生物反應(yīng)工程第1章

1、1.生物反應(yīng)工程：將生物技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室成果經(jīng)工藝及工程開發(fā)而成為可供工業(yè)生產(chǎn)的工藝過程，常稱為生化反應(yīng)工程。實(shí)質(zhì)是利用生物催化劑從事生物技術(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。 主要有四個(gè)部分組成：原材料的預(yù)處理；生物催化劑的制備； 生化反應(yīng)器及其反應(yīng)條件的選擇和監(jiān)控； 產(chǎn)物的分離純化。2.生物反應(yīng)工程的分類：酶促反應(yīng)過程； 細(xì)胞反應(yīng)過程（單一或多種微生物細(xì)胞培養(yǎng)，動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)等）； 廢水的生物處理過程3.生物反應(yīng)過程各分類的特征：4.一般生物工程示意圖：5.生物工程與化學(xué)工程的比較：.6. 生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué):生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究相關(guān)因素對(duì)反應(yīng)速率的影響及其規(guī)律。具體包括如下內(nèi)容：酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)、 均相和多相系統(tǒng)

2、酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 酶的失活動(dòng)力學(xué)； 微生物反應(yīng)過程的質(zhì)量與物量衡算 發(fā)酵動(dòng)力學(xué) 微生物培養(yǎng)操作技術(shù)； 影響動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)的因素 動(dòng)植物細(xì)胞反應(yīng)及其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)7. 生物反應(yīng)器：地位：生物技術(shù)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)、生產(chǎn)力的關(guān)鍵設(shè)備，在生物反應(yīng)過程中居于中心地位。 使用高效率的生物反應(yīng)器目的：提高產(chǎn)品的生成率，減少有關(guān)輔助設(shè)備，降低生產(chǎn)成本，獲得盡可能大 的經(jīng)濟(jì)效益。注：由于生物反應(yīng)的復(fù)雜性，加上外界的影響以及相關(guān)理論的不完善，目前生物反應(yīng)器的形式還不能 適應(yīng)生物反應(yīng)過程多樣性的需要8. 酶分為六類：氧化還原酶類、轉(zhuǎn)移酶類、水解酶類、裂合酶類、異構(gòu)酶、連接（或合成酶） 催化共性：降低反應(yīng)活化能。 加快反應(yīng)速率。

3、 反應(yīng)的平衡常數(shù)不改變，只能加快反應(yīng)到達(dá)平衡的速度。 反應(yīng)中酶的立體結(jié)構(gòu)和離子價(jià)態(tài)可能發(fā)生變化，但在反應(yīng)結(jié)束時(shí)，酶本身一般不消耗， 恢復(fù)到原來狀態(tài) 生物催化特性：酶具有很強(qiáng)的專一性： 底物專一性、反應(yīng)專一性、立體專一性 催化效率高 酶易失活，反應(yīng)條件是常溫、常壓等溫 酶的催化活力與輔酶、輔基及金屬子有關(guān)； 酶活性受到濃度參數(shù)、激素的量、反饋抑制等因素的調(diào)節(jié)和控制9.酶的調(diào)節(jié)功能：酶不僅是生物催化劑，而且具有調(diào)節(jié)功能。酶活力的控制是代謝調(diào)節(jié)作用的主要方式。 酶活力的調(diào)節(jié)方式：激素調(diào)節(jié)；抑制劑調(diào)節(jié)；反饋調(diào)節(jié)；酶濃度的調(diào)節(jié)； 共價(jià)修飾調(diào)節(jié)；金屬離子和其它小分子化合物的調(diào)節(jié)； 限制性蛋白水解作用與酶活

4、性調(diào)控 酶還是一類多用途的催化劑，通過特殊的操作，可產(chǎn)生兩種或更多種不同的功能的酶。 酶的區(qū)域化和多酶復(fù)合體等都和酶的活力調(diào)節(jié)控制有密切關(guān)系10. 引起酶失活的原因：多肽的撕裂 酶的高級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化 酶活性中心特定氨基酸（或其它殘基）被化學(xué)修飾； 外部環(huán)境的影響，酶活性中心出現(xiàn)空間障礙，使其不能與底物相結(jié)合； 確保酶活力穩(wěn)定的方法：低溫，冰凍保存：化學(xué)物質(zhì)或蛋白酶的侵害不易發(fā)生； 添加一些鹽類：高濃度鹽類加入以后，酶的高級(jí)結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定些； 添加底物：可以保護(hù)酶的活性中心，所以酶就穩(wěn)定； 添加有機(jī)溶劑：可以使酶分子構(gòu)象的剛性增強(qiáng)，不容易失活； 加入蛋白質(zhì)：因?yàn)槊敢话闶堑鞍踪|(zhì)，當(dāng)加入蛋白質(zhì)后，蛋白

