第二章生物反应动力学第二章生物反应动力学•本章要求：掌握简单酶催化反应动力学、有抑制的和复杂的酶催化反应动力学，掌握影响酶催化反应速率的因素，以及动力学参数的求取。了解微生物反应过程的计量学，掌握分批培养时细胞生长动力学、底物消耗及产物生成动力学，学会细胞反应动力学参数的估算。第一节酶促反应动力学酶促反应是生物反应的基础，从酶促反应可获知：（1）酶催化反应机制；􀀹（2）对酶促反应速率的规律进行定性或定量的描述，建立可靠的反应动力学方程，从而确定适宜的操作条件。1.1.1在生物反应器中使用的催化剂1.1.2酶的应用特点经典酶学研究中，酶活力的测定是在反应的初始短时间内进行的，并且酶浓度、底物浓度较低，且为水溶液，酶学研究的目的是探讨酶促反应的机制。工业上，为保证酶促反应高效率完成，常需要使用高浓度的酶制剂和底物，且反应要持续较长时间，反应体系多为非均相体系，有时反应是在有机溶剂中进行。1.1.3酶促反应的特征1.1.4研究酶促反应的目的􀂄均相酶反应：系指酶与反应物系处于同一相—液相的酶催化反应，它不存在相间的物质传递。􀂄非均相酶反应：系指酶与反应物系处于不同相的酶催化反应，反应过程存在相间的物质传递。1.2.1酶促反应动力学基础根据酶促反应速率与底物浓度之间关系，利用化学反应动力学方法建立相应动力学方程：􀂄零级反应􀂄一级反应􀂄二级反应􀂄连锁的酶促反应1.2.1酶促反应动力学基础1.2.1酶促反应动力学基础1.2.1酶促反应动力学基础1.2.1酶促反应动力学基础【例2-1】卵状假单胞菌在分批式反应中先将葡萄糖转变为葡萄糖内脂，再转化为葡萄糖酸，此反应为一级反应，反应式如下：解：1.2.2简单的酶催化反应动力学上述反应的速率可表示为：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程，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。对于上述反应，我们假设：（1）反应过程中，酶浓度保持恒定，即（2）与底物浓度Cs相比，酶的浓度是很小的，因而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。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。根据假设有：r=rp=k+2C[ES]根据生成复合物的可逆反应有：该方程中引入了两个参数：KS=k-1/k+1——解离常数rP,max=k+2CE0rP,max——P的最大生成速率,mol/L.s在具体应用时，人们亦将B-H方程称为M-M方程。一律表示为:1.2.3米氏方程动力学特征Km和rmax的意义Km和rmax的意义[例2-2]有一均相酶催化反应，Km值为2×10-3mol/L，当底物的初始浓度CS0为1×10-5mol/L时，若反应进行1min，则有2％的底物转化为产物。试求出：(1)当反应进行3min，底物转化为产物的百分数是多少?此时底物和产物的浓度分别是多少?(2)当CS0为1×10-6mol/L时，也反应了3min，底物和产物的浓度又是多少?(3)最大反应速率rmax值为多少?解：(1)根据题意，CS0＜0.01Km，此时一般认为可按一级反应处理。其动力学方程可表示为：【例2-3】某酶催化反应，其Km=0.01mol/l。为了求其最大反应速率rmax值，现通过实验测得该反应进行到5min时，底物已转化了10%，已知CS0=3.4×10-4mol/l,并假定该反应可用M-M方程表示。试求：（1）最大反应速率rmax为多少？（2）反应15min后，底物浓度为多少？将M-M方程取其倒数得到下式：以Cs/rs对Cs作图，得一斜率为1/rmax的直线，直线与纵轴交点为Km/rmax,与横轴交点为-Km。1.2.4.4积分法：【例2-4】在常温下利用蔗糖酶水解蔗糖，蔗糖初始浓度CS0＝1.0mmol/L，酶的初始浓度CE0=0.01mmol/L，在实验室反应器内进行分批式操作，测定如下表中前两行的数据。解：首先将米氏方程转换为：由已知数据计算实际酶促反应中，往往关心反应时间与底物转化率的关系。【例2-5】将底物和酶加入到分批式反应器中，经反应，底物转化率为90%，空时为多少？已知反应速率方程式为：解：当底物转化率为90%时，1.3有抑制的酶催化反应动力学若在反应体系中存在有与底物结构相类似的物质，该物质也能在酶的活性部位上结合，从而阻碍了酶与底物的结合，使酶催化底物的反应速率下降。这种抑制称