生物反应工程

1、生物工程(shn w n chn)反应姜 梅2010.9联系方式： Meijiang984396989(O)共一百四十六页共一百四十六页共一百四十六页绪 论本章重点：生物反应工程 生物工程概念与内容(nirng)；本章难点：生物反应过程与 生物反应工程的区别。 共一百四十六页1.1生物反应(fnyng)过程概述 1.1.1生物反应过程(bioprocess) 定义： 将生物技术(jsh)的实验室成果经工艺及工程开发而成为可供工业生产的工艺过程。实质：利用生物催化剂从事生物技术产品的生产过程。青霉素的生产。共一百四十六页抗生素青霉素罗伯茨（W. Roberts，1874)首次报道微生物的颉颃（x

2、ie hang）现象（antagonism）灰绿青霉生长旺盛(wngshng)的液体会使人工感染细菌困难廷德尔（J.Tyndall,1876）青霉菌与细菌液体培养中有颉颃现象巴斯德和朱伯特（J.F.Joubert，1877)用炭疽芽孢杆菌培养物感染动物巴比斯和科尼尔（V.Babes & A.V.Cornil,1885)细菌之间共一百四十六页青霉素的生产(shngchn)1928.9 英国 Fleming 发现青霉素1938 英国 Flory和Chain 重复（实验室） 少量 败血病 失败第二次世界大战 美国 D.Elder 液体(yt)深层发酵 0.001g/L1945 青霉素高产菌株产黄青霉

3、 （Penicillium chrysogenum) 育种技术 培养基设计技术 搅拌通气发酵罐为反应器（六叶平板桨） 氧的传递技术等等共一百四十六页化学家钱恩（E.Chain）获得(hud)精制品，1940在美国产业化当前(dngqin)水平6000080000U/ml(150m3)共一百四十六页空气净化工艺流程(n y li chn)共一百四十六页生物技术 biotechnology 侧重技术方法 应用自然科学及工程学的原理，依靠生物催化剂的作用将物料进行加工以提供产品或为社会服务(fw)的技术。 生物科学 bioscience ：侧重机理 研究生命现象和生命活动规律的科学 生物工程bioe

4、ngineering ：侧重工程共一百四十六页（一）描述性生物学119世纪30年代，德国植物学家施莱登、动物学家施旺提出细胞学说。21859年，英国生物学家达尔文出版物种起源。（二）实验生物学阶段(jidun)：（孟德尔遗传规律重新提出1900年）（三）分子生物学阶段：11944年，美国生物学家艾弗里首次证明DNA是遗传物质。21953年，美国沃森，英国克里克提出DNA双螺旋结构模型。生物科学发展(fzhn)共一百四十六页生物工程专业本科授予工学学士学位，生物科学和生物技术专业本科授予理学学士学位。以清华大学为例，生物科学与技术系是培养在生物科技领域从事科学研究、教学和应用开发工作的高水平人才

5、的专门系科。现设有生物科学和生物技术两个本科专业，为了拓宽人才培养口径，招生时按生物科学一个专业招生。虽然分为两个专业，但课程安排和教学内容上并没有什么区别，只是在写毕业论文时各有侧重。生物科学专业主要涉及生物化学、分子生物学、生物物理学、结构生物学和细胞发育生物学等学科领域。生物技术专业主要包括生物芯片技术、微生物发酵工程、藻类技术、细胞工程及酶工程和生态环境工程。为使学生适应未来(wili)生物科技发展的需要，培养学生不仅注重生物学知识的学习和实验技术的训练，而且重视学生在数、理、化、计算机等方面的培养和训练，还需学习无机化学、分析化学、有机化学、物理化学、普通生物学、生物化学、细胞生物学

6、、微生物学、遗传学、分子生物学、动物生理学、生物物理学及电工与电子技术、计算机软硬件技术基础课程。另有神经生物学、发育生物学、免疫学和生物工程学等一系列课程可选修。以上海交大为例，生物技术专业旨在培养具有扎实的现代生命科学理论基础和熟练的操作技能与工程基础知识、掌握计算机以及外语的高级专业人才。研究方向为生物大分子的结构与功能、基因分子生物学、人类与动物分子遗传学、微生物代谢与调控以及植物基因工程等。该专业主要学习与基因工程、蛋白质工程等相关的基础理论和操作技能。主要课程有：普通生物学、生物化学、神经生物学、微生物学、微生物原理、基因工程原理与方法、细胞工程、生化工程、酶与酶工程、发酵工程、计

7、算机在生命科学中的应用、生命科学信息与情报、生命科学基础讲座等。共一百四十六页示意图 细胞 酶 (游离或固定化) 空气 能量 提取精制(jngzh) 产品生物催化剂 副产品 灭菌 废物 原料 基质或培养基生 物 反 应 器检 测 控 制 系 统共一百四十六页组 成 原料的预处理选择、加工（物理或化学）、培养基的配制和灭菌；生物催化剂的制备菌种的选择、扩大培养和接种，酶的纯化和固定化等；（核心）生物反应器及反应条件的选择与监控反应器的结构、操作方式(fngsh)、操作条件；反应 参数的检测与控制；产物的分离纯化去除杂质，提高浓度。 以生物反应器为核心，之前(zhqin)反应上游加工；之后反应下游

