第二章细胞生长反应动力学(1,2节)

1、生化工程设备生化工程设备教师：杨磊教师：杨磊日期：日期：2012.11.12Email: Tel:chool of Environmental and Biological Engineering Review项目 快速平衡学说 稳态学说 酶和底物生成不稳定复合物ES，酶催化反应是经该中间复合物完成的，即： E+S ES E + P ES在反应开始后与 E 及 S 迅速达到动态平衡 11kkKS ES的生成速率与其解离速率相等，其浓度不随时间而变化 0ddtCES 假设 底物浓度远高于酶的浓度。CS CE 酶量守恒 CE0=CE+CES 产物生成速率 ES2ddCkt

2、P 动力学方程 ddmaxSKSVtPSP ddmaxSKSVtPmP KS与 Km 11kkKS 121kkkKS k+1k-1k+2m 它表示了当全部酶都呈复合物状时的反它表示了当全部酶都呈复合物状时的反 应速率。应速率。 又称酶的转换数又称酶的转换数 (Turnover number, kcat)，表示，表示单位时间内一个酶分子所能催化底物发生反应的分子数。单位时间内一个酶分子所能催化底物发生反应的分子数。2k0max,2EpCkr理解每个参数的实际意义理解每个参数的实际意义理解每条假设如何在公式推导中体现理解每条假设如何在公式推导中体现Km米氏常数米氏常数 (Michaelis-Men

3、ten Constant ), 为酶促为酶促反应速度为最大反应速度反应速度为最大反应速度(rp,max)一半时的底物浓度。一半时的底物浓度。Kcat/Km可以客观地比较不同的酶或同一种酶催化不同可以客观地比较不同的酶或同一种酶催化不同 底物的催化效率底物的催化效率应用直线作图法求取动力学参数应用直线作图法求取动力学参数 (a) L-B法；法； (b) H-W法；法； (C) E-H法法maxr无抑制剂和有抑制剂各种情况下的无抑制剂和有抑制剂各种情况下的rmax与与Km总结总结mKmK)1 (IImKCKmaxr)1(maxIIKCr)1(maxIIKCr)1/(IImKCKCsKCKCsrII

4、m)1 (max)()1 (maxCsKKCCsrmII)1 (maxIImSIKCCsKCsrr反竞争性抑制反竞争性抑制非竞争性抑制非竞争性抑制竞争性抑制竞争性抑制无抑制剂无抑制剂 （正常）（正常） Kmrmax类型类型为了表示抑制剂对酶催化反应的抑制程度，可定义一抑为了表示抑制剂对酶催化反应的抑制程度，可定义一抑制百分数制百分数i来表示。其定义式为：来表示。其定义式为：式中：式中：rs无抑制时酶反应速率，无抑制时酶反应速率，mol/(LS)； rsI有抑制时酶反应速率，有抑制时酶反应速率，mol/(LS)； i抑制百分数。抑制百分数。SSISSISrrrrri1根据上式可看出，根据上式可看

5、出，i值越大，表示抑制的程度越大；值越大，表示抑制的程度越大；i值越值越 小，抑制程度越小。显然存在小，抑制程度越小。显然存在 0 i 1 。对竞争性抑制对竞争性抑制：ImiImsmIsSSICKCsKCCsKCsrCKCrrri)1 (/11maxmax根据此式可以看出，当根据此式可以看出，当Cs增加，抑制百分数减少，即抑制增加，抑制百分数减少，即抑制程度下降。程度下降。对非竞争性抑制对非竞争性抑制，可推出：，可推出：IIICKCi这表示对非竞争性抑制，抑制程度与这表示对非竞争性抑制，抑制程度与Cs的大小无关。的大小无关。 对反竞争性抑制对反竞争性抑制，可以求出：，可以求出：ImIICCsK

6、KCi)1 (这表示当这表示当Cs增加，抑制程度增加，抑制程度i反而增加。可通过上述反而增加。可通过上述方法来判断抑制的类型。方法来判断抑制的类型。(2-74)(2-75)(2-76)酶酶的的可逆可逆抑制抑制IISSSI II II IIISCompetitiveNon-competitiveUncompetitiveEE另一另一结合区结合区竞争结合区竞争结合区抑制剂抑制剂底物底物图图解解抑抑制制基基理理及及说说明明 只只与与自由的自由的 E 結合，結合，与与 S 竞争竞争；S可可克服克服 的抑制。的抑制。 可可与与自由的自由的 E 或已或已结合结合 S 的的 ES 結合，結合， S不能不能克

