第二章酶促反应动力学 ppt课件

1、第二章第二章酶促反响动力学酶促反响动力学主要内容主要内容 1 1、酶促反响动力学的特点、酶促反响动力学的特点 2 2、均相酶促反响动力学、均相酶促反响动力学 3 3、固定化酶促反响动力学、固定化酶促反响动力学 4 4、酶的失活动力学、酶的失活动力学2.1 2.1 酶促反响动力学的特点酶促反响动力学的特点2.1.1 2.1.1 酶的根本概念酶的根本概念一、酶作为催化剂的共性一、酶作为催化剂的共性二、酶的生物催化特性二、酶的生物催化特性三、酶的调理功能三、酶的调理功能2.1.2 2.1.2 酶的稳定性及运用特点酶的稳定性及运用特点一、酶的稳定性一、酶的稳定性二、酶的运用特点二、酶的运用特点2.1.

2、3 2.1.3 酶和细胞的固定化技术酶和细胞的固定化技术一、固定化技术的根本概念一、固定化技术的根本概念二、固定化酶的特性二、固定化酶的特性三、固定化细胞的特性三、固定化细胞的特性四、酶和细胞的固定化技术四、酶和细胞的固定化技术2.1.4 2.1.4 酶促反响的特征酶促反响的特征一、优点：一、优点：常温、常压、中性范围个别除外下进展反响；常温、常压、中性范围个别除外下进展反响；与一些化学反响相比，省能且效率较高；与一些化学反响相比，省能且效率较高；专注性好；专注性好；反响体系较简单，反响过程的最适条件易于控制等。反响体系较简单，反响过程的最适条件易于控制等。二、缺乏，二、缺乏，多限于一步或几步

3、较简单的生化反响过程；多限于一步或几步较简单的生化反响过程；普通周期较长。普通周期较长。2.2 2.2 均相系酶促反响动力学均相系酶促反响动力学2.2.1 2.2.1 酶促反响动力学根底酶促反响动力学根底一、零级反响一、零级反响 二、一级反响二、一级反响即酶催化即酶催化ABAB的过程的过程 maxrdtdS)(01bakdtdb三、二级反响，即三、二级反响，即A + B C A + B C )(002cbcakdtdc 对于连锁反响，如，对于连锁反响，如，CBAkk21 akdtda1bkakdtdb21akdtdc22.2.2 2.2.2 单底物酶促反响动力学单底物酶促反响动力学一、米氏方程

4、 efree S x efree P根据质量作用定律，P的生成速度可表示为PEESSEkkk211xkrP2三点假设三点假设1、底物浓度、底物浓度S 远大于酶的浓度远大于酶的浓度efree ，因此，因此x的构成不会降低底的构成不会降低底物浓度物浓度S ，底物浓度以初始浓度，底物浓度以初始浓度计算。计算。2、不思索、不思索P + E ES这个可逆反这个可逆反响的存在。要忽略这一反响，必响的存在。要忽略这一反响，必需是产物需是产物P为零，换言之，该方为零，换言之，该方程适用于反响的初始形状。程适用于反响的初始形状。3、ES E + P是整个反响的限速是整个反响的限速阶段，也就是说阶段，也就是说E

5、+ S = ES的可的可逆反响在初速度测定时间内已到逆反响在初速度测定时间内已到达平衡。达平衡。ES分解生成产物的速分解生成产物的速度缺乏以破坏这个平衡。度缺乏以破坏这个平衡。 式中式中rsrs为底物耗费速度负号表示减少；为底物耗费速度负号表示减少； rprp为产物生成速率；为产物生成速率； KsKs为平衡常数为平衡常数, ,其又称饱和常数其又称饱和常数saturation saturation constantconstant。SKSrSKSekrrspsspmax,2)(利用稳态法获得米氏方程，同样基于三点假设。利用稳态法获得米氏方程，同样基于三点假设。其中第其中第1 1和和2 2两点与快

6、速平衡法一致，第两点与快速平衡法一致，第三点是在基于底物浓度比酶的浓度高得多，中间三点是在基于底物浓度比酶的浓度高得多，中间复合物复合物ESES分解时所得到的酶又立刻与底物结合，分解时所得到的酶又立刻与底物结合，使中间复合物浓度维持不变。即在这段时间里，使中间复合物浓度维持不变。即在这段时间里，x x的生成速率与的生成速率与x x的消逝速率相等，到达动态平衡，的消逝速率相等，到达动态平衡，即所谓即所谓“稳态。稳态。SKSrSKSekrrmpmspmax,2)(在实践的酶促反响中，人们关怀的是反响时间与在实践的酶促反响中，人们关怀的是反响时间与底物转化率的关系所以，基于底物转化率的关系所以，基于