8、加工共一百四十六页1.1.2 生物反应(fnyng)过程的特点 一门(y mn)综合学科生物学：生物化学、分子生 物学、微生物学 化学：无机、有机、分析、物理 工程学：化学工程、机械工程；采用生物催化剂酶 Enzyme；采用再生资源为原料丰富、低廉，危害性小；难控制，质量不稳定；设备简单，能耗低。共一百四十六页1.1.3生物反应过程(guchng)的分类 (1)酶反应过程游离(yul)、固定化酶(2)细胞反应过程微生物和动植物反应(3)废水的生物处理过程共一百四十六页废水的生物(shngw)处理过程特点：是由细菌等菌类、原生动物等各种微生物构成(guchng)的混合培养系统；几乎全都采用连续操

9、作；微生物所处的环境条件波动大；反应的目的是消除有害物质而不是生成代谢产物和微生物细胞本身；不计成本。共一百四十六页1.2生物工程(shn w n chn) 1.2. 1生物工程的定义 人们以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料(yunlio)，为人类生产出所需产品或达到某种目的。共一百四十六页1.2.2. 生物工程(shn w n chn)的分类： 基因工程(jyn gngchng)(Gene engineering) 细胞工程(Cell engineering)酶工程(Enzyme engineering)发酵工程(Fe

10、rmentation engineering)蛋白质工程(Protein engineering)共一百四十六页细胞工程微生物工程菌发酵(f jio)工程产品(chnpn)蛋白质或酶蛋白质或酶工程基因工程优良动、植物品系动、植物个体或细胞基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、蛋白质工程之间的相互关系 共一百四十六页1.2.3.生物工程涉及(shj)的学科 学科(xuk)众多。 分子生物学、微生物生理学、生物化学、免疫生物学等等。使用现代化器和设备技术手段。 广阔的应用前景； 医药 林业 环境保护 能源 采矿冶金 农业 材料 畜牧业 化工共一百四十六页表1-1重要的现代生物技术仪器(yq)和设备

11、名称用途1DNA自动测序仪自动测定核酸的核苷酸2蛋白/多肽自动测序仪测定蛋白质、多肽的氨基酸序列3半自动DNA测序仪测定核酸的核苷酸序列4DNA自动合成仪合成已知寡核苷酸序列5蛋白/多肽自动合成仪的蛋白质或多肽6生物反应器细胞的连续培养7发酵罐微生物细胞培养8热循环仪（聚合酶链式反应仪、PCR仪）DNA快速扩增9序列分析软件核酸/蛋白质序列分析10基因转移设备将外源DNA引进靶细胞11色谱软件控制色谱仪、收集和处理数据12高效液相色谱仪物质的分离和纯化及纯度鉴定13电泳设备物质的分离和纯化及纯度鉴定14凝胶电泳系统蛋白质和核酸的分离和分析15毛细管电泳仪质量控制、组分分析16超速、高速离心机分

12、离生物大分子物质17电子显微镜观察细胞及组织的超微结构共一百四十六页图生物(shngw)技术树共一百四十六页1.2.4生物工程的研究的内容 运用化学工程的原理与方法(fngf)将生物技术的实验室成果进行工业开发的一门学科。既为生物技术服务的化学工程。化学工程的原理与方法(fngf)化学反应、原料的处理和产物的分离、能量的传递、设备的设计与放大、过程的控制和优化等一系列工程技术问题。化学工程传递工程、分离工程、反应工程、化工热力学、化工过程系统工程 工程分类生物（生化）反应工程和生物分离工程共一百四十六页1.3生物(shngw)反应工程 1.3.1定义：研究生物反应动力学，反应器的结构(jigu

13、)、设计、放大以及反应器优化的一个重要学科。实质：生物反应过程中带有共性的工程技术问题的学科。共一百四十六页如何(rh)从生物现象中抽象出共性的内容从宏观看 以获得生物量为目的： 生物合成速率(sl)影响因素（生物体、基质、环境因素、操作条件等） 以获得目的产物为目的：从微观看 转录与转译速率=（基因量、.等) 调控速率=（表达速率、酶活力、等）共一百四十六页1.3.2反应器生物反应(fnyng)过程的关键设备。 操作方式产品的质量 操作条件 产量 结构 能耗 原因物料的混合与流动 传质与传热 三传一反 氧和基质的供养和传递(chund)等等共一百四十六页1.3.3内容(nirng)： 以生物

14、反应动力学为基础，通过运用传递过程原理、设备(shbi)工程学、过程动态学及最优化原理等化学工程学的方法，进行生物反应过程的工程分析与开发，以及生物反应器的设计、放、操作和控制等。1971 英国 阿特金逊 B.Atkinson 采用生化反应工程 术语 1974编写生化反应器1979 日本 山根恒夫 编生物反应工程1985 德国 许盖尔特Schugerl 专著生物反应工程 共一百四十六页A. 生物反应动力学动力学研究工业生产中生物反应速率问题(wnt)；影响生物反应速率的各种因素以及如何获得最优的反应结果。 本征动力学（微观动力学）反应器动力学（宏观动力系学）B. 生物反应器 传递特性传质、传热