7、服克服 的抑制。的抑制。 只能只能与与 ES 結合，結合， S反而有利反而有利 的抑制。的抑制。E + S ES E + P + E E + S ES E + P + + E + S E S E + S ES E + P + E S EISJuang RH (2003) BiochemistryXKm酶酶的的可逆可逆抑制抑制 (图图)I IIICompetitiveNon-competitiveUncompetitive直接作图双倒数作图rmaxrmaxKmKmS, mMvoS, mMvoKmS, mMrmaxKmrmaxrmaxrmax 不变；Km变大rmax变小；Km 不变rmax 及 K

8、m 均变小1/S1/Km1/vo1/ rmax两条平行线交于X轴1/vo1/ rmax1/S1/Km1/S1/Km1/ rmax1/vo交于 Y 轴= KmJuang RH (2003) Biochemistry普遍化的公式可表示为：普遍化的公式可表示为： 式中式中 KIS、KSI分别为分别为EI与与S和和ES与与I相结合形成相结合形成SEI的的 解离常数。解离常数。当当 时，为非竞争性抑制；当时，为非竞争性抑制；当 时为竞争性抑制，时为竞争性抑制， 当时当时 为反竞争性抑制，当为反竞争性抑制，当 且均为常数值时，且均为常数值时， 称为混合抑制。称为混合抑制。)1 ()1 (maxSIIISI

9、mSIKCCsKCKCsrrSIISKKSIKSIISKK (2-66)ISK2.2 细胞反应计量学细胞反应计量学2.3 细胞反应动力学的非结构模型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细胞反应动力学的结构模型2.1 细胞反应概论细胞反应概论2.6 描述细胞群体反应动力学的分离模型描述细胞群体反应动力学的分离模型解决两个基本问题解决两个基本问题:1. 计量学问题计量学问题过程中涉及的各种物料和能量的比例关系；2. 动力学问题动力学问题细胞生长、底物消耗和产物生产的速率问题。 细胞（细胞（cell）是生物体形态结构和生命

10、活动的基本单位是生物体形态结构和生命活动的基本单位2.1.1 细胞的基本特征细胞的基本特征 细胞是生命活动的基本单位：细胞是生命活动的基本单位： 构成生物有机体构成生物有机体的基本结构单位的基本结构单位 代谢与功能代谢与功能的基本单位的基本单位 生物有机体生长和发育生物有机体生长和发育的基本单位的基本单位 遗传遗传的基本单位，并具有遗传的全能性的基本单位，并具有遗传的全能性 细胞细胞细胞的大小细胞的大小: : 一般在一般在10um-100um10um-100um。 最小的细最小的细胞胞-支原体支原体0.1um,0.1um,最大的细胞最大的细胞鸵鸟卵直径鸵鸟卵直径12cm.12cm.2. 2.

11、细胞的形状细胞的形状3. 3. 细胞的数量细胞的数量 生物包括单细胞生物和多细胞生物。生物包括单细胞生物和多细胞生物。 单细胞生物单细胞生物仅由一个细胞构成仅由一个细胞构成 多细胞生物多细胞生物的机体根据其复杂度由数百乃至万亿计细胞构的机体根据其复杂度由数百乃至万亿计细胞构成。（刚出生的婴儿约有成。（刚出生的婴儿约有10101212个细胞，成人约有个细胞，成人约有10101414个细个细胞）胞） 生物界与非生物界生物界与非生物界 元素种类大体相同元素种类大体相同元素含量有差异元素含量有差异统一性：统一性：差异性：差异性：4. 4. 细胞的组成细胞的组成元素元素地壳地壳细胞细胞O48.6065.

