第二章 酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

1、第一章第一章 酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 魏春魏春 課程主要內(nèi)容課程主要內(nèi)容 第一章第一章 酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)(4) 酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)；酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)；米氏方程；競(jìng)爭(zhēng)性抑制酶促反應(yīng)酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)；酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)；米氏方程；競(jìng)爭(zhēng)性抑制酶促反應(yīng) 動(dòng)力學(xué)；非競(jìng)爭(zhēng)性抑制酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；產(chǎn)物抑制酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；底物抑制動(dòng)力學(xué)；非競(jìng)爭(zhēng)性抑制酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；產(chǎn)物抑制酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；底物抑制 酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；多底物酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；酶的失活動(dòng)力學(xué)酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；多底物酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；酶的失活動(dòng)力學(xué) 第二章第二章 微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)微生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)(6) 影響微生物生長(zhǎng)和代謝的各種因素影響

2、微生物生長(zhǎng)和代謝的各種因素, 微生物反應(yīng)過程計(jì)量學(xué)微生物反應(yīng)過程計(jì)量學(xué), 得率系數(shù)，比生得率系數(shù)，比生 長(zhǎng)速率概念及計(jì)算長(zhǎng)速率概念及計(jì)算, 微生物生長(zhǎng)的非結(jié)構(gòu)模型，基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)微生物生長(zhǎng)的非結(jié)構(gòu)模型，基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué),產(chǎn)物合成動(dòng)力產(chǎn)物合成動(dòng)力 學(xué)學(xué) 第三章第三章 微生物反應(yīng)器操作微生物反應(yīng)器操作(5) 微生物反應(yīng)器操作的分類及比較微生物反應(yīng)器操作的分類及比較 分批式操作：生長(zhǎng)曲線及狀態(tài)方程式分批式操作：生長(zhǎng)曲線及狀態(tài)方程式 流加式操作：流加操作的分類、指數(shù)流加數(shù)學(xué)模型流加式操作：流加操作的分類、指數(shù)流加數(shù)學(xué)模型 連續(xù)式操作：連續(xù)操作存在的問題及應(yīng)用連續(xù)式操作：連續(xù)操作存在的問題及應(yīng)用 第四章第

3、四章 動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)動(dòng)力學(xué)(2) 動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)的特性，植物細(xì)胞培養(yǎng)及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)及反動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)的特性，植物細(xì)胞培養(yǎng)及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)及反 應(yīng)動(dòng)力學(xué)應(yīng)動(dòng)力學(xué) 第五章第五章 生物反應(yīng)器中的傳質(zhì)過程生物反應(yīng)器中的傳質(zhì)過程(4) 流體流變學(xué)特性流體流變學(xué)特性, 發(fā)酵液的流變學(xué)特性發(fā)酵液的流變學(xué)特性, 氧傳遞理論，體積溶氧系數(shù)的測(cè)定氧傳遞理論，體積溶氧系數(shù)的測(cè)定, 影響影響kLa的因素及其提高措施的因素及其提高措施 第六章第六章 生物反應(yīng)器生物反應(yīng)器(3) 生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，常見的生物反應(yīng)器生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，常見的生物反應(yīng)器, 生物反應(yīng)器放大的目的與方法

4、生物反應(yīng)器放大的目的與方法 第七章第七章 生物反應(yīng)工程領(lǐng)域的拓展生物反應(yīng)工程領(lǐng)域的拓展(6) 超臨界生物反應(yīng)，雙液相生物反應(yīng)、代謝工程、系統(tǒng)生物學(xué)等生物應(yīng)工程超臨界生物反應(yīng)，雙液相生物反應(yīng)、代謝工程、系統(tǒng)生物學(xué)等生物應(yīng)工程 領(lǐng)域的拓展介紹領(lǐng)域的拓展介紹 引言：堿性果膠酸裂解酶活力測(cè)定引言：堿性果膠酸裂解酶活力測(cè)定 取適量稀釋一定倍數(shù)的粗酶液和取適量稀釋一定倍數(shù)的粗酶液和2 ml 1% (w/w)果膠溶液果膠溶液(pH 9.6) 分別置于兩個(gè)試管中，于分別置于兩個(gè)試管中，于55水浴預(yù)熱水浴預(yù)熱5 min，然后吸取，然后吸取1 ml粗粗 酶液加入到果膠溶液中，并使它們充分混勻，準(zhǔn)確反應(yīng)酶液加入到果