7、t=0t=0，S=S0S=S0初值积初值积分得分得tmtSSKSStr00maxln)(ssmrSrKtmax0max)11ln(第二章第二章 酶促反响动力学酶促反响动力学2.1 酶促反响动力学的特点酶促反响动力学的特点2.1.1 酶的根本概念酶的根本概念2.1.2 酶的稳定性及运用特点酶的稳定性及运用特点 酶是以活力、而不是以质量购销的。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、酶有不同的质量等级：工业用酶、食品用酶、医药用酶。酶的实践运用中应留意，没有必要运医药用酶。酶的实践运用中应留意，没有必要运用比工艺条件所需纯度更高的酶。用比工艺条件所需纯度更高的酶。

8、 经典酶学研讨中，酶活力的测定是在反响经典酶学研讨中，酶活力的测定是在反响的初始短时间内进展的，并且酶浓度、底物浓的初始短时间内进展的，并且酶浓度、底物浓度较低，且为水溶液，酶学研讨的目的是讨论度较低，且为水溶液，酶学研讨的目的是讨论酶促反响的机制。酶促反响的机制。 工业上，为保证酶促反响高效率完成，常工业上，为保证酶促反响高效率完成，常需求运用高浓度的酶制剂和底物，且反响要继需求运用高浓度的酶制剂和底物，且反响要继续较长时间，反响体系多为非均相体系，有时续较长时间，反响体系多为非均相体系，有时反响是在有机溶剂中进展。反响是在有机溶剂中进展。2.2 均相酶促反响动力学均相酶促反响动力学2.2.

9、1 酶促反响动力学根底酶促反响动力学根底可采用化学反响动力学方法建立酶促反响动力学方程。可采用化学反响动力学方法建立酶促反响动力学方程。对酶促反响对酶促反响 ，有：，有： 式中，式中， k：酶促反响速率常数；：酶促反响速率常数； r：酶促反响速率；：酶促反响速率； rA：以底物：以底物A的耗费速率表示的酶促反响速率；的耗费速率表示的酶促反响速率； rP：以产物：以产物P的生成速率表示的酶促反响速率。的生成速率表示的酶促反响速率。DCBA dtdCrAA BAPACkCrrr dtdCrPP 对连锁的酶促反响，对连锁的酶促反响，PMAkk21AACkdtdC1 MAMCkCkdtdC21 MPC

10、kdtdC2 2.2.2 单底物酶促反响动力学2.2.2.1 米氏方程 根据酶底物中间复合物假说，对单底物酶促反响 ，其反响机制可表示为：PS PEESSEkkk 211快速平衡法推导动力学方程：快速平衡法推导动力学方程：几点假设：几点假设：1CSCE，中间复合物，中间复合物ES的构的构成不会降低成不会降低CS。2不思索这个可逆反响。不思索这个可逆反响。3 为快速平衡，为快速平衡， 为整个反响的限速阶段，因此为整个反响的限速阶段，因此ES分分解成产物缺乏以破坏这个平衡。解成产物缺乏以破坏这个平衡。ESSE PEES ESCkr2 11kkKCCCSESSE ESEECCC 0解之，得解之，得S

11、SSECKCCkr 0202maxECkr SSSCKCrr max令令那那么么根据假设建立动力学方程根据假设建立动力学方程稳态法推导动力学方程：稳态法推导动力学方程：几点假设：几点假设：1CSCE，中间复合物，中间复合物ES的构成不的构成不会降低会降低CS。2不思索这个可逆反响。不思索这个可逆反响。3CSCE中间复合物中间复合物ES一经分解，一经分解，产生的游离酶立刻与底物结合，使中间产生的游离酶立刻与底物结合，使中间复合物复合物ES浓度坚持衡定，即浓度坚持衡定，即 。0 dtdCESESCkr2 ESEECCC 0解之，得解之，得02maxECkr 令令那那么么0211 ESESSEESC

12、kCkCCkdtdCSSECkkkCCkr 12102121kkkKm SmSCKCrr max根据以上假设，可建立如下方程组根据以上假设，可建立如下方程组米氏方程米氏方程 rrmaxrmax/2KmCSSmSCKCrr max图21 酶浓度一定时底物浓度对反响速率的影响对米氏方程的讨论：当CSKm时，属零级反响。当CSKm时，。Km在数量上等于反响速度到达最大反响速度一半时的底物浓度。SmCKrrmax maxrr 2maxrr 双倒数法(Linewear Burk): 对米氏方程两侧取倒数，得 ,以 作图，得不断线，直线斜率为 ，截距为 ,根据直线斜率和截距可计算出Km和rmax。 SmC