5、酶侵害的時(shí)候， 會(huì)保護(hù)酶 加入強(qiáng)變性劑：不是降解酶，而是使酶變性到一定程度，保留酶的一級(jí)結(jié)構(gòu)， 然后去除變性劑，酶可以再生。 結(jié)晶化：結(jié)晶化的酶的高級(jí)結(jié)構(gòu)就容易穩(wěn)定； 固定化：防止或減少蛋白酶作用 化學(xué)修飾：可以保護(hù)酶的活性中心，使酶的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；11. 應(yīng)用范圍：工業(yè)用酶、食品用酶、醫(yī)藥用酶 注：酶是以活力，而不是以質(zhì)量購銷的 酶有不同的質(zhì)量等級(jí) 實(shí)際應(yīng)用酶時(shí)需要注意，沒有必要使用比工藝條件所需純度更高的酶。14. 酶應(yīng)用特點(diǎn)：經(jīng)典酶學(xué)研究中，酶活力的測定是在反應(yīng)的初始短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行的，并且酶濃度、底物濃 度較低，且為水溶液，酶學(xué)研究的目的，是探討酶促反應(yīng)的機(jī)制。 工業(yè)上，為保證酶促反應(yīng)高效率完

6、成，常常需要使用高濃度的酶制劑和底物，且反應(yīng)需 要持續(xù)較長時(shí)間，反應(yīng)體系多為非均相體系，有時(shí)反應(yīng)是在有機(jī)溶劑中進(jìn)行的。 有機(jī)底物在有機(jī)溶劑中有較大的溶解度，在有機(jī)溶劑中的酶熱穩(wěn)定性，和儲(chǔ)存穩(wěn)定性比在 水中有明顯提高； 在有機(jī)溶劑中，某些反應(yīng)過程的熱力學(xué)平衡可以向期望方向移動(dòng)，可以發(fā)生水溶液中不可 能進(jìn)行的反應(yīng)，如脂肪酶酯交換和酯合成反應(yīng)。 在有機(jī)溶劑中，酶分子構(gòu)象表現(xiàn)出比水溶液中更有剛性的特點(diǎn)，因而可以通過選擇不同性 質(zhì)的溶劑來調(diào)控酶的某些選擇性。 產(chǎn)物的分離和純化比在水中更容易。 另外酶不同于有機(jī)溶劑，因此有利于酶的回收和再利用11.酶催化活力的定義：在一定條件下，1min能催化1mol底物

7、時(shí)所需要的酶量為一個(gè)國際單位（IU）。 一個(gè)kat單位定義：在最適條件下，1s催化1mol底物轉(zhuǎn)化的酶量。 1kat=1mol/s=60106 mol/min=6107IU 酶的比活力：為每千克酶所具有的katal數(shù)，即katal/kg.利用穩(wěn)態(tài)法和快速平衡法建立酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程1. 酶促反應(yīng)的特征：基于酶自身的特性，酶促反應(yīng)是在常溫、常壓、中性范圍（個(gè)別除外）條件下進(jìn)行 的，與一些化學(xué)反應(yīng)相比，省能，且效率較高。 由于酶促反應(yīng)的專一性，無或少有副產(chǎn)物生成，有利于提取操作； 與微生物反應(yīng)相比，反應(yīng)體系較簡單，反應(yīng)過程的最適條件易于控制等。 不足：酶促反應(yīng)多限于一步或幾步較簡單的生化反應(yīng)過程，