5、膠溶液中，并使它們充分混勻，準(zhǔn)確反應(yīng)10 min。 取上述反應(yīng)混合物取上述反應(yīng)混合物1 ml 加入加入9 ml 0.01 mol/l HCl終止反應(yīng)，在終止反應(yīng)，在235 nm處測(cè)定吸光值，以滅過酶活的酶液作為空白對(duì)照。處測(cè)定吸光值，以滅過酶活的酶液作為空白對(duì)照。 一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)酶活單位定義為：每分鐘使果膠裂解產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)酶活單位定義為：每分鐘使果膠裂解產(chǎn)生1mol的不飽的不飽 和聚半乳糖醛酸所需的酶量。和聚半乳糖醛酸所需的酶量。不飽和聚半乳糖醛酸在不飽和聚半乳糖醛酸在235nm處的處的 摩爾吸光系數(shù)為摩爾吸光系數(shù)為4600Lmol-1cm-1。 U =（A/4600）10610-3310（1/10

6、）n = An(30/46) 式中：式中：U-酶液的酶活力，酶液的酶活力， U/mL A OD值值 n 酶液稀釋倍數(shù)酶液稀釋倍數(shù) 2.1 酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的特點(diǎn)酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的特點(diǎn) 2.1.1 酶的基本概念酶的基本概念 2.1.2 酶的穩(wěn)定性及應(yīng)用特點(diǎn)酶的穩(wěn)定性及應(yīng)用特點(diǎn) 酶是以酶是以活力活力、而、而不是以質(zhì)量不是以質(zhì)量購(gòu)銷的。購(gòu)銷的。 酶有不同的質(zhì)量等級(jí)：工業(yè)用酶、食品用酶、醫(yī)藥酶有不同的質(zhì)量等級(jí)：工業(yè)用酶、食品用酶、醫(yī)藥 用酶。酶的實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意，沒有必要使用比工藝用酶。酶的實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意，沒有必要使用比工藝 條件所需純度更高的酶。條件所需純度更高的酶。 經(jīng)典酶學(xué)研究中，酶反應(yīng)速率的測(cè)定

7、是在反應(yīng)經(jīng)典酶學(xué)研究中，酶反應(yīng)速率的測(cè)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)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。的機(jī)制。 工業(yè)上，為保證酶促反應(yīng)高效率完成，常需要工業(yè)上，為保證酶促反應(yīng)高效率完成，常需要 使用高濃度的酶制劑和底物，且反應(yīng)要持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)使用高濃度的酶制劑和底物，且反應(yīng)要持續(xù)較長(zhǎng)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)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。溶劑中進(jìn)行。 2.2 均相酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)均相酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 2.2.1 酶促反

8、應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) 可采用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方法建立酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)可采用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方法建立酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 方程。方程。 一步簡(jiǎn)單反應(yīng) 1 k AM 1 A AA dC rk C dt 1 M MAA dC rrk C dt （1） 對(duì)（對(duì)（1）式從）式從0-t（CA0到到CA）進(jìn)行積分可得）進(jìn)行積分可得 tk AA eCC 1 0 2.2 均相酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)均相酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 2.2.1 酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) 可采用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方法建立酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程。可采用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方法建立酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程。 對(duì)酶促反應(yīng)對(duì)酶促反應(yīng) ，有：，有： 式中，式中， k：酶促反

9、應(yīng)速率常數(shù)；：酶促反應(yīng)速率常數(shù)； r：酶促反應(yīng)速率；：酶促反應(yīng)速率； rA：以底物：以底物A的消耗速率表示的酶促反應(yīng)速率；的消耗速率表示的酶促反應(yīng)速率； rP：以產(chǎn)物：以產(chǎn)物P的生成速率表示的酶促反應(yīng)速率的生成速率表示的酶促反應(yīng)速率(P指指C或或D)。 DCBA dt dC r A A BAPA CkCrrr dt dC r P P C CA A不斷減少，為使不斷減少，為使r rA A恒為正，所以式前恒為正，所以式前 要加負(fù)號(hào)要加負(fù)號(hào) 對(duì)連鎖的酶促反應(yīng)，對(duì)連鎖的酶促反應(yīng)，PMA kk 21 A A Ck dt dC 1 MA M CkCk dt dC 21 M P Ck dt dC 2 2.2

