1、2.1 酶促反應動力學的生物學基礎酶促反應動力學的生物學基礎2.1.1酶的基本概念酶的基本概念 什么是酶？什么是酶？ 酶是生物體為其自身代謝活動而產生的生物催化劑?！敖浀洹泵笇W理論：酶蛋白質。部分RNA也具有生物催化能力，通常稱之為“核酶”。 1982年，美國T. Cech等人發現四膜蟲的RNA有催化活性，具有自身切接能力。核酶的數量少，多作用于核酸。2.1.1.1 酶的分類酶的分類根據國際酶學委員會的規定，按照酶進行催化反應的類型，可將酶分為6類：1.氧化還原酶（oxidoreductases）：羰基還原酶；2.轉移酶（transferases）：氨基轉移酶；3.水解酶（hydrolases

2、）：腈水解酶；4.裂合酶（lyases）：丙酮酸脫羧酶；5.異構酶（isomerases）：葡萄糖異構酶；6.轉接（或合成）酶（ligases)：T4 DNA轉接酶。蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶？2.1.1.2 酶的功能酶的功能酶的催化共性：酶的催化共性： a a、降低反應的活化能；、降低反應的活化能； b b、酶可改變反應速率；、酶可改變反應速率； c c、不改變反應的平衡常數。、不改變反應的平衡常數。H2O2的分解75.31KJ/mol8.37KJ/mol2.1.1.2 酶的功能酶的功能酶的生物催化特性：酶的生物催化特性： a a、有很強的專一性：、有很強的專一性： 底物專一性、反應專一性、立體

3、專一性等；底物專一性、反應專一性、立體專一性等； b b、有較高的催化效率：、有較高的催化效率： 比非催化反應高比非催化反應高108-1020倍；倍； c c、酶的調節功能：、酶的調節功能： 抑制劑和激活劑調節、反饋抑制調節、抑制劑和激活劑調節、反饋抑制調節、 共價修飾調節和變構調節等共價修飾調節和變構調節等酶的催化效率可用酶活表示。酶活的定義：國際酶學委員會規定，在一定條件下，1 min能催化1 umol底物轉化為產物所需要的酶量為一個國際酶活單位（IU)。2.1.1.3 酶的穩定性酶的穩定性引起酶失活的原因：引起酶失活的原因： a a、酶活性中心特定氨基酸（或其它）殘基、酶活性中心特定氨基

4、酸（或其它）殘基 被化學修飾；被化學修飾； b b、外部環境的影響；、外部環境的影響； c c、酶的高級結構變化；、酶的高級結構變化； d d、多肽鏈的斷裂。、多肽鏈的斷裂。2.1.1.3 酶的穩定性酶的穩定性穩定化方法穩定化方法穩定的原因穩定的原因低溫低溫（冷凍保存）（冷凍保存）難以被化學物質或蛋白酶等破壞難以被化學物質或蛋白酶等破壞添加鹽類添加鹽類加入高濃度硫酸銨后，酶高級結構的穩定性增強加入高濃度硫酸銨后，酶高級結構的穩定性增強添加底物添加底物保護酶的活性中心保護酶的活性中心添加有機溶劑添加有機溶劑如加丙酮，但機制不清楚如加丙酮，但機制不清楚化學修飾化學修飾穩定酶的高級結構，保護酶的活性

5、中心穩定酶的高級結構，保護酶的活性中心加入強變性劑加入強變性劑只要保留一級結構，仍可再生只要保留一級結構，仍可再生加入蛋白質加入蛋白質保護在稀薄狀態下易發生變性失活的酶類保護在稀薄狀態下易發生變性失活的酶類結晶化結晶化有利于高級結構的穩定有利于高級結構的穩定固定化固定化防止或減少蛋白酶的作用防止或減少蛋白酶的作用保持酶穩定的方法保持酶穩定的方法2.2 均相酶促反應動力學均相酶促反應動力學z什么是均相反應？ 指酶與反應物系處于同一相（液相）的酶催化反應。葡萄糖脫氫酶葡萄糖葡萄糖酸水相水相2.2.1酶促反應動力學基礎酶促反應動力學基礎 鎖鑰模型（Lock and Key Model）2.2.1.1