15、和动量传递 设计与放大选型、操作方式、计算 优化与控制优化操作与优化设计、 反应(fnyng)参数测定与控制。共一百四十六页表 生物反应过程特征(tzhng)的比较 生物反应 过程生物反应特征酶反应过程 细胞反应过程 微生物反应过程 动植物细胞培养过程 单一菌体培养系统 多菌体混合培养系统 反应水平分子水平单一群体水平生态系水平细胞或组织水平反应过程的复杂性简单一般复杂很复杂基质的数量1-2基质 几种基质 几种基质几种基质产物的数量 1-2种 菌体和几种代谢产物 几种菌体和二氧化碳，厌氧反应过程、甲烷 细胞或组织或几种产物和二氧化碳 反应速率或生长速率 快一般慢很慢共一百四十六页1.3.4发展

16、(fzhn)历史 a 酿酒、生产(shngchn)酱油和醋容器 最简单、最原始的生物反应器b.1857 Pasteur 酵母发酵生产酒控制发酵罐c. 第一次世界大战 深层培养技术、无菌空气制备技术分批、连续与流加操作d.60年代固定化技术新概念生物反应器 e.70年代基因工程特殊生物反应器 共一百四十六页龙山文化（距今4000-4200年）已有酒具出现。公元(gngyun)前200年，作豆腐、酱油和酿醋。在我国最早的诗集诗经中就提出过采用厌氧进行亚麻浸渍处理。公元(gngyun)10年有了天花的活疫苗。龙山文化泛指中国黄河中、下游地区约当新石器时代晚期(wnq)的一类文化遗存。因1928年首先

17、在山东省章丘县龙山镇城子崖发现而命名。 共一百四十六页20世纪中期前后生物化学工程(gngchng)学科的形成。20世纪后期（197080年）生物反应工程学科的形成。英国学者阿特金逊（1971）首次提出生化反应工程。20世纪90年代基因工程与生物反应工程不断融合、发展。共一百四十六页1.3.5发展(fzhn)方向 新型生物反应器的研究与开发；各种描述生物反应(fnyng)过程的数学模型的建立；生产过程参数与控制手段的改进。共一百四十六页生物反应工程(gngchng)与相关学科的关系共一百四十六页1.4生物反应(fnyng)工程的研究方法 数学模型法用数学语言表达生物法反应过程中各个变量之间的关

18、系。 不能替代实验研究。方法机理模型或结构(jigu)模型既过程机理出发推倒的。-可外推使用半经验模型 经验模型经验法共一百四十六页参考资料国外1975年日本学者合叶修一等生物化学工程-反应动力学1979年日本学者山根恒夫生物反应工程1985年德国学者许盖特（Schugerl）生物反应工程1993年日本学者川濑义矩生物反应工程基础1994（02）年丹麦(dn mi)学者Nielsen 等生物反应工程原理国内生物反应工程原理（1990和2003天津科技大学贾士儒）生物工艺学（1992华东理工大学俞俊棠等）生化工程（1993江南大学伦世仪）生化反应动力学与反应器（1996北京化工大学戚以政等）生物

19、反应工程（2004戚以政等）生物反应工程 2005浙江大学岑沛林等）生物反应工程（2005清华大学邢新会译）共一百四十六页作业(zuy)： 1.什么是生物工程？它包括哪几部分？ 2. 生物工程对人类社会将产生怎样(znyng)的影响？ 3. 什么是生物反应工程？其内容包括那些？ 4.什么是生物反应过程？其内容包括那些？ 预习： 1. 概念：解离常数、平衡常数、速度常数； 2. 酶的生物化学知识。 共一百四十六页第1章 均相酶催化(cu hu)动力学 本章的重点：米氏方程的两种假设、两种推导方式及其参数的物理意义；实验法求取(qi q)米氏方程的动力学参数；竞争性抑制剂和非竞争抑制剂的动力学方程

20、的推导及判断；根据实验数据，计算出动力学参数并判断动力学类型。本章的难点： 米氏方程及抑制剂动力学等有关的推导； 酶失活动力学的意义及推导。共一百四十六页1.1 酶催化反应的基本特征 1.1.1酶的分类与命名 氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂合酶类、异构酶类、合成酶类。1.1. 2酶的活力(hul)表示方法酶的催化效率与酶的转换数是同一概念。 催化中心活力酶活力1 kat=6107U 或 1kat=60 U 1U=1.710-8 比活力每1mg（1mL）蛋白质所具有的酶的单位数。U/mg 或 kat /mg 共一百四十六页1.1.3酶的特性(txng) 生物催化剂，具有一般催化剂所特有的特

21、性不能改变反应(fnyng)的平衡点，只能改变反应(fnyng)速率，反应(fnyng)条件温和。高效性；专一性；酶的催化作用需要辅因子非蛋白质物质共同作用；金属离子、有机物质辅酶（紧密）、辅基（疏松）酶是蛋白质失活与变性。共一百四十六页酶失活的原因与再生(zishng)的可能性化学修饰（微观变化）、空间障碍、高级结构的变化（宏观变化）、多肽链的断裂共一百四十六页1.1.4酶的稳定(wndng)方法 分类稳定化方法稳定的理由水溶性酶低温（冷冻）保存难以被化学物质和蛋白质破坏添加盐类 加入高浓度硫铵等后，酶高级结构的稳定性增加添加底物、辅酶等配体 常用 护酶活性中心，有利于酶分子高级结构的稳定性