10、.2 單底物酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 2.2.2.1 米氏方程 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： PS PEESSE k k k 2 1 1 快速平衡法推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方程：快速平衡法推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方程： 幾點(diǎn)假設(shè)： （1）CSCE，中間復(fù)合物ES的形成不 會(huì)降低CS。 （2）不考慮產(chǎn)物P的可逆反應(yīng)。 （3） 為快速平衡， 為整個(gè)反應(yīng)的限速階段，因此ES分解 成產(chǎn)物不足以破壞這個(gè)平衡。 ESSE PEES ES Ckr 2 1 1 k k K C CC S ES SE ESEE CCC 0 解之，得解之，得 SS SE CK CCk r 02 02maxE Ckr SS S

11、CK Cr r max 令令 則則 根據(jù)假設(shè)建立動(dòng)力學(xué)方程根據(jù)假設(shè)建立動(dòng)力學(xué)方程 11 0 ES ESES dC k C Ck C dt 穩(wěn)態(tài)法推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方程：穩(wěn)態(tài)法推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方程： 幾點(diǎn)假設(shè)：幾點(diǎn)假設(shè)： （1）CSCE，中間復(fù)合物，中間復(fù)合物ES的形成不會(huì)降的形成不會(huì)降 低低CS。 （2）不考慮這個(gè)可逆反應(yīng)。）不考慮這個(gè)可逆反應(yīng)。 （3）CSCE中間復(fù)合物中間復(fù)合物ES一經(jīng)分解，產(chǎn)生一經(jīng)分解，產(chǎn)生 的游離酶立即與底物結(jié)合，使中間復(fù)合物的游離酶立即與底物結(jié)合，使中間復(fù)合物 ES濃度保持衡定，即濃度保持衡定，即 。 0 dt dCES ES Ckr 2 ESEE CCC 0 解之，得解之，得 0

12、2maxE Ckr 令令 則則 0 211 ESESSE ES CkCkCCk dt dC S SE C k kk CCk r 1 21 02 1 21 k kk K m Sm S CK Cr r max 根據(jù)以上假設(shè)，可建立如下方程組根據(jù)以上假設(shè)，可建立如下方程組 米氏方程米氏方程 r rmax rmax/2 KmCS Sm S CK Cr r max 圖圖2 21 1 酶濃度一定時(shí)底物濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響酶濃度一定時(shí)底物濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響 對(duì)米氏方程的討論： 當(dāng)CSKm時(shí)，屬零級(jí)反應(yīng)。 當(dāng)CSKm時(shí)，。Km在數(shù)量上等 于反應(yīng)速度達(dá)到最大反應(yīng)速度一半時(shí)的 底物濃度。 S m C K r r

13、 max max rr 2 max r r 引言：堿性果膠酸裂解酶活力測(cè)定引言：堿性果膠酸裂解酶活力測(cè)定 取適量稀釋一定倍數(shù)的粗酶液和取適量稀釋一定倍數(shù)的粗酶液和2 ml 1% (w/w)果膠溶液果膠溶液(pH 9.6) 分別置于兩個(gè)試管中，于分別置于兩個(gè)試管中，于55水浴預(yù)熱水浴預(yù)熱5 min，然后吸取，然后吸取1 ml粗粗 酶液加入到果膠溶液中，并使它們充分混勻，準(zhǔn)確反應(yīng)酶液加入到果膠溶液中，并使它們充分混勻，準(zhǔn)確反應(yīng)10 min。 取上述反應(yīng)混合物取上述反應(yīng)混合物1 ml 加入加入9 ml 0.01 mol/l HCl終止反應(yīng)，在終止反應(yīng)，在235 nm處測(cè)定吸光值，以滅過酶活的酶液作為

