酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)-生物反應(yīng)工程課件-02-共8講

第二章酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2.1酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的特點(diǎn)2.1.1酶的基本概念2.1.2酶的穩(wěn)定性及應(yīng)用特點(diǎn)酶是以活力、而不是以質(zhì)量購銷的。酶有不同的質(zhì)量等級(jí)：工業(yè)用酶、食品用酶、醫(yī)藥用酶。酶的實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意，沒有必要使用比工藝條件所需純度更高的酶。經(jīng)典酶學(xué)研究中，酶活力的測定是在反應(yīng)的初始短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行的，并且酶濃度、底物濃度較低，且為水溶液，酶學(xué)研究的目的是探討酶促反應(yīng)的機(jī)制。工業(yè)上，為保證酶促反應(yīng)高效率完成，常需要使用高濃度的酶制劑和底物，且反應(yīng)要持續(xù)較長時(shí)間，反應(yīng)體系多為非均相體系，有時(shí)反應(yīng)是在有機(jī)溶劑中進(jìn)行。2.2均相酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2.2.1酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)可采用化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方法建立酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程。對(duì)酶促反應(yīng)，有：

式中，

k：酶促反應(yīng)速率常數(shù)；

r：酶促反應(yīng)速率；

rA：以底物A的消耗速率表示的酶促反應(yīng)速率；

rP：以產(chǎn)物P的生成速率表示的酶促反應(yīng)速率。對(duì)連鎖的酶促反應(yīng)，

2.2.2單底物酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2.2.2.1米氏方程根據(jù)酶－底物中間復(fù)合物假說，對(duì)單底物酶促反應(yīng)，其反應(yīng)機(jī)制可表示為：快速平衡法推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方程：幾點(diǎn)假設(shè)：（1）CS>>CE，中間復(fù)合物ES的形成不會(huì)降低CS。（2）不考慮這個(gè)可逆反應(yīng)。（3）為快速平衡，為整個(gè)反應(yīng)的限速階段，因此ES分解成產(chǎn)物不足以破壞這個(gè)平衡。解之，得令則根據(jù)假設(shè)建立動(dòng)力學(xué)方程穩(wěn)態(tài)法推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方程：幾點(diǎn)假設(shè)：（1）CS>>CE，中間復(fù)合物ES的形成不會(huì)降低CS。（2）不考慮這個(gè)可逆反應(yīng)。（3）CS>>CE中間復(fù)合物ES一經(jīng)分解，產(chǎn)生的游離酶立即與底物結(jié)合，使中間復(fù)合物ES濃度保持衡定，即。解之，得令則根據(jù)以上假設(shè)，可建立如下方程組米氏方程rrmaxrmax/2KmCS圖2－1

酶濃度一定時(shí)底物濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響對(duì)米氏方程的討論：當(dāng)CS<<Km時(shí)，，屬一級(jí)反應(yīng)。當(dāng)CS>>Km時(shí)，，屬零級(jí)反應(yīng)。當(dāng)CS＝Km時(shí)，。Km在數(shù)量上等于反應(yīng)速度達(dá)到最大反應(yīng)速度一半時(shí)的底物濃度。雙倒數(shù)法(LinewearBurk):對(duì)米氏方程兩側(cè)取倒數(shù)，得

,以作圖，得一直線，直線斜率為，截距為,根據(jù)直線斜率和截距可計(jì)算出Km和rmax。－1／Km1／rmax1／r斜率－Km/rmax1／CS圖2－2雙倒數(shù)法求解Km和rmax

2.2.2.2抑制劑對(duì)酶促反應(yīng)速率的影響失活作用抑制作用

競爭性抑制

非競爭性抑制

競爭性抑制非競爭性抑制EISESI競爭性抑制反應(yīng)機(jī)理：快速平衡法推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方程：

解之，得，式中:采用穩(wěn)態(tài)法推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方程：解之，得式中:非競爭性抑制反應(yīng)機(jī)理快速平衡法推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方程

解之，得式中:穩(wěn)態(tài)法推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方程：解之，得式中:競爭性抑制非競爭性抑制令可變形為:

可變形為:

令

競爭性抑制非競爭性抑制1／r1／CS1／rmax-1／Km-1／Km’1／r1／CS1／rmax-1／KmCI=0CI

1／rmax’CI=0CI

產(chǎn)物抑制：酶促反應(yīng)中，有時(shí)隨產(chǎn)物濃度提高，產(chǎn)物與酶形成復(fù)合物，阻礙了底物與酶的結(jié)合，從而降低了酶促反應(yīng)的速度。反應(yīng)機(jī)理：

快速平衡法推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方程:解之,得式中:穩(wěn)態(tài)法推導(dǎo)動(dòng)力學(xué)方程:解之,得式中:可見,產(chǎn)物抵制屬于競爭性抵制底物抑制：對(duì)于某些酶促反應(yīng)，當(dāng)?shù)孜餄舛容^高時(shí)，反應(yīng)速率呈下降趨勢，稱為底物抑制。CSCSr底物抑制反應(yīng)機(jī)理：快速平衡法推導(dǎo)動(dòng)學(xué)方程：解之,得式中:2.2.3多底物酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)一般的多底物酶促反應(yīng)可表示為：這里討論：雙底物雙產(chǎn)物情況反應(yīng)機(jī)制：關(guān)鍵問題：底物A、B哪個(gè)先和酶結(jié)合？

任何一個(gè)都有可能先與酶結(jié)合（隨機(jī)機(jī)制）A先與酶結(jié)合或B先與酶結(jié)合兩底物同時(shí)與酶結(jié)合（可能性極?。╇S機(jī)機(jī)制（分支機(jī)制）EEBEAEABEPQEPEQE（不形成三元復(fù)合物）反應(yīng)模型EAE＋A－A－P＋P＋B－BEQ－Q＋QEEG

（EG：修飾過的酶）簡單機(jī)制EEAEAB＋A－A＋B－BEPQ－Q＋QEPE－P＋P雙底物酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

反應(yīng)機(jī)理：解之，得式中：2.3固定化酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2.3.1固定化酶促反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)2.3.1.1酶的固定化技術(shù)定義酶的固定化技術(shù)是將水溶性的酶分子通過一定的方式，如靜電吸附，共價(jià)鍵等與載體如角叉菜膠、離子交換樹脂等材料制成固相酶的技術(shù)。細(xì)胞的固定化技術(shù):為省去從微生物（或動(dòng)、植物）中提取酶的操作，確保酶的穩(wěn)定性，采用直接固定化微生物細(xì)胞、動(dòng)植物細(xì)胞、組織技術(shù)。

物理吸附法載體結(jié)合法離子結(jié)合法共價(jià)結(jié)合法

交聯(lián)法格子型包埋法微膠囊2.3.1.2酶和細(xì)胞固定化方法交聯(lián)法EOEEOOOE2.3.1.3固定化對(duì)酶性質(zhì)的影響底物專一性的改變穩(wěn)定性增強(qiáng)最適pH值和最適溫度變化動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化2.3.1.4影響固定化酶促反應(yīng)的主要因素

分子構(gòu)象的改變位阻效應(yīng)微擾效應(yīng)分配效應(yīng)（可用Kp

定量描述）鏈接擴(kuò)散效應(yīng)

（可定量描述）分配系數(shù)(Kp)鏈接

分配系數(shù)：載體內(nèi)外底物(或其他物質(zhì))濃度之比。

Kp的測定：已知底物濃度(CS0

)，體積(V0)的溶液中，放入不含底物的一定體積的載體，并保持適宜條件，當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，測定載體外溶液的底物濃度(Cs)。2.3.2固定化酶促反應(yīng)過程分析2.3.2.1外部擴(kuò)散過程以表面固定化酶為例。CSCSS外擴(kuò)散過程分析外擴(kuò)散速率：

達(dá)到平衡時(shí)，即

酶促反應(yīng)速率：

N,rrmaxNmax0CSSCS(CSS，rout)NmaxN，rrmax0

CSSCS(CSS，rout)Da準(zhǔn)數(shù):當(dāng)時(shí)，過程為外擴(kuò)散控制。當(dāng)時(shí)，過程為反應(yīng)控制。式中:表明C*為Da準(zhǔn)數(shù)的函數(shù)，即(時(shí),)表明為C*的函數(shù)，即