13、rKrr111maxmax SCr11max1rmaxrKm 1 Km1rmax1r斜率Km/rmax1CS图22 双倒数法求解Km和rmax 2.2.2.2 抑制剂对酶促反响速率的影响 失活作用 抑制造用 竞争性抑制 非竞争性抑制 竞争性抑制竞争性抑制 非竞争性抑制非竞争性抑制EISESI竞争性抑制反响机理：竞争性抑制反响机理：PEESSEkkk 211EIIEIK IEIIEKCCC ESCkr2 SESSEKkkCCC 11EIESEECCCC 0快速平衡法推导动力学方程：快速平衡法推导动力学方程： SIISSCKCKCrr)/1 (max02maxECkr11kkKS解之，得解之，得，

14、式中式中: :采用稳态法推导动力学方程：采用稳态法推导动力学方程：ESCkr2 0211 ESESSEESCkCkCCkdtdC0 EIiIEiEICkCCkdtdCEIESEECCCC 0解之，解之，得得SIImSCKCKCrr )/1 (max02maxECkr 121kkkKm 式中式中:非竞争性抑制反响机理非竞争性抑制反响机理PEESSEkkk 211EIIEIK ESIIESIK 快速平衡法推导动力学方程快速平衡法推导动力学方程ESCkr2 SESSEKkkCCC 11IEIIEKCCC IESIIESKCCC EIESEECCCC 0 )(/1 (maxSSIISCKKCCrr 0

15、2maxECkr 11kkKS 解之，得解之，得式式中中: :稳态法推导动力学方程：稳态法推导动力学方程：ESCkr2 0211 IESiESIiESESSEESCCkCkCkCkCCkdtdC0 EIiIEiEICkCCkdtdC0 ESIiIESiESICkCCkdtdCESIEIESEECCCCC 0解之，得解之，得式式中中: :)(/1 (maxSmIISCKKCCrr 02maxECkr 121kkkKm 竞争性抑制竞争性抑制 非竞争性抑制非竞争性抑制SIImSCKCKCrr )/1 (max)(/1 (maxSmIISCKKCCrr )/1 (IImmKCKK SmSCKCrr m

16、axIIKCrr/1maxmax SmSCKCrr max令可变形为可变形为: : 可变形为可变形为: : 令mmKKmaxmaxrr 竞争性抑制竞争性抑制 非竞争性抑制非竞争性抑制1 r1CS1rmax- 1 Km- 1 Km1r1CS1rmax- 1 KmCI = 0CI 1rmaxCI = 0CI 产物抑制：酶促反响中，有时随产物浓产物抑制：酶促反响中，有时随产物浓度提高，产物与酶构成复合物，妨碍了度提高，产物与酶构成复合物，妨碍了底物与酶的结合，从而降低了酶促反响底物与酶的结合，从而降低了酶促反响的速度。的速度。EPPEESSEPKkkk211反响机理： ESCkr2 SESSEKkk

17、CCC 11PEPPEKCCC EPESEECCCC 0快速平衡法推导动力学方程快速平衡法推导动力学方程: :解之解之, ,得得SPPSSCKCKCrr )/1 (max02maxECkr 11kkKS 式中式中: :ESCkr2 EPESEECCCC 0稳态法推导动力学方程稳态法推导动力学方程: :0211 ESESSEESCkCkCCkdtdC0 EPpPEpEPCkCCkdtdC解之解之, ,得得SPPmSCKCKCrr )/1 (max02maxECkr 121kkkKm 式中式中: :可见可见, ,产物抵抗属于竞争性抵抗产物抵抗属于竞争性抵抗底物抑制：对于某些酶促反响，当底底物抑制：

18、对于某些酶促反响，当底物浓度较高时，反响速率呈下降趋势，物浓度较高时，反响速率呈下降趋势，称为底物抑制。称为底物抑制。CSCSCSr底物抑制反响机理：底物抑制反响机理：PEESSEkkk 211ESSSESSSK 快速平衡法推导动学方程：快速平衡法推导动学方程：ESCkr2 SESSEKkkCCC 11SSESSSESKCCC ESSESEECCCC 0解之解之, ,得得)/1 (maxSSSSSSKCCKCrr 02maxECkr 11kkKS 式中式中: :2.2.3 2.2.3 多底物酶促反响动力学多底物酶促反响动力学普通的多底物酶促反响可表示为：普通的多底物酶促反响可表示为： RQPC

