第二章 生物反应动力学
合集下载
Chapter2.5 微生物反应动力学
华中农业大学生命科学技术学院《环境生物工程》课件©2009 Environmental Bioengineering
劳伦斯－麦卡帝基本方程式的应用
确立处理水基质浓度（Se）与污泥平均停留时间（θc）之间的关 系
Se =
1 Ks ＋ d K c θ
1 Yvmax－ ＋ d K c θ
dS 2 − = kS dt
积分得到：
（1-3） （1-4）
1 1 − = − kt St S0
如：2A（反应物）→ P（产物） 不同环境中的反应级数可以根据特定的一组浓度S和时间t的 实验数据，根据公式（1-2）、（1-3）、（1-4）来判断反 应级数。
华中农业大学生命科学技术学院《环境生物工程》课件©2009 Environmental Bioengineering
b 微生物比增殖率和比基质降解率： u=(dX/dt)/X dX/dt—微生物增殖率，g/(L·h); x—曝气池中微生物浓度 比基质降解率：q=(dS/dt)/X dS/dt—基质降解速率，g/(L·h)。 污泥平均停留时间（习惯称污泥龄） 指反应系统内微生物从其生成开始到排出系统的平均停留 时间。相当于反应系统内微生物全部更新一次所需要的时 间。用θc或ts表示。单位为d（天）： θc＝vx/∆x ∆x—每日增殖的污泥量，g
第二基本方程式 该方程式表示的是基质降 解速率与曝气池内微生物 浓度和基质浓度之间的关 系。 有机质降解速率等于被微 生物利用的速率，即： v＝q 则根据monad方程式，用 qmax代替vmax，得：
XaS dS = qmax Ks + S dt u
Qmax—单位污泥最大基质利用速率； Ks—半速率系数。
华中农业大学生命科学技术学院《环境生物工程》课件©2009 Environmental Bioengineering
生化工程,第二章酶促反应动力学
v
dP dt
t
v
dP dt
t5
反应分子数
• 反应分子数：是在反应中真正相互作用的分子的数目。
• 如：A → P
属于单分子反应
• 根据质量作用定律，单分子反应的速率方程式是：
v k[A] • 双如：A＋B → C＋D
属于双分子反应
• 其反应速率方程可表示为：
vk[A]B []
• 判断一个反应是单分子反应还是双分子反应，必须先了解反应机制， 即了解反应过程中各个单元反应是如何进行的。
V k E Pma x 2[0]
代入式(5)得：
vPd d [P t]kK 2 S [E 0 [ ]S S ] []V K PS m [ [ a S S x ] ]
(6)
式中：
Vp,max: 最大反应速率
如果酶的量发生改变，最大反应速率相应改变。
KS: 解离常数，饱和常数
低KS值意味着酶与底物结合力很强，
• 反应机制往往很复杂，不易弄清楚，但是反应速率与浓度的关系可用 实验方法来确定，从而帮助推论反应机制。
6
反应级数
根据实验结果，整个化学反应的速率服从哪种分子反 应速率方程式，则这个反应即为几级反应。 例：对于某一反应其总反应速率能以单分子反应的速 率方程式表示，那么这个反应为一级反应。 又如某一反应： A + B → C + D
2. 底物浓度[S]远大于酶的浓度[E]，因此[ES]的形成不会降低 底物浓度[S]，底物浓度以初始浓度计算。
3. 不考虑P+E→ES这个可逆反应的存在。
4. [ES]在反应开始后与E及S迅速达到动态平衡。
17
E ＋S
k+1
k-1
细胞反应过程动力学
典型的微生物细胞的组成为 CH1.8O0.5N0.2。 例如
大肠杆菌细胞的化学组成（以干基计% ）
