1、生物反应工程原理生物反应工程原理第二章第二章 酶促反应动力学酶促反应动力学主要内容主要内容1.1.酶与固定化酶的性质酶与固定化酶的性质2.2.利用稳态法和快速平衡法建立酶促反应动力学方程利用稳态法和快速平衡法建立酶促反应动力学方程3.3.操作参数（温度与操作参数（温度与pHpH）对酶促反应的影响）对酶促反应的影响4.4.酶的抑制动力学酶的抑制动力学5.5.固定化酶促反应动力学固定化酶促反应动力学6.6.酶的失活动力学酶的失活动力学了解酶的失活动力学与反应过程中酶失活了解酶的失活动力学与反应过程中酶失活动力学行为。动力学行为。掌握零级、一级和米氏酶促反应动力学方掌握零级、一级和米氏酶促反应动力学
2、方程及其应用原理程及其应用原理熟悉酶促反应与化学反应的区别与特点熟悉酶促反应与化学反应的区别与特点具备分析固定化酶反应过程中的传质与反应具备分析固定化酶反应过程中的传质与反应和固定化酶动力学反应不同阶段特性的能力和固定化酶动力学反应不同阶段特性的能力目的目的学习的目的学习的目的了解抑制酶促反应动力学的特征了解抑制酶促反应动力学的特征2-1 酶与固定化酶的性质酶与固定化酶的性质1.1.酶酶2.2.固定化酶固定化酶l 熟悉酶促反应与一般化学反应的区别与特点熟悉酶促反应与一般化学反应的区别与特点l 掌握酶促反应过程中的一些基本概念掌握酶促反应过程中的一些基本概念2-1-1 酶酶 生物反应工程是建立在
3、生物科学与工程学基础之上。生物反应工程是建立在生物科学与工程学基础之上。生物反应离不开生物催化剂，因此首先应深入了解生物催生物反应离不开生物催化剂，因此首先应深入了解生物催化剂的基本概念。化剂的基本概念。酶是生物体为其自身代谢活动而产生的生物催化剂，除具酶是生物体为其自身代谢活动而产生的生物催化剂，除具有催化活性的有催化活性的RNA外基本都是蛋白质。外基本都是蛋白质。基本概念：基本概念：1)为什么称酶促反应？不说酶反应？为什么称酶促反应？不说酶反应？2)生物催化剂与化学催化剂具有相同的性质吗？生物催化剂与化学催化剂具有相同的性质吗？3）购买酶时，是购买的活力还是什么？）购买酶时，是购买的活力还
4、是什么？酶的分类酶的分类 国际生物化学联合会国际生物化学联合会(International Union of Biochemistry IUB)国际酶学委员会国际酶学委员会(Enzyme Commission,EC)于于1961年年提出的酶的分类与命名方案的规定，按照酶进行催化反应提出的酶的分类与命名方案的规定，按照酶进行催化反应的类型，可将酶分为六类：的类型，可将酶分为六类：1 1）氧化还原酶类）氧化还原酶类(oxidoreductases)(oxidoreductases)2 2）转移酶类）转移酶类(transferases)(transferases)3 3）水解酶类）水解酶类(hydr
5、olases)(hydrolases)4 4）裂合酶）裂合酶(lyases)(lyases)5 5）异构酶）异构酶(isomerases)(isomerases)6 6）连接（或合成）酶）连接（或合成）酶(ligase,synthetases)(ligase,synthetases)酶的分类酶的分类 例如：例如：第一亚第一亚类（氧类（氧化基团化基团是是CHOH）在此亚在此亚亚类中亚类中的顺序的顺序号号第一大第一大类（氧类（氧化还原化还原酶）酶）第一亚第一亚亚类亚类（NAD为为H的的受体）受体）编号编号EC1.1.1.1（已醇脱氢酶）（已醇脱氢酶）酶的催化共性酶的催化共性1）降低反应的活化能降低
6、反应的活化能 如过氧化氢的分解，如过氧化氢的分解，无催化剂时反应无催化剂时反应活化能为活化能为75.31kJ/mol，加入过氧化氢酶后，过氧化氢分，加入过氧化氢酶后，过氧化氢分解反应的活化能为解反应的活化能为8.37kJ/mol；2）加快反应速率加快反应速率 一般非酶催化反应速率太低，不易观察，一般非酶催化反应速率太低，不易观察，酶催化反应速率和在相同酶催化反应速率和在相同pH值与温度下非酶催化反应速值与温度下非酶催化反应速率可直接比较的例子很少。已知己糖激酶可加快反应速率，率可直接比较的例子很少。已知己糖激酶可加快反应速率，大于大于1010倍；乙醇脱氢酶大于倍；乙醇脱氢酶大于2108倍。倍。