12、0Si26.30极少极少C0.08718.0N0.033.0H0.7610.0组组成生物体的化学元素成生物体的化学元素1 1、种类：常见的有、种类：常见的有2020多种，不同生物的元素种类大体相同多种，不同生物的元素种类大体相同大量元素：大量元素：含义、种类含义、种类微量元素：微量元素：含义、种类含义、种类3 3、最基本元素、基本元素、主要元素、大量元素、微量元素、最基本元素、基本元素、主要元素、大量元素、微量元素C、H、O、N、P、S、K、Ca、MgFe、Mn、B、Zn、Cu、Mo、Cl最基本最基本元素元素基本元素基本元素主要元素主要元素大量元素大量元素微量元素微量元素2 2、含量：不同生物

13、的同种元素的含量不同，同种生物不同、含量：不同生物的同种元素的含量不同，同种生物不同元素含量不同。元素含量不同。必必需需元元素素大量元素：大量元素： 指含量占生物体总重量万分指含量占生物体总重量万分之一以上的元素。有之一以上的元素。有C C、H H、O O、N N、P P、S S、K K、CaCa、MgMg等。等。微量元素：微量元素： 指生物生活所必需的。但是需指生物生活所必需的。但是需要量却很少要量却很少，含量不足万分之，含量不足万分之一一的一些元素。如的一些元素。如FeFe、MnMn、ZnZn、CuCu、B B、MoMo等。等。细胞中元素根据细胞中元素根据含量含量分为分为:注：注：Fe的含

14、量很少但超过了万分之一（半微量元素）的含量很少但超过了万分之一（半微量元素）干干鲜细胞对比图鲜细胞对比图组成人体细胞的主要元素组成人体细胞的主要元素（占细胞（占细胞干干重的百分比）重的百分比）elementbacteriayeastmouldC5049.847.0N157.55.2H85.76.7O2031.140.2P31.51.2S10.30.2 The macronutrient content in microbes (% to dry cell weight)组成细胞的化合物组成细胞的化合物 无机化合物无机化合物 有机化合物有机化合物水水 （含量最高的化合物）（含量最高的化合物）无机

15、盐无机盐糖类糖类脂质脂质 蛋白质蛋白质（干重中含量最高的化合物）（干重中含量最高的化合物）核酸核酸细胞中各种化合物占细胞鲜重的含量细胞中各种化合物占细胞鲜重的含量化合物化合物质量分数（质量分数（%）水水85-90无机盐无机盐1-1.5蛋白质蛋白质7-10脂类脂类1-2糖类和核酸糖类和核酸1-1.5细胞中最多的化合物是细胞中最多的化合物是 ；最多的有机化合物；最多的有机化合物是是 。水水蛋白质蛋白质思考讨论思考讨论碳为什么是构成细胞的最基本元素？ 在元素周期表中，碳位于第在元素周期表中，碳位于第14族，原子序数为族，原子序数为6，说明一个碳原子核中含有，说明一个碳原子核中含有6个质子，核外有个质

16、子，核外有6个电子，在最外层有个电子，在最外层有4个电子。因此，碳原子具个电子。因此，碳原子具有了有了4个能成键的价电子，能使碳原子之间、碳个能成键的价电子，能使碳原子之间、碳原子与其他元素之间结合形成更多的化学键。由原子与其他元素之间结合形成更多的化学键。由于每个碳原子可以形成于每个碳原子可以形成4个化学键，所以就有可个化学键，所以就有可能形成含有成千上万个甚至更多个碳原子的物质。能形成含有成千上万个甚至更多个碳原子的物质。2.1.1.3 动植物、微生物细胞的比较动植物、微生物细胞的比较微生物动物细胞植物细胞 大 小悬浮生长营养要求生长速率代谢调节环境敏感细胞分化剪切应力敏感细胞或产物浓度1

17、-10可以简单快，倍增时间0.5-5小时内部不敏感无低较高10-100多数细胞需附着表面才能生长非常复杂慢，倍增时间15-100小时内部、激素非常敏感有非常高低10-100可以，但易结团，无单个细胞较复杂慢，倍增时间24-74小时内部、激素能忍受广泛范围有高低Cellular structures of plant cellsCellular structures of animal cellsCellular structures of bacterial cell动、植物细胞培养与微生物培养区别动、植物细胞培养与微生物培养区别动物细胞无细胞壁，且大多数哺乳动物细胞动物细胞无细胞壁，且大多数