14、空白對(duì)照。處測(cè)定吸光值，以滅過酶活的酶液作為空白對(duì)照。 一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)酶活單位定義為：每分鐘使果膠裂解產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)酶活單位定義為：每分鐘使果膠裂解產(chǎn)生1mol的不飽的不飽 和聚半乳糖醛酸所需的酶量。和聚半乳糖醛酸所需的酶量。不飽和聚半乳糖醛酸在不飽和聚半乳糖醛酸在235nm處的處的 摩爾吸光系數(shù)為摩爾吸光系數(shù)為4600Lmol-1cm-16。 U =（A/4600）10610-3310（1/10）n = An(30/46) 式中：式中：U-酶液的酶活力，酶液的酶活力， U/mL A OD值值 n 酶液稀釋倍數(shù)酶液稀釋倍數(shù) 雙倒數(shù)法(Linewear Burk): 對(duì)米氏方程兩側(cè)取倒數(shù)，得 ,以 作圖

15、，得一直線， 直線斜率為 ，截距為 ,根據(jù)直線 斜率和截距可計(jì)算出Km和rmax。 S m Cr K rr 111 maxmax S Cr 1 1 max 1 r max r Km Sm S CK Cr r max 1Km 1rmax 1r 斜率Km/rmax 1CS 圖22 雙倒數(shù)法求解Km和rmax 習(xí)題習(xí)題 將底物1 g/L和酶0.001 mol/L加入到酶反應(yīng)器中，經(jīng)反應(yīng)，底物轉(zhuǎn)化率為90% 時(shí)，反應(yīng)時(shí)間是多少？已知反應(yīng)速率方程為 Sm S CK Cr r max 1 10 0 3 S Se r s 2.2.2.2 抑制劑對(duì)酶促反應(yīng)速率的影響 失活作用: 使酶蛋白變性而引起酶活力喪失的

16、作用 抑制作用:使酶活力下降，但并不引起酶蛋白變性 的作用 不可逆抑制 競(jìng)爭(zhēng)性抑制 可逆抑制 非競(jìng)爭(zhēng)性抑制 反競(jìng)爭(zhēng)性抑制 競(jìng)爭(zhēng)性抑制競(jìng)爭(zhēng)性抑制 非競(jìng)爭(zhēng)性抑制非競(jìng)爭(zhēng)性抑制 E IS E S I 競(jìng)爭(zhēng)性抑制：抑制劑與底物競(jìng)爭(zhēng)，從而阻止底 物與酶的結(jié)合。因酶的活性中心不能同時(shí)與抑 制劑(I)作用，又與底物(S)作用。競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑 具有與底物相類似的結(jié)構(gòu)，與酶形成可逆的EI 復(fù)合物，但EI不能分解成產(chǎn)物P。 非競(jìng)爭(zhēng)性抑制：酶可以同時(shí)與底物及抑制劑結(jié) 合，兩者沒有競(jìng)爭(zhēng)作用。但是ESI復(fù)合體不能進(jìn) 一步分解為產(chǎn)物，因此酶活性降低。 競(jìng)爭(zhēng)性抑制反應(yīng)機(jī)理：競(jìng)爭(zhēng)性抑制反應(yīng)機(jī)理： PEESSE k k k 2 1

17、 1 EIIE I K I EI IE K C CC ES Ckr 2 S ES SE K k k C CC 1 1 EIESEE CCCC 0 快速平衡法推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方程：快速平衡法推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方程： SIIS S CKCK Cr r )/1 ( max 02maxE Ckr 1 1 k k K S 解之，得解之，得 ， 式中式中: : 采用穩(wěn)態(tài)法推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方程：采用穩(wěn)態(tài)法推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方程： ES Ckr 2 0 211 ESESSE ES CkCkCCk dt dC 0 EIiIEi EI CkCCk dt dC EIESEE CCCC 0 解之，得解之，得 SIIm S CKCK Cr r )

18、/1( max 02maxE Ckr 1 21 k kk K m 式中式中: 非競(jìng)爭(zhēng)性抑制反應(yīng)機(jī)理非競(jìng)爭(zhēng)性抑制反應(yīng)機(jī)理 PEESSE k k k 2 1 1 EIIE I K ESIIES I K 快速平衡法推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方程快速平衡法推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方程 ES Ckr 2 S ES SE K k k C CC 1 1 I EI IE K C CC I ESI IES K C CC EIESEE CCCC 0 )(/1( max SSII S CKKC Cr r 02maxE Ckr 1 1 k k K S 解之，得解之，得 式中式中: : 穩(wěn)態(tài)法推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方程：穩(wěn)態(tài)法推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方程： ES Ckr 2