6、酶與底物的作用機理酶與底物的作用機理解釋了酶的專一性；局限性：無法解釋可逆反應。2.2.1.1酶與底物的作用機理酶與底物的作用機理 誘導契合模型（Induced-Fit Model）2.2.1.2影響酶促反應的因素影響酶促反應的因素濃度因素（酶濃度，底物濃度，產物濃度等）外部因素（溫度，pH，壓力，溶液的介電常數，離子強度等）內部因素（酶的結構等）2.2.1.3反應速率及其測定反應速率及其測定 若用單位時間內生成物濃度的增加來表示，則：tSrddtPrdd 反應速率反應速率：單位時間內反應物或生成物濃度的改變。 設瞬時dt內反應物濃度的很小的改變為dS，則：2.2.1.4酶促反應動力學分類酶促

7、反應動力學分類-反應級數反應級數零級反應零級反應 反應速率與底物的濃度無關，稱為零級反應。反應速率與底物的濃度無關，稱為零級反應。max d srdt（S-S-底物濃度，底物濃度，r rmaxmax- -最大反應速率）最大反應速率） 2.2.1.4酶促反應動力學分類酶促反應動力學分類-反應級數反應級數一級反應一級反應 反應速率與底物濃度的一次方成正比，稱為一級反應。反應速率與底物濃度的一次方成正比，稱為一級反應。即酶催化即酶催化ABAB的過程。的過程。1SktdSdr（S-S-底物濃度，底物濃度，k1- -一級反應速率常數）一級反應速率常數） 2.2.1.4酶促反應動力學分類酶促反應動力學分類

8、-反應級數反應級數二級反應二級反應 反應速率與兩個反應物的濃度成正比，稱為二級反應。反應速率與兩個反應物的濃度成正比，稱為二級反應。該反應可以是兩個相同的反應物反應生成產物（2S P）；也可以是兩個不同的反應物反應生成產物（AB P）。222SkSSktdSdr2BAktdPdr（S-S-底物濃度；底物濃度；AA、B-B-底物底物A A、B B的濃度；的濃度；k2- -二級反應速率常數）二級反應速率常數） 2.2.2單底物酶促反應動力學單底物酶促反應動力學最簡單的酶促反應：最簡單的酶促反應：單底物不可逆酶促反應單底物不可逆酶促反應。k1k-1ESESEk2P反應機制：反應機制：反應動力學方程如

9、何求?。?. Michaelis-Menten快速平衡學說2. Briggs-Haldane穩態學說2.2.2.1反應動力學方程的推導反應動力學方程的推導快速平衡法的幾點假設條件：快速平衡法的幾點假設條件：1.1. 底物濃度底物濃度SS遠大于酶的濃度遠大于酶的濃度EE，因此，因此ESES的形成不會降的形成不會降低底物濃度低底物濃度SS，底物濃度以初始濃度計算。，底物濃度以初始濃度計算。2.2. 不考慮不考慮P+EESP+EES這個可逆反應的存在。這個可逆反應的存在。3.3. ESES在反應開始后與在反應開始后與E E及及S S迅速達到動態平衡。迅速達到動態平衡。快速平衡學說快速平衡學說k1k-

10、1ESESEk2Pk1k-1ESESEk2快速平衡學說快速平衡學說d d2ESktPrP由假設由假設2可得到產物的合成速率為：可得到產物的合成速率為：(2)(1)P11ESkSEk由假設由假設3可得到：可得到：0ESEE反應體系中反應體系中酶量守恒酶量守恒：(3)由前面的公式由前面的公式(2)得：得：代入公式代入公式(3),變換后得：變換后得：11 -SkESkE 110kkSSEES(4)(5)max1102SKSrkkSSEkrSPP代入公式代入公式(1),變換后得：變換后得：式中：式中：rp,max=k2E0 : 最大反應速率最大反應速率 如果酶的量發生改變，最大反應速率相應改變。如果酶

11、的量發生改變，最大反應速率相應改變。KS=k-1/k1: 解離常數解離常數，飽和常數，飽和常數 低低KS值值意味著酶與底物結合力意味著酶與底物結合力越強越強。 (6)穩態學說穩態學說穩態學說的幾點假設條件：穩態學說的幾點假設條件：1.1. 底物濃度底物濃度SS遠大于酶的濃度遠大于酶的濃度EE，因此，因此ESES的形成不會降的形成不會降低底物濃度低底物濃度SS，底物濃度以初始濃度計算。，底物濃度以初始濃度計算。2.2. 在反應的初始階段，產物濃度很低，在反應的初始階段，產物濃度很低，P+EESP+EES這個可逆反應這個可逆反應的速率極小，可以忽略不計。的速率極小，可以忽略不計。3.3. ESES

