第二章 生物反应动力学.
生物反应工程习题精解
CS rS
=
CS rmax
+ Km rmax
，以 CS/rS 对 CS 作图，可得一直线，该直线的斜率为1/ rmax ，与纵
轴交于 Km / rmax ，与横轴交于 −Km ；（3）Eadie-Hofstee（简称 E-H 法）。M－M 方
程经变换后得线性方程 rS
=
rmax
− Km
rS CS
，以
生物反应工程习题精解
第二章 均相酶催化反应动力学
第 2 章 均相酶催化反应动力学
一、基本内容 均相酶反应是指酶与反应物处于同一相――液相的酶催化反应，不存在相间
的物质传递。均相酶催化反应动力学反映了该反应过程的本征动力学关系，是分 子水平上的反应。均相酶反应动力学是研究酶催化反应以及设计反应器和操作的 基础。本章主要研究：简单酶催化反应反应动力学、有抑制酶反应动力学、复杂 酶反应动力学、影响酶动力学的因素、酶失活动力学。 1、简单酶催化反应机理：
rS = rP = k+2CES （2）质量守恒原理，即 CE0 = CE + CES ；（3）快速平衡或拟稳态假
说，即 k+1CECS
=
k−1CES
或
dCES dt
= k+1CECS
− k−1CES
− k+2CES
≈0。
3、简单酶动力学推导：主要是两种方法，即 Michaelis-Menten 法和 Briggs-Haldane 法。前者采用快速平衡的假设，中间产物生成速度远大于产物生成速度；后者采 用稳态平衡的假设，中间复合物生成速度与产物生成速度相差不大。
/(1 +
CI KI
)
9、抑制百分率 I 是为了表示抑制剂对酶催化反应抑制程度，其定义式为 i = 1− rSI 。 rS
生化工程,第二章酶促反应动力学
v
dP dt
t
v
dP dt
t5
反应分子数
• 反应分子数：是在反应中真正相互作用的分子的数目。
• 如：A → P
属于单分子反应
• 根据质量作用定律，单分子反应的速率方程式是：
v k[A] • 双如：A＋B → C＋D
属于双分子反应
• 其反应速率方程可表示为：
vk[A]B []
• 判断一个反应是单分子反应还是双分子反应，必须先了解反应机制， 即了解反应过程中各个单元反应是如何进行的。
V k E Pma x 2[0]
代入式(5)得：
vPd d [P t]kK 2 S [E 0 [ ]S S ] []V K PS m [ [ a S S x ] ]
(6)
式中：
Vp,max: 最大反应速率
如果酶的量发生改变，最大反应速率相应改变。
KS: 解离常数，饱和常数
低KS值意味着酶与底物结合力很强，
• 反应机制往往很复杂，不易弄清楚，但是反应速率与浓度的关系可用 实验方法来确定，从而帮助推论反应机制。
6
反应级数
根据实验结果，整个化学反应的速率服从哪种分子反 应速率方程式，则这个反应即为几级反应。 例：对于某一反应其总反应速率能以单分子反应的速 率方程式表示，那么这个反应为一级反应。 又如某一反应： A + B → C + D
2. 底物浓度[S]远大于酶的浓度[E]，因此[ES]的形成不会降低 底物浓度[S]，底物浓度以初始浓度计算。
3. 不考虑P+E→ES这个可逆反应的存在。
4. [ES]在反应开始后与E及S迅速达到动态平衡。
17
E ＋S
k+1
k-1
细胞反应过程动力学
大肠杆菌细胞的化学组成（以干基计% ）
成分
含量
成分
含量
C
50
Na
1
H
20
Ca
0.5
O
8
Mg
0.5
N
14
Cl
0.5
P
3
Fe
0.2
S
1
其他
0.3
K
1
2.2.1 忽略产物生成的细胞生长过程的计量关系
对忽略产物生成的细胞生长过程的计量关系可表 示为
第二章 细胞反应动力学
2.1微生物反应过程概论
• 2.1.1微生物反应过程主要特征 • （1）微生物是该反应过程的主体 • （2）微生物反应的本质是复杂的酶催化反
应体系 • （3）微生物反应是非常复杂的反应过程
复杂性表现
1. 代谢成网络化分布，并相互影响，无法完全了解 清楚
2. 反应体系中的细胞生长、基质消耗和产物生成， 三者的动力学规律既有联系，又有明显差别，且 有各自的最佳反应条件。
式中 CX——细胞浓度，（g/L） t——时间，（h）
细胞浓度通常用单位体积的培养液中的细胞
（或菌体）的干燥质量表示。细胞浓度一般用质 量单位表示，很难用摩尔单位表示。
② 底物消耗速率
rS
dCS dt
式中 CS——底物浓度，（g/L）或（mol/L）—单位体积的培养液中O2的消耗量， （g/L）或（mol/L）
rCO2 CX
（1/h）或 （mol/g·h ）
⑥ 热量的比生成速率
qH
1 CX
dCH dt
rH CX
（kJ/g·h ）
第二章-生物反应动力学-2-细胞反应PPT课件
.
18
霉菌的生长特性是菌丝伸长和分枝。从
菌丝体（顶端生长）的顶端细胞间形成
隔膜进行生长，一旦形成一个细胞，它
就保持其完整性。霉菌的倍增时间可短
至60～90 min，但典型的霉菌倍增时间
为4～8 h。
.
19
病毒能在活细胞内繁
殖，但不能在一般培
养基中繁殖。病毒是
通过复制方式进行繁
1 细胞反应过程计量学
反应计量学是对反应物的组成和反应
转化程度的数量化研究。通过计量学，可
知道反应过程中有关组分的组成变化规律
以及各反应之间的数量关系。知道了这些
数量关系，就可以由一个物质的消耗或生
成速率来推知其他物质的消耗或生成速率。
.