成分
含量
成分
含量
C
50
Na
1
H
20
Ca
0.5
O
8
Mg
0.5
N
14
Cl
0.5
P
3
Fe
0.2
S
1
其他
0.3
K
1
2.2.1 忽略产物生成的细胞生长过程的计量关系
对忽略产物生成的细胞生长过程的计量关系可表 示为
第二章 细胞反应动力学
2.1微生物反应过程概论
• 2.1.1微生物反应过程主要特征 • （1）微生物是该反应过程的主体 • （2）微生物反应的本质是复杂的酶催化反
应体系 • （3）微生物反应是非常复杂的反应过程
复杂性表现
1. 代谢成网络化分布，并相互影响，无法完全了解 清楚
2. 反应体系中的细胞生长、基质消耗和产物生成， 三者的动力学规律既有联系，又有明显差别，且 有各自的最佳反应条件。
式中 CX——细胞浓度，（g/L） t——时间，（h）
细胞浓度通常用单位体积的培养液中的细胞
（或菌体）的干燥质量表示。细胞浓度一般用质 量单位表示，很难用摩尔单位表示。
② 底物消耗速率
rS
dCS dt
式中 CS——底物浓度，（g/L）或（mol/L）—单位体积的培养液中O2的消耗量， （g/L）或（mol/L）
rCO2 CX
（1/h）或 （mol/g·h ）
⑥ 热量的比生成速率
qH
1 CX
dCH dt
rH CX
（kJ/g·h ）
大肠杆菌细胞的化学组成（以干基计% ）
成分
含量
成分
含量
C
50
Na
1
H
20
Ca
0.5
O
8
Mg
0.5
N
14
Cl
0.5
P
3
Fe
0.2
S
1
其他
0.3
K
1
2.2.1 忽略产物生成的细胞生长过程的计量关系
对忽略产物生成的细胞生长过程的计量关系可表 示为
第二章 细胞反应动力学
2.1微生物反应过程概论
• 2.1.1微生物反应过程主要特征 • （1）微生物是该反应过程的主体 • （2）微生物反应的本质是复杂的酶催化反
应体系 • （3）微生物反应是非常复杂的反应过程
复杂性表现
1. 代谢成网络化分布，并相互影响，无法完全了解 清楚
2. 反应体系中的细胞生长、基质消耗和产物生成， 三者的动力学规律既有联系，又有明显差别，且 有各自的最佳反应条件。
式中 CX——细胞浓度，（g/L） t——时间，（h）
细胞浓度通常用单位体积的培养液中的细胞
（或菌体）的干燥质量表示。细胞浓度一般用质 量单位表示，很难用摩尔单位表示。
② 底物消耗速率
rS
dCS dt
式中 CS——底物浓度，（g/L）或（mol/L）—单位体积的培养液中O2的消耗量， （g/L）或（mol/L）
rCO2 CX
（1/h）或 （mol/g·h ）
⑥ 热量的比生成速率
qH
1 CX
dCH dt
rH CX
（kJ/g·h ）
第二章-生物反应动力学-2-细胞反应PPT课件
分裂时间为90～120 min。
.
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
.
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
生物反应及反应器原理(全)
生物反应及反应器原理第一章序论1。
1 生物反应工程研究的目的1。
2 生物反应工程学科的形成生物反应工程的研究内容与方法⏹1。
3.1生物反应动力学⏹1。
3.2 生物反应器⏹1。
3.3 生物反应过程的放大与缩小第二章酶促反应动力学⏹2。
1 酶促反应动力学的特点⏹ 2.1.1 酶的基本概念⏹ 2.1.1。