7、酶的催化共性酶的催化共性3）不能改变反应的平衡常数，只能加快反应达到平衡的速不能改变反应的平衡常数，只能加快反应达到平衡的速度度另外另外，反应中酶的立体结构和离子价态可能发生变化，但在，反应中酶的立体结构和离子价态可能发生变化，但在反应结束时，酶本身一般不消耗，并恢复到原来状态。反应结束时，酶本身一般不消耗，并恢复到原来状态。酶的生物催化特性酶的生物催化特性 1）很强的专一性）很强的专一性 底物专一性底物专一性(substrate specificity)反应专一性反应专一性(reaction specificity)立体专一性立体专一性(stereo specificity)2）较高的催化效
8、率较高的催化效率,酶的催化反应是在常温、常压等温和条酶的催化反应是在常温、常压等温和条件下进行的，相对于此条件下的化学反应，催化效率高。件下进行的，相对于此条件下的化学反应，催化效率高。另外，酶易失活；酶的催化活力与辅酶、辅基及金属离子有另外，酶易失活；酶的催化活力与辅酶、辅基及金属离子有关；酶活性受到浓度参数、激素的量、反馈抑制等因素的关；酶活性受到浓度参数、激素的量、反馈抑制等因素的调节和控制。调节和控制。酶催化活力的定义酶催化活力的定义 酶的催化效率是用酶活力表示酶的催化效率是用酶活力表示 在一定条件（如在一定条件（如25，在具有最适底物浓度、最适缓冲液，在具有最适底物浓度、最适缓冲液离
9、子强度和离子强度和pH值）下，值）下，min能催化能催化mol底物转化为产底物转化为产物时所需要的酶量为一个国际单位（物时所需要的酶量为一个国际单位（IU）。）。1972年国际酶学委员会推荐一个新的酶活力国际单位年国际酶学委员会推荐一个新的酶活力国际单位katal，符号为符号为kat。kat的定义：在最适条件下的定义：在最适条件下1 s催化催化mol底物转化的酶量。底物转化的酶量。1 kat=1mol/s=60106mol/min=6107 IU 1 IU=1mol/min=1/60mol/s=1/60kat=16.6710-9 kat 酶的比活力为每千克酶所具有的酶的比活力为每千克酶所具有的
10、katal数，即数，即kat/kg。酶的调节功能酶的调节功能 酶是生物催化剂，而且具有调节功能。生物反应中的有序酶是生物催化剂，而且具有调节功能。生物反应中的有序性受多方面因素调节与控制，而酶活力的控制是代谢调节性受多方面因素调节与控制，而酶活力的控制是代谢调节作用的主要方式。作用的主要方式。酶活力的调节方式酶活力的调节方式：1）酶浓度的调节；酶浓度的调节；2）激素调节；）激素调节；3）共价修饰调节；共价修饰调节；4）限制性蛋白水解作用与酶活性调控；）限制性蛋白水解作用与酶活性调控；5）抑制剂调节；抑制剂调节；6）反馈调节；）反馈调节；7）金属离子和其它小分子化）金属离子和其它小分子化合物的调
11、节等。合物的调节等。酶还是一类多用途的催化剂，通过特殊操作，可产生具有酶还是一类多用途的催化剂，通过特殊操作，可产生具有两种或更多种不同功能（或活性中心）的酶。此外，酶的两种或更多种不同功能（或活性中心）的酶。此外，酶的区域化（区域化（compartmentation）和多酶复合体等都和酶活力）和多酶复合体等都和酶活力的调节控制有密切关系。的调节控制有密切关系。引起酶失活的原因引起酶失活的原因1 1）酶活性中心特定氨基酸（或其它）残基被化学修饰；）酶活性中心特定氨基酸（或其它）残基被化学修饰；2 2）外部环境的影响，酶活性中心出现空间障碍，使其不能）外部环境的影响，酶活性中心出现空间障碍，使其
12、不能与底物相结合；与底物相结合；3 3）酶的高级结构发生变化，相对而言是一种宏观变化；）酶的高级结构发生变化，相对而言是一种宏观变化；4 4）多肽链的断裂，可以说是一种）多肽链的断裂，可以说是一种“激烈的分解作用激烈的分解作用”；5 5）确保酶活力稳定的方法确保酶活力稳定的方法低温（冷冻保存）低温（冷冻保存）添加盐类添加盐类添加底物添加底物添加有机溶剂添加有机溶剂化学修饰化学修饰加入强变性剂加入强变性剂加入蛋白质加入蛋白质结晶化结晶化固定化固定化难以被化学物质或蛋白酶等破坏难以被化学物质或蛋白酶等破坏例如加入高浓度硫铵后，增强酶高级结构的稳定性例如加入高浓度硫铵后，增强酶高级结构的稳定性保护酶
13、的活性中心，有利于酶分子高级结构的稳定保护酶的活性中心，有利于酶分子高级结构的稳定酶分子构象刚性增强等酶分子构象刚性增强等稳定酶的高级结构，保护酶的活性中心稳定酶的高级结构，保护酶的活性中心只要保留一级结构，仍可再生只要保留一级结构，仍可再生加入清蛋白（加入清蛋白（albuminalbumin）等用于保护在稀薄状态下易发生变）等用于保护在稀薄状态下易发生变性失活的酶类性失活的酶类有利于高级结构的稳定有利于高级结构的稳定防止或减少蛋白酶的作用防止或减少蛋白酶的作用稳定化方法稳定化方法稳定的原因稳定的原因酶应用的特点酶应用的特点1)1)酶的稳定性及应用特点酶的稳定性及应用特点2)2)酶是以活力、而