40
由于细胞反应过程由众多组分参与，
且代谢途径错综复杂，在细胞生长和繁殖
的。
CH
O
m
n aO
2bNH
3
cCH
fCO
xO
yN
z dCH
uO
vN
weH
2O
2
.
45
CH
O
bNH
m
n aO
2
3
cCH
fCO
xO
yN
z dCH
uO
vN
weH
2O
2
• 式中CHmOn为碳源的元素组成，CHxOyNz
是细胞的元素组成，CHuOvNw为产物的元
素组成。下标m、n、u、v、w、x、y、z
最伟大的发现。
.
3
第三代现代生物技术产品
从1953年美国的Watson及Crick发现了
DNA分子的双螺旋结构，由此而来21世
生物反应及反应器原理(全)
生物反应及反应器原理第一章序论1。
1 生物反应工程研究的目的1。
2 生物反应工程学科的形成生物反应工程的研究内容与方法⏹1。
3.1生物反应动力学⏹1。
3.2 生物反应器⏹1。
3.3 生物反应过程的放大与缩小第二章酶促反应动力学⏹2。
1 酶促反应动力学的特点⏹ 2.1.1 酶的基本概念⏹ 2.1.1。
1 酶的分类、组成、结构特点和作用机制⏹一、酶的分类⏹（1）氧化还原酶⏹（2）转移酶⏹（3）水解酶⏹(4)异构酶⏹（5）裂合酶⏹(6）连接酶(合成酶）⏹二、酶的组成⏹酶是蛋白质,因此有四级结构，其中一级结构二级结构三级结构四级结构酶蛋白有三种组成：单体酶寡聚酶多酶复合体全酶＝蛋白质部分（酶蛋白）＋非蛋白部分三、酶的作用机制⏹（1）锁钥模型(2）诱导契合模型2.1.1。
2 酶作为催化剂的共性➢一、催化能力➢二、专一性➢三、调节性⏹酶浓度的调节⏹激素调节⏹共价修饰调节⏹限制性蛋白水解作用与酶活力调控⏹抑制剂调节⏹反馈调节⏹金属离子和其它小分子化合物的调节2.1.2 酶的稳定性及应用特点⏹2。
1.2.1 酶的稳定性⏹2。
1.2.2 酶的应用特点2.1。
3 酶和细胞的固定化技术⏹2。
1。
3。
1 固定化技术的基本概念⏹ 2.1。
3。
2 固定化酶的特性⏹ 2.1.3。
3 固定化细胞的特性⏹2。
1.3。
4 酶和细胞的固定化技术2.1.4 酶促反应的特征2。
2 均相酶促反应动力学2.2.1 酶促反应动力学基础影响酶促反应的主要因素有：（1)浓度因素：酶浓度、底物浓度（2)外部因素（主要是环境因素):温度、压力、溶液的介电常数、离子强度、pH值（3）内部因素(结构因素）：底物、效应物浓度、酶的结构⏹酶促反应动力学模型的建立➢ 当酶促反应速率与底物浓度无关，此时为零级反应当反应速率与底物浓度的一次方成正比时， 为一级反应⏹ 也就是酶催化作用下,A B 的过程 ⏹此时反应式为：式中：K1－一级反应速率常数a0－底物A 的初始浓度 b － t 时间产物C 的浓度➢ 当底物A 与底物B 产生产物C 时，即：A ＋B C 时，为二级反应—②式中：K2－二级反应速率常数a0－底物A 的初始浓度 b0－底物B 的初始浓度 C －t 时间底物C 的浓度 如果把②式积分可得：➢ 当：A B C 时,即连锁的酶促反应过程可用如下方程式表示:-—③——④——⑤式中：a －A 的浓度b －B 的浓度c －C 的浓度K1－第一步反应速率常数 A B K2－第二步反应速率常数 B C当 a + b + c=a0时，即：A 的初始浓度为a0,B 和C 的初浓度为0，得出：当反应达t 时间后，A 、B 、C 的最终浓度。
生化反应动力学 PPT课件
3、可逆抑制作用：
抑制作用可通过透析等方法除去。
• 原因：非共价键结合
可 逆 抑 制
竞争性抑制(competitive inhibition) 非竞争性抑制(non-competitive I.） 反竞争性抑制(uncompetitive I.)
