胞质量的90% （2）形状 细胞形态的不同对细胞的生长反应产生的主要影响： •影响细胞的生长速率 •影响细胞承受剪切力的能力 •影响物质的传递速率 （3）大小 0.1～10微米,在生物反应工程中,通常要考虑细胞微小的这一特性
一 优点：能分泌有用物质，改良生产品种；生长速率快； 条件温和；兼cat与产品一体。 二 缺点：稀溶液。同化作用，提纯难；复杂反应影响产 品质量；遗传变异难稳定；纯培养 要解决的两个基本问题：各种物料和能量的数量比例关系及反 应过程速率的问题。前者涉及的是反应计量学，后者是反应过
程动力学。
四、模型的简化
YX / S
YATP / S 10YATP / S YX / ATP Ms Ms
（6）理论得率和表观得率(宏观得率)
mX mX mST mSG mSR
YX / S
Y
m X /S
mX mSG
（6）得率系数与计量系数
CHmOn aO2 bNH3 cCHαOβ Nδ dCH xO y N z eH2O fCO2
（1）对底物的细胞得率YX/S
YX / S
生成细胞的质量 mX 消耗底物的质量 mS
微分细胞得率YX/S ＝ rX/rS
总细胞得率YX / S
c Xt c Xo cSo cSt
（2）对碳的细胞得率YC
生成细胞量 细胞含碳量 mX X X YC YX / S 消耗底物量 底物含碳量 mS S S
第2章 细胞反应动力学
2.1 细胞反应概论
2.2 细胞反应计量学
2.3 细胞反应动力学的非结构模型
2.4 底物消耗与产物生成动力学 2.5 细胞反应动力学的结构模型
2.6 描述细胞群体反应动力学的分离模型
总结
2.1 细胞反应概论
一. 发展历史
19世纪以前 1857年Pasteur 一战期间 1933年 1945年 1954年White 自然发酵 酒精发酵由yeast引起 丙酮丁醇、甘油发酵 摇瓶培养法 青霉素发酵 补料操作
真实情况 简化模型
多相体系（气液固） 均一化模型：细胞和基 质均视为液相 细胞多组分 均衡生长模型：细胞各 细胞生长不均一 组分按相同比率增加 确定论模型：忽略个体 差异，取平均值。
物质的跨膜输送
简单扩散：扩散速率与膜两侧的浓度差成正比 促进扩散：扩散速率与膜两侧的浓度差不成正比；要求细 胞提供载体蛋白来促进跨膜输送
主动输送：逆着浓度差的方向进行，除了要借助于载体蛋 白外，还要消耗细胞的代谢能。
胞内代谢调控
代谢调控的实质就是把细胞内的所有的酶组 织起来,通过活化某些酶,抑制另一些酶,甚至 出现一些新的酶,去掉某些原有的酶,以使整 个代谢过程适应细胞生理活动的需要. 胞内酶调控的重要机制:酶活性调控(反应水 平)和酶合成调控(基因水平)
葡萄糖：
C6H12O6 aO2 bNH3 cC4.4H7.3O0.86 N1.2 dH 2O eCO2
重点
呼吸商[Respiratory Quotient]（RQ）：
重点
CO2产生速率 RQ O2消耗速率
还原度（γ）：某一化合物的还原度为该组分中每一个碳原 子的有效电子当量数，所谓有效电子当量数指化合物氧化成 CO2、H2O和NH3时所传递给氧的电子数。在一化合物中， 任何元素的还原度等于该元素的化合价。细胞的还原度近似 为一常数。
酶活性调控包括激活和抑制 酶合成调控包括诱导和阻遏
2.2 细胞反应计量学
2.2.1 细胞反应的元素衡算方程
碳源＋氮源＋氧＝菌体＋有机产物＋CO2＋H2O
CHmOn aO2 bNH3 cCHαOβ Nδ dCH xO y N z eH2O fCO2
菌体（细胞）浓度，干菌体质量浓度：kg/m3