第三章 细胞反应动力学

二、细胞的基本特征

形状 细胞总保持一定的形状，如球状、杆状、菌丝等
细胞形态对细胞的生长反应产生的主要影响： 1) 细胞的生长速率 2) 细胞承受剪切力的能力 3) 物质的传递速率
二、细胞的基本特征
大小 半径0.1～10µm，细胞总保持一定的形状，如球 状、杆状、菌丝等 细胞要求有较高的比表面积 细胞体积的上限将受核质比制约 细胞体积的下限则取决于胞内物质之间进行反应 和交流所需要的空间

研究目的 细胞反应过程动力学是进行细胞反应过程优化 和生物反应器设计的重要理论依据

主要内容
第一节细胞反应概论 第二节细胞反应计量学 第三节细胞反应动力学的非结构模型
第四节底物消耗和产物生成动力学
第一节 细胞反应概论
一、基本概念
细胞 细胞是一切生物体进行生长、遗传和进化等生 命活动的基本单位，也是决定生物体形态、结构和 功能的基本单位

以氧消耗基准的细胞得率 YX / O
YX / O
细胞生成量 mX = 氧的消耗量 mO2
单位：g/g或g/mol（细胞/氧） YX/O 反映了细胞生长过程异化代谢的效率
二、得率系数

其他细胞得率
Yave 以有效电子数为基准的细胞得率
YATP 以ATP为基准的细胞得率
二、得率系数

理论得率与表观得率

三、物质的跨膜输送
简单扩散 推动力是浓度差，扩散速率与膜两侧的浓度差成 正比；不需要细胞提供能量，也不需要载体蛋白协助 促进扩散 通过膜内载体蛋白与胞外分子相结合后扩散进入 膜内，并在膜内扩散；推动力亦为浓度差，但需要细 胞提供输送系统；不需消耗代谢能 主动运输 需要细胞提供载体和代谢能；物质为逆浓度差输 送；如Na+-K+泵
单位：g/g或g/mol（细胞/底物）
二、得率系数

以碳为基准的细胞得率 YC
X 生成细胞量 细胞含碳量 mX X YC = =YX/S 消耗底物量 底物含碳量 mS S S
和 S 分别为单位质量细胞、单位质量底物中含 碳原子的质量 YC 又可称为碳转化效率
X
二、得率系数

一、元素衡算

细胞、底物和产物的还原度 x 4 2 3 细胞
S 4 m 2n 底物 P 4 x 2 y 3z 产物 还原度：某一化合物的还原度为该组分中每一个碳 原子的有效电子当量数 H 2O 和 NH 3 有效电子数：系指化合物氧化成CO2 、 时所传递给氧的电子数

四、胞内代谢反应

根据功能分为： 供能反应 生物合成反应 多聚反应 组装反应 根据过程分为： 初级代谢 次级代谢

五、胞内代谢调控
实质 把细胞内所有酶组织起来，通过活化某些酶、抑 制另一些酶，甚至出现一些新酶，去掉某些原有的酶， 以使整个代谢过程适应细胞生理活动的需要

两个重要机制 酶活性调控 酶合成调控
一、元素衡算

需氧反应中的呼吸商RQ
CO2 释放速率 CER RQ = O2消耗速率 OUR
RQ表示了细胞反应中每消耗1molO2所产生的CO2
f RQ a
RQ通过实验测定；f、a为需求计量系数
二、得率系数

以底物消耗为基准的细胞得率 YX / S
YX / S
生成细胞的质量（干重） mX = 消耗底物的质量 mS
生物反应工程
石晓灏 邮箱: x.shi@ 电话：13401370436
第三章 细胞反应动力学
概述

研究对象 以细胞微生物催化剂的反应过程动力学
研究内容 在细胞水平上，通过对细胞的生长速率、代谢 产物的生成速率和底物的消耗速率等动力学特性的 描述，反映出细胞反应过程的本征动力学特性
mST mSG mSM
细胞反应消耗底物总量=细胞生长用底物+细胞维持 用底物
YX / S
m X mST
YP/ S
生成产物的质量 mP 消耗底物的质量 mS
产物得率，受环境 条件影响较大
以用于细胞生长所 消耗底物为基准的 细胞得率，称理论 细胞得率，又称最 大细胞得率
二、细胞的基本特征
组成 活细胞的主要成分是水，占总量80～95% 干物质中90%是由蛋白质、核酸、糖类和脂类等 四类大分子物质所组成

细胞的元素和化学组成将直接影响细胞大规模 培养时的培养基设计
二、细胞的基本特征
组成 蛋白质：重要的结构分子、特异的催化剂；负 有遗传信息的表达和细胞代谢调控的任务，并能完 成各种生理功能 核酸：DNA和RNA；与贮存和传递遗传信息有关， 能进行自我复制 多糖：结构成分，主要的贮藏物质 脂质：细胞膜的主要成分，胞内代谢能量存贮 和消耗的主要载体

黑箱模型
一、元素衡算
质量守恒定律 最常用的方法：对各元素进行原子衡算 简化处理 CH O N 细胞组成： 培养基：CH mOn 和 NH 3 CH xOy N z 代谢产物：

一、元素衡算
复合反应式 碳源+氮源+氧 细胞+产物+ CO2 + H 2O 根据“黑箱”计量模型： CH mOn+ aO2+ bNH 3 cCH O N +dCH x Oy N z + eH 2O + fCO2 对 C、H、O和N作原子平衡： C 1 cd f m 3b c dx 2e H n+2a c dy e 2f O N b c dz

细胞反应过程总体步骤
底物从培养基输送到细胞内 2) 通过胞内反应，将底物转化为细胞质和代谢产物 3) 代谢产物排泄进入胞外非生物相
1)
二、细胞的基本特征

组成 C、H、O、N四种元素，约占细胞质量的90% S、P、Na、Ca、K、Cl、Mg、Fe含量其次 以上12种元素约占细胞质量的99%
细胞的化学组成
六、细胞模型的简化
简化模型 真实情况 多相体系（气液固） 均一化模型：细胞和基质 均视为液相 细胞多组分 均衡生长模型：细胞各组 细胞生长不均一 分按相同比率增加 确定论模型：忽略个体差 异，取平均值。

第二节 细胞反应计量学
概论
反应计量学 对反应物系的组成与反应转化程度的数量化 研究