1 酶的分类、组成、结构特点和作用机制⏹一、酶的分类⏹（1）氧化还原酶⏹（2）转移酶⏹（3）水解酶⏹(4)异构酶⏹（5）裂合酶⏹(6）连接酶(合成酶）⏹二、酶的组成⏹酶是蛋白质,因此有四级结构，其中一级结构二级结构三级结构四级结构酶蛋白有三种组成：单体酶寡聚酶多酶复合体全酶＝蛋白质部分（酶蛋白）＋非蛋白部分三、酶的作用机制⏹（1）锁钥模型(2）诱导契合模型2.1.1。
2 酶作为催化剂的共性➢一、催化能力➢二、专一性➢三、调节性⏹酶浓度的调节⏹激素调节⏹共价修饰调节⏹限制性蛋白水解作用与酶活力调控⏹抑制剂调节⏹反馈调节⏹金属离子和其它小分子化合物的调节2.1.2 酶的稳定性及应用特点⏹2。
1.2.1 酶的稳定性⏹2。
1.2.2 酶的应用特点2.1。
3 酶和细胞的固定化技术⏹2。
1。
3。
1 固定化技术的基本概念⏹ 2.1。
3。
2 固定化酶的特性⏹ 2.1.3。
3 固定化细胞的特性⏹2。
1.3。
4 酶和细胞的固定化技术2.1.4 酶促反应的特征2。
2 均相酶促反应动力学2.2.1 酶促反应动力学基础影响酶促反应的主要因素有：（1)浓度因素：酶浓度、底物浓度（2)外部因素（主要是环境因素):温度、压力、溶液的介电常数、离子强度、pH值（3）内部因素(结构因素）：底物、效应物浓度、酶的结构⏹酶促反应动力学模型的建立➢ 当酶促反应速率与底物浓度无关，此时为零级反应当反应速率与底物浓度的一次方成正比时， 为一级反应⏹ 也就是酶催化作用下,A B 的过程 ⏹此时反应式为：式中：K1－一级反应速率常数a0－底物A 的初始浓度 b － t 时间产物C 的浓度➢ 当底物A 与底物B 产生产物C 时，即：A ＋B C 时，为二级反应—②式中：K2－二级反应速率常数a0－底物A 的初始浓度 b0－底物B 的初始浓度 C －t 时间底物C 的浓度 如果把②式积分可得：➢ 当：A B C 时,即连锁的酶促反应过程可用如下方程式表示:-—③——④——⑤式中：a －A 的浓度b －B 的浓度c －C 的浓度K1－第一步反应速率常数 A B K2－第二步反应速率常数 B C当 a + b + c=a0时，即：A 的初始浓度为a0,B 和C 的初浓度为0，得出：当反应达t 时间后，A 、B 、C 的最终浓度。
生化反应动力学 PPT课件
3、可逆抑制作用：
抑制作用可通过透析等方法除去。
• 原因：非共价键结合
可 逆 抑 制
竞争性抑制(competitive inhibition) 非竞争性抑制(non-competitive I.） 反竞争性抑制(uncompetitive I.)
（1）竞争性（Competitive)抑制
I： 抑制剂（ inhibitor）
依据： 能否用透析、超滤等物理方法 除去抑制剂，使酶复活。
1、不可逆抑制作用 ：
不 可 逆 抑 制
抑制剂与酶必需基团以牢固的共价键相连 很多为剧毒物质
重金属、有机磷、有机汞、有机砷、
氰化物、青霉素、毒鼠强等。
2、不可逆抑制剂
非专一性不可逆抑制剂
不 可 逆 抑 制
（作用于一/几类基团） 不可逆抑制剂 专一性不可逆抑制剂 （作用于某一种酶的 活性部位基团）
（2） 专一性不可逆抑制剂
①Ks型 • 具有底物类似的结构——（设计） • 带有一活泼基团：与必需基团反应（抑制）
∵利用对酶亲合性进行修饰
∴亲合标记试剂（affinity labeling reagent）
②Kcat型
•具有底物类似的结构 •本身是酶的底物 •还有一潜伏的反应基团 “自杀性底物”
物之间可能进行的历程。
一、底物浓度对酶反应速率的影响
研究前提
单底物、单产物反应；
酶促反应速度一般在规定的反应条件下， 用单位时间内底物的消耗量和产物的生 成量来表示； 反应速度取其初速度，即底物的消耗量 很小（一般在5﹪以内）时的反应速度； 底物浓度远远大于酶浓度。（[S] 》[E]）