（1）竞争性（Competitive)抑制
I： 抑制剂（ inhibitor）
依据： 能否用透析、超滤等物理方法 除去抑制剂，使酶复活。
1、不可逆抑制作用 ：
不 可 逆 抑 制
抑制剂与酶必需基团以牢固的共价键相连 很多为剧毒物质
重金属、有机磷、有机汞、有机砷、
氰化物、青霉素、毒鼠强等。
2、不可逆抑制剂
非专一性不可逆抑制剂
不 可 逆 抑 制
（作用于一/几类基团） 不可逆抑制剂 专一性不可逆抑制剂 （作用于某一种酶的 活性部位基团）
（2） 专一性不可逆抑制剂
①Ks型 • 具有底物类似的结构——（设计） • 带有一活泼基团：与必需基团反应（抑制）
∵利用对酶亲合性进行修饰
∴亲合标记试剂（affinity labeling reagent）
②Kcat型
•具有底物类似的结构 •本身是酶的底物 •还有一潜伏的反应基团 “自杀性底物”
物之间可能进行的历程。
一、底物浓度对酶反应速率的影响
研究前提
单底物、单产物反应；
酶促反应速度一般在规定的反应条件下， 用单位时间内底物的消耗量和产物的生 成量来表示； 反应速度取其初速度，即底物的消耗量 很小（一般在5﹪以内）时的反应速度； 底物浓度远远大于酶浓度。（[S] 》[E]）
初速度
产 酶促反应速度逐渐降低 物
0
生物化学反应的动力学
生物化学反应的动力学生物化学反应是生物体内众多代谢过程中不可或缺的一环。
动力学研究了反应速率与底物浓度、温度等因素之间的关系，旨在揭示并解释生物化学反应的反应速率规律。
本文将介绍生物化学反应的动力学及其相关的实验方法与应用。
一、反应速率与底物浓度之间的关系生物化学反应的速率是指单位时间内反应物消失或产物生成的量。
反应速率与底物浓度之间存在一定的关系，通常可以用速率方程来描述。
其中最经典的速率方程为麦氏方程，即v=k[A]^m[B]^n，其中v为反应速率，k为速率常数，[A]和[B]分别为反应底物A和B的浓度，m 和n分别为反应底物的反应级数。
通过实验可以确定麦氏方程中的m 和n值，进而了解反应底物浓度对反应速率的影响。
二、温度对反应速率的影响温度是影响生物化学反应速率的重要因素之一。
根据阿伦尼乌斯方程，反应速率与温度成正比，即v=k·e^(-Ea/RT)，其中v为反应速率，k为速率常数，Ea为反应反应的活化能，R为气体常量，T为温度（开尔文）。
通过在不同温度下进行反应速率的测定，可以计算Ea和ln(k)之间的斜率，从而获得温度对反应速率的影响规律。
三、实验方法与应用为了研究生物化学反应的动力学，科学家们发展了多种实验方法。
最常用的方法之一是连续监测反应过程中产生的物质浓度变化。
通过不断取样并使用各种分析技术（如分光光度法、高效液相色谱法等），可以得到反应物浓度随时间的变化曲线，从而确定反应速率。
此外，还可以利用稳态法、动态平衡法等方式来研究生物化学反应的动力学特性。
生物化学反应动力学的研究对于了解生物体内各种代谢过程的调控机制、生物酶的性质以及药物的代谢和毒性等方面具有重要意义。
例如，通过研究酶催化反应的动力学，可以优化工业生产中的酶催化反应条件，提高反应速率和产物纯度。
另外，生物化学反应动力学的研究还在生物医学领域具有广泛的应用，如药物代谢动力学的研究可以为药物设计和剂量控制提供理论依据。
生物化学反应动力学
生物化学反应动力学生物化学反应动力学是研究生物分子反应速率和反应机制的科学领域。
生物化学反应是指在生物体内发生的一系列化学反应，这些反应对于维持生命和生物体的正常功能至关重要。
了解生物化学反应动力学的原理和机制，有助于我们深入了解生物体内的化学过程以及相关疾病的发生机制，从而为药物研发、疾病治疗等领域提供指导。
1. 反应速率的定义和计算在生物化学反应中，反应速率是指单位时间内反应物浓度的变化量。
通常表示为d[A]/dt，表示反应物A的浓度随时间的变化率。
反应速率的计算需要确定反应物的变化量以及时间的变化量，从而求得反应速率的大小。
2. 碰撞理论碰撞理论是生物化学反应动力学的基础理论之一。
根据碰撞理论，反应发生的前提是反应物分子必须发生有效碰撞，有效碰撞的条件是：反应物之间的相对速度要足够大，碰撞的角度要适当，并且碰撞时要有足够的能量以克服反应物的活化能。
3. 势能面和势能垒势能面是描述反应物和产物之间能量变化的图形，可以帮助我们理解反应的进程和能量变化。
势能垒是势能面中的最高点，也称为活化能垒。
反应物分子要克服势能垒才能转变为产物，而势能垒的高低决定了反应的速率。
4. 酶催化反应酶是生物体内催化反应的生物催化剂，它可以加速生物化学反应的速率。
酶催化反应的机制是通过酶与底物的结合形成酶底物复合物，然后通过降低反应物的活化能，促使反应物转变为产物。
酶催化反应具有高效、专一性和可逆性等特点，在生物体内起着至关重要的作用。
5. 温度对反应速率的影响温度是影响生物化学反应速率的重要因素之一。
根据阿伦尼乌斯方程，随着温度的升高，反应速率呈指数增加。
这是因为高温能够增加反应物的动能，使得反应物更容易克服势能垒转变为产物。
6. pH值对反应速率的影响pH值是指溶液中氢离子的浓度，对生物化学反应速率有一定的影响。
酶是一种蛋白质，其活性受pH值的影响较大。
不同的酶在不同的pH值下具有最佳活性，而在酶的酸碱性条件发生改变时，酶活性会受到影响，进而影响生物化学反应速率。
第二章 生化反应动力学
一、单底物酶反应动力学
1、米氏方程 2、米氏方程讨论 3、动力学常数Km和Vm的求取 4、复杂形式的酶反应动力学
返回
1、米氏方程
⑴ Henri中间复合物学说 ⑵ 米氏方程 ⑶ 米氏方程的三假设 ⑷ Briggs-Haladane修正式 ⑸ 米氏方程推导
返回
Henri中间复合物学说