19、 0 211 IESiESIiESESSE ES CCkCkCkCkCCk dt dC 0 EIiIEi EI CkCCk dt dC 0 ESIiIESi ESI CkCCk dt dC ESIEIESEE CCCCC 0 解之，得解之，得 式中式中: : )(/1( max SmII S CKKC Cr r 02maxE Ckr 1 21 k kk K m 競(jìng)爭(zhēng)性抑制競(jìng)爭(zhēng)性抑制 非競(jìng)爭(zhēng)性抑制非競(jìng)爭(zhēng)性抑制 SIIm S CKCK Cr r )/1( max )(/1( max SmII S CKKC Cr r )/1( IImm KCKK Sm S CK Cr r max II KC r r

20、 /1 max max Sm S CK Cr r max 令 可變形為可變形為: : 可變形為可變形為: : 令 mm KK maxmax rr 競(jìng)爭(zhēng)性抑制競(jìng)爭(zhēng)性抑制 非競(jìng)爭(zhēng)性抑制非競(jìng)爭(zhēng)性抑制 1r 1CS 1rmax -1Km -1Km 1r 1CS 1rmax -1Km CI = 0 CI 1rmax CI = 0 CI 產(chǎn)物抑制：酶促反應(yīng)中，有時(shí)隨產(chǎn)物濃度提產(chǎn)物抑制：酶促反應(yīng)中，有時(shí)隨產(chǎn)物濃度提 高，產(chǎn)物與酶形成復(fù)合物，阻礙了底物與酶高，產(chǎn)物與酶形成復(fù)合物，阻礙了底物與酶 的結(jié)合，從而降低了酶促反應(yīng)的速度。的結(jié)合，從而降低了酶促反應(yīng)的速度。 EPPEESSE P K k k k 2 1

21、1 反應(yīng)機(jī)理： ES Ckr 2 S ES SE K k k C CC 1 1 P EP PE K C CC EPESEE CCCC 0 快速平衡法推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方程快速平衡法推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方程: : 解之解之, ,得得 SPPS S CKCK Cr r )/1( max 02maxE Ckr 1 1 k k KS 式中式中: : ES Ckr 2 EPESEE CCCC 0 穩(wěn)態(tài)法推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方程穩(wěn)態(tài)法推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方程: : 0 211 ESESSE ES CkCkCCk dt dC 0 EPpPEp EP CkCCk dt dC 解之解之, ,得得 SPPm S CKCK Cr r )/1( max

22、02maxE Ckr 1 21 k kk Km 式中式中: : 可見可見, ,產(chǎn)物抑制屬于競(jìng)爭(zhēng)性抵制產(chǎn)物抑制屬于競(jìng)爭(zhēng)性抵制 底物抑制：對(duì)于某些酶促反應(yīng)，當(dāng)?shù)孜餄獾孜镆种疲簩?duì)于某些酶促反應(yīng)，當(dāng)?shù)孜餄?度較高時(shí)，反應(yīng)速率呈下降趨勢(shì)，稱為底度較高時(shí)，反應(yīng)速率呈下降趨勢(shì)，稱為底 物抑制。物抑制。 CS C CS S r 底物抑制反應(yīng)機(jī)理：底物抑制反應(yīng)機(jī)理： PEESSE k k k 2 1 1 ESSSES SS K 快速平衡法推導(dǎo)動(dòng)學(xué)方程：快速平衡法推導(dǎo)動(dòng)學(xué)方程： ES Ckr 2 S ES SE K k k C CC 1 1 SS ESS SES K C CC ESSESEE CCCC 0 解之解

23、之, ,得得 )/1( max SSSSS S KCCK Cr r 02maxE Ckr 1 1 k k KS 式中式中: : 2.2.3 2.2.3 多底物酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)多底物酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 一般的多底物酶促反應(yīng)可表示為：一般的多底物酶促反應(yīng)可表示為： RQPCBA 這里討論：雙底物雙產(chǎn)物情況這里討論：雙底物雙產(chǎn)物情況 QPBA 反應(yīng)機(jī)制：反應(yīng)機(jī)制： 關(guān)鍵問題：底物關(guān)鍵問題：底物A A、B B哪個(gè)先和酶結(jié)合？哪個(gè)先和酶結(jié)合？ u 任何一個(gè)都有可能先與酶結(jié)合任何一個(gè)都有可能先與酶結(jié)合 （隨機(jī)機(jī)制）（隨機(jī)機(jī)制） u A A先與酶結(jié)合或先與酶結(jié)合或B B先與酶結(jié)合先與酶結(jié)合 u 兩底物同時(shí)與酶結(jié)合