初速度
产 酶促反应速度逐渐降低 物
0
生物反应工程习题精解
试根据稳态假设，求其速率方程式。 解：由题意可知：
rs = k4CES dC ES = k+1CE CS − k−1CES − k+2CES CS + k−2CSES + K +3CES = 0 dt dCSES = k C C − k C − k C = 0 +2 ES S −2 SES +2 SES dt C = C + C + C E ES SES E0
k + 2 & k − 1说 明 中 间 产 物 分 解 速 率 远 小 于 中 间 产 物 分 解 为 产 物 的 速 率 那么限制步骤在于中间产物的生成 ∴ 总 反 应 速 率 rs = k + 1C S C E
2.4 一分 批 进行的均相酶催化反应，底物的 初始 浓度为 3 × 10-5mol/l,Km=1 × 10-3mol/l,,经过 2min 后，底物转化了 5% ，假定该反应符合 M-M 方程，试问当
2.3 某酶催化反应机理式为
k+2 +1 !!! " E + S #!! →E + P ![ ES ] k
−1
k
若假定上述反应机理式中，k+1<<k+2 , k-1<<k+2 ,试推导其速率方程。 解： ∵ k + 2 & k + 1说 明 中 间 产 物 产 生 速 率 远 小 于 中 间 产 物 分 解 为 产 物 的 速 率
由上述方程组可推出：
⇒ CSES =
k+2 CES CS = KCES CS k−2 + k+3
4
生物化学反应的动力学
生物化学反应的动力学生物化学反应是生物体内众多代谢过程中不可或缺的一环。
动力学研究了反应速率与底物浓度、温度等因素之间的关系，旨在揭示并解释生物化学反应的反应速率规律。
本文将介绍生物化学反应的动力学及其相关的实验方法与应用。
一、反应速率与底物浓度之间的关系生物化学反应的速率是指单位时间内反应物消失或产物生成的量。
反应速率与底物浓度之间存在一定的关系，通常可以用速率方程来描述。
其中最经典的速率方程为麦氏方程，即v=k[A]^m[B]^n，其中v为反应速率，k为速率常数，[A]和[B]分别为反应底物A和B的浓度，m 和n分别为反应底物的反应级数。
通过实验可以确定麦氏方程中的m 和n值，进而了解反应底物浓度对反应速率的影响。
二、温度对反应速率的影响温度是影响生物化学反应速率的重要因素之一。
根据阿伦尼乌斯方程，反应速率与温度成正比，即v=k·e^(-Ea/RT)，其中v为反应速率，k为速率常数，Ea为反应反应的活化能，R为气体常量，T为温度（开尔文）。
通过在不同温度下进行反应速率的测定，可以计算Ea和ln(k)之间的斜率，从而获得温度对反应速率的影响规律。
三、实验方法与应用为了研究生物化学反应的动力学，科学家们发展了多种实验方法。
最常用的方法之一是连续监测反应过程中产生的物质浓度变化。
通过不断取样并使用各种分析技术（如分光光度法、高效液相色谱法等），可以得到反应物浓度随时间的变化曲线，从而确定反应速率。
此外，还可以利用稳态法、动态平衡法等方式来研究生物化学反应的动力学特性。
生物化学反应动力学的研究对于了解生物体内各种代谢过程的调控机制、生物酶的性质以及药物的代谢和毒性等方面具有重要意义。
例如，通过研究酶催化反应的动力学，可以优化工业生产中的酶催化反应条件，提高反应速率和产物纯度。
另外，生物化学反应动力学的研究还在生物医学领域具有广泛的应用，如药物代谢动力学的研究可以为药物设计和剂量控制提供理论依据。
第二章 生物反应动力学.