14、不是以质量购销的酶是以活力、而不是以质量购销的3)3)酶有不同的质量等级：酶有不同的质量等级：工业用酶工业用酶 食品用酶食品用酶 医药用酶医药用酶 实际应用酶时应注意，没有必要使用比工艺条件所需实际应用酶时应注意，没有必要使用比工艺条件所需纯度更高的酶。纯度更高的酶。酶应用的特点酶应用的特点酶应用的特点酶应用的特点酶应用的特点酶应用的特点酶应用的特点酶应用的特点 经典酶学研究中，酶活力的测定是在反应的初始短时间内经典酶学研究中，酶活力的测定是在反应的初始短时间内进行的，并且酶浓度、底物浓度较低，且为水溶液，酶学进行的，并且酶浓度、底物浓度较低，且为水溶液，酶学研究的目的是探讨酶促反应的机制。研
15、究的目的是探讨酶促反应的机制。工业上，为保证酶促反应高效率完成，常需要使用高浓度工业上，为保证酶促反应高效率完成，常需要使用高浓度的酶制剂和底物，且反应要持续较长时间，反应体系多为的酶制剂和底物，且反应要持续较长时间，反应体系多为非均相体系，有时也在有机溶剂中进行。非均相体系，有时也在有机溶剂中进行。酶应用的特点酶应用的特点酶在有机溶剂中的优点：酶在有机溶剂中的优点：溶解度较大，溶解度较大，且其且其热稳定性和储存稳定性比在水中有明显热稳定性和储存稳定性比在水中有明显提高；提高；某些反应过程的热力学平衡可以向期望的方向移动，可以某些反应过程的热力学平衡可以向期望的方向移动，可以发生水溶液中不可能
16、进行的反应，如脂肪酶催化酯交换和发生水溶液中不可能进行的反应，如脂肪酶催化酯交换和酯合成反应等；酯合成反应等；酶分子构象表现出比在水溶液中更有刚性的特点，因而可酶分子构象表现出比在水溶液中更有刚性的特点，因而可以通过选择不同性质的溶剂来调控酶的某些选择性；以通过选择不同性质的溶剂来调控酶的某些选择性；产物的分离与纯化比在水中容易；产物的分离与纯化比在水中容易；另外酶不溶于有机溶剂因此有利于酶的回收与再利用等。另外酶不溶于有机溶剂因此有利于酶的回收与再利用等。酶应用的特点酶应用的特点 有机溶剂中，猪胰脂肪酶催化正己酸和无水乙醇合成己酸有机溶剂中，猪胰脂肪酶催化正己酸和无水乙醇合成己酸乙酯的反应：
17、乙酯的反应：以环己烷为反应介质以环己烷为反应介质,正己酸浓度正己酸浓度0.6 m o l/L,n(正己酸正己酸)：n(无水乙醇无水乙醇)=1：1.25,加酶量加酶量15 g/L,反应温度反应温度37,反反应应24 h 后后,产率达到产率达到90.5%。2-1-2 固定化酶固定化酶1.1.固定化酶的基本概念固定化酶的基本概念2.2.酶固定化的方法酶固定化的方法3.3.固定化酶的性质固定化酶的性质1.1.固定化酶的基本概念固定化酶的基本概念固定化酶固定化酶 通过通过物理或化学物理或化学的方法使溶液酶的方法使溶液酶结合在不溶于结合在不溶于水的载体上水的载体上，或，或被限制在有限空间内被限制在有限空间
18、内，能与反应液，能与反应液分离，保留在反应器内或能够被回收并反复利用，分离，保留在反应器内或能够被回收并反复利用，不溶于水不溶于水但仍具有酶活力的酶。但仍具有酶活力的酶。固定化酶的发展史固定化酶的发展史NelsonNelson和和GriffinGriffin首先发现首先发现酵母蔗糖酶能被骨碳粉末酵母蔗糖酶能被骨碳粉末吸附，并在吸附状态下具吸附，并在吸附状态下具有催化活性。有催化活性。召开第一次国际酶召开第一次国际酶工程会议，确定固工程会议，确定固定化酶的定义。定化酶的定义。日本学者千叶一郎等成功日本学者千叶一郎等成功地将固定化氨基酸酰化酶地将固定化氨基酸酰化酶应用于应用于DL-DL-氨基酸拆分
19、上氨基酸拆分上连续化工业生产连续化工业生产L-L-氨基酸，氨基酸，实现了酶应用史上的一大实现了酶应用史上的一大变革。变革。19161916年年19691969年年19711971年年出现固定化细胞技术出现固定化细胞技术1976年法国首次固定化酵母细胞生产啤酒和酒精。1978年日本用固定化枯草杆菌生产淀粉酶。20世纪70年代后期20世纪80年代出现固定化原生质体技术出现固定化原生质体技术1982年日本首次用固定化原生质体生产啤谷氨酸，取得进展。国内：国内：1986年天津科技大学程志娟等人用固定化己酸菌提高浓香型白酒质量，其成果获得国家科技进步奖。固定化酶的历史沿革固定化酶的历史沿革固定化酶的商业