18、哺乳动物细胞附着附着在固体或半在固体或半固体的固体的表面才能生长表面才能生长；对；对营养要求严格营养要求严格，除氨基酸、维生素、，除氨基酸、维生素、盐类、葡萄糖或半乳糖外，还需有盐类、葡萄糖或半乳糖外，还需有血清血清。动物细胞。动物细胞对环境敏对环境敏感感，包括，包括pH、溶氧、温度、剪切应力都比微生物有更严的要溶氧、温度、剪切应力都比微生物有更严的要求，一般须严格的监测和控制。求，一般须严格的监测和控制。植物细胞对营养要求植物细胞对营养要求较动物细胞简单较动物细胞简单。但由于植物细胞培。但由于植物细胞培养一般要求在养一般要求在高密度下高密度下才能得到一定才能得到一定浓度的培养产物浓度的培养产

19、物，以及，以及植物细胞生长植物细胞生长较微生物要缓慢较微生物要缓慢，长时间的培养对无菌要求及，长时间的培养对无菌要求及反应器的设计也提出特殊的要求。反应器的设计也提出特殊的要求。2.1.2 物质的跨膜输送物质的跨膜输送 简单扩散简单扩散：扩散速率与膜两侧的浓度差成正比：扩散速率与膜两侧的浓度差成正比协助扩散协助扩散：扩散速率与膜两侧的浓度差不成正比；要：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求细胞提供载体蛋白来促进跨膜输送主动输送主动输送：逆着浓度差的方向进行，除了要借助于载：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。体蛋白外，还要消

20、耗细胞的代谢能。特征：特征：顺浓度梯度运输顺浓度梯度运输1.2.不需要载体不需要载体3. 不需要消耗能量不需要消耗能量自由扩散自由扩散自由扩散的例子：自由扩散的例子：气体分子气体分子水分子水分子脂溶性小分子，如脂溶性小分子，如乙醇，甘油，苯乙醇，甘油，苯球往低处滚特征特征：顺浓度梯度运输顺浓度梯度运输1.需要载体参与需要载体参与2.不需要消耗能量不需要消耗能量3.协助扩散协助扩散协助扩散的例子：协助扩散的例子：卡车载货下坡丽藻细胞液所丽藻细胞液所含的离子浓度远远含的离子浓度远远高于丽藻所生长的高于丽藻所生长的池水，为什么丽藻池水，为什么丽藻还能从周围环境吸还能从周围环境吸收离子呢？收离子呢？主

21、动运输主动运输特征特征：逆浓度梯度运输逆浓度梯度运输1.需要载体需要载体2.需要消耗能量需要消耗能量3.主动运输的例子主动运输的例子卡车载货上坡注意：载体蛋白具有专一性，一种载体只能与一种注意：载体蛋白具有专一性，一种载体只能与一种相应的被运输的物质相结合。也就是说，不同的物相应的被运输的物质相结合。也就是说，不同的物质需要不同的载体运输。不同细胞膜上运输物质的质需要不同的载体运输。不同细胞膜上运输物质的载体的种类和数量是不同的。载体的种类和数量是不同的。名称名称浓度浓度载体载体能量能量举例举例协助扩散高高低低需要需要不需要不需要进入红细胞的葡萄糖主动运输低低高高需要需要需要需要离子；某些小分

22、子有机物（氨基酸，葡萄糖等）自由扩散高高低低不需要不需要不需要不需要H2O ;气体分子;脂溶性物质葡萄糖葡萄糖进入红细胞进入红细胞K K+ +进入红细胞的方式进入红细胞的方式H H2 2O O分子进入细胞分子进入细胞三种运输方式的比较三种运输方式的比较2.1.3 胞内代谢反应胞内代谢反应 1、供能反应：前体代谢物；、供能反应：前体代谢物；ATP代谢能；代谢能；NADPH（还原（还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）的形式提供还原力型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸）的形式提供还原力 分解代谢：提供能量和前体代谢物分解代谢：提供能量和前体代谢物 2、生物合成反应：转化为多聚反应中用于合成大分子生、生物合成反应

23、：转化为多聚反应中用于合成大分子生物质所需的结构单元。物质所需的结构单元。 3、多聚反应、多聚反应:生物大分子生物大分子 4、组装反应：构建功能细胞、组装反应：构建功能细胞 初级代谢：与细胞的生长几乎平行，生长偶联初级代谢：与细胞的生长几乎平行，生长偶联型产物型产物(对环境条件变化敏感性小对环境条件变化敏感性小) 次级代谢：避免代谢产物的积累造成不利，产次级代谢：避免代谢产物的积累造成不利，产生有利于细胞生存的代谢类型，与细胞生长不生有利于细胞生存的代谢类型，与细胞生长不平行，非生长偶联型产物平行，非生长偶联型产物(对环境条件变化敏感对环境条件变化敏感)n Regulation of enzy