12、的生成速率與其解離速率相等，其濃度不隨時間而變的生成速率與其解離速率相等，其濃度不隨時間而變化?；1k-1ESESEk2PExperimental data demonstrated the concentration profiles.當反應系統中當反應系統中 ES的生成速率與分解速率相等時，的生成速率與分解速率相等時，ES濃度濃度保持不變的狀態稱為穩態。保持不變的狀態稱為穩態。0dtESd由于由于SE0，所以，所以SES, S-ESS根據穩態假說，根據穩態假說，0d d211ESkESkSEktES0ESEE(7)1210SkkkSEES(3)(8)121EkkkSESEP d d2E

13、SktPrPd dmax12102SKSrSkkkSEktPrmPP12121kkKkkkKSm02maxEkrP(Km米氏常數米氏常數)(9)(10)式中：式中：對米氏方程的討論： 當SKm時， ，屬零級反應。 當SKm時， 。maxSKSrrmPPmPPKSrrmaxmaxPPrr max21PPrr 米氏常數Km的意義 Km值代表反應速率達到rpmax/2時的底物濃度。 Km是酶的一個特性常數，Km的大小只與酶的性質有關，而與酶濃度無關。但底物種類、反應溫度、pH和離子強度等因素會影響Km值。因此可以用Km值來鑒別酶。maxSKSrrmPPvrmax/2KmS快速平衡穩態假設假設 不考慮

14、逆反應的存在。即：不考慮逆反應的存在。即： ES在反應開始后與在反應開始后與E及及S迅速達到動態平衡。迅速達到動態平衡。ES的生成速率與其解離的生成速率與其解離速率相等，其濃度不隨而速率相等，其濃度不隨而變化。變化。 底物濃度遠高于酶的濃度。底物濃度遠高于酶的濃度。SE 酶量守恒酶量守恒 產物生成速率產物生成速率動力學方程動力學方程 與與 121EkkkSESEP 11 k E SkES0d ESdt0 EEESSKmK11SkKk211mkkKk2ESkrPmaxSKSrrmPPmaxSKSrrSPP動力學參數的求解l對rmax和Km的確定的方法有： Lineweaver-Burk法 ； H

15、anes-Woolf法 ； Eadie-Hofstee法 ； 積分法積分法 等 。Linewever-Burk雙倒數法 將米氏方程式兩側取雙倒數，得到下列方程式： 以作圖,得到一直線 缺點：實驗點過分集中在直線的左下方，影響Km和Vmax的準確測定。maxmax111rSrKrmS1 1對rr11Smax1rm1K98. 111 .231Srmin)(mmol/L 505. 0981. 11maxV(mmol/L) 661.11505. 0100.23mKmaxmax111rSrKrm2.2.2.2 操作參數對酶促反應的影響操作參數對酶促反應的影響 pH改變可破壞酶的空間構象，引起酶活的喪失。

16、 pH的改變影響酶活性中心催化基團的解離，從而使得底物轉變成產物的過程受到影響。 pH的改變影響活性中心結合基團的解離狀態，使得底物不能與其結合或者結合后不能生成產物。z pH對酶反應速度的影響2.2.2.2 操作參數對酶促反應的影響操作參數對酶促反應的影響z 溫度對酶反應速度的影響 A、在一定范圍內，當溫度升高時，與一般的化學反應一樣，反應速度加快。 B、當溫度過高，會導致酶的變性，從而失去活性。2.2.2.3抑制劑對酶促反應速率的影響抑制劑對酶促反應速率的影響u失活與抑制 【失活】(inactivation)：由于酶蛋白分子變性而引起的酶活力喪失的現象稱為失活。 【抑制】(inhibiti