E S [ES] E P E I [EI] [EI] S KS [EIS] [ES] I KI [ESI]
底物 抑制
产物 抑制
E S [ES ] E P S [ES ] [SES ]
E S [ES ] E P E P [EP]
所消耗的底物. 3. 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。
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。
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
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] 0 dt
根据反应机理和拟稳态假设，有下述方程式：
dCP dt
所示。
rm ax
该曲线表示了三个不同动力学特点的区域： rS
1
•当CS KS 时，即底物浓度比值小得多时，该曲 2 rmax
第二章 生化反应动力学
一、单底物酶反应动力学
1、米氏方程 2、米氏方程讨论 3、动力学常数Km和Vm的求取 4、复杂形式的酶反应动力学
返回
1、米氏方程
⑴ Henri中间复合物学说 ⑵ 米氏方程 ⑶ 米氏方程的三假设 ⑷ Briggs-Haladane修正式 ⑸ 米氏方程推导
返回
Henri中间复合物学说
1903年，Henri在研究蔗糖水解时，提出了中 间复合物学说。 他认为，酶与底物的作用是通过酶跟底物生 成复合物而进行的。底物浓度较低即酶的 活性中心未被饱和时，反应速度随浓底物 浓度上升呈正相关。当底物浓度较高时， 即酶的活性中心被饱合或趋于饱和时，反 应速度增加率变小或不再增加。此时，酶底物复合物的生成速度相应较快，而分解 速度相对较慢成为整个反应的限速步骤。
返回
双倒数作图
返回
⑴下图是根据[S]在0.33～2.0Km范围时的实验结果而 作的双倒数图，从此图可准确地测量出-1/Km和1/Vmax 等。
[S]在0.33～ 2.0 Km的范 围的实验结 果而作出的 双倒数图。
返回
⑵ 如果所选底物浓度比Km大得多，则所得双倒数图 的直线基本上是水平的。这种情况虽可测得1/Vmax ， 但由于直线斜率近乎零， -1/Km则难以测得。
返回
4.Woolf-Augustinsson-Hofstee作图法
将米氏方程重排为线性方程：
返回
几种方法的比较
以上三种作图法也应注意选择底物浓度，不要使[S]比 Km高得多或低得多。 上述几种线性作图法各有其优 缺点。双倒数作图法应用最广泛。但此法有两个缺点： 第一，在v～ [S]图上，由相等增值而给出的等距离各 点，在双倒数图上变成非等距离的点，且多数点集中 在1/v轴附近，而远离1/v轴的地方只有少数几个点， 恰好这些点又正是主观目测以确定直线最权重的那些 点。第二，在测定v时产生的小误差，当取倒数时会放 大。在低底物浓度下更为敏感，因在高1/[S]值所得的 一两个不准确的点，会给图的斜率带来显著误差。第 一个缺点可通过选择适当的[S]，使1/[S]为等距离增值 而得到克服。对第二个缺点关键要注意在低底物浓度 下使所测初速度误差尽可能减小。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
k +1C E C S = 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 +1C S = KS C[ ES ] CS
≈0
根据反应机理和拟稳态假设，有下述方程式： 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。 方程。 最后一式即为 方程 该方程中引入了两个参数： 该方程中引入了两个参数：
rP ,max = kC E 0 Km = k −1 + k k = KS + k +1 k +1
C E 0C S k +k C S + −1 k +1 r C kC E 0 C S = P , max S k −1 + k K m + CS + CS k +1
S S
rmax
0
Km
CS
一定时， 图：CS一定时，rS与CS的关系曲线
•当CS >> K S 时，该曲线近似为一水平线，表示当底物浓度继续增加时反应速率并 当 该曲线近似为一水平线， C << K 不增加，此时的酶反应可看为零级反应。此时绝大多数酶呈复合物状态， 不增加，此时的酶反应可看为零级反应。此时绝大多数酶呈复合物状态，反应 体系内的游离酶很少，即使是提高底物浓度也不能提高酶反应速率。 体系内的游离酶很少，即使是提高底物浓度也不能提高酶反应速率。 •当 CS , K S 的数量关系处于上述两者之间的范围时，则符合 当 的数量关系处于上述两者之间的范围时，则符合M-M关系。 关系。 关系
生物反应动力学（ 学时） 第二章 生物反应动力学（8学时） • 基本要求： 基本要求： 掌握简单酶催化反应动力学、 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。 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， 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 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。 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， 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。 流量分析，介绍代谢工程进展。 • 重点： 重点： 各种情况下的酶和细胞反应（过程） 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。 上差异、简单的代谢流量分析。 • 难点： 难点： 酶催化反应动力学机理方程的推导。 酶催化反应动力学机理方程的推导。
例题： 例题：P24 例2.1,例2.2。 例 。 思考题： 思考题：试推导上面两个 k 。
