生化工程第四章细胞反应动力学郑志永

生化工程
主 讲：堵国成 郑志永 吴剑荣
教授 詹晓北 教授 副教授 杨海麟 副教授 副教授 陈 坚 教授

第四章 细胞反应动力学
郑志永 副教授

动力学是什么？
• 是发动机、电动机提供动力？ • 动力学：研究力与运动的关系。 • 一级方程式赛车索伯车队的负责人彼得•索伯认为:“如果
您了解一下能够影响到一级方程式车赛的所有相关工程因 素,您会发现其中的70%是空气动力学.功率~速度~流场 • 生化反应动力学：研究生化反应速率变化的工程科学。 – 生化反应的推动力~反应速率~反应过程的数学描述
• 反应速率:单位时间内反应物的浓度变化(如dS/dt)

为什么要研究反应动力学？
• 反应动力学~数学建模~数学表达式；
• 数学建模是用数学语言来描述实际现象的过程； • 对生化反应现象的数学抽象~反应速率方程~求解
方程~反应物的浓度变化进程；
• 科学家研究并理解了生化反应的规律，但机器和 电脑不知道。如何让机器知道这样一种规律，就 需要将我们的语言翻译成数学语言，最后实现生 化反应的机器学习和自动控制；
• 因此需要研究反应动力学。

4.1 化学计量学
4.1.1 简介
¾ 一个活的细胞 = 一个复杂的化学反应器
化学反应
物质限制 能量限制 热力学原理
化学反应的一些概念也可以应用到生物系统中来。
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¾ 代谢：细胞内发生的所有化学反应的总和称代谢
合成代谢
小分子 大分子
分解代谢 —— 营养物的降解
C源 N源 P源 S源
小分子 大分子
分解代谢
小分子 能量
培养基
代谢产物
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¾ 培养基组成 = 营养物的降解
细胞为了生长和繁殖，必须消耗培养基中的营养成分用于合 成细胞壁，蛋白质，酶，脂肪等物质和细胞构成单元。
元素的基本来源
Element
Source
Carbon (C)
CO2, Sugar, Proteins, fats
Nitrogen (N)
Proteins, NH3, NO2-
Sulfur (S)
Proteins, SO42-
Phosphorus (P)
Hydrogen (H) Oxygen (O)
PO43H2O, Medium components
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¾ 产物合成
醇 (乙醇), 有机酸 (乳酸, 柠檬酸,氨酸酸),抗生素, 酶…… 这些物质的大量合成，对于微生物细胞的正常功能维持可能是 没有必要的或者是无用的，但对于人类却是很有价值的。
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(II) 化学计量学 得率系数
Substrates
( ∆S1 ) (∆S2 )
System:
Fixed Amount of Cell Material
Cells ( ∆X)
Products ( ∆P1 )
(∆Sn )
(∆Pn )
Simplest Macroscopic View of Growth
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(a) 元素平衡
一个典型的细胞组成可以表示为：
CH1.8O0.5N0.2
We postulate one mole of biological material would be
defined as the amount containing one mole of carbon,
such as,
CHαOβNδ
Consider the following simplified biological conversion
in which no extracellular products other than H2O and CO2:
CHmOn + a O2 + b NH3
c CHαOβNδ + d H2O + e CO2
where CHmOn : 1mole of carbohydrate; CHαOβNδ : 1mole of cellular material.
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¾ 细胞生长与抑制
I. 底物限制生长 A. 假定一种化合物S是限制性底物。
什么是限制性底物？ During the microorganisms growth the environment will
change but if the conditions remain favourable growth will continue until one of the essential substrates is depleted. If all other nutrients are available in excess this substrate is called the growth-limiting substrate.
限制性底物浓度的增加会影响生长速率,而其它营养组分浓度的变化对生 长速率没有影响作用.
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辩析：底物限制作用~底物抑制作用
• 木桶原理：无论一个木桶有多高，它的盛水高度 取决于其中最低的那块木板。
• 如果把“细胞的生长过程”比喻为木桶，那么限制 性底物就是木桶中最低的那块板。
• 底物限制细胞生长 ~ 底物抑制细胞生长
底物不能满足生长需要
底物过量使生长不利

比生长速率概念的引出
• 在一个1mL的反应容器中，1个细 ¾ 在一个1mL的反应容器中，100个
菌1 min分裂产生10个细菌;
细菌1min分裂产生200个细菌;
• 反应速率为9个/(mL·min)
¾ 反应速率为100个/(mL·min)
• 哪个反应速率大？
• 哪种细菌生产效能大？为什么？
• 菌体数量不一样？如何更科学地衡 量？
• 采用比生长速率！
细胞浓度变化量/(时间·催化剂浓度) ¾ 注意：单位催化剂浓度时，反应物 或产物的反应速率变化！
μ
=
dX X ⋅ dt
=
(10个 / mL −1个 / mL) 1个 / mL×1min
= 9 min−1
μ
=
dX X ⋅ dt
=
(200个 / mL −100个 / mL) 100个 / mL×1min
=
2 min−1