17、on)：由于酶的必需基團化學性質的改變，但酶未變性，而引起酶活力的降低或喪失，稱為抑制作用。競爭性抑制競爭性抑制非競爭性抑制非競爭性抑制反競爭性抑制反競爭性抑制可逆抑制可逆抑制【可逆抑制可逆抑制】 (reversible inhibition)：抑制劑與酶以：抑制劑與酶以非非共價鍵共價鍵結合而引起酶活力降低或喪失，能用物理方法結合而引起酶活力降低或喪失，能用物理方法除去抑制劑而使酶復性，這種抑制作用是可逆的，稱除去抑制劑而使酶復性，這種抑制作用是可逆的，稱為可逆抑制。為可逆抑制。【不可逆抑制不可逆抑制】：如果抑制劑與酶的基團成共價結合，：如果抑制劑與酶的基團成共價結合，則此時不能用物理方法去掉

18、抑制劑。此類抑制可使酶則此時不能用物理方法去掉抑制劑。此類抑制可使酶永久性地失活。例如：重金屬離子對酶的抑制作用。永久性地失活。例如：重金屬離子對酶的抑制作用。不可逆抑制不可逆抑制抑制抑制可逆抑制和不可逆抑制可逆抑制和不可逆抑制競爭性抑制競爭性抑制(competitive inhibitions) ESIEIXPE + S+ IESE + PEIK3K1K-1K2K-3當反應物系中存在與底物的結構相似的物質，這一物質也可能與酶的活性部位結合，形成非活性的復合物，阻礙了酶與底物的結合，從而影響酶促反應，這種抑制作用稱為競爭性抑制。CSVVmax有競爭性抑制劑無抑制劑1、抑制劑是底物的類似物；、抑

19、制劑是底物的類似物；2、提高底物濃度可消除競爭性抑制。、提高底物濃度可消除競爭性抑制。競爭性抑制競爭性抑制(competitive inhibitions) 非競爭性抑制非競爭性抑制(Non-competitive Inhibitions)E + S+IES + IE + PEI+SESIK1KmKIKIK-1K2當反應物系中存在與酶的活性部位以外相結合，且這一結當反應物系中存在與酶的活性部位以外相結合，且這一結合與底物的結合無競爭性關系的抑制作用稱為非競爭性抑合與底物的結合無競爭性關系的抑制作用稱為非競爭性抑制。制。ESEISIXP與競爭性抑制相比較，當有非競爭性抑制劑時，無論如何與競爭性抑

20、制相比較，當有非競爭性抑制劑時，無論如何提高底物的濃度也不會消除其抑制作用。提高底物的濃度也不會消除其抑制作用。 非競爭性抑制非競爭性抑制(Non-competitive Inhibitions)CSVVmax有非競爭性抑制劑無抑制劑VmaxI反競爭性抑制反競爭性抑制(Uncompetitive Inhibitions)SEI+ESESIXP這種抑制劑僅能與這種抑制劑僅能與ES復合物復合物結合，而與結合，而與游離酶游離酶不能直接結不能直接結合。合。E + SES + IE + PESIK1KIK-1K2各種抑制的比較各種抑制的比較競爭性抑制競爭性抑制非競爭性抑制非競爭性抑制反競爭性抑制反競爭性

21、抑制Vmax不變不變減小減小減小減小Km增大增大不變不變減小減小)1 (maxSKIKSVvImPP)(1 (maxSKKISVvmIPP)1 (maxSKIKSVvImPPEE底物抑制底物抑制(Substrate Inhibitions)S+SXPSESS底物抑制：對于某些酶促反應，當底物濃度較高時，反應速率呈下降趨勢，稱為底物抑制。E + SES + SE + PESSK1KSIK-1k2應用穩態理論，可得到底物抑制的酶促應用穩態理論，可得到底物抑制的酶促反應動力學方程為反應動力學方程為SImKSSKSVv2max產物抑制產物抑制 (product inhibitions)EESEPPSP

22、E + S+PESE + PEPKmKPk2產物抑制：酶促反應中，有時隨產物濃度提高，產物與酶形成復合物，阻礙了底物與酶的結合，從而降低了酶促反應的速度。)/ 1 (maxSKPKSVvPm2.2.2.4 多底物酶促反應動力學多底物酶促反應動力學前面討論的都是指單底物的酶催化反應，而實際酶催化反應更復雜，可用下列通式表示：A+B+C+=P+Q+R+這里僅討論雙底物的酶促反應，根據反應過程中形成的中間復合物的不同，可分為：順序反應機制順序反應機制; ;乒乓反應機制。乒乓反應機制。順序反應機制順序反應機制順序反應順序反應是指所有底物與酶結合之后再釋放產物。有序順序反應隨機順序反應順序反應有序順序反