24、兩底物同時(shí)與酶結(jié)合 （可能性極?。赡苄詷O?。?隨機(jī)機(jī)制（分支機(jī)制）隨機(jī)機(jī)制（分支機(jī)制） E EB EA EABEPQ EP EQ E （不形成三元復(fù)合物）反應(yīng)模型（不形成三元復(fù)合物）反應(yīng)模型 EAE A A P P B B EQ Q Q E EG （ EG：修飾過的酶：修飾過的酶 ） 簡(jiǎn)單機(jī)制簡(jiǎn)單機(jī)制 EEAEAB A A B B EPQ Q Q EP E P P 雙底物酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)雙底物酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 反應(yīng)機(jī)理：反應(yīng)機(jī)理： EAAE PEEABAEB B B A K A K B K B K 2 k EAB Ckr 2 A EA AE K C CC A EAB AEB K C CC B

25、EB BE K C CC B EAB BEA K C CC EABEBEAEEO CCCCC EABEBEAEEO CCCCC 解之，得解之，得 )( max BBAA BA CKCK CCr r 式中：式中： EO Ckr 2max 2.3 固定化酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 2.3.1 2.3.1 固定化酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)固定化酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ) 2.3.1.1 2.3.1.1 酶的固定化技術(shù)定義酶的固定化技術(shù)定義 酶的固定化技術(shù)是將水溶性的酶分子通過一定的方式，如靜電酶的固定化技術(shù)是將水溶性的酶分子通過一定的方式，如靜電 吸附，共價(jià)鍵等與載體如角叉菜膠、離子交換樹脂等材料制成固吸附，共價(jià)鍵等與載體如角

26、叉菜膠、離子交換樹脂等材料制成固 相酶的技術(shù)。相酶的技術(shù)。 細(xì)胞的固定化技術(shù)細(xì)胞的固定化技術(shù): : 為省去從微生物（或動(dòng)、植物）中提取為省去從微生物（或動(dòng)、植物）中提取 酶的操作，確保酶的穩(wěn)定性，采用直接固定化微生物細(xì)胞、動(dòng)植酶的操作，確保酶的穩(wěn)定性，采用直接固定化微生物細(xì)胞、動(dòng)植 物細(xì)胞、組織技術(shù)。物細(xì)胞、組織技術(shù)。 物理吸附法物理吸附法 載體結(jié)合法載體結(jié)合法 離子結(jié)合法離子結(jié)合法 共價(jià)結(jié)合法共價(jià)結(jié)合法 交聯(lián)法交聯(lián)法 格子型格子型 包埋法包埋法 微膠囊微膠囊 2.3.1.2 2.3.1.2 酶和細(xì)胞固定化方法酶和細(xì)胞固定化方法 交聯(lián)法交聯(lián)法 E O E E O O O E 2.3.1.3 2

27、.3.1.3 固定化對(duì)酶性質(zhì)的影響固定化對(duì)酶性質(zhì)的影響 底物專一性的改變底物專一性的改變 穩(wěn)定性增強(qiáng)穩(wěn)定性增強(qiáng) 最適最適pHpH值和最適溫度變化值和最適溫度變化 動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化 2.3.1.4 2.3.1.4 影響固定化酶促反應(yīng)的主要因素影響固定化酶促反應(yīng)的主要因素 分子構(gòu)象的改變分子構(gòu)象的改變 位阻效應(yīng)位阻效應(yīng) 微擾效應(yīng)微擾效應(yīng) 分配效應(yīng)分配效應(yīng) （可用（可用KpKp 定量描述定量描述）鏈接 擴(kuò)散效應(yīng)擴(kuò)散效應(yīng) （可定量描述）（可定量描述） 分配系數(shù)分配系數(shù) ( (KpKp) )鏈接 分配系數(shù)：載體內(nèi)外底物分配系數(shù)：載體內(nèi)外底物( (或其他物質(zhì)或其他物質(zhì)) )濃度之比。濃度之