24、me amount ( : l Control the expression of genes, get more or less El Control degradation of E proteinsn Regulation of enzyme activity ( Enzyme exists in inactive form, that must be activatedl Allosteric regulationl Chemical or Covalent modificationl Zymogen activation The manners of regulation 2.1.4

25、 胞内代谢调控胞内代谢调控酶酶的的诱诱导导和和阻阻遏遏操操纵纵子子模模型型B.有活性阻遏蛋白加诱导剂有活性阻遏蛋白加诱导剂A.有活性阻遏蛋白有活性阻遏蛋白C.无活性阻遏蛋白无活性阻遏蛋白D.无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂无活性阻遏蛋白加辅阻遏剂操纵基因操纵基因启动基因启动基因调节基因调节基因结构基因结构基因 阻遏蛋白阻遏蛋白(有活性有活性)阻遏蛋白阻挡操纵基因阻遏蛋白阻挡操纵基因结构基因不表达结构基因不表达诱导物诱导物诱导物与阻遏蛋白结合诱导物与阻遏蛋白结合,使阻遏蛋白不能起使阻遏蛋白不能起到阻挡操纵基因的作用到阻挡操纵基因的作用,结构基因可以表达结构基因可以表达酶蛋白酶蛋白mRNA阻遏蛋白不能跟操

26、纵基因结合阻遏蛋白不能跟操纵基因结合, 结构基因可以表达结构基因可以表达阻遏蛋白阻遏蛋白(无活性无活性)酶蛋白酶蛋白mRNA代谢产物与阻遏蛋白结合代谢产物与阻遏蛋白结合,从而使阻遏蛋从而使阻遏蛋白能够阻挡操纵基因白能够阻挡操纵基因,结构基因不表达结构基因不表达代谢产物代谢产物 Mechanism of 酶原激活的机理酶原激活的机理酶酶 原原 inactive分子构象发生改变分子构象发生改变形成或暴露出酶的活性中心形成或暴露出酶的活性中心 一个或几个特定的肽键断裂，一个或几个特定的肽键断裂，水解掉一个或几个短肽水解掉一个或几个短肽在特定条件下在特定条件下酶酶 active The digesti

27、ve proteases Enzymes involved in the blood clotting cascade (thrombinogen 凝血酶原) plasminogen (纤溶酶原)LysValAspAspAspAspGlyIleLysValAspAspAspAspValHisSerGlyIleValHieSerenteropeptidasetrypsinActive siteThe process of trypsinogen activation提问：为什么不直接以酶形式存在呢？提问：为什么不直接以酶形式存在呢？答案：保护正常组织不受伤害。答案：保护正常组织不受伤害。肠肽酶何

28、为细胞反应过程何为细胞反应过程?以细胞为反应主体的一类生化反应过程以细胞为反应主体的一类生化反应过程. 包括微生物和动植物细胞培养过程包括微生物和动植物细胞培养过程微生物过程微生物过程:酒酒醋醋味精味精药物药物动植物细胞培养过程动植物细胞培养过程:如如:红豆杉细胞培养生产紫杉醇红豆杉细胞培养生产紫杉醇 功用：紫杉醇主要适用于卵巢癌和乳腺癌，对肺癌、大肠癌、黑色素瘤、头颈部癌、淋巴瘤、脑瘤也都有一定疗效。 指动植物细胞在体外条件下的存活指动植物细胞在体外条件下的存活或生长或生长,此时细胞不再形成组织。此时细胞不再形成组织。2.1.5 细胞生长反应的特点细胞生长反应的特点细胞反应过程的特征细胞反应

29、过程的特征Cell is the key body of cell reaction: cell absorb the nourishment of medium and form products. A cell is a micro-reactor;Cell reaction generally following the bio-reaction ruleMore component take part in reactionEssentials of cell reaction is a serial reaction catalyzed by enzymes system; meta