23、應隨機順序反應乒乓反應機制乒乓反應機制乒乓反應是酶先與一種底物結合后即釋放一種產物，酶發生了必要的變構，然后再結合另一種底物，再釋放一種產物，釋放產物之后酶一般恢復為最初狀態。314123EkkkkkkEAEE BE QAPB各種抑制的比較各種抑制的比較Km抑制抑制抑制抑制競爭性競爭性反競爭性反競爭性非競爭性非競爭性Vmax抑制抑制變大變大不變不變不變不變變小變小變小變小變小變小2.3 固定化酶促反應動力學固定化酶促反應動力學2.3.1 固定化酶促反應動力學基礎固定化酶促反應動力學基礎2個個W和和1個個H?vWhat?什么是固定化酶？ 固定化酶：固定化酶：水溶性酶通過物理和化學的方法，使之與不

24、水溶性酶通過物理和化學的方法，使之與不溶性載體結合形成的一種不再溶解的酶。溶性載體結合形成的一種不再溶解的酶。酶的固定化技術：是將水溶性的酶分子通過一定的方式，如靜電吸附，共價鍵等與載體，如角叉菜膠、離子交換樹脂等材料，制成固相酶的技術。2.3.1 固定化酶促反應動力學基礎固定化酶促反應動力學基礎2個個W和和1個個H?vWhy?為什么要固定化？ 生物工業用酶大多為水溶性，酶促反應體系為均相體系，均相體系簡單，但存在一個缺點，就是酶難以回收利用，同時，酶和產物混在一起，給產物的提取帶來困難。解決此問題可采用酶的固定化技術。2.3.1 固定化酶促反應動力學基礎固定化酶促反應動力學基礎2個個W和和1

25、個個H?vHOW?如何進行固定化？ 載體結合法載體結合法 交聯法交聯法 包埋法包埋法 1.載體結合法制備固定化酶載體結合法制備固定化酶 定義：定義：將酶利用共價鍵或離子鍵、物理吸附等方法結合于不溶性載體上的固定化方法。按載體結合形式分為：按載體結合形式分為： 共價鍵結合法 離子鍵結合法 物理吸附法 載體結合法載體結合法共價鍵結合法共價鍵結合法 酶與不溶于水的載體以共價鍵形式結合制備固定化酶的方法。即，通過化學共價鍵，把與酶蛋白活性無關的氨基酸功能基團連接在不溶于水的載體上。優缺點：優缺點：優點優點：酶與載體結合較牢固，不易脫落，有利于長 時間使用。缺點：缺點：制備條件復雜，酶蛋白活性中心易破壞

26、。酶與具有離子交換基團的不溶性載體結合形成固定化酶。常用載體：纖維素的衍生物，離子交換樹脂。 載體結合法載體結合法離子鍵結合法離子鍵結合法優點：優點：操作簡便，處理條件溫和，酶的高級結構和活性中心不易破壞，有利于制備高活性酶。缺點：缺點：載體與酶的結合力較弱，在高離子強度下酶易從載體上脫落。優缺點：優缺點：優點：優點：酶蛋白活性中心不易被破壞，完整保持酶的高級結構；方法簡單，成本低。缺點：缺點：酶吸附不牢固，易脫落；防止吸附的酶蛋白質與載體發生變性反應。 載體結合法載體結合法物理吸附法物理吸附法通過物理吸附或靜電引力將酶吸附在活性炭、氧化鋁、離子交換樹脂等具有活潑表面的載體上。常用載體：無機物

27、：活性炭、白陶土、氧化鋁、多孔玻璃、硅膠、碳酸鈣凝膠。無機物：活性炭、白陶土、氧化鋁、多孔玻璃、硅膠、碳酸鈣凝膠。有機物高分子化合物：淀粉麩質、大孔樹脂、有機物高分子化合物：淀粉麩質、大孔樹脂、DEAEDEAE纖維素、纖維素、DEAEDEAE葡聚糖葡聚糖凝膠。凝膠。優缺點：優缺點：定義：將酶包埋在凝膠的微細格子中或被半透性的聚合膜所包埋，使酶分子不能從凝膠的網絡中漏出，而小分子的底物和產物可自由通過凝膠網絡的固定化方法。包埋方法有兩種：格子型微膠囊型 2.包埋法制備固定化酶包埋法制備固定化酶原理：原理： 以丙烯酰胺、硅膠、淀粉瓊脂等材料，在酶存在下聚合成凝膠，酶被包埋在聚合物的細小多孔的網狀格