28、比。 KpKp的測(cè)定：的測(cè)定： 已知底物濃度已知底物濃度( (C CS0S0 ) )，體積，體積(V(V0 0) )的溶液中，的溶液中， 放入不含底物的一定體積的載體，并保持適宜條件，當(dāng)放入不含底物的一定體積的載體，并保持適宜條件，當(dāng) 達(dá)到平衡時(shí)，測(cè)定載體外溶液的底物濃度達(dá)到平衡時(shí)，測(cè)定載體外溶液的底物濃度(Cs)(Cs)。 2.3.2 2.3.2 固定化酶促反應(yīng)過程分析固定化酶促反應(yīng)過程分析 2.3.2.1 2.3.2.1 外部擴(kuò)散過程外部擴(kuò)散過程 以表面固定化酶為例。以表面固定化酶為例。 SSm SS out CK Cr r max CS CSS o out out r r Sm S o

29、CK Cr r max 外擴(kuò)散過程分析外擴(kuò)散過程分析 SSm SS out CK Cr r max out rN )( max SSSL SSm SS CCak CK Cr 外擴(kuò)散速率：外擴(kuò)散速率： 達(dá)到平衡時(shí)，達(dá)到平衡時(shí)， 即即 )( SSSL CCakN 酶促反應(yīng)速率：酶促反應(yīng)速率： SLaC kN max N, r rmax Nmax 0 CSS CS (CSS，rout) Nmax N，r rmax 0 CSS CS (CSS，rout) maxmax Nr 0, 0 outSS C maxmax Nr 1, outSSS CC Da準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)數(shù) : max max N r Da 當(dāng)當(dāng) 時(shí)

30、，時(shí)， 過程為外擴(kuò)散控制。過程為外擴(kuò)散控制。 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)， 過程為反應(yīng)控制。過程為反應(yīng)控制。 1 Da 1 Da 0, 0 outSS C 1, outSSS CC 式中式中: )( max SSSL SSm SS CCak CK Cr * * max max max )(1( C CKC aCk r N r Da SL S m S SS C K K C C C , * 表明表明C*為為Da準(zhǔn)數(shù)的函數(shù)，即準(zhǔn)數(shù)的函數(shù)，即 )(*DafC ( 時(shí)時(shí), ) * * max max CK C CK C CK Cr CK Cr r r SSm SS Sm S SSm SS o out out mS K

31、C max rro 表明表明為為C*的函數(shù)，即的函數(shù)，即 out *)(Cg out 可見，Da準(zhǔn)數(shù)是決定效率因子 和比濃度C*的唯 一參數(shù)，因而是表征傳質(zhì)過程對(duì)反應(yīng)速率影響的基本 準(zhǔn)數(shù)。 Da準(zhǔn)數(shù)越小，固定化酶表面濃度越接近于主體濃度 CS， 越接近于1。Da準(zhǔn)數(shù)越大，固定化酶表面濃度 越趨近于零， 越小，越趨近于零。out out out 為提高固定化酶外擴(kuò)散效率為提高固定化酶外擴(kuò)散效率,應(yīng)設(shè)法減小應(yīng)設(shè)法減小Da 準(zhǔn)數(shù)。減小準(zhǔn)數(shù)。減小Da準(zhǔn)數(shù)的措施：準(zhǔn)數(shù)的措施： 1、降低固定化酶顆粒的粒徑，增大比表面、降低固定化酶顆粒的粒徑，增大比表面 積，但由于粒徑減小會(huì)伴隨壓降增加，因此應(yīng)積，但由于粒

32、徑減小會(huì)伴隨壓降增加，因此應(yīng) 用中綜合考慮，確定合適的粒徑。用中綜合考慮，確定合適的粒徑。 2、使固定化酶表面流體處于湍流狀態(tài)以增、使固定化酶表面流體處于湍流狀態(tài)以增 大大 。 L k 2.3.2.2 內(nèi)部擴(kuò)散過程內(nèi)部擴(kuò)散過程 具有大量?jī)?nèi)孔的球形固定化酶顆粒 R dr r o in in r r 內(nèi)擴(kuò)散效率因子內(nèi)擴(kuò)散效率因子 穩(wěn)定狀態(tài)下，對(duì)底物進(jìn)行物料衡算：穩(wěn)定狀態(tài)下，對(duì)底物進(jìn)行物料衡算： drrr dr dC Der dr dC Dedrr S r Sr drr Sr222 44)(4 流入量流出量反應(yīng)量流入量流出量反應(yīng)量 整理整理, ,得得 drrr dr dC Der dr dC Ded