20、化应用：固定化酶的商业化应用：1)1)氨基酰化酶氨基酰化酶1969年日本田边制药公司在世界上首次商业化应用的固定年日本田边制药公司在世界上首次商业化应用的固定化酶用于化酶用于DL-氨基酸拆分，实现了氨基酸拆分，实现了L-氨基酸连续生产。氨基酸连续生产。2)-2)-半乳糖苷酶半乳糖苷酶又称乳糖酶，可用于水解乳中存在的乳糖，生成半乳糖和又称乳糖酶，可用于水解乳中存在的乳糖，生成半乳糖和葡萄糖。采用固定化乳糖酶可连续生产低乳糖乳。葡萄糖。采用固定化乳糖酶可连续生产低乳糖乳。3)3)天冬氨酸天冬氨酸-脱羧酶脱羧酶固定化天冬氨酸固定化天冬氨酸-脱羧酶工业化生产脱羧酶工业化生产L-丙氨酸。丙氨酸。固定化酶
21、的历史沿革固定化酶的历史沿革4)4)天冬氨酸酶天冬氨酸酶利用天冬氨酸酶将延胡索酸转化生产利用天冬氨酸酶将延胡索酸转化生产L-天冬氨酸。天冬氨酸。5)5)青霉素酰化酶青霉素酰化酶医药工业上广泛应用的一种固定化酶，可用多种方法固定医药工业上广泛应用的一种固定化酶，可用多种方法固定化。化。1973年已工业化生产，用于制造各种半合成青霉素和年已工业化生产，用于制造各种半合成青霉素和头孢霉素。头孢霉素。6)6)延胡索酸酶延胡索酸酶固定化延胡索酸酶生产固定化延胡索酸酶生产L-苹果酸。苹果酸。固定化酶的历史沿革固定化酶的历史沿革7)7)葡萄糖异构酶葡萄糖异构酶 世界上生产规模最大的固定化酶。固定化葡萄糖异构
22、酶世界上生产规模最大的固定化酶。固定化葡萄糖异构酶催化葡萄糖异构化生成果糖，连续生产果葡糖浆。催化葡萄糖异构化生成果糖，连续生产果葡糖浆。（活性二羰基物质活性二羰基物质）葡萄糖异构酶葡萄糖异构酶优质淀粉优质淀粉果葡糖浆果葡糖浆固定化酶的优缺点固定化酶的优缺点 优点优点容易从反应体系中分离容易从反应体系中分离可以重复使用可以重复使用机械强度和稳定性增加机械强度和稳定性增加便于连续化、自动化生产便于连续化、自动化生产缺点缺点酶活力损失酶活力损失初始投资加大初始投资加大只适用于可溶性底物只适用于可溶性底物不适用于多酶反应不适用于多酶反应反应受传质速率影响反应受传质速率影响2.2.酶固定化的方法酶固定
23、化的方法 物理吸附法物理吸附法:吸附于不溶性载体吸附于不溶性载体 载体结合法载体结合法 离子结合法：通过离子键结合离子结合法：通过离子键结合 共价结合法：通过共价键结合共价结合法：通过共价键结合 交联法交联法通过双功能或多功能试剂使酶与酶之间交联通过双功能或多功能试剂使酶与酶之间交联 格子型：包埋在高分子凝胶细微网格中格子型：包埋在高分子凝胶细微网格中 包埋法包埋法 微胶囊：包埋在高分子半透膜中微胶囊：包埋在高分子半透膜中酶固定化的方法酶固定化的方法酶固定化方法示意图酶固定化方法示意图（1 1）离子结合）离子结合（2 2）共价结合）共价结合（3 3）交联）交联（4 4）聚合物包埋）聚合物包埋（
24、5 5）疏水作用）疏水作用（6 6）脂质体包埋）脂质体包埋（7 7）微胶囊）微胶囊载体结合法载体结合法交联法交联法 酶与具有两个或两个以上官能团的试剂反应酶与具有两个或两个以上官能团的试剂反应 戊二醛戊二醛 特点特点EOEEOOOE（1）不需要载体；不需要载体；（2）反应剧烈，酶活收率低；反应剧烈，酶活收率低；（3）结合牢固。结合牢固。包埋法包埋法 将酶包埋在凝胶的微小格子或微胶囊等有限空间内将酶包埋在凝胶的微小格子或微胶囊等有限空间内 聚丙烯酰胺凝胶、海藻酸钙、琼脂聚丙烯酰胺凝胶、海藻酸钙、琼脂 特点特点（1）只适合于底物和产物均为小分子物质的酶的固定化只适合于底物和产物均为小分子物质的酶的
25、固定化（2）酶活收率高酶活收率高（3）制备成本高制备成本高聚合聚合格子型固定化酶格子型固定化酶丙烯酰胺丙烯酰胺交联剂交联剂酶酶酶固定化方法的比较酶固定化方法的比较特性特性物理吸附法物理吸附法离子结合法离子结合法共价结合法共价结合法交联法交联法包埋法包埋法制备制备易易易易难难难难易易结合力结合力弱弱中中强强强强强强酶活酶活高高高高中中中中高高底物专底物专一性一性无变化无变化无变化无变化有变化有变化有变化有变化无变化无变化再生再生可能可能可能可能不可能不可能不可能不可能不可能不可能固定化固定化费用费用低低低低中中高高中中3.3.固定化酶的性质固定化酶的性质 由于固定化常常是一种化学修饰，酶本身的由