28、子中。 包埋法包埋法格子型固定化酶格子型固定化酶原理：原理： 把酶包在超薄半透性的聚合物膜中，制成球狀含酶微型膠囊。 包埋法包埋法微型膠囊法微型膠囊法特點：特點：微囊直徑幾微米幾百微米。低分子底物可以自由通過并進入微囊內。與酶反應后的生成物被排除在微囊外，酶本身是高分子物質不能通過微囊而被留在微囊中，外部的蛋白分解酶、抗體等高分子物質也無法進入微囊內。 包埋法包埋法微型膠囊法微型膠囊法定義：雙功能試劑或多功能試劑與酶蛋白質中的氨基酸殘基作用，使酶與酶之間交聯成網，凝集成固定化酶的方法。發生作用的氨基酸殘基：發生作用的氨基酸殘基： 酪氨酸的酚基 半胱氨酸的巰基 N末端的a氨基常用的雙功能或多功能

29、試劑：常用的雙功能或多功能試劑： 戊二醛 聚甲叉雙碘乙酰胺 雙重氮聯苯胺 3.交聯法制備固定化酶交聯法制備固定化酶固定化酶的制法及其特性比較固定化酶的制法及其特性比較 特性特性制備方法制備方法共價鍵共價鍵結合法結合法離子離子結合法結合法物理物理吸附法吸附法包埋法包埋法制備方法難易易難酶活力高高高低底物特異性易變不變不變不變結合能力強中弱弱再生不可可能可能不可交聯法交聯法難中易變強不可酶固定化后的性質變化酶固定化后的性質變化 底物專一性的改變底物專一性的改變 穩定性增強穩定性增強 熱穩定性、保存和使用穩定性。熱穩定性、保存和使用穩定性。 最適最適pHpH值和最適溫度變化值和最適溫度變化 酶固定化

30、后，酶蛋白質的電子狀態會發生改變，載體表面的電位受影酶固定化后，酶蛋白質的電子狀態會發生改變，載體表面的電位受影響。響。 動力學參數的變化動力學參數的變化 固定化酶有利于實現酶促反應的連續化和自動控制。固定化酶反應歷程固定化酶反應歷程 微膠囊包埋法固定化酶為例微膠囊包埋法固定化酶為例 底物傳遞至載體外表面； 底物由外表面向內擴散； 酶促反應； 產物由內向外表面擴散； 產物傳遞到流體主體。固定化酶的催化反應受兩方面影響：物質傳遞和酶促反應。影響固定化酶促反應的主要因素影響固定化酶促反應的主要因素 分子構象的改變（常見于吸附法和共分子構象的改變（常見于吸附法和共價偶聯法）價偶聯法） 位阻效應位阻效

31、應 微擾效應微擾效應 分配效應分配效應 （可用可用Kp Kp 定量描述定量描述） 分配系數：載體內外底物分配系數：載體內外底物( (或其他物質或其他物質) )濃度之比。濃度之比。 Kp=CKp=Csi/C/Cso Kp Kp的測定：已知底物濃度的測定：已知底物濃度( (C CS S) )，體積，體積(V(V0 0) )的溶的溶液中，放入不含底物的一定體積的載體，并保持適液中，放入不含底物的一定體積的載體，并保持適宜條件，當達到平衡時，測定載體外溶液的底物濃宜條件，當達到平衡時，測定載體外溶液的底物濃度度(C(Cso) )。分配系數分配系數 (Kp)Csi:微環境的底物濃度；微環境的底物濃度；C