22、 添加多元醇 理由不明化学修饰，特别是分子架桥 稳定酶的高级结构或保护酶的活性中心 添加强变性剂 若能保护好一级结构，则可随时再生 大量添加蛋白质 添加清蛋白等用于保护在稀薄状态下易发生变性、失活的酶类添加有机溶剂 如加入丙酮，理由不明结晶化 有利于高级结构的稳定不溶性酶 固定化 常用能防止蛋白酶间的相互作用，其它理由不明共一百四十六页1.2简单(jindn)的酶催化反应动力学 1.2. 1概念： 反应速率：在均相反应中，一般以单位时间、单位体积中反应组分(zfn)的改变量。对于恒容反应，V为常数，故 共一百四十六页aA+bB cC+dD平衡常数K 意义：衡量反应进行程度(chngd)大小的一

23、个常数。K越大。表示反应进行程度越大，即反应进行的越完全；反之，K越，表示反应进行程度越小，即反应进行的越不完全。K是温度的函数。共一百四十六页解离常数Ks： aA+bB cC+dD Ks =1/K意义：衡量解离进行(jnxng)程度大小的一个常数。Ks越大。表示解离进行程度越大，即反应进行的越完全；反之，Ks越小，表示反解离进行程度越小，即解离进行的越不完全。Ks是温度的函数。共一百四十六页（反应）速度常数（比速度）：aA+bB+ lL+Mm+ A=B=1mol L-1时，则r=k。 k与温度、催化剂有关(yugun)。物理意义：某在反应一定温度下，反应物为单位浓度时的反应速度。反应快， k

24、数值大。阿仑尼乌斯公式(gngsh)： Lnk=(-E/RT)+InA共一百四十六页零级(ln j)反应动力学 一级反应动力学 A B二级反应动力学 A+B Ck1k1共一百四十六页连锁(lin su)酶反应 A B Ck1k2如果A的初始浓度(nngd)为a0，B和C的初始浓度为0，并且a+b+c= a0 ，则求得：共一百四十六页例卵状假单胞菌（Pseudomonaso valis)在分批反应中先把葡萄糖转变为葡萄糖内酯，再转化为葡萄糖酸。此反应为一级反应，反应如下 G L P求中间产物（葡萄糖内酯）浓度达到最大时所需要的时间(shjin)tmax及其最大浓度值L max。已知反应常数k和k

25、分别为0.87h-1和0.7h-1。G0(初始葡萄糖浓度）=0.38mg/mL。解： G L P t=0 G0 0 0 t=0 G L Pk1k2k1k2共一百四十六页当葡萄糖内酯达到(d do)最大值时，有 所以即在1.28h时，葡萄糖内酯达到最大值15.5g/L共一百四十六页1.2.2简单(jindn)的酶催化反应特点： 简单的酶催化反应动力学一种反应物（底物）参与的不可逆反应(kn-fnyng)。酶反应动力学基础。 酶催化的水解反应、异构化反应和大部分裂解反应 对单一底物参与的简单酶催化反应： S P 反应机理可表示为： S + E ES E + P根据质量作用定律，P的生成速率可表示为

26、 rp=k+2ES=k+2XEk+2k+1k-1共一百四十六页1.2.3米氏方程(fngchng) 假设 在反应过程中，酶的浓度保持恒定， 即e0=efree+X与底物浓度S相比，酶的浓度是很小的。故可以忽略有于生成中间复合物ES而消耗的底物；产物的浓度是很低的，因而产物的抑制作可以忽略，同时也不考虑(kol)P+E ES这个逆反应的存在。(反应的初始状态） V.Henri于1902年根据转化酶(invertase)，苦杏仁酶(emulsin)及淀粉酶(amylase)的实验结果提出了反应速率方程共一百四十六页MM方程快速平衡(pnghng)学说（rapid equilibrium)原理(yu

27、nl):k+1 k-2 ， k-1 k-2 即 ES E+P 反应慢，k+2较小，决定整个酶催化反应的速度。推导： eo=e+X k+1eS=k-1X rp= k+2X共一百四十六页 动力学参数(cnsh)：KS为rP=1/2rP,max时的底物浓度，表示酶与底物相互作用的特性；rP,max表示当全部的酶分子都变成ES的反应速度；k+2表示单位(dnwi)时间内一个酶分子所催化底物发生反应的分子，即表示酶催化能力大小转换系数。（kcat)共一百四十六页B-H方程(fngchng) 拟稳态学说 原理： 中间复合物浓度维持(wich)不变， 即生成产物速度与分解产物速度相等。推倒：动力学参数：同M

28、M共一百四十六页两种方程(fngchng)（学说）比较项目MM方程BH方程假设酶和底物生成不稳定复合物ES，酶催化反应是经中间复合物完成的。即ES在反应开始后与E及S迅速达到动态平衡k+1 k-2 ， k-1 k-2ES的生成速率与其解离速率相等，其浓度不随时间变化。底物浓度远远高于酶的浓度。Se0酶量守恒 e0=efree+X产物生成动力学动力学方程Ks与Kmk-1共一百四十六页扩展(kuzhn)方程若米氏方程中e数值大（结果(ji gu)见书例3-5）存在多个中间复合物是，催化活性中心速率常数 共一百四十六页S1+E S1E K1有辅因子反应S2+E S2E K2S1E+ S2 S1S2E

