1、生化反應工程生化反應工程Contentsv第一節第一節 酶催化反應動力學酶催化反應動力學v第二節第二節 細胞生長和產物生成的動力學細胞生長和產物生成的動力學v第三節第三節 生物反應器生物反應器v第四節第四節 連續培養連續培養v幾個問題？幾個問題？v你們在平常生活中見過那些生化反你們在平常生活中見過那些生化反應？應？1.生化反應是怎樣進行的？生化反應是怎樣進行的？第一節第一節 酶催化反應動力學酶催化反應動力學v酶是有催化功能的蛋白質，催化劑能影響化學反應的反應速率，但是不酶是有催化功能的蛋白質，催化劑能影響化學反應的反應速率，但是不能影響反應的平衡狀態能影響反應的平衡狀態第一節第一節 酶催化反應

2、動力學酶催化反應動力學v什么是催化劑什么是催化劑：催化劑是一種物質，它能夠加速反應的速率而不：催化劑是一種物質，它能夠加速反應的速率而不改變該反應的標準改變該反應的標準Gibbs自由焓變化。自由焓變化。 v酶同化學催化劑在催化過程中的作用是相似的，但是化學催化劑酶同化學催化劑在催化過程中的作用是相似的，但是化學催化劑常是非專一性的，酶催化劑雖然也有些不是非常專一，但大多數常是非專一性的，酶催化劑雖然也有些不是非常專一，但大多數是專一性很強的，它們催化某種底物進行一種反應。例如：將水是專一性很強的，它們催化某種底物進行一種反應。例如：將水解蛋白成為小的多肽或氨基酸的水解蛋白酶，并不希望它有太強解

3、蛋白成為小的多肽或氨基酸的水解蛋白酶，并不希望它有太強的專一性，或者稱為廣譜酶；而催化一種特殊物質異構化的酶確的專一性，或者稱為廣譜酶；而催化一種特殊物質異構化的酶確往往要求很強的專一性。而決定催化能力的活性點與酶分子的三往往要求很強的專一性。而決定催化能力的活性點與酶分子的三維結構密切相關。維結構密切相關。 v酶的另一個特性是經常需要輔因子的共同作用，輔因子是非蛋白酶的另一個特性是經常需要輔因子的共同作用，輔因子是非蛋白質化合物，它與非活性蛋白結合形成具有催化活性的復合物，這質化合物，它與非活性蛋白結合形成具有催化活性的復合物，這種復合物常稱為酶。輔因子分為三類種復合物常稱為酶。輔因子分為三

4、類 :第一節第一節 酶催化反應動力學酶催化反應動力學1、金屬離子：最簡單的輔因子。酶與輔因子結合緊密時，金、金屬離子：最簡單的輔因子。酶與輔因子結合緊密時，金屬離子已成為酶的一部分。有時，酶與金屬離子的可逆結合屬離子已成為酶的一部分。有時，酶與金屬離子的可逆結合比較弱，這類金屬離子成為激活劑。比較弱，這類金屬離子成為激活劑。第一節第一節 酶催化反應動力學酶催化反應動力學2、輔酶。很多酶是由蛋白質部分和與其相結合的輔基所組成，、輔酶。很多酶是由蛋白質部分和與其相結合的輔基所組成，其蛋白質部分叫作酶蛋白，輔基部分叫作輔酶。其蛋白質部分叫作酶蛋白，輔基部分叫作輔酶。3、輔底物。包括、輔底物。包括NA

5、D、NADP、輔酶、輔酶Q、谷胱甘肽、谷胱甘肽、ATP、輔、輔酶酶A和四氫葉酸等，這類物質是作為第二底物（同底物相比和四氫葉酸等，這類物質是作為第二底物（同底物相比較）起作用的，它們以化學計量關系與真正的底物進行反較）起作用的，它們以化學計量關系與真正的底物進行反應，反應后輔底物發生變化，不能靠這個酶反應本身把它應，反應后輔底物發生變化，不能靠這個酶反應本身把它還原成原來的狀態（即），如還原成原來的狀態（即），如1-1 簡單酶反應動力學簡單酶反應動力學SP(1 1)psdcdcrdtdt v如果酶催化反應為：如果酶催化反應為： ，則反應速率可以定義為：，則反應速率可以定義為：式中式中Cs和和C

6、p分別為底物和產物的濃度。分別為底物和產物的濃度。v為測定酶反應動力學，常作如下實驗：在時間為零時，把為測定酶反應動力學，常作如下實驗：在時間為零時，把底物和酶溶液在充分攪拌下與底物和酶溶液在充分攪拌下與pH緩沖溶液混和，保持恒溫，緩沖溶液混和，保持恒溫，然后跟蹤底物或產物濃度隨時間的變化，由所得的數據求然后跟蹤底物或產物濃度隨時間的變化，由所得