30、bolism; assimilation, dissimilationThe differences between cell reaction and enzyme reaction is cell level & molecular level reaction 反应过程计量学反应过程计量学是对在反应过程中各组是对在反应过程中各组分的组成及各组分之间量的变化关系的研究。分的组成及各组分之间量的变化关系的研究。与反应热力学和动力学一起构成了反应工程学与反应热力学和动力学一起构成了反应工程学的理论基础。的理论基础。 因为细胞反应过程相当复杂因为细胞反应过程相当复杂有众多组有众多组分参与

31、反应和代谢途径的错综复杂，且在细胞分参与反应和代谢途径的错综复杂，且在细胞生长的同时还伴有代谢产物的生成，所以要非生长的同时还伴有代谢产物的生成，所以要非常精确的表达细胞反应量的关系几乎是不可能常精确的表达细胞反应量的关系几乎是不可能的，必须加以的，必须加以简化处理简化处理。 细胞的生长与代谢涉及大量的反应成分和复杂的反应途细胞的生长与代谢涉及大量的反应成分和复杂的反应途径，但仍然服从物质守恒定律。径，但仍然服从物质守恒定律。 对于培养基组成，最简单的计量学约束条件是：如果总对于培养基组成，最简单的计量学约束条件是：如果总细胞量要达到细胞量要达到cx，元素，元素i在细胞中的分率为在细胞中的分率

32、为Wi，那么，那么，元素元素i在所有底物中的总量至少为在所有底物中的总量至少为Wicx。 事实上，问题要复杂的多事实上，问题要复杂的多（1）某些底物中的元素变成）某些底物中的元素变成产物，而非细胞物质；（产物，而非细胞物质；（2）不仅要考虑计量学限制，）不仅要考虑计量学限制，还要考虑速率限制；（还要考虑速率限制；（3）某些营养物是限制性的，或）某些营养物是限制性的，或者某些产物是抑制性的。者某些产物是抑制性的。 培养基中的营养物质种类很多，在计量学和动力学上不培养基中的营养物质种类很多，在计量学和动力学上不可能一一考虑，必须找到问题的关键。可能一一考虑，必须找到问题的关键。一个活的细胞一个活的

33、细胞 = = 一个复杂的化学反应器一个复杂的化学反应器物质限制物质限制能量限制能量限制热力学原理热力学原理化学反应的一些概念也可以应用到化学反应的一些概念也可以应用到生物系统生物系统中来。中来。化学反应化学反应2.2.1 细胞反应的元素衡算方程细胞反应的元素衡算方程57大分子大分子小分子小分子C 源源N 源源P 源源S 源源培养基培养基代谢产物代谢产物分解代谢分解代谢小分子小分子能量能量代谢：细胞内发生的所有化学反应的总和称代谢代谢：细胞内发生的所有化学反应的总和称代谢分解代谢分解代谢 营养物的降解营养物的降解合成代谢合成代谢 小分子小分子大分子大分子 细胞的元素组成受种类、生长阶段等因素影响

34、。细胞的元素组成受种类、生长阶段等因素影响。典型的分子结构式典型的分子结构式: CH1.8O0.5N0.2Example: Chemical composition of E. coli (dry basis%)ElementContentElementContentCHONPSK 5020814311 NaCaMgClFeothers10.50.50.50.20.3 59培养基组成培养基组成 = = 营养物的降解营养物的降解细胞为了生长和繁殖，必须消耗培养基中的营养成分用于合细胞为了生长和繁殖，必须消耗培养基中的营养成分用于合成细胞壁，蛋白质，酶，脂肪等物质和细胞构成单元。成细胞壁，蛋白质，

35、酶，脂肪等物质和细胞构成单元。元素的基本来源元素的基本来源ElementSourceCarbon (C)CO2, Sugar, Proteins, fatsNitrogen (N)Proteins, NH3, NO2-Sulfur (S)Proteins, SO42-Phosphorus (P)PO43-Hydrogen (H)Oxygen (O)H2O, Medium components60产物合成产物合成醇醇 (乙醇乙醇), 有机酸有机酸 (乳酸乳酸, 柠檬酸柠檬酸,氨基酸氨基酸),抗生素抗生素, 酶酶这些物质的大量合成，对于微生物细胞的正常功能维这些物质的大量合成，对于微生物细胞的正常