cat
动力学特征和参数求取 M-M方程所表示的动力学关系为反应速率与 方程所表示的动力学关系为反应速率与 底物浓度之间的关系， 关系。 底物浓度之间的关系，即 r ~ CS关系。其图如右 所示。 所示。 rmax 该曲线表示了三个不同动力学特点的区域： 该曲线表示了三个不同动力学特点的区域： rS 1 •当CS << K S 时，即底物浓度比值小得多时，该曲 2 即底物浓度比值小得多时， 当 线近似为一直线。 线近似为一直线。这表示反应速率与底物浓度 近似成正比关系， 近似成正比关系，此时的酶反应可以看为一级 反应。此时，大部分酶为游离酶， 反应。此时，大部分酶为游离酶，与底物结合 的酶很少，要提高反应速率， 的酶很少，要提高反应速率，只有增加底物的 浓度，才能增加中间复合物的浓度， 浓度，才能增加中间复合物的浓度，反应速率 主要取决于底物浓度。 主要取决于底物浓度。
S + E → [ ES ] → P + E
上述反应的速率可表示为: 上述反应的速率可表示为 1 dnS rS = − V dt
1 dnP V dt
rP =
底物的消耗速率,mol/(L.S) 产物的生成速率 产物的生成速率,mol/(L.S) 底物的消耗速率 上式中： 反应体系的体积,L. 上式中：V--反应体系的体积 反应体系的体积
平衡假设法—Michaelis-Menten方程 平衡假设法 Michaelis-Menten方程 Michaelis 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 和酶 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， 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。 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： 根据假设有： r = rP = kC[ ES ] 根据生成复合物的可逆反应有： 根据生成复合物的可逆反应有：
1
简单的酶催化反逆反应，例如酶催化的水解反应和 指由一种反应物 底物)参与的不可逆反应， 底物 参与的不可逆反应 异构化反应。可以写为： 异构化反应。可以写为： S E P → 其反应机理可以认为是：首先是底物 和酶 和酶E相结合形成中间复合物 其反应机理可以认为是：首先是底物S和酶 相结合形成中间复合物 [ES]，然后该复合物分解成产物 ，并释放出酶 。即有： ，然后该复合物分解成产物P，并释放出酶E。即有：
由上讨论可见，要计算出不同时间的底物浓度，必须知道 由上讨论可见，要计算出不同时间的底物浓度，必须知道M-M方程中的两个 方程中的两个 参数。由于M-M方程为一非线性方程，无法直接通过作图法求取。为此要对方 方程为一非线性方程， 参数。由于 方程为一非线性方程 无法直接通过作图法求取。 程进行线性化处理。不同的线性化处理方法，就是不同的参数求取方法。 程进行线性化处理。不同的线性化处理方法，就是不同的参数求取方法。使用 时主要依据所得数据。下面介绍几种常用的方法。 时主要依据所得数据。下面介绍几种常用的方法。 •L-B法： 法 •H-W法 法 •E-H法： 法 •积分法： 积分法： 积分法
rP , max = kCE 0
M-M方程是一个两参数方程。 方程是一个两参数方程。 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， 当从中间复合物生成产物 的速率与其分解成酶和底物的速率相当时，M-M 的速率与其分解成酶和底物的速率相当时 方程不适用。 方程不适用。
拟稳态假设法—Briggs-Haldane方程 拟稳态假设法 Briggs-Haldane方程 Briggs 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， 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， 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 即中间复合物的浓度不随时间变化， 变，即中间复合物的浓度不随时间变化，即：
r = rP =
M-M方程和 方程和B-H方程的比较见书 方程的比较见书P19表2-3。 方程和 方程的比较见书 表 。
几种特殊情况的讨论： 几种特殊情况的讨论： 定义： 定义：催化活性中心速率常数 k cat = 对于M-M和B-H方程， 和 方程， 对于 方程 k •存在多个中间复合物 存在多个中间复合物
nS , nP --为底物 和产物 的量 为底物S和产物 的量,mol. 为底物 和产物P的量
t—为时间 为时间,S. 为时间
根据质量作用定律,P的生成速率可以表示为 根据质量作用定律 的生成速率可以表示为: rP = kC[ ES ] 的生成速率可以表示为 由于中间复合物[ES]的浓度 的浓度 由于中间复合物
KS E + S ←→[ ES ] ← K [ ES ]' ← K [ ES ]'' k E + P → → →
'
rP ,max CE 0
cat
=k
•存在多个产物中间复合物 存在多个产物中间复合物
kKK ' k cat = 1 + K + KK ' KS Km = 1+ K + K '
→ → → → [ EP]1 k1 [ EP ]2 k2 [ EP ]3 k3 [ EP ]4 k 4 E + P 1 1 1 1 1 = + + + kcat k1 k 2 k3 k 4
最后一式即为M-M方程。 方程。 最后一式即为 方程 该方程中引入了两个参数： 该方程中引入了两个参数：
C C = E0 S CS + K S r C kC E 0C S = 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 的最大生成速率,mol/(L.S). 的最大生成速率