1903年，Henri在研究蔗糖水解时，提出了中 间复合物学说。 他认为，酶与底物的作用是通过酶跟底物生 成复合物而进行的。底物浓度较低即酶的 活性中心未被饱和时，反应速度随浓底物 浓度上升呈正相关。当底物浓度较高时， 即酶的活性中心被饱合或趋于饱和时，反 应速度增加率变小或不再增加。此时，酶底物复合物的生成速度相应较快，而分解 速度相对较慢成为整个反应的限速步骤。
返回
双倒数作图
返回
⑴下图是根据[S]在0.33～2.0Km范围时的实验结果而 作的双倒数图，从此图可准确地测量出-1/Km和1/Vmax 等。
[S]在0.33～ 2.0 Km的范 围的实验结 果而作出的 双倒数图。
返回
⑵ 如果所选底物浓度比Km大得多，则所得双倒数图 的直线基本上是水平的。这种情况虽可测得1/Vmax ， 但由于直线斜率近乎零， -1/Km则难以测得。
返回
4.Woolf-Augustinsson-Hofstee作图法
将米氏方程重排为线性方程：
返回
几种方法的比较
以上三种作图法也应注意选择底物浓度，不要使[S]比 Km高得多或低得多。 上述几种线性作图法各有其优 缺点。双倒数作图法应用最广泛。但此法有两个缺点： 第一，在v～ [S]图上，由相等增值而给出的等距离各 点，在双倒数图上变成非等距离的点，且多数点集中 在1/v轴附近，而远离1/v轴的地方只有少数几个点， 恰好这些点又正是主观目测以确定直线最权重的那些 点。第二，在测定v时产生的小误差，当取倒数时会放 大。在低底物浓度下更为敏感，因在高1/[S]值所得的 一两个不准确的点，会给图的斜率带来显著误差。第 一个缺点可通过选择适当的[S]，使1/[S]为等距离增值 而得到克服。对第二个缺点关键要注意在低底物浓度 下使所测初速度误差尽可能减小。
《生物反应动力学》PPT课件
菌体生长 基质消耗 产物生成
最佳工艺条件的控制
菌体生长速率 基质消耗速率 代谢产物的生成速率
• 菌体生长速率：单位体积、单位时间生长 的菌体量（g/h.L)
dc(X) vx= dt = µc(X) 或
µ=
1
c(X)
·
dc(X)
dt
μ除受细胞自身的遗传信息支配外，还受 环境因素的影响。
c0(X) =0
μ>> k
-
F V
c (X)
+ µc(X)
=
dc(X) dt
dc(X) dt = 0
F c (X) = µc(X) V
F =μ = D V
限制性营养物质的物料平衡
- - - - = 流入的 流出的
营养物质 营养物质
生长消耗 的营养物质
维持 生命需要 的营养物质
形成产 物消耗的 营养物质
件的不同而不同，通常
比生长速率与底物之间关系
为0.086～2.1h-1
µm
c(S)﹤﹤KS时
µ=
µm ．c(S) KS
﹤﹤
c(S) KS时
µ=
µm KI KI + c(S)
b
μ
c
µm/2
a
KS
c(S)
• 微生物生长过程的特征通常以得率系数 来描述，即生成细胞或产物与消耗的营 养物质之间的关系。 细胞得率系数（YX/S g）：消耗1g营养 物质生成的细胞的质量。
分批发酵动力学
补料分批发酵动力学 连续发酵动力学
☞ 分批发酵的不同阶段 ☞ 微生物分批培养的生长动力学
方程 ☞ 分批培养时基质的消耗速率 ☞ 分批培养中产物的形成速率 ☞ 分批培养过程的生产率
第二章 酶抑制剂及反应动力学
2. 抑制作用
❖ 抑制作用是指在酶不变性的情况下，由于必需基 团或活性中心化学性质的改变而引起的酶活性的 降低或丧失。
3. 去激活作用
❖ 去激活作用，某些酶只有在金属离子存在下才有 活性，去除金属离子也会引起这些酶活性的降低 或丧失。去激活作用通过去除金属离子而间接地 影响酶的活性。当金属离子去除后，底物与酶的 结合减少，实际上是降低了底物的有效浓度。
❖
来源广泛，种类多
❖
适合大规模生产
❖
微生物体内，两者共存，为寻找
酶制剂指明方向
❖ 2组合化学法 ❖ 基于化学合成与计算机技术相结合的组合化学法
是酶抑制剂筛选的全新方法,其基本原理是借助组 合合成仪同时合成出大量不同化合物,并通过高通 量群集筛选技术得到最有潜力的先导物.
❖ 3高通量筛选法 ❖ 高通量筛选法是在传统筛选技术的基础上,将先进
分子水平的药物筛选模型:受体筛选;酶筛选;离子通道筛选. 细胞水平药物筛选模型:细胞调亡;转录调控;信号传导;细菌生长;细 菌蛋白分泌
第三节 有抑制的酶反应动力学
一：双曲线：1902年，研究蔗糖酶催化蔗糖水解 反应
第一段：一级反应 反应速度只与反应物浓度一次方成正比 第二段：混合反应 第三段：零级反应 反应速度与反应物浓度无关
构建抗除草剂工程植物机理 （3）降低植物作用靶酶对除草剂的敏感性
突变avoA基因，它合成的EPSP酶的脯氨酸被丝 氨酸所取代，酶的活力不受影响，但是对非选择性 除草剂草甘膦的结合力只有原来的25%，从而使 植物对除草剂表现不敏感。
三 酶制剂的制备
❖ 1产酶抑制剂的微生物
生物反应动力学
生物反应动力学•一、微生物生长动力学•1、生长速率γx=dX/dt=μX；（1）式中，X为菌体浓度，g·L-1;μ为比生长速率，h-1；【例题】以乙醇为唯一碳源进行产气气杆菌培养，细胞初始浓度X0=0.1kg/m3，培养至3.2h，细胞浓度为8.44kg/m3，如果不考虑延迟期，比生长速率一定，求倍增时间td。
【解】dX/dt=μX （1）当t=0，X=X0，积分（1）得lnX=μt+lnX变形为ln(X/X0)=μt （2）倍增时间是指X/X0=2所需时间，因此ln2=μtd（3）由（2）和（3），可得到t d=............= 0.5（h）•练习•下面为某微生物的生长数据，求此微生物的μ，1小时和2小时时候的生长速率。