36、功能维持可能是没有必要的或者是无用的，但对于人类却是持可能是没有必要的或者是无用的，但对于人类却是很有价值的。很有价值的。碳源碳源+氮源氮源+ 氧氧=菌体菌体+代谢有机物代谢有机物+CO2+H2O细胞分子式：细胞分子式：CHONtypical bacteria composition: CH1.8O0.5N0.2碳源由碳源由C、H、O组成组成 ,表示为表示为 CHmOn ；氮源为氮源为NH3（无机氮源）；无机氮源）；细胞的分子式为：细胞的分子式为：CHON，忽略其他微量元素忽略其他微量元素P、 S和灰分等；和灰分等；产物的元素组成产物的元素组成 CHxOyNz 。碳源碳源 + 氮源氮源 + 氧

37、氧 = 细胞细胞 + 代谢产物代谢产物 + CO2 + H2OCHmOn+aO2+bNH3 cCHON+dCHxOyNz+eH2O+fCO2此时生化反应：此时生化反应：元素定量关系式元素定量关系式CHmOn+aO2+bNH3cCHON+dCHxOyNz+eH2O+fCO2C: 1=c+d+fH: m+3b=c+dx+2eO: n+2a=c+dy+e+2fN: b=c+dz对需氧反应：对需氧反应：呼吸商呼吸商 Respiratory Quotient（RQ）：）：RQ值可通过实验测出。值可通过实验测出。The respiratory quotient:which denotes the mole

38、s of carbon dioxide (CO2) pro-duced per moles of oxygen (O2) consumed. It provides an indication of metabolic state, and can be used in process control.aeRQ aeOCORQ22 消消耗耗速速率率产产生生速速率率ff 【例题例题1】：葡萄糖为基质进行面包酵母：葡萄糖为基质进行面包酵母(S.cerevisiae)培养，培养，培养的反应式可用下式表达，求计量关系中的系数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. a=2.394

39、b=0.085 c=0.564 d=1.436 e=2.634 2【例题例题3】：推断分子式：推断分子式67Simplest Macroscopic View of GrowthSystem:Fixed Amount of Cell MaterialSubstrates)S(1)S(2)S(nProducts)P(n)P(1Cells)X(2.2.2 细胞反应过程的得率系数细胞反应过程的得率系数 得率系数可用于对碳源等物质生成细胞或其他得率系数可用于对碳源等物质生成细胞或其他产物的潜力进行定量评价。产物的潜力进行定量评价。SxSxmmY 消耗底物质量消耗底物质量生成细胞质量生成细胞质量 对底物

40、的细胞得率对底物的细胞得率YX/S定义式为：定义式为：底物一般指碳源。底物一般指碳源。几种微生物的菌体得率 对氧的细胞得率对氧的细胞得率 oxmm 消消耗耗氧氧的的质质量量生生成成细细胞胞质质量量Y YX/OX/O= =SPmm 消消耗耗底底物物的的质质量量生生成成代代谢谢产产物物质质量量Y YP/SP/S= =对底物的产物得率对底物的产物得率 （2）宏观得率与理论得率）宏观得率与理论得率 当细胞生长的同时，还伴有代谢产物的生成时，则消耗当细胞生长的同时，还伴有代谢产物的生成时，则消耗的底物一部分用于细胞生长，一部分用于代谢产物生成；假的底物一部分用于细胞生长，一部分用于代谢产物生成；假设消耗

41、底物的总量为设消耗底物的总量为-mST，其中用于细胞生长消耗底物数其中用于细胞生长消耗底物数量为量为-mSG，用于生成代谢产物消耗底物数量为用于生成代谢产物消耗底物数量为-mSR。消耗底物消耗底物-mST-mSG-mSR细胞生长细胞生长代谢产物代谢产物 定义：定义： ）（SRSGxSTxSxmmmmmY SGx*SxmmY 此时求得的对底物的细胞得率称为理论得率。此时求得的对底物的细胞得率称为理论得率。 -mSG很难直接测定，所以很难直接测定，所以Y*X/S较难直接确定，较难直接确定， Y*X/S为最大可能得率。为最大可能得率。 Y*X/S YX/S 。此时求得的对底物的细胞得率称为宏观得率。此时求得的对底物的细胞得率称为宏观得率。 定义：定义： 部分宏观得率系数汇总部分宏观得率系数汇总（3）得率系数与计量系数）得率系数与