29、 K12S2E+ S1 S1S2E K21S1S2E E+P k双底物(d w)反应E+C EC KCEC +C ECS KSECS E+C+P k共一百四十六页例1假设单底物S生成产物P的酶促反应机理下式，试建立可逆反应动力学方程。E,S,X和P分别(fnbi)与下式对应的浓度。 E+S ES E+P e S X e P解：M-M： rP=k+2X-k-2eP e=e+X k+1S e=k-1X k+2X=k-1 eP k+1k+1k-1k-2k+2共一百四十六页1.2.4 动力学特征与参数(cnsh)求解动力学特征A.SKm（ S0.01Km ），r为直线，B. S Km （ S 100K

30、m ） ， r为直线C. 0.01Km S 100Km， r为曲线(qxin)参数求解共一百四十六页共一百四十六页参数(cnsh)求解(a)Linewear-Bunk (b)Hane-Woolf (c) Eadie-Hofstee (d）积分法 共一百四十六页参数(cnsh)求解L-B法，双倒数法（常用） 特点：浓度小时，误差大；方便，快速(kui s)。 H-W法特点：横坐标均匀，易作图，误差小，便于分析E-H法（误差小）特点：易作图，误差小，但不易测量积分法特点：误差小，不经变量计算，工程上常用共一百四十六页例2 有一均相酶催化反应，Km值为210-3mol/L,当底物(d w)的初始浓度

31、S0为110-5mol/L，若反应进行1min，则有2%的底物转化为产物。试求：（1）当反应进行3min，底物转化为产物的百分数是多少？此时底物和产物的浓度分别是多少？（2）当So为110-6mol/L，也反应了3min，底物转化为产物的百分数是多少？（3）最大反应速率rmax值为多少？解（1）根据(gnj)题意：S 00.01Km ln(S 0/ S）=（rmax/Km)t=Kt t=1min, Xs=0.02S=S0(1-XS)=0.98 10-5mol/L ,K=0.0202min-1共一百四十六页(2) So为110-6mol/L时，仍是一级反应(fnyng)， t=3min, 求得=

32、6% S=0.94 10-5mol/L , P= 6 10-6mol/L（3）K= rmax/Km=0.202min-1 rmax= 4.0410-5 mol/(Lmin) 共一百四十六页例3常温下利用蔗糖酶水解蔗糖，蔗糖的初试浓度S 0=1.0mmol/L，酶的初试浓度e0=0.001mmol/L在实验室反应器内进行分批操作，测得如下表中数据。试确定可否用米氏方程来描述反应速率(sl)，若可以，求Km和k+2。t/h1234567891011S/(mmol/L)0.840.680.530.380.270.160.090.040.0180.0060.005ln(S0-S) S0-S1.0901

33、.2051.3511.5611.7942.1822.6263.3534.0915.1476.006 t S0-S6.2506.2506.3836.4526.8497.1437.6928.3339.16510.0611.028共一百四十六页解：米氏方程(fngchng)转换为Rmax/Km=1截距=-5.0846-1/Km=-5.0846Km=0.197mmol/Lk2=19.7/h共一百四十六页1.3有抑制剂的酶催化(cu hu)动力学不可逆抑制剂失活可逆抑制剂竞争、非竞争、反竞争、混合(用透析等物理(wl)方法除去抑制剂)定义：凡能减慢或停止酶促反应的化合物称抑 制剂。 作用机制：抑制剂的主

34、要作用是直接或间接地影响酶活性中心，改变活性中心的三维构象，占据酶活性中心，从而使酶与底物的结合机率下降。共一百四十六页1.3.1竞争性抑制(yzh)的酶催化动力学概念(ginin)：竞争性抑制剂和底物结构相似，能和底物分子竞争与酶的活性中心相结合，酶与抑制剂结合后，不能再与底物结合。 琥珀酸脱氢酶受丙二酸及草酰乙酸抑制。此二者竞争酶与底物的结合部位，但不能被酶催化脱氢，故一旦结合在活性中心部位，就抑制了酶与底物的结合 . 共一百四十六页机理(j l) E+S ES E+P E+I EI推导(tudo): M-M： rP=k+2X- e=e+X+EI k+1S e=k-1X k-3EI=k+3

35、 eI k+2k+3k-3k+1k-1方程共一百四十六页图形讨论 A. Km I KmI B. 处理(chl)方法S I 可解除抑制S/rS无竟-kIm-km共一百四十六页1.3.2非竞争性抑制(yzh)的酶催化动力学概念：机理推导(tudo)方程图形讨论 S 不能解除抑制 无有1/S1/rs核苷对霉菌酸性磷酸酯酶共一百四十六页1.3.3反竞争性抑制(yzh)的酶催化动力学概念(ginin)：机理 E+S ES E+P ES+I SEI推导方程图形讨论 无反 肼对芳香基硫酸酯酶1/S1/r共一百四十六页竞争性和非竞争性抑制(yzh)示意图共一百四十六页1.3.4 线性竞争性抑制(yzh)的酶催

36、化动力学概念：机理 E+S ES E+P E+I EI EI+S SEI ES+I SEI 推导方程图形(txng)讨论 A. KIS=KSI时，rSI为非竞争性抑制动力学； B. KSI ， rSI为竞争性抑制动力学； C. KSI ， rSI为反竞争性抑制动力学； D. KIS=KSI，且为常数， rSI为混合竞争性抑制动力学 k+2KsKsKIKI共一百四十六页1.3.5 底物(d w)抑制的酶催化动力学概念(ginin)：机理 E+S ES E+P ES+S SES推导方程图形讨论 共一百四十六页1.3.6 小结(xioji)抑制形式最大速率米氏常数抑制百分数竞争性抑制rmax Km(