•时间/h 0 0.5 1.0 1.5 2.0•细胞干重/(g/L) 0.1 0.15 0.23 0.34 0.512、生长的非结构模型确定论的非结构模型，是一种理想状况，不考虑细胞内部结构，每个细胞之间无差别，细胞群体作为一种溶质；•目前，常使用确定论的非结构模型是Monod方程•μ=μmax[S]/(K s+[S]) （2）•式中，μmax是最大比生长速率，[S]是某限制性营养物的浓度，K s为基质利用常数，相当于μ=μmax /2时的基质浓度．g·I-1，这是菌对基质的亲和力的一种度量。
【例题】乙醇为唯一碳源进行面包酵母培养，获得如下数据：[S]/(g/L) 0.4 0.33 0.18 0.10 0.07 0.049 0.038 0.020 0.014μ/(h-1) 0.161 0.169 0.169 0.149 0.133 0.135 0.112 0.0909 0.0735求μmax 和KS。
•3、基质消耗动力学•以菌体得率为媒介，可确定基质的消耗速率与生长速率的关系。
基质的消耗速率γS可表示为•-γS=d[S]/dt=γX/Y X/S （3）•基质的比消耗速率指基质的消耗速率除以菌体的量，以q S来表示，即qS=γS/X （4）•-q S=μ/Y X/S （5）•【例题】葡萄糖为唯一碳源进行酵母培养，反应式为：• 1.11C6H12O6+2.10O2→C3.92H6.5O1.94+2.75CO2+3.42H2O•μ为0.42h-1，求（1）Y X/S，（2）基质的比消耗速率•练习:•在啤酒酵母的生长试验中，消耗了0.2kg葡萄糖0.0672kgO2，生成0.0746kg酵母细胞和0.12lkg CO2，请计算酵母得率YX/S•μ由Monod 方程表示时，（5）式可变形为：•-q S =（-q S ，max )[S]/(K S +[S]) (6)•当以氮源、无机盐类、维生素等为基质时，由于这些成分只能组成菌体的构成成分，不能成为能源，Y X/S 近似一定，所以式(6)能够成立，但当基质既作为能源又是碳源时，就应考虑维持代谢所消耗的能量。
第二章 反应动力学基础
❖ 微生物比增长速度与有毒基质浓度的
关系
＝
1
max
Ks
s
s Ki
Ki是抑制系数
❖基质比去除速度与有毒基质浓度的关系：
v＝ 1
v m ax Ks
s
s
Ki
❖微生物的生长受到抑制原因：
①处理系统中生化反应所产生的某些中间代 谢产物浓度高时，则会抑制微生物的生长。
②某些工业废水中存在。如在好氧处理中， 低浓度的酚可被利用作细菌的食料，但浓度 高了，则将起抑制作用。
d A k
dt
A A0 kt
一级反应：v=-kρA
d A
dt
k A
lg A
lg
Ao
k 2.3
t
二级反应：v=-kρA2
d A
dt
k
2 A
11 kt
A A0
米氏方程式
•底物浓度对酶反应速度的影响
中间产物学说
S ＋E
ES P+E
•米氏方程式
1913年 米歇里斯和门坦 纯酶 中间产物学说 提出了表示整个反应过程中，底物浓度与酶 促反应之间的关系式
✓ 不同底物对应不同的Km，并且Km值不受 pH及温度的影响。因此，Km值作为常数， 只是对一定的底物、pH及温度而言。测定酶 的 Km 值 ， 可 以 作 为 鉴 别 酶 的 一 种 手 段 ， 但 必须在指定的实验条件下进行。
✓表11-3中数据指出，同一种酶有几种底物就 有几个Km值。其Km值最小的底物，一般称为 该酶的最适底物或天然底物。
废水处理反应动力学基础
• 反应速度和反应级数 • 米氏方程式 • 莫诺特方程式 • 废水生物处理的基本模式
反应速度和反应级数
生物反应工程 第二章
2.2 均相酶促反应动力学 2.2.1 酶促反应动力学基础 可采用化学反应动力学方法建立酶促反应动力学方程。 对酶促反应 ，有：
式中， k：酶促反应速率常数； r：酶促反应速率； rA：以底物A的消耗速率表示的酶促反应速率； rP：以产物P的生成速率表示的酶促反应速率。
对连锁的酶促反应，
2.2.2 单底物酶促反应动力学 2.2.2.1 米氏方程 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：
根据以上假设，可建立如下方程组
解之，得
令 则
米氏方程 r
rmax
rmax/2
Km
CS
图2－1 酶浓度一定时底物浓度对反应速率的影响
对米氏方程的讨论： • 当CS<<Km时， ，属一级反应。
• 当CS>>Km时，
，属零级反应。
• 当CS＝Km时， 。Km在数量上 等于反应速度达到最大反应速度一 半时的底物浓度。
解之,得
式中:
稳态法推导动力学方程:
解之,得
式中:
可见,产物抵制属于竞争性抵制
底物抑制：对于某些酶促反应，当底物浓 度较高时，反应速率呈下降趋势，称为底 物抑制。 r
CS
CS
底物抑制反应机理：
快速平衡法推导动学方程：
解之,得
式中:
双倒数法(Linewear Burk): 对米氏方程两侧取倒数，得
,以 作图，得一直线， 直线斜率为 ，截距为 ,根据直线 斜率和截距可计算出Km和rmax。
1／r
1／rmax
斜率－Km/rmax
－1／Km
1／CS
图2－2 双倒数法求解Km和rmax
2.2.2.2 抑制剂对酶促反应速率的影响 失活作用 抑制作用 竞争性抑制 非竞争性抑制
生物化学反应过程的动力学
生物化学反应过程的动力学生物化学反应过程是生命活动中不可或缺的一部分，它们在细胞内发挥着重要的作用，影响着机体的正常运转。
动力学是研究反应速率和反应机理的学科，是了解生物化学反应过程的关键。
本文将介绍生物化学反应过程的动力学，并探讨它对我们的理解和应用的意义。
生物化学反应速率的测定生物化学反应速率是指单位时间内消耗反应物或产生产物的数量。