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。 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. 液相)中的酶催化反应 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 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 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 是分子水平上的反应 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 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 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 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. 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 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 液相 中的酶催化反应， 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、 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。 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。 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。
≈0
根据反应机理和拟稳态假设，有下述方程式： 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。 方程。 最后一式即为 方程 该方程中引入了两个参数： 该方程中引入了两个参数：
rP ,max = kC E 0 Km = k −1 + k k = KS + k +1 k +1
C E 0C S k +k C S + −1 k +1 r C kC E 0 C S = P , max S k −1 + k K m + CS + CS k +1
S S
rmax
0
Km
CS
一定时， 图：CS一定时，rS与CS的关系曲线
•当CS >> K S 时，该曲线近似为一水平线，表示当底物浓度继续增加时反应速率并 当 该曲线近似为一水平线， C << K 不增加，此时的酶反应可看为零级反应。此时绝大多数酶呈复合物状态， 不增加，此时的酶反应可看为零级反应。此时绝大多数酶呈复合物状态，反应 体系内的游离酶很少，即使是提高底物浓度也不能提高酶反应速率。 体系内的游离酶很少，即使是提高底物浓度也不能提高酶反应速率。 •当 CS , K S 的数量关系处于上述两者之间的范围时，则符合 当 的数量关系处于上述两者之间的范围时，则符合M-M关系。 关系。 关系
生物反应动力学（ 学时） 第二章 生物反应动力学（8学时） • 基本要求： 基本要求： 掌握简单酶催化反应动力学、 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。 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， 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 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。 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， 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。 流量分析，介绍代谢工程进展。 • 重点： 重点： 各种情况下的酶和细胞反应（过程） 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。 上差异、简单的代谢流量分析。 • 难点： 难点： 酶催化反应动力学机理方程的推导。 酶催化反应动力学机理方程的推导。
例题： 例题：P24 例2.1,例2.2。 例 。 思考题： 思考题：试推导上面两个 k 。
cat
动力学特征和参数求取 M-M方程所表示的动力学关系为反应速率与 方程所表示的动力学关系为反应速率与 底物浓度之间的关系， 关系。 底物浓度之间的关系，即 r ~ CS关系。其图如右 所示。 所示。 rmax 该曲线表示了三个不同动力学特点的区域： 该曲线表示了三个不同动力学特点的区域： rS 1 •当CS << K S 时，即底物浓度比值小得多时，该曲 2 即底物浓度比值小得多时， 当 线近似为一直线。 线近似为一直线。这表示反应速率与底物浓度 近似成正比关系， 近似成正比关系，此时的酶反应可以看为一级 反应。此时，大部分酶为游离酶， 反应。此时，大部分酶为游离酶，与底物结合 的酶很少，要提高反应速率， 的酶很少，要提高反应速率，只有增加底物的 浓度，才能增加中间复合物的浓度， 浓度，才能增加中间复合物的浓度，反应速率 主要取决于底物浓度。 主要取决于底物浓度。
S + E → [ ES ] → P + E
上述反应的速率可表示为: 上述反应的速率可表示为 1 dnS rS = − V dt
1 dnP V dt
rP =
底物的消耗速率,mol/(L.S) 产物的生成速率 产物的生成速率,mol/(L.S) 底物的消耗速率 上式中： 反应体系的体积,L. 上式中：V--反应体系的体积 反应体系的体积
平衡假设法—Michaelis-Menten方程 平衡假设法 Michaelis-Menten方程 Michaelis 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 和酶 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， 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。 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： 根据假设有： r = rP = kC[ ES ] 根据生成复合物的可逆反应有： 根据生成复合物的可逆反应有：