26、于固定化常常是一种化学修饰，酶本身的结构必然受到扰动，同时酶固定化后，其催化作用结构必然受到扰动，同时酶固定化后，其催化作用由均相移到异相，由此带来的扩散限制效应、空间由均相移到异相，由此带来的扩散限制效应、空间障碍、载体性质造成的分配效应等因素必然对酶的障碍、载体性质造成的分配效应等因素必然对酶的性质产生影响。性质产生影响。固定化酶的性质固定化酶的性质 底物专一性的改变底物专一性的改变 稳定性增强稳定性增强 最适最适pH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讨讨 论论 进行酶促反应机理研究是否有必进行酶促反应机理研究是否有必要进行酶的固定化？要进行酶的固定化？小小
27、 结结 酶不仅是一生物催化剂，具有一般化学催化剂酶不仅是一生物催化剂，具有一般化学催化剂的所有功能，而且是具有生物代谢调节功能，的所有功能，而且是具有生物代谢调节功能，其在生物反应过程中具有不可替代的作用。其在生物反应过程中具有不可替代的作用。只要了解了酶的基本性质，并遵从其性质而应只要了解了酶的基本性质，并遵从其性质而应用酶，酶分子是相当稳定的。用酶，酶分子是相当稳定的。固定化酶是提高酶应用效率的有效方法之一。固定化酶是提高酶应用效率的有效方法之一。思考题思考题1.简述酶的催化特性与调节功能。简述酶的催化特性与调节功能。2.在一个实际的生物催化过程中如何确保生物催化剂（如在一个实际的生物催化
28、过程中如何确保生物催化剂（如酶）的稳定性，并提高催化效率？酶）的稳定性，并提高催化效率？3.酶在应用过程中有哪些不同于化学催化剂和微生物作为酶在应用过程中有哪些不同于化学催化剂和微生物作为生物催化剂的地方？生物催化剂的地方？4.为什么要固定化酶？进行生物酶催化机理研究时，采用为什么要固定化酶？进行生物酶催化机理研究时，采用固定化酶是否更有利于清楚了解催化过程机理？固定化酶是否更有利于清楚了解催化过程机理？生物反应工程原理生物反应工程原理第二章第二章 酶促反应动力学酶促反应动力学主要内容主要内容1.1.酶与固定化酶的性质酶与固定化酶的性质2.2.利用稳态法和快速平衡法建立酶促反应动力学方程利用稳
29、态法和快速平衡法建立酶促反应动力学方程3.3.操作参数（温度与操作参数（温度与pHpH）对酶促反应的影响）对酶促反应的影响4.4.酶的抑制动力学酶的抑制动力学5.5.固定化酶促反应动力学固定化酶促反应动力学6.6.酶的失活动力学酶的失活动力学学习酶促反应动力学的目的学习酶促反应动力学的目的酶促反应酶促反应(Enzymatic reaction)是生物反应的是生物反应的基础。在生物化学课程中我们学习了酶促反应动基础。在生物化学课程中我们学习了酶促反应动力学，为什么这里我们还要讲述、学习呢？力学，为什么这里我们还要讲述、学习呢？对于商业化酶促反应过程，主要研究是对酶促对于商业化酶促反应过程，主要研
30、究是对酶促反应速率规律进行的定性或定量的描述，建立可反应速率规律进行的定性或定量的描述，建立可靠的反应动力学方程，进而确定适宜的操作条件。靠的反应动力学方程，进而确定适宜的操作条件。酶促反应的特征酶促反应的特征 基于酶自身的特性，酶促反应是在常温、常压、中性范基于酶自身的特性，酶促反应是在常温、常压、中性范围（个别除外）条件下进行的，与一些化学反应相比，围（个别除外）条件下进行的，与一些化学反应相比，省能且效率较高；省能且效率较高；由于酶促反应的专一性，无或少有副产物生成，有利于由于酶促反应的专一性，无或少有副产物生成，有利于提取操作；提取操作；与微生物反应相比，反应体系较简单，反应过程的最适
31、与微生物反应相比，反应体系较简单，反应过程的最适条件易于控制等。条件易于控制等。酶促反应的不足酶促反应的不足 酶促反应多限于一步或几步较简单的生化反应过程，与酶促反应多限于一步或几步较简单的生化反应过程，与微生物反应体系相比，在经济上有时并不理想；微生物反应体系相比，在经济上有时并不理想；虽然酶促反应条件比较温和，但一般周期较长。因此有虽然酶促反应条件比较温和，但一般周期较长。因此有发生杂菌污染的可能；发生杂菌污染的可能；固定化酶反应体系有许多优于游离酶促反应体系的优点，固定化酶反应体系有许多优于游离酶促反应体系的优点，但固定化酶并非一定就是最优质的生物催化剂。但固定化酶并非一定就是最优质的生