其计算公式为：速率= Δ物质/Δ时间在反应初期，反应速率较快，反应物浓度逐渐下降，反应速率逐渐变慢，直到到达反应末期，反应速率接近于零。
因此，计算反应速率需要根据反应物和产物的增减量对时间的变化进行测量。
其中，反应速率与反应温度、浓度、催化剂等因素密切相关。
生物化学反应动力学生物化学反应动力学主要研究反应速率与反应浓度、反应温度、催化剂等因素之间的关系，同时也探讨反应机理。
反应数学模型在研究反应动力学时，通常需要建立数学模型，以便进行反应速率的计算。
最常见的模型是以下两种：1. 零级反应模型零级反应模型指的是反应速率与反应物浓度无关的反应。
其反应速率公式为：速率 = k其中，k为反应速率常数，表示单位时间内反应物分子最小浓度的变化。
零级反应模型在反应物浓度较低时较为适用。
2. 一级反应模型一级反应模型指的是反应速率与反应物浓度成正比的反应。
其反应速率公式为：速率 = k[A]其中，[A]为反应物浓度，k为反应速率常数，表示单位时间内反应物分子浓度减少一半的变化。
一级反应模型在反应物浓度较高时较为适用。
反应速率常数反应速率常数是表示单位时间内反应物分子浓度减少的量的常数。
它不仅受到反应物浓度的影响，还受到反应温度、催化剂等因素的影响。
一般来说，反应温度越高，反应速率常数越大；催化剂可以促进反应，并降低反应活化能，因此也会增加反应速率常数。
反应活化能与催化剂反应活化能是指反应单元组成的反应物在化学反应中需要克服的能量。
在反应过程中，反应物要从初态向终态过渡需要克服一个能垒，此过程需要利用外部能量如热能和光能来提供能量。
第二章生物反应动力学1酶促反应
A B
k 1
dC A d C B k ( C A C B ) 或 k 1 ( C A C B ) 1 0 0 dt dt
式中：k1－一级反应速率常数 CA0－底物A的初始浓度 CB－t时刻产物B的浓度
1.2.1 酶促反应动力学基础
5 二级反应
k 2 A B D
1dn p dC p rp v dt dt
式中：rs—底物S的消耗速率，mol/(L•S)
rp—产物P的生成速率，mol/(L•S)
v—反应体系的体积，L ns ，np—分别为底物S和产物P的物质的量，mol Cs ，Cp—分别为底物S和产物P的浓度，mol /L t—时间，s
根据质量作用定律，P的生成速率可表示为：
可忽 略由于生成中间复合物[ES]而消耗的底物。 （3）产物的抑制作用可以忽略。
P E [ ES ]
[ E 0 ] C [ E ] C [ ES ] （1）反应过程中，酶浓度保持恒定，即C
有两种推导反应速率方程的方法： 平衡假设法和拟稳态假设法。
1.2.2.1 平衡假设法—Michaelis-Menten方程 平衡假设：1913年， Michaelis-Menten认 为酶催化反应历程中，生成产物一步的反应 速率要慢于底物S和酶形成中间复合物的可 逆反应速率，因此生成产物一步的反应速率 决定整个酶催化反应的速率，生成复合物的 可逆反应则达到平衡状态。
第二章 生物反应动力学
生物反应动力学：是研究生物反应速率和各种 因素对反应速率影响的的科学。
������ 生物反 应 酶促反应 细胞培养
第二章 生物反应动力学
第一节 酶促反应动力学
第二节 细胞生长过程动力学
生化工程知识点
生物反应工程知识点第一章绪论*生物反应过程：将生物技术的实验室成果经工艺及工程开发而成为可供工业生产的工艺过程。
技术产品的生产过程。
生物反应过程最重要特征：有生物催化剂的参与*由四部分组成：原材料的预处理---生物催化剂的制备---生物反应器及反应条件的选择与监控---产品的分离纯化。
整个生物反应过程以生物反应器为核心把反应前与后称为上游加工和下游加工。
重点内容：1）建立生物反应过程动力学，以确定包括传质因素影响在内的生物反应过程的宏观速率；2）建立与设计生物反应器，以保证为生物反应过程提供适宜的物理和化学环境，实现反应过程的优化。
反应过程的特点：1）采用可再生资源为主要原料，来源丰富，价格低廉，原料成分难以控制。
2）反应条件温和。
3）生物催化剂易失活，难以长期使用。
4）生产设备较简单、能耗较低。
5）反应基质与产物浓度不能太高，生产效率较低。
6）反应机理复杂，较难检测与控制。
7）反应液杂质多，分离提纯困难1.2.2.1生物反应动力学①本征动力学：（微观动力学）它是指没有传递等工程因素影响时，生物反应固有的速率。
该速率除反应本身的特性外，只与反应组分的浓度、温度、催化剂及溶剂性质有关，而与传递因素无关。
②宏观动力学：（反应器动力学）它是指在一反应器内所观测得到的总反应速率及其影响因素，这些影响因素包括反应器的形式和结构、操作方式、物料的流动与混合、传质与传热等。
研究方法（细胞反应动力学模型--数学模型方法）：机理模型（结构模型）、半经验模型、经验模型生物技术的最终目的：建立工业生产过程，并且又以生化反应过程为核心。
第二章均相酶催化反应动力学酶催化作用的特点：高效的催化活性；高度的专一性；催化作用条件温和；酶活性的不稳定性（易变性失活）；常需要辅因子的参与（金属离子、辅酶、辅底物）；酶活性的可调节性（酶浓度调节、共价修饰调节、抑制调节、反馈调节、神经体液调节、别构调节）酶催化反应类型：氧化还原酶类；转移酶类；水解酶类；裂合酶类；异构酶类；合成酶类（连接酶类）酶的转化数Kcat:每个酶分子每分钟催化底物转化的分子数，是酶催化效率的一个指标催化周期T=1/KcatKm 是酶的特征常数之一，一般只与酶的性质有关，而与酶的浓度无关，可用于鉴定酶。
生物体内酶反应动力学研究
生物体内酶反应动力学研究酶是一种催化剂，用于加速化学反应的速率，因此在生物学中起着非常重要的作用。
酶催化的反应速率可以通过动力学方法研究。
