第三章 细胞反应动力学

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
生物反应工程
石晓灏 邮箱: x.shi@cczu.edu.cn 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

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

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

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

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
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

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

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
二、ຫໍສະໝຸດ Baidu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
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

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

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