1
简单的酶催化反逆反应，例如酶催化的水解反应和 指由一种反应物 底物)参与的不可逆反应， 底物 参与的不可逆反应 异构化反应。可以写为： 异构化反应。可以写为： S E P → 其反应机理可以认为是：首先是底物 和酶 和酶E相结合形成中间复合物 其反应机理可以认为是：首先是底物S和酶 相结合形成中间复合物 [ES]，然后该复合物分解成产物 ，并释放出酶 。即有： ，然后该复合物分解成产物P，并释放出酶E。即有：
由上讨论可见，要计算出不同时间的底物浓度，必须知道 由上讨论可见，要计算出不同时间的底物浓度，必须知道M-M方程中的两个 方程中的两个 参数。由于M-M方程为一非线性方程，无法直接通过作图法求取。为此要对方 方程为一非线性方程， 参数。由于 方程为一非线性方程 无法直接通过作图法求取。 程进行线性化处理。不同的线性化处理方法，就是不同的参数求取方法。 程进行线性化处理。不同的线性化处理方法，就是不同的参数求取方法。使用 时主要依据所得数据。下面介绍几种常用的方法。 时主要依据所得数据。下面介绍几种常用的方法。 •L-B法： 法 •H-W法 法 •E-H法： 法 •积分法： 积分法： 积分法
rP , max = kCE 0
M-M方程是一个两参数方程。 方程是一个两参数方程。 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， 当从中间复合物生成产物 的速率与其分解成酶和底物的速率相当时，M-M 的速率与其分解成酶和底物的速率相当时 方程不适用。 方程不适用。
拟稳态假设法—Briggs-Haldane方程 拟稳态假设法 Briggs-Haldane方程 Briggs 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， 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， 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 即中间复合物的浓度不随时间变化， 变，即中间复合物的浓度不随时间变化，即：
r = rP =
M-M方程和 方程和B-H方程的比较见书 方程的比较见书P19表2-3。 方程和 方程的比较见书 表 。
几种特殊情况的讨论： 几种特殊情况的讨论： 定义： 定义：催化活性中心速率常数 k cat = 对于M-M和B-H方程， 和 方程， 对于 方程 k •存在多个中间复合物 存在多个中间复合物
nS , nP --为底物 和产物 的量 为底物S和产物 的量,mol. 为底物 和产物P的量
t—为时间 为时间,S. 为时间
根据质量作用定律,P的生成速率可以表示为 根据质量作用定律 的生成速率可以表示为: rP = kC[ ES ] 的生成速率可以表示为 由于中间复合物[ES]的浓度 的浓度 由于中间复合物
KS E + S ←→[ ES ] ← K [ ES ]' ← K [ ES ]'' k E + P → → →
'
rP ,max CE 0
cat
=k
•存在多个产物中间复合物 存在多个产物中间复合物
kKK ' k cat = 1 + K + KK ' KS Km = 1+ K + K '
→ → → → [ EP]1 k1 [ EP ]2 k2 [ EP ]3 k3 [ EP ]4 k 4 E + P 1 1 1 1 1 = + + + kcat k1 k 2 k3 k 4
最后一式即为M-M方程。 方程。 最后一式即为 方程 该方程中引入了两个参数： 该方程中引入了两个参数：
C C = E0 S CS + K S r C kC E 0C S = 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 的最大生成速率,mol/(L.S). 的最大生成速率
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。 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. 液相)中的酶催化反应 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 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 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 是分子水平上的反应 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 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 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 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. 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 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 液相 中的酶催化反应， 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、 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。 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。 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。