19、BA这里讨论：双底物双产物情况这里讨论：双底物双产物情况QPBA 反响机制：反响机制：关键问题：底物关键问题：底物A A、B B哪个先和酶结合？哪个先和酶结合？ 任何一个都有能够先与酶结合任何一个都有能够先与酶结合 随机机制随机机制 A A先与酶结合或先与酶结合或B B先与酶结合先与酶结合 两底物同时与酶结合两底物同时与酶结合 能够性极小能够性极小随机机制分支机制随机机制分支机制EEBEAEABEPQEPEQE不构成三元复合物反响模型不构成三元复合物反响模型EAEAAPPBBEQQQEEG EG：修饰过的酶：修饰过的酶 简单机制简单机制EEAEABAABBEPQQQEPEPP双底物酶促反响动力

20、学双底物酶促反响动力学 反响机理：反响机理：EAAEPEEABAEB B B AKAKBKBK2kEABCkr2 AEAAEKCCC AEABAEBKCCCBEBBEKCCC BEABBEAKCCC EABEBEAEEOCCCCC EABEBEAEEOCCCCC 解之，得解之，得)(maxBBAABACKCKCCrr 式中：式中：EOCkr2max 2.3 固定化酶促反响动力学 2.3.1 2.3.1 固定化酶促反响动力学根底固定化酶促反响动力学根底 2.3.1.1 2.3.1.1 酶的固定化技术定义酶的固定化技术定义 酶的固定化技术是将水溶性的酶分子经过一定的方式，酶的固定化技术是将水溶性的

21、酶分子经过一定的方式，如静电吸附，共价键等与载体如角叉菜胶、离子交换树脂如静电吸附，共价键等与载体如角叉菜胶、离子交换树脂等资料制成固相酶的技术。等资料制成固相酶的技术。 细胞的固定化技术细胞的固定化技术: : 为省去从微生物或动、植物中为省去从微生物或动、植物中提取酶的操作，确保酶的稳定性，采用直接固定化微生物提取酶的操作，确保酶的稳定性，采用直接固定化微生物细胞、动植物细胞、组织技术。细胞、动植物细胞、组织技术。 物理吸附法 载体结合法 离子结合法 共价结合法 交联法 格子型 包埋法 微胶囊2.3.1.2 2.3.1.2 酶和细胞固定化方法酶和细胞固定化方法 交联法交联法EOEEOOOE2

22、.3.1.3 2.3.1.3 固定化对酶性质的影响固定化对酶性质的影响 底物专注性的改动底物专注性的改动 稳定性加强稳定性加强 最适最适pHpH值和最适温度变化值和最适温度变化 动力学参数的变化动力学参数的变化 2.3.1.4 2.3.1.4 影响固定化酶促反响的主要要素影响固定化酶促反响的主要要素 分子构象的改动分子构象的改动 位阻效应位阻效应 微扰效应微扰效应 分配效应分配效应 可用可用Kp Kp 定量描画链接定量描画链接 分散效应分散效应 可定量描画可定量描画分配系数分配系数 (Kp)(Kp)链接链接 分配系数：载体内外底物分配系数：载体内外底物( (或其他物质或其他物质) )浓度之比。

23、浓度之比。 KpKp的测定：的测定： 知底物浓度知底物浓度(CS0 )(CS0 )，体积，体积(V0)(V0)的溶液中，放入的溶液中，放入不含底物的一定体积的载体，并坚持适宜条件，当到达平衡不含底物的一定体积的载体，并坚持适宜条件，当到达平衡时，测定载体外溶液的底物浓度时，测定载体外溶液的底物浓度(Cs)(Cs)。2.3.2 2.3.2 固定化酶促反响过程分析固定化酶促反响过程分析2.3.2.1 2.3.2.1 外部分散过程外部分散过程 以外表固定化酶为例。以外表固定化酶为例。SSmSSoutCKCrr maxCSCSSooutoutrr SmSoCKCrr max外分散过程分析外分散过程分析

24、SSmSSoutCKCrr maxoutrN )(maxSSSLSSmSSCCakCKCr 外分散速率：外分散速率： 到达平衡时，即即 )(SSSLCCakN 酶促反响速率：酶促反响速率： SLaCkN maxN, rrmaxN max 0 CSS CS( C S S ，rout)NmaxN，rrmax0 CSS CS( C S S ，rout)maxmaxNr0, 0outSSC maxmaxNr1,outSSSCC Da准数准数 :maxmaxNrDa 当当 时，时， 过程为外分散控制。过程为外分散控制。 当当 时，时， 过程为反响控制。过程为反响控制。1 Da1 Da0, 0outSSC