37、1+ )非竞争性抑制rmax/(1+ ）Km反竞争性抑制rmax/(1+ ）Km/(1+ )几种(j zhn)抑制动力学的比较抑制百分数 , 表示抑制剂对酶催化反应抑制的程度共一百四十六页例在含有相同酶浓度的五个反应物系中，分别加入不同浓度的底物，并测定其初始(ch sh)速率，然后再在五个反应物系中分别加入浓度为110-6mol/L的抑制剂，并测定其初始的反应速率，其数据如下表.试根据上述数据决定其抑制类型及动力学参数。底物初始浓度S0mmol/L 无抑制时速率rsommol/(Lmin)有抑制时速率rSImmol/(L min )0.1028180.1536240.2043300.5063

38、510.707463解:由题意(t y)作L-B 图,有图可知 -1/Km=-4.16 -1/KmI=-0.27 ， -1/rmax=110-2 rmax=100 Km=0.24 KmI=0.44102 KI=0.27-4.16-0.27共一百四十六页1.4 复杂(fz)酶催化动力学A+B+C+ P+Q+R+ 随机(su j)机制 顺序机制双底物机制 有序机制 乒乓机制 T-C机制1.4.1 随机机制共一百四十六页1.4.2有序机制(jzh)顺序(shnx)机制T-C机制共一百四十六页乒乓(pngpng)机制多底物反应可看成是一组反应。类似这样反应多糖和蛋白质等高分子化合物的酶的水解反应是类似

39、这样反应。最初(zuch)底物具有一定的聚合度分布，底物种类很多；一般高分子底物的聚合度越大，酶促的反应速率越大。共一百四十六页1.5影响(yngxing)酶催化速率的因素内部 酶的结构特性、底物(d w)的结构特性外部 浓度因素：E 、S、P、I、A等 操作因素：T、P、pH、离子强度共一百四十六页1.1.5 pH对影响(yngxing)酶催化速率的因素pH对酶的影响的两个方面 pH对酶稳定性影响（台形）pH对酶活性影响（钟形）产生的原因(yunyn)： pH改变酶的活性中心，即改变其解离状态，从而反应速率。共一百四十六页1.5.1 pH值的影响(yngxing)Michaelis假设假定酶

40、分子有两个可解离的基团(j tun)，随着pH值的变化，分别呈现出EH2、EH-及E2-三种状态模型，既EH2 EH - E2-酸性条件下，酶呈现EH2状态；当pH增加，酶以EH-状态存在；当pH继续增加，酶以E2-状态在。 上述三种解离状态中，只有EH-型具有催化活性。 底物的解离状态不变。 速率控制步骤为由EHS-生成产物的速率。 -H+H+H+-H+共一百四十六页pH 反应(fnyng)机制S共一百四十六页推导(tudo)： -rs=rp=k+2EHS- E0=EH2-+EH-+E2-+EH2S+EHS-+ES2-共一百四十六页方程(fngchng)讨论(toln)： 共一百四十六页1.

41、5.2 温度(wnd)的影响影响： A. 在较低温度的范围(fnwi)内， 、r总 B.在较高温度的范围内， 、r总动力学模型Arrhenius公式：温度与反应速率的关系Eryring过渡理论：共一百四十六页实验建立(jinl)模型(a)共一百四十六页1.6 酶的失活动(hu dng)力学影响酶活力因素：高温、pH、有机溶剂等；失活模型(mxng)： 双状态模型 多状态模型机理 kdN D krDNDN共一百四十六页1.6.1失活速率的实验(shyn)测定失活曲线：在一定条件下，使酶溶液恒温保持一定时间，间隔时间定时取样，在酶的最适pH、温度条件下测定其活力，以残存酶活力与失活处理时间作图，即

42、得失活曲线。分析： A.均匀时间间隔取样 B. 测定时间一致 C. 注意有无(yu w)底物 D. 在最适pH、温度共一百四十六页1.6.2 酶的热稳定(wndng)动力学热稳定曲线：在一定条件下，使酶溶液不同的恒温中保持一定时间，在酶的最适pH、温度条件下测定其活力(hul)，以残存酶活力(hul)与失活处理温度作图，即得该活曲线。表示酶的热稳定性双模型机理kr共一百四十六页推导(tudo)： e0=et-D 利用(lyng)初始条件t=0, et = e0，解方程方程： （可逆） （不可逆） 共一百四十六页讨论(toln)大多数热失活模型服从 大多数pH失活模型服从半衰期t1/2=ln2/

43、kd；表示酶活力(hul)衰减的程度，是酶的稳定性参数；若考虑温度与时间的关系，则共一百四十六页1.6.3 反应时酶的热失活动(hu dng)力学操作稳定性 操作(cozu)稳定性 ： 酶在反应中的稳定性；机理： E+S ES E+P D D+S 方程： kdk+1k-1k+2kdet=ef +X共一百四十六页分析(fnx) A. =1时，底物对酶失活没影响。B.=0时，酶完全被底物所保护，复合物ES完全不失活，此时只有游离(yul)酶失活。C01时，底物加速酶的失活。E若只有游离酶失活时，其分批反应的动力学方程共一百四十六页F如果还要考虑到在反应时温度(wnd)对酶失活的影响。显然其速率方程