32、so:界面外的底物濃度。界面外的底物濃度。影響固定化酶促反應的主要因素影響固定化酶促反應的主要因素 分子構象的改變（常見于吸附法和共分子構象的改變（常見于吸附法和共價偶聯法）價偶聯法） 位阻效應位阻效應 微擾效應微擾效應 分配效應分配效應 （可用可用Kp Kp 定量描述定量描述） 擴散限制擴散限制 （可定量描述）（可定量描述）不同反應速率與參數及其相互關系不同反應速率與參數及其相互關系2.3.2 固定化酶促反應中的過程分析固定化酶促反應中的過程分析2.3.2.1 外部擴散過程外部擴散過程 以表面固定化酶為例以表面固定化酶為例)(SLdSSakVSmSSSKSVVmaxSmSSLSKSVSSak

33、)(max0maxSmSSVSKSVVSSdLSLSVSakSSakV)(dSVV 0SSVV 0maxSmSSVSKSVVSSdLSLSVSakSSakV)(SmSSLSKSVSSak)(max*)1*)(CCCKDa/*maxSakVDaSKKSSCLmS無因次形式：達姆科勒準數達姆科勒準數 (Da)外擴散效率因子外擴散效率因子 (out)out=有外擴散影響時的實際反應速率無外擴散影響時的固定化酶外表面的反應速率out：表示固體催化劑顆粒催化反應進行的有效程度。：表示固體催化劑顆粒催化反應進行的有效程度。out=SmSSKSVmaxmaxV=*CCK (Da)Da準數是決定效率因子的唯一

34、參數，是表征傳質過準數是決定效率因子的唯一參數，是表征傳質過程對反應速率影響的基本準數。程對反應速率影響的基本準數。 out越接近于1， out越小，討論：*)1*)(CCCKDa 1、降低固定化酶顆粒的粒徑，增大比表面、降低固定化酶顆粒的粒徑，增大比表面積積a，但由于粒徑減小會伴隨壓強增加，因，但由于粒徑減小會伴隨壓強增加，因此應用中綜合考慮，確定合適的粒徑。此應用中綜合考慮，確定合適的粒徑。 2、使固定化酶表面流體處于湍流狀態以增、使固定化酶表面流體處于湍流狀態以增大大kL。 3、適當提高液相主體的底物濃度，可提高、適當提高液相主體的底物濃度，可提高傳質速率，降低外擴散的限制。傳質速率，降

35、低外擴散的限制。 降低外擴散效應的技術措施降低外擴散效應的技術措施)(SLdSSakV2.3.2 固定化酶促反應中的過程分析固定化酶促反應中的過程分析2.3.2.1 內部擴散過程內部擴散過程in= 顆粒內的實際有效反應速率顆粒內無濃度梯度時的反應速率2.3.2 固定化酶促反應中的過程分析固定化酶促反應中的過程分析2.3.2.1 內部擴散過程內部擴散過程內擴散效率因子內擴散效率因子 (in)2.4 酶的失活動力學酶的失活動力學2.4.1未反應時酶的失活動力學未反應時酶的失活動力學一步失活模型一步失活模型 式中式中: E具有活性的酶，具有活性的酶， D失活的酶。失活的酶。 kd失活反應速率常數。失

36、活反應速率常數。DEdk 建立酶失活動力學方程： 邊界條件：邊界條件： 積分，得積分，得EkdtEdd0 ,EEot)exp(0tkEEdt2.4.1未反應時酶的失活動力學未反應時酶的失活動力學幾個概念： ：一步失活常數：一步失活常數 ：半衰期，當：半衰期，當 ：時間常數，：時間常數， 三者關系：三者關系：dk2/1tct02/121 ,EEtttdckt1 dkt2ln2/1 dckt1 2.4.1未反應時酶的失活動力學未反應時酶的失活動力學2.4.2反應中酶的失活動力學反應中酶的失活動力學反應中酶的穩定性與酶的使用壽命直接相關。酶在反應中的穩定性稱為操作穩定性（operation stability）。其測定方法有以下3種： 分批測定法； 連續測定法； 利用圓二色性分析方法直接跟蹤失活酶的結構變化。本章小結：本章小結：v酶促反應動力學的生物學基礎：酶的基本概念、催化特性等； v均相酶促反應動力學：酶與底物的作用方式、影響酶促反應的因素、單底物酶促反應動力學方程的推導。v固定化酶促反應動力學：固定化酶的優點、固定化方法、外擴散、內擴散。v酶的失活動力學：一步失活模型、半衰期等概念。復習題：