32、物催化剂。酶促反应与化学反应的主要区别酶促反应与化学反应的主要区别 酶促反应酶促反应 化学反应化学反应反应条件反应条件 温和温和 激烈激烈反应时间反应时间 较长较长 时间短时间短生物相容性生物相容性 好好 较差较差反应体积反应体积 较大较大 较小较小可持续性可持续性 较强较强 较差较差与环境友好性与环境友好性 较强较强 较差较差还有什么？还有什么？2-2-1 酶促反应动力学基础酶促反应动力学基础影响酶促反应的主要因素有：影响酶促反应的主要因素有：浓度因素，包括酶浓度、底物浓度等；浓度因素，包括酶浓度、底物浓度等；外部因素外部因素(环境因素环境因素)，包括温度、压力、溶液的介电常，包括温度、压力
33、、溶液的介电常数与离子强度、数与离子强度、pHpH等；等；内部因素内部因素(结构因素结构因素)，包括底物及效应物浓度、酶的结，包括底物及效应物浓度、酶的结构等。构等。其中影响酶促反应的最基本的是浓度因素。从浓度因素其中影响酶促反应的最基本的是浓度因素。从浓度因素实验可求得速率常数，而速率常数为内外因素所左右，这实验可求得速率常数，而速率常数为内外因素所左右，这是单相酶促反应动力学的核心内容。是单相酶促反应动力学的核心内容。2-2-1 酶促反应动力学基础酶促反应动力学基础可采用化学反应动力学方法建立相应的动力学方程。可采用化学反应动力学方法建立相应的动力学方程。如果酶促反应速率与底物浓度无关，此
34、时为零级反应如果酶促反应速率与底物浓度无关，此时为零级反应式中：式中：S S 底物浓度；底物浓度；r rmax max 最大反应速率最大反应速率例如：氨在催化剂表面分解为氮气和氢气的反应例如：氨在催化剂表面分解为氮气和氢气的反应maxrdtdS （1）)()(3)(2223gNgHgNH 催化剂催化剂2-2-1 酶促反应动力学基础酶促反应动力学基础当反应速率与底物浓度的一次方成正比，称为一级反当反应速率与底物浓度的一次方成正比，称为一级反应。即酶催化应。即酶催化AB的过程的过程式中：式中：k1 一级反应速率常数；一级反应速率常数；a0 底物底物A的初始浓度；的初始浓度；b t 时产物时产物B的
35、浓度。的浓度。)(01bakdtdb （2）例如：有机物的分解，放射性元素衰变。例如：有机物的分解，放射性元素衰变。2-2-1 酶促反应动力学基础酶促反应动力学基础相应的二级反应，即相应的二级反应，即A+B CA+B C式中：式中：k2 二级反应速率常数；二级反应速率常数；a0,b0 底物底物A和底物和底物B的初始浓度；的初始浓度；c t 时产物时产物C的浓度。的浓度。（3）式积分可得）式积分可得 通过作图可求出通过作图可求出k k2 2。)(002cbcakdtdc tkcbacabba2000000)()(ln1 （4）（3）2-2-1 酶促反应动力学基础酶促反应动力学基础式中：式中：a、
36、b、c A、B、C的浓度；的浓度；k1、k2 各步的反应速率常数。各步的反应速率常数。对连锁的酶促反应，对连锁的酶促反应，CBAkk21akdtda1bkakdtdb21bkdtdc22-2-1 酶促反应动力学基础酶促反应动力学基础tkeaa10 )(211201tktkeekkakb )1()1(2112120tktkekekkkac 如果如果A的初始浓度为的初始浓度为a0，B和和C的初始浓度为的初始浓度为0，并且，并且，则可求得，则可求得0acba 例例 题题例题例题1:卵状甲单胞菌在分批式反应中先将葡萄糖转变为卵状甲单胞菌在分批式反应中先将葡萄糖转变为葡萄糖内脂，再转化为葡萄糖酸。此反应
37、为一级反应，葡萄糖内脂，再转化为葡萄糖酸。此反应为一级反应，反应式如下：反应式如下：求中间产物求中间产物(葡萄糖内酯葡萄糖内酯)浓度达最大时所需的时间浓度达最大时所需的时间t tmaxmax及及其最大浓度值其最大浓度值L Lmaxmax。已知反应常数。已知反应常数k k1 1 和和k k2 2分别为分别为0.87h0.87h-1-1和和0.7h0.7h-1-1。G G0 0(初始葡萄糖浓度初始葡萄糖浓度)=38mg/ml)=38mg/ml。葡萄糖酸葡萄糖酸葡萄糖内酯葡萄糖内酯葡萄糖葡萄糖PLGkk21例例 题题PLGkk210000PLGttGt 【解】因为因为1GkdtGd 所以所以 tke