44、更加复杂。这里只讨论零级不可逆酶催化反应的情况。 对零级不可逆反应，S值趋于无穷大，因此有对该式积分，得到当s足够大时，上式可简化为进行积分得到 共一百四十六页复习题：复杂酶催化动力学模型(mxng)有哪几类型？Michaelis假设怎样描述pH对酶催化反应速率的影响？酶失活速率测定的方法？产物很高时，反应机制为 E+S ES E+P E+P EP试推导其反应速率方程。 k-3k+3k-1k+1k+2共一百四十六页第2章 固定化酶催化反应过程(guchng)动力学 本章重点： 影响固定化酶性质动力学因素； Da准数与准数的意义；本章难点： 内扩散动力学模型建立(jinl)原理； 外扩散动力学模

45、型建立原理 共一百四十六页酶与细胞(xbo)的应用： cheese生产：牛奶+凝乳蛋白酶； 淀粉糖生产：大米（玉米）+-淀粉酶+-淀粉酶+异淀粉酶； 原料处理：酒精、甘油、乳糖、氨基酸；生丝脱胶(tu jio)：丝蛋白（丝胶包裹着）胰蛋白酶、木瓜蛋白酶处理脱胶(tu jio)； 医药生产：L-氨基酸 有机酸生产：L-苹果酸 固定化黄色短杆菌 如用固定化氨基酸酰化酶生产L氨基酸；固定化青霉素酰胺酶水解青霉素G生产6氨基青霉烷酸； 固定化葡萄糖异构酶生产高果糖浆； 固定化糖化酶生产葡萄糖共一百四十六页固定化酶定义(dngy)定义：固定化酶亦称固相酶或水不溶酶。它是通过物理或化学的方法使溶液酶转变为

46、在一定的空间内其运动受到完全约束、或受到局部约束的一种不溶于水，但仍具活性的酶。它能以固相状态作用于底物进行(jnxng)催化反应。优点：不仅固定化酶可以反复使用，而且产物不受污染容易精制；固定化后的酶大多数情况下其稳定性增加，仅有少数的稳定性下降；固定化酶有一定的形状和一定的机械强度，可以装填在反应器中长期使用，便于实现生产连续化和自动化。共一百四十六页固定化酶方法(fngf)： 载体结合法、交联法、包埋法 1.载体结合法：将酶结合于水不溶性载体的一种固定化方法。根据结合的形式不同(b tn)，又可分为物理吸附法、离子结合法和共价结合法等。A.物理吸附法：指酶被物理吸附于不溶性载体的一种固定

47、化方法。载体有活性炭、多孔玻璃、氧化铝、硅胶、淀粉、合成树脂等。 特点：酶活性中心不易被破坏，酶结构变化少的优点，但它有酶与载体相互作用力弱，酶易脱落的缺点。 共一百四十六页1.载体(zit)结合法：B.离子结合法：酶通过离子键结合于具有离子交换基的水不溶性载体的固定化方法(fngf)。此法的载体有多糖类离子交换剂和合成高分子离子交换树脂。例如DEAE纤维素、GM纤维素等特点：操作简单，条件温和，酶的高级结构和活性中心的氨基酸残基不易被破坏，能得到酶活回收率较高的固定化酶。但是载体与酶的结合力较弱，容易受缓冲液种类或pH的影响，在离子强度高的条件下反应时，酶易从载体上脱落。共一百四十六页1.载

48、体(zit)结合法：C共价结合法：酶以共价结合于载体的固定化方法，它是载体结合法中应用最多的一种。此法或是将载体有关基团活化，然后与酶有关基团发生偶联反应；或是在载体上接一个双功能试剂，然后将酶偶联上去。可与载体结合的酶的功能团有氨基、羧基、羟基、酚基等。特点：共价结合法反应条件比较苛刻，操作(cozu)复杂，并且易引起酶高级结构产生变化，破坏了部分活性中心，酶活回收率一般为30左右。代表性的方法有重氮法、溴化氰法等。共一百四十六页2.交联法双功能或多功能试剂使酶与酶之间交联的固定化方法。此法与共价结合法一样也是利用共价键固定酶的，不同的是它不使用载体。做为交联剂的有形成希夫碱的戊二醛、形成肽

49、键的异氰酸酯、发生重氮偶合反应(fnyng)的双重氮联苯胺等。特点：应用条件较激烈、酶活回收率低。共一百四十六页3.包埋法分网格(wn )型和微囊型网格型：埋在高分子凝胶细微网格中的方法。微囊型：包埋在高分子半透膜中的方法。特点：包埋法一般很少改变酶的高级结构，酶活回收率较高，因此可用于许多酶的固定化，但必须巧妙地设计反应条件。适合范围 ：小分子(fnz)底物和产物的酶，因为只有小分子(fnz)才可以通过高分子(fnz)凝胶的网格进行扩散。 共一百四十六页固定化酶的模式(msh)(5)疏水作用(zuyng)； （6）脂质体包埋； （7）微胶囊共一百四十六页2.1 固定化酶催化(cu hu)的动