可見，Da準(zhǔn)數(shù)是決定效率因子和比濃度C*的唯一參數(shù)，因而是表征傳質(zhì)過程對(duì)反應(yīng)速率影響的基本準(zhǔn)數(shù)。

Da準(zhǔn)數(shù)越小，固定化酶表面濃度越接近于主體濃度CS，越接近于1。Da準(zhǔn)數(shù)越大，固定化酶表面濃度越趨近于零，越小，越趨近于零。

為提高固定化酶外擴(kuò)散效率,應(yīng)設(shè)法減小Da準(zhǔn)數(shù)。減小Da準(zhǔn)數(shù)的措施：

1、降低固定化酶顆粒的粒徑，增大比表面積，但由于粒徑減小會(huì)伴隨壓降增加，因此應(yīng)用中綜合考慮，確定合適的粒徑。

2、使固定化酶表面流體處于湍流狀態(tài)以增大。2.3.2.2內(nèi)部擴(kuò)散過程具有大量內(nèi)孔的球形固定化酶顆粒Rdrr內(nèi)擴(kuò)散效率因子穩(wěn)定狀態(tài)下，對(duì)底物進(jìn)行物料衡算：

流入量－流出量＝反應(yīng)量整理,得兩側(cè)同除

,得當(dāng)反應(yīng)符合米氏方程規(guī)律時(shí)，故,令,,,上式可轉(zhuǎn)化為無因次形式，得邊界條件:,,該微分方程無解析解，只能用數(shù)值法求解。西勒準(zhǔn)數(shù)()

的物理意義是表面反應(yīng)速率與內(nèi)擴(kuò)散速率之比。對(duì)各類反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與固定化酶的形狀，普遍化的的定義式為:引入無因次參數(shù)，則無解析解，只有數(shù)值解。

見教材33頁圖2-10

內(nèi)擴(kuò)散效率因子in是和的函數(shù)。

對(duì)

in影響不大，影響

in的主要參數(shù)是西勒準(zhǔn)數(shù)

。如果，則不隨

變化，近似等于1，也就是說沒有內(nèi)部傳質(zhì)阻力，若，則，反應(yīng)為內(nèi)擴(kuò)散所限制。

為提高固定化酶內(nèi)擴(kuò)散效率，應(yīng)設(shè)法減小

。減小

的措施主要是適當(dāng)降低固定化酶顆粒粒徑。外擴(kuò)散過程內(nèi)擴(kuò)散過程

Da準(zhǔn)數(shù)是決定外擴(kuò)散效率的唯一參數(shù)。準(zhǔn)數(shù)是決定內(nèi)擴(kuò)散效率的主要參數(shù)。

Da準(zhǔn)數(shù)定義：西勒準(zhǔn)數(shù)定義：

外擴(kuò)散效率因子定義：

內(nèi)擴(kuò)散效率因子定義：

Da<<1，過程為反應(yīng)控制；

Da>>1，過程為外擴(kuò)散控制<<0.3時(shí)，過程為反應(yīng)控制；>>0.3時(shí)，過程為內(nèi)擴(kuò)散控制。2.4酶的失活動(dòng)力學(xué)2.4.1未反應(yīng)時(shí)酶的失活動(dòng)力學(xué)2.4.1.1一步失活模型

式中:E—具有活性的酶，D—失活的酶。

kd—失活反應(yīng)速率常數(shù)。建立酶失活動(dòng)力學(xué)方程：

邊界條件：

積分，得幾個(gè)概念：

：一步失活常數(shù)：半衰期，當(dāng)：時(shí)間常數(shù)，三者關(guān)系：2.4.1.2多步失活模型

多步串聯(lián)失活模型：同步失活模型：式中，為失活速率常數(shù)為的酶組分的分率。因此，2.4.1.3溫度對(duì)酶失活的影響式中，

—

指前因子