25、 1,outSSSCC 式中式中:)(maxSSSLSSmSSCCakCKCr *maxmaxmax)(1(CCKCaCkrNrDaSL SmSSSCKKCCC ,*阐明阐明C*为为Da准数的函数，即准数的函数，即 )(*DafC ( 时时, )*maxmaxCKCCKCCKCrCKCrrrSSmSSSmSSSmSSooutout mSKC maxrro 阐明阐明为为C*的函数，即的函数，即 out *)(Cgout 可见，Da准数是决议效率因子 和比浓度C*的独一参数，因此是表征传质过程对反响速率影响的根本准数。 Da准数越小，固定化酶外表浓度越接近于主体浓度CS， 越接近于1。Da准数越大

26、，固定化酶外表浓度越趋近于零， 越小，越趋近于零。out out out 为提高固定化酶外分散效率为提高固定化酶外分散效率,应设法减小应设法减小Da准数。减准数。减小小Da准数的措施：准数的措施： 1、降低固定化酶颗粒的粒径，增大比外表积，但由于、降低固定化酶颗粒的粒径，增大比外表积，但由于粒径减小会伴随压降添加，因此运用中综合思索，确定适粒径减小会伴随压降添加，因此运用中综合思索，确定适宜的粒径。宜的粒径。 2、使固定化酶外表流体处于湍流形状以增大、使固定化酶外表流体处于湍流形状以增大 。Lk2.3.2.2 内部分散过程内部分散过程 具有大量内孔的球形固定化酶颗粒Rdrroininrr 内分

27、散效率因子内分散效率因子稳定形状下，对底物进展物料衡算：稳定形状下，对底物进展物料衡算： drrrdrdCDerdrdCDedrrSrSrdrrSr22244)(4 流入量流出量反响量流入量流出量反响量整理整理, ,得得drrrdrdCDerdrdCDedrrdrrSrSrdrrSr222244)(24 drrrdrdCrdrDedrdCdrdCDerSdrrSrrSrdrrSr22484 Dedrr24 两侧同除两侧同除 , ,得得DerdrdCrdrCdSSrSr 222当反响符合米氏方程规律时，当反响符合米氏方程规律时，SrmSrSCKCrr max)(2max22SrmrSSrSrCK

28、DeCrdrdCrdrCd 故故, ,令令 , , , , , ,SSSrXCCC Rrl mSSKC mDeKrR9max22 上式可转化为无因次方式，得上式可转化为无因次方式，得 XXXXccdldcldlcd 192222边境条件边境条件: :0 l0 dldcX1 l1 Xc, , ,该微分方程无解析解，只能用数值法求解。该微分方程无解析解，只能用数值法求解。西勒准数西勒准数( ) 的物理意义是外表反响速率与内分散速率之比。对各类的物理意义是外表反响速率与内分散速率之比。对各类反响动力学与固定化酶的外形，普遍化的反响动力学与固定化酶的外形，普遍化的 的定义式为的定义式为 :21,2 S

29、SeqSCCssPPdCsDerrAVSSmSSRrSrSSmSSRrSroininCKCrdrdCDeRCKCrRdrdCDeRrr maxmax323344 引入无因次参数，那么引入无因次参数，那么 11321lXindldcin 无解析解，只需数值解。无解析解，只需数值解。 见教材见教材33页图页图2-10 内分散效率因子in 是 和的函数。 对in影响不大，影响in的主要参数是西勒准数。假设 ，那么 不随变化，近似等于1，也就是说没有内部传质阻力，假设 ，那么 ，反响为内分散所限制。3 . 0 3 . 01inin 为提高固定化酶内分散效率，应设法减小。 减小的措施主要是适当降低固定化酶颗粒粒径。外扩散过程外扩散过程内扩散过程内扩散过程 Da准数是决定外扩散准数是决定外扩散 效率的唯一参数。效率的唯一参数。 准数是决定内扩散准数是决定内扩散效率的主要参数。效率的主要参数。 Da准数定义：准数定义： 西勒准数定义：西勒准数定义： 外扩散效率因子定义：外扩散效率因子定义： 内扩散效率因子定义：内扩散效率因子定义： Da1，过程为外扩散控，过程为外扩散控