50、力学特征 酶固定化后性质的变化评价固定化酶指标：酶活力表现率和酶活力收率影响(yngxing)固定化酶动力学的因素固定化酶反应动力学共一百四十六页2.1 固定化酶催化(cu hu)的动力学特征 酶固定化后性质的变化： 底物(d w)专一性的改变： pH的改变 稳定性热的稳定性、贮藏稳定性、 操作稳定性 动力学的改变。原因：酶自身的变化主要由于活性中心氨基酸残基、空间结构和电荷状态变化； 载体的物理和化学性质的变化。共一百四十六页大多数酶在固定化后，其Km值增加(zngji)，表示催化反应活性将下降。也有少数酶固定化后活性无变化，甚至有所增大。共一百四十六页评价这种活性变化可用下述两种指标来衡量

51、：酶活力(hul)表现率和酶活力(hul)收率。酶活力表现率（相对活力）：实际测定的固定化酶的总活力与被固定化了的酶在溶液状态时的总活力之比。酶活力收率（活力回收）：实际测定的固定化酶的总活力与固定化时所用的全部游离酶的活力之比。 上述两种指标(zhbio)之差别在于是否考虑了所剩余的未被固定化的酶。 共一百四十六页影响(yngxing)固定化酶动力学的因素分子构象的改变位阻效应(xioyng)微扰效应分配效应扩散效应共一百四十六页固定化酶反应(fnyng)历程底物(d w)从液相主体传向固定化酶周围的滞流液层（外表面）；底物扩散通过这一滞流液层到载体外表面；进行酶促反应；底物由载体外表面向载

52、体内扩散；产物由内部扩散到载体外表面；产物由载体外表面到滞流液层；产物由滞流液层传递到主体溶液当酶固定化于载体的外表面时，没有 和两个阶段。和 、和是属于外扩散过程， 、 则为内扩 散过程。可以看出，固定化酶的催化反应受到了物质传递和酶促反应两个方面的影响。共一百四十六页固定化酶反应(fnyng)历程共一百四十六页影响(yngxing)固定化酶动力学的因素 （1）分子构象的改变：指固定化过程中酶和载体的相互作用引起酶的活性中心或调节中心的构象发生了变化，导致酶与底物的结合活力下降(xijing)的一种效应。特点：难以定量描述与预测。多出现于吸附法和共价偶联法的固定化酶中 。共一百四十六页（2）

53、位阻效应 ：载体的遮蔽作用(如载体的空隙太小，或者固定化位置或方法不当，给酶的活性中心或调节中心造成空间障碍，使底物和效应物无法与酶接触等)引起的。特点(tdin)：选择适宜的载体与固定化方法，可消除这种不利因素的影响，但这种效应难以定量描述与预测。共一百四十六页（3）微扰效应(xioyng)由于载体的亲水性、疏水性及介质的介电常数等，使紧邻固定化酶的环境区域(微环境)发生变化，改变了酶的催化能力及酶对效应物做出调节反应的能力。特点：这种效应难以定量描述(mio sh)和预见，但可以通过改变载体与介质的性质而做出判断与调节。共一百四十六页空间效应(xioyng)模拟图共一百四十六页（4）分配(

54、fnpi)效应 分配效应(xioyng)是由于固定化载体与底物或效应(xioyng)物之间的疏水性，亲水性及静电作用所引起微环境(固定化酶紧邻的微观局部环境)和宏观环境之间物质的不等分配，改变了酶反应系统的组成平衡，从而影响酶反应速率的一种效应。 共一百四十六页（4）分配(fnpi)效应分配效应可以通过分配系数Kp来定量描述。Kp的定义是载体(zit)内外底物(或其他物质)浓度之比。测定Kp方法：在已知浓度和体积的底物溶液中，放人不含底物的一定体积的载体，并保持适宜条件，当达到平衡时，测定载体外溶液中的底物浓度。共一百四十六页（5）扩散限制指底物、产物及其他效应物的迁移和传递(chund)速度

55、所受到的一种限制。 物质的传递过程包括分子扩散和对流扩散。这种扩散过程的速率在某些情况下可能会对反应速率产生限制作用。 扩散限制效应可分为外扩散限制效应和内扩散限制效应。 共一百四十六页分配效应(xioyng)与扩散效应(xioyng)分配(fnpi)效应扩散效应分配和扩散效应同时作用共一百四十六页固定化酶剖面图及浓度(nngd)分布图共一百四十六页固定化酶反应(fnyng)动力学本征动力学 指酶的真实动力学行为，包括溶液酶和固定化酶在内。对后者，它仅将空间效应的影响考虑在内。从这个意义上讲，固定化酶的本征动力学与溶液酶的本征动力学是有差别的。固有动力学 在本征动力学的基础上，仅仅考虑由于这种分配效应而造成的浓度差异(chy)对动力学产生的影响，所建立的动力学称为固有动力学 表观动力学共一百四十六页表观(bio un)动力学不论(bln)分配效应是否存在，固定化酶受到扩散限制时所观察到的速率称为有效反应速率，或称为宏观反应速率。 据此所建立的动力学方程称为宏观动力学方程，或称为有效动力学方程。 所建立的宏观动力学方程也不完全服从MM方程形式。共一百四十六页固定化酶反应(fnyng)动力学共一百四十六页2.2 外扩散限制效应(xioyng) 特征(tzhng)：底物：液相主体 固定化酶外表面 固定化酶外