生物体内酶反应动力学研究正是通过这种方法来研究。
本文将介绍一些关于生物体内酶反应动力学研究的基本概念和方法。
第一章动力学基础知识动力学是研究化学反应速率与反应速率与反应机理之间关系的学科。
化学反应的速率是指单位时间内化学反应物质发生的反应，可以用反应物物质浓度随时间变化的斜率表示。
任何一个反应都有一个反应速率常数k，它是反应速率v和反应物浓度c之间的比例系数：v = k[c]反应速率常数k是一个特定的数值，在不同的化学反应条件下测定。
反应速率常数k越大，反应速率就越快。
生物体内涉及的化学反应通常由酶催化，酶催化的化学反应速率可以用酶速率v表示。
化学反应速率与酶速率之间的关系称为酶动力学。
第二章酶动力学基本原理酶催化的化学反应速率和反应物浓度之间的关系比普通化学反应更复杂，因此需要使用酶动力学的方法来研究。
在研究中，酶的活性和反应物浓度之间的关系被称为酶底物饱和曲线。
在酶底物饱和曲线中，酶活性随着反应物浓度的增加而增加，但随着反应物浓度继续增加，酶活性增加的速率逐渐减慢，最后达到一个极限。
这个极限称为酶的最大反应速率，用Vmax表示。
在酶底物饱和曲线中，Vmax是一个特定的值。
Km是反应物的浓度，当反应速率等于Vmax的一半时，它表示底物浓度的一半。
Km是反应物结合到酶的亲和力与酶底物结合能力之间的比例系数。
Km越小，反应速率的应答能力越强。
第三章酶约束动力学模型酶动力学模型是通过研究酶反应速率来描述酶催化机理的模型。
酶约束动力学模型是基于酶催化反应受到约束的假设的。
酶受到的约束主要有以下三种：(1)基质结构限制；(2)酶结构限制；(3)过渡态能量限制。
基质结构限制是指底物分子只有在与酶结合时才能转变成活化状态。
酶结构限制是指酶的结构对底物的活性状态施加了限制。
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E S [ES] E P E I [EI] [EI] S KS [EIS] [ES] I KI [ESI]
底物 抑制
产物 抑制
E S [ES ] E P S [ES ] [SES ]
E S [ES ] E P E P [EP]
所消耗的底物. 3. 产物的抑制作用不计.
有两种推导反应速率方程的方法:平衡假设法和拟稳态假设法.
平衡假设法—Michaelis-Menten方程
平衡假设：认为酶催化反应历程中，生成产物一步的反应速率要慢于底物S和酶 形成中间复合物的可逆反应速率，因此生成产物一步的反应速率决定整个酶催 化反应的速率，生成复合物的可逆反应则达到平衡状态。
流量分析，介绍代谢工程进展。 • 重点：
各种情况下的酶和细胞反应（过程）的动力学方程及其在形式 上差异、简单的代谢流量分析。 • 难点：
酶催化反应动力学机理方程的推导。
第一节 均相酶催化反应动力学
酶催化反应过程分为：均相酶催化反应过程和非均相酶催化反应过程。 均相酶催化反应 定义: 指酶和反应物系处于同一相(液相)中的酶催化反应. 特点: 不存在相间的物质传递.所描述的反应速率与反应物系的基本关系反映
拟稳态假设法—Briggs-Haldane方程
拟稳态假设：认为由于反应体系中底物浓度要比酶的浓度高得多，中间复合物 分解时所得到的酶又立即与底物相结合，使得反应体系中复合物的浓度维持不 变，即中间复合物的浓度不随时间变化，即：
dC[ES] 0 dt
根据反应机理和拟稳态假设，有下述方程式：
dCP dt
所示。
rm ax
该曲线表示了三个不同动力学特点的区域： rS
1
•当CS KS 时，即底物浓度比值小得多时，该曲 2 rmax
线近似为一直线。这表示反应速率与底物浓度
近似成正比关系，此时的酶反应可以看为一级
反应。此时，大部分酶为游离酶，与底物结合 0 Km
CS
的酶很少，要提高反应速率，只有增加底物的
根据假设有： r rP kC[ES]
根据生成复合物的可逆反应有：
k 1C E C S
k1C[ES]
CE
k1C[ES ] k1CS
KS
C[ES ] CS
CE0 CE C[ES]
CE0
KS
C[ES ] CS
C[ES]
C[ES] (1
KS CS
)
C[ES ]
了该反应过程的本征动力学关系,是分子水平上的反应.本征动力学可以 说明反应机理,即阐明各基元反应如何进行,也就是反应历程. 研究均相酶催化反应的目的:阐明反应机理及设计反应器及其操作. 非均相酶催化反应 指酶和反应物系不处于同一相(液相)中的酶催化反应，同时还存在固相 或另一个液相，因而存在相间的物质传递。这些情况主要有固定化酶反应、 双水相酶反应及有机相酶催化反应等。 这部分内容将在第三章生物反应器中的传质与传热中讨论。
k C[ES ]
dCS dt
k1CECS
k1C[ES ]
dC[ESES ] k C[ES ]
0
CE0 CE C[ES]
C[ES ]
(k1 k ) k1CS
C[ ES ]
CE0
C[ES ]
CE 0CS
CS
各底物浓度对反应速率的影响在动力学方程中已可明显看出。本部分只讨论 温度和pH值对反应速率的影响。
• pH值的影响
酶分子上有许多酸性和碱性的氨基酸侧链基团。如果要其表现出活性，则这 些基团必须有一定的解离形式。随着pH值的变化，这些基团可以处在不同的解 离状态，具有催化活性的离子基团仅是其中的一种特定的解离形式。因此，随 着pH值的变化，具有催化活性的离子基团在总酶量中所占的比例就会不同，因 此其所具有的催化能力也不同。
rS
1 V
dnS dt
rP
1 V
dnP dt
底物的消耗速率,mol/(L.S) 产物的生成速率,mol/(L.S)
上式中：V--反应体系的体积,L. nS , nP --为底物S和产物P的量,mol. t—为时间,S.