38、GG10 所以所以 因为因为21LkGkdtdL )(211201tktkeekkGkL 例例 题题LgeeLhkkkkt/5.15)28.17.028.187.0(7.087.03887.0max;28.17.087.07.087.0ln2121lnmax 即当即当tmax=1.28h时，时，L 物浓度达到最大值为物浓度达到最大值为15.5g/L。当当L 物达到最大值时，此时物达到最大值时，此时 ，所以，所以0 dtLd2-2-1 酶促反应动力学基础酶促反应动力学基础何为限速阶段？何为限速阶段？2-2-2 单底物酶促反应动力学单底物酶促反应动力学1.1.米氏方程米氏方程根据酶底物中间复合物假
39、说，对单底物酶促反应，其反应根据酶底物中间复合物假说，对单底物酶促反应，其反应机制可表示为：机制可表示为：根据质量作用定律，根据质量作用定律，P P的生成速度可表示为的生成速度可表示为xkrcatP e efreefree S x e S x efreefree P PPEESSEcatkkk 112-2-2 单底物酶促反应动力学单底物酶促反应动力学三点假设（快速平衡法）三点假设（快速平衡法）S eS efreefree ，S S 底物浓度不变底物浓度不变;不考虑不考虑 P+E ESP+E ES这个可逆反应的存在。产物这个可逆反应的存在。产物P P为零，即为零，即反应为初始状态反应为初始状态;
40、ES E+PES E+P是整个反应的限速阶段，也就是说是整个反应的限速阶段，也就是说E+S=ESE+S=ES的可逆反应在初速度测定时间内已达到平衡。的可逆反应在初速度测定时间内已达到平衡。ESES分解生成产分解生成产物的速度不足以破坏这个平衡。物的速度不足以破坏这个平衡。2-2-2 单底物酶促反应动力学单底物酶促反应动力学SKSrSKSekrrspscatsp max,)(式中：式中：rs 底物消耗速度（负号表示减少）底物消耗速度（负号表示减少）；rp 产物生成速率产物生成速率；Ks 平衡常数平衡常数 ,其又称饱和常数其又称饱和常数。)(11 kkKs2-2-2 单底物酶促反应动力学单底物酶促
41、反应动力学稳态法推导动力学方程几点假设：稳态法推导动力学方程几点假设：同快速平衡法同快速平衡法同快速平衡法同快速平衡法x x的生成速率与的生成速率与x x的消失速率相等，达到动态平衡，即所谓的消失速率相等，达到动态平衡，即所谓“稳态稳态”SKSrSKSekrrmpmcatsp max,)(2-2-2 单底物酶促反应动力学单底物酶促反应动力学几点讨论：几点讨论：KmKm与与KsKs之间关系为之间关系为11 kkkKcatm111)(kkKkkkKcatscatm2-2-2 单底物酶促反应动力学单底物酶促反应动力学 当当S KmS kS k+2+2 时，相对时，相对SS讲，呈零级反应特征讲，呈零级
42、反应特征 当当SS接近接近KmKm时，反应体系随底物浓度而变动于零级和时，反应体系随底物浓度而变动于零级和一级反应之间。一级反应之间。mcatPKSekr ekrrcatpP max,2-2-2 单底物酶促反应动力学单底物酶促反应动力学r rr rmaxmaxr rmaxmax/2/2K Km mC CS S图图1 1 酶浓度一定时底物浓度对反应速率的影响酶浓度一定时底物浓度对反应速率的影响2-2-2 单底物酶促反应动力学单底物酶促反应动力学1 1/K Km m1/1/r rmaxmax1 1r r斜率斜率-K Km m/r/rmaxmax1 1/C CS S图图2 2 双倒数法求解双倒数法求
43、解K Km m和和r rmaxmax双倒数法双倒数法(Linewear Burk):(Linewear Burk):对米氏方程两侧取倒数，得对米氏方程两侧取倒数，得以以 作图，得一直线。根据直线斜作图，得一直线。根据直线斜率和截距可计算出率和截距可计算出K Km m和和r rmaxmax。SmCrKrr111maxmax SCr112-2-2 单底物酶促反应动力学单底物酶促反应动力学生物化学中的酶促反应与工业酶促反应的异同点生物化学中的酶促反应与工业酶促反应的异同点 生物化学中酶促反应生物化学中酶促反应 工业酶促反应工业酶促反应反应速度反应速度 初速度初速度 平均速度平均速度传质影响传质影响
44、无无 有有反应时间反应时间 短时间短时间 长时间长时间目的目的 了解反应机理了解反应机理 获得反应速率获得反应速率 提高生产效率提高生产效率还有什么？还有什么？2-2-2 单底物酶促反应动力学单底物酶促反应动力学工业酶促反应中人们更关心的是什么？工业酶促反应中人们更关心的是什么？反应时间与底物转化率的关系反应时间与底物转化率的关系基于基于t=0t=0，S=SS=S0 0初值积分得初值积分得tmtSSKSStr00maxln)(ssmrSrKt max0max)11ln(例例 题题例题例题2：将底物和酶加入到酶反应器中，经反应，底物的：将底物和酶加入到酶反应器中，经反应，底物的转化率为转化率为9