8、與微生物反應(yīng)體系相比，在經(jīng) 濟(jì)上并不理想。 雖然酶促反應(yīng)條件比較溫和，但周期較長，易污染雜菌 固定化酶反應(yīng)體系有優(yōu)于游離酶促反應(yīng)體系的優(yōu)點(diǎn)，但固定化酶并非一定就是最優(yōu) 質(zhì)的生物催化劑。2.酶促反應(yīng)與化學(xué)反應(yīng)的主要區(qū)別： 酶促反應(yīng) 化學(xué)反應(yīng) 反應(yīng)條件 溫和 激烈 反應(yīng)時(shí)間 較長 時(shí)間短 生物相容性 好 較差 反應(yīng)體積 較大 較小 可持續(xù)性 較強(qiáng) 較差 與環(huán)境友好性 較強(qiáng) 較差3.生物化學(xué)酶促反應(yīng)與工業(yè)酶促反應(yīng)的異同點(diǎn)：3.單底物酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 米氏方程：r=(rmax*S)/(Km+S)；只適用于單底物酶促反應(yīng)不存在抑制的情況。 根據(jù)酶-底物中間復(fù)合物假說，對(duì)單底物酶促反應(yīng)，其反應(yīng)機(jī)制可表示為：

9、E+SESE+P快速平衡法的三點(diǎn)假設(shè)：酶和底物生成復(fù)合物ES，酶催化反應(yīng)是經(jīng)中間復(fù)合物完成的。 底物濃度S遠(yuǎn)大于酶的濃度E，因此ES的形成不會(huì)降低底物濃度S，底物濃 度以初始濃度計(jì)算。 不考慮P+EES這個(gè)可逆反應(yīng)的存在。 ES在反應(yīng)開始后與E及S迅速達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡穩(wěn)態(tài)法推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方程的幾點(diǎn)假設(shè)：酶和底物生成復(fù)合物ES，酶催化反應(yīng)是經(jīng)中間復(fù)合物完成的。 底物濃度S遠(yuǎn)大于酶的濃度E，因此ES的形成不會(huì)降低底物濃度 S，底物濃度以初始濃度計(jì)算。 在反應(yīng)的初始階段，產(chǎn)物濃度很低，P+EES這個(gè)可逆反應(yīng)的速率 極小，可以忽略不計(jì)。 ES的生成速率與其解離速率相等，其濃度不隨時(shí)間而變化利用穩(wěn)態(tài)法建立的米氏

10、方程出現(xiàn)的三種情況：當(dāng)SKm時(shí)，相對(duì)S來說，呈零級(jí)反應(yīng)特征 當(dāng)S接近Km時(shí)，反應(yīng)體系隨底物濃度而變動(dòng)于零級(jí)和一級(jí)反應(yīng)之間。4.零級(jí)反應(yīng)：把反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度無關(guān)的反應(yīng)叫做零級(jí)反應(yīng)。5.米氏常數(shù)Km的意義：Km值代表反應(yīng)速率達(dá)到Vmax/2時(shí)的底物濃度。 Km是酶的一個(gè)特性常數(shù)，Km的大小只與酶的性質(zhì)有關(guān)，而與酶濃度無關(guān)。但 底物種類、反應(yīng)溫度、pH和離子強(qiáng)度等因素會(huì)影響Km值。因此可以用Km值來 鑒別酶。 Km值可以判斷酶的專一性和天然底物。 當(dāng)k+2k-1時(shí)， Km KS ，那么Km可以作為酶和底物結(jié)合緊密程度的一個(gè)度 量，表示酶和底物結(jié)合的親合力大小米氏方程中飽和常數(shù)的倒數(shù)1/Ks可表示酶與底物親和力的大小。它的值越大，表示酶與底物親和力越（ ）穩(wěn)態(tài)學(xué)說中所謂的穩(wěn)態(tài)是指中間復(fù)合物ES的生成速率與分解速率相等，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。（）6.抑制：由于酶的必需基團(tuán)化學(xué)性質(zhì)的改變，但酶未變性，而引起酶活力的降低或喪失，稱為抑制作用。.7. 效應(yīng)物：凡能使酶分子發(fā)生別構(gòu)作用的物質(zhì)叫效應(yīng)物，通常為小分子代謝物或輔因子。 負(fù)效應(yīng)物：因別構(gòu)導(dǎo)致酶活性降低的物質(zhì)稱為。簡單酶動(dòng)力學(xué)推導(dǎo)：主要是兩種方法，即Michaelis-Menten 法和Briggs-Haldane法。前者采用快速平衡 的假設(shè)，中間產(chǎn)物生成速度遠(yuǎn)大于產(chǎn)物生成速度；后者采