33、rrdrr S r Sr drr Sr2222 44)(24 drrr dr dC rdrDe dr dC dr dC Der S drr Sr r Sr drr Sr22 484 Dedrr 2 4 兩側(cè)同除兩側(cè)同除 , ,得得 De r dr dC rdr Cd SSrSr 2 2 2 當(dāng)反應(yīng)符合米氏方程規(guī)律時(shí)，當(dāng)反應(yīng)符合米氏方程規(guī)律時(shí)， Srm Sr S CK Cr r max )( 2 max 2 2 Srm r SSrSr CKDe Cr dr dC rdr Cd 故故, , 令令 , , , , , , SS Sr X C C C R r l m SS K C m DeK rR 9

34、 max 2 2 上式可轉(zhuǎn)化為無因次形式，得上式可轉(zhuǎn)化為無因次形式，得 X XXX c c dl dc ldl cd 1 9 2 2 2 2 邊界條件邊界條件: : 0 l0 dl dc X 1 l1 X c , , , , 該微分方程無解析解，只能用數(shù)值法求解。該微分方程無解析解，只能用數(shù)值法求解。 西勒西勒準(zhǔn)數(shù)準(zhǔn)數(shù)( ) 的物理意義是表面反應(yīng)速率與內(nèi)擴(kuò)散速率之的物理意義是表面反應(yīng)速率與內(nèi)擴(kuò)散速率之 比。對(duì)各類反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與固定化酶的形狀，普遍比。對(duì)各類反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與固定化酶的形狀，普遍 化的化的 的定義式為的定義式為 : 2 1 , 2 SS eqS C C s s P P dCsDer r

35、A V SSm SS Rr Sr SSm SS Rr Sr o in in CK Cr dr dC De R CK Cr R dr dC DeR r r maxmax 3 2 3 3 4 4 引入無因次參數(shù)，則引入無因次參數(shù)，則 1 1 3 2 1l X in dl dc in 無解析解，只有數(shù)值解。無解析解，只有數(shù)值解。 見教材見教材33頁圖頁圖2-10 內(nèi)擴(kuò)散效率因子內(nèi)擴(kuò)散效率因子 in 是是 和和 的函數(shù)。的函數(shù)。 對(duì)對(duì) in影響不大，影響影響不大，影響 in的主要參數(shù)是的主要參數(shù)是 西勒準(zhǔn)數(shù)西勒準(zhǔn)數(shù) 。如果。如果 ，則，則 不隨不隨 變化，近似等于變化，近似等于1，也就是說沒有內(nèi)部，也

36、就是說沒有內(nèi)部 傳質(zhì)阻力，若傳質(zhì)阻力，若 ，則，則 ，反，反 應(yīng)為內(nèi)擴(kuò)散所限制。應(yīng)為內(nèi)擴(kuò)散所限制。 3 .0 3 .0 1 in in 為提高固定化酶內(nèi)擴(kuò)散效率，應(yīng)為提高固定化酶內(nèi)擴(kuò)散效率，應(yīng) 設(shè)法減小設(shè)法減小 。 減小減小 的措施主要是適當(dāng)降低固定的措施主要是適當(dāng)降低固定 化酶顆粒粒徑?；割w粒粒徑。 外擴(kuò)散過程外擴(kuò)散過程內(nèi)擴(kuò)散過程內(nèi)擴(kuò)散過程 Da準(zhǔn)數(shù)是決定外擴(kuò)散準(zhǔn)數(shù)是決定外擴(kuò)散 效率的唯一參數(shù)。效率的唯一參數(shù)。 準(zhǔn)數(shù)是決定內(nèi)擴(kuò)散效準(zhǔn)數(shù)是決定內(nèi)擴(kuò)散效 率的主要參數(shù)。率的主要參數(shù)。 Da準(zhǔn)數(shù)定義：準(zhǔn)數(shù)定義： 西勒準(zhǔn)數(shù)定義：西勒準(zhǔn)數(shù)定義： 外擴(kuò)散效率因子定義：外擴(kuò)散效率因子定義： 內(nèi)擴(kuò)散效率因子定義：內(nèi)擴(kuò)散效率因子定義： Da1，