根据质量作用定律,P的生成速率可以表示为: rP kC[ES] 由于中间复合物[ES]的浓度 C[ES] 为一难测定的未知量,因此不能用它来表示最 终的速率方程.为此,需用反应体系中的可测量来代替该未知量.这样得到的反应速 率方程可以用来描述反应的进行,知道随着反应的进行各组分浓度的变化情况,据 此可以设计相关的反应器. 下面我们来推导.对于上述反应,我们假设: 1. 在反应过程中,酶浓度保持恒定,即 CE0 CE C[ES] 2. 与底物S的浓度相比,酶的浓度很小,因此可以不计由于生成中间复合物[ES]
抑制剂不能直接与酶结合，
E S [ES ] E P
只能与复合物[ES]结合形成[ESI]。 [ES ] I [ESI ]
线性混合 型抑制
基本上与非竞争性抑制相同，不 同的是当[EI]与S结合形成[EIS] 时，由于抑制剂的存在影响了[EI] 与S的结合，其解离常数需乘一 系数。
类型
特点
机理
竞争性 抑制
抑制剂与底物竞争地与酶的活性 部位结合。
E S [ES ] E P E I [EI ]
非竞争性 抑制
反竞争性 抑制
抑制剂可在酶的活性部位以外与 酶结合，这种结合与底物的结合 没有竞争。
E S [ES] E P E I [EI] [ES] I [ESI] [EI] S [EIS]
• 温度的影响
对于酶反应，只有在较低的温度范围内，其反应速率才会随温度的提高而加 快，超过某一温度，即酶被加热到生理许可温度以上，酶就会失活，反应速率 反而随温度的提高而下降。
酶的热稳定性和酶的操作稳定性。
第二节 细胞反应过程动力学
1 细胞反应过程计量学
反应计量学是对反应物的组成和反应转化程度的数量化研究。通过计量学， 可知道反应过程中有关组分的组成变化规律以及各反应之间的数量关系。知道 了这些数量关系，就可以由一个物质的消耗或生成速率来推知其他物质的消耗 或生成速率。
动力学方程
rSI
rP ,m a xC S
KS
(1
CI KI
)
CS
rSI
(1
rP ,m a xC S
CI KI
)( KS
CS
)
rSI
KS
rP ,m a xC S CS (1
CI KI
)
rSI
rI ,m axCS K SI CS
rI ,m ax
rP,m ax (1 CI
由于细胞反应过程由众多组分参与，且代谢途径错综复杂，在细胞生长和繁 殖的同时还伴随着代谢产物的生成，因此其过程很难象化学反应一样用正确的 系数加以表达。这就要求用另外一些方法来加以简化处理。
• 细胞反应的元素衡算方程
举例来说明：考虑一无胞外产物的简单细胞反应过程如下。
CH mOn aO2 bNH3 cCH O N dH2O eCO2
对C、H、O和N做元素平衡，得到：
C :1 c e
H : m 3b c 2d
O : n 2a c d 2e N : b c
另外有：
呼吸商 RQ
CO2 产生速率 O2消耗速率
e a
联立求解，可以解出a、b、c、d、e 5个未知数。
[EP]1 k1[EP]2 k2 [EP]3 k3[EP]4 k4 E P 1 1111 kcat k1 k2 k3 k4
例题：P24 例2.1,例2.2。
思考题：试推导上面两个 kcat 。
动力学特征和参数求取
M-M方程所表示的动力学关系为反应速率与
底物浓度之间的关系，即 r ~ CS关系。其图如右
•当 CS , KS 的数量关系处于上述两者之间的范围时，则符合M-M关系。
由上讨论可见，要计算出不同时间的底物浓度，必须知道M-M方程中的两个 参数。由于M-M方程为一非线性方程，无法直接通过作图法求取。为此要对方 程进行线性化处理。不同的线性化处理方法，就是不同的参数求取方法。使用 时主要依据所得数据。下面介绍几种常用的方法。
定义：催化活性中心速率常数
kcat
rP,m ax CE0
对于M-M和B-H方程， kcat k
•存在多个中间复合物
E S KS [ES]K[ES]' K'[ES]'' kE P
kcat
1
k KK ' K KK '
Km
1
KS K
K'
•存在多个产物中间复合物
1 简单的酶催化反应动力学
指由一种反应物(底物)参与的不可逆反应，例如酶催化的水解反应和 异构化反应。可以写为：
S E P
其反应机理可以认为是：首先是底物S和酶E相结合形成中间复合物 [ES]，然后该复合物分解成产物P，并释放出酶E。即有：
S E [ES] P E
上述反应的速率可表示为:
浓度，才能增加中间复合物的浓度，反应速率 图：CS一定时，rS与CS的关系曲线
主要取决于底物浓度。
•当CS KS 时，该曲线近似为一水平线，表示当底物浓度继续增加时反应速率并 不增加，此时的酶反应可看为零CS 级 反KS 应。此时绝大多数酶呈复合物状态，反应 体系内的游离酶很少，即使是提高底物浓度也不能提高酶反应速率。
这些情况就是所谓的抑制作用。 抑制作用分为可逆抑制和不可逆抑制两大类。 可逆抑制：如果某种抑制作用可用诸如渗透等物理方法把抑制剂去掉而恢复 酶的活性。此时，酶与抑制剂的结合存在解离平衡关系。 不可逆抑制：抑制剂与酶的基团成共价结合，不能用物理方法去掉抑制剂。 此类的抑制使酶永久性地失活。 可逆抑制又有：竞争性抑制、非竞争性抑制、反竞争性抑制和混合型抑制。 复杂酶催化反应动力学（自学）。