45、0%时，空时为多少？已知反应速率方程为时，空时为多少？已知反应速率方程为)1(1003SSers 例例 题题【解】当当e0=0.001mol/L时，反应速率是时，反应速率是，)1(SSrs 底物的底物的90%转化为产物时转化为产物时(min)1.4)1.01(1.01ln t1SSdtSd 在反应器中在反应器中100 sstSdSSdt即即)(ln00SSSSt 积分后得到积分后得到例例 题题例题例题3:一般，酶促反应中酶的浓度较之底物浓度低很多，一般，酶促反应中酶的浓度较之底物浓度低很多，但当采用膜型生物反应器（细节见第七章），且采用高分但当采用膜型生物反应器（细节见第七章），且采用高分子底
46、物，发现米氏常数随酶浓度而变化。基于此确立相应子底物，发现米氏常数随酶浓度而变化。基于此确立相应的反应模型与酶促反应的动学方程。的反应模型与酶促反应的动学方程。例例 题题【解解】由题意，反应模型可写成如下：由题意，反应模型可写成如下：第一阶段：第一阶段：第二阶段：第二阶段：第一阶段反应的解离平衡常数第一阶段反应的解离平衡常数K K为：为：酶及其它物质的物料平衡算式为：酶及其它物质的物料平衡算式为：其中，其中，t t表示酶的总量。一般表示酶的总量。一般ESESSS，但当酶浓，但当酶浓度较高时，度较高时，ESSESS。ESSE SPEScatk ESSEK （1 1）ESEEt ESSSt （2
47、2）（3 3）例例 题题解之，得解之，得 将（将（2 2）式和（）式和（3 3）式代入（）式代入（1 1）式，得）式，得即即 )(ESSESEESKt 0)(2 ttttSEKESESES)()(411)(5.0212KESESKESESKESEStttttttttt (4)(4)例例 题题若第二阶段为限速阶段，则：若第二阶段为限速阶段，则：将（将（4 4）式带入（）式带入（5 5）式）式 由式（由式（8 8）可知，米氏常数随酶浓度的增加）可知，米氏常数随酶浓度的增加而增大。一般反应速度有可能会酶浓度增而增大。一般反应速度有可能会酶浓度增加而增大。当然也有不增加的例子。由本加而增大。当然也有不
48、增加的例子。由本题可知，酶的浓度相对于底物浓度高时，题可知，酶的浓度相对于底物浓度高时，酶的浓度是不可忽视的因素。酶的浓度是不可忽视的因素。ESkrcat(5)(5)(tmtmSKSrr (6)(6)tcatmEkr(7)(7)其中其中tmEKK (8)(8)小小 结结1.1.米氏方程是一个理论性方程，是当酶促反应无传质米氏方程是一个理论性方程，是当酶促反应无传质影响下才能够成立，是实际生物反应中的一个特例。影响下才能够成立，是实际生物反应中的一个特例。2.2.找出限速阶段是提高反应速率的关键。找出限速阶段是提高反应速率的关键。3.3.针对工业规模的酶促反应，人们更关心的是反应时针对工业规模的
49、酶促反应，人们更关心的是反应时间与转化率之间的关系。间与转化率之间的关系。思考题思考题1.简述酶促反应的特征及其与化学反应的主要区别？简述酶促反应的特征及其与化学反应的主要区别？2.应用直线作图法（应用直线作图法（LineweaverBurk法；法；Haneswoolf法；法；EadieHofstee法和积分法）求取米氏方程中的动力学参数法和积分法）求取米氏方程中的动力学参数Ks和和rmax，并比较由各种方法所得结果的误差大小。，并比较由各种方法所得结果的误差大小。3.假设单底物假设单底物S生成产物生成产物P的酶促反应机理式如的酶促反应机理式如(1)式，试建立该式，试建立该可逆酶促反应可逆酶促
50、反应(Reversible enzyme reaction)动力学方程。动力学方程。e、S、x和和P分别是与分别是与(1)式对应项的浓度。式对应项的浓度。e S X e PPEESSEcatkkkk 211(1)生物反应工程原理生物反应工程原理 第二章第二章 酶促反应动力学酶促反应动力学1.1.酶与固定化酶的性质酶与固定化酶的性质2.2.利用稳态法和快速平衡法建立酶促反应动力学方程利用稳态法和快速平衡法建立酶促反应动力学方程3.3.操作参数（温度与操作参数（温度与pHpH）对酶促反应的影响）对酶促反应的影响4.4.酶的抑制动力学酶的抑制动力学5.5.固定化酶促反应动力学固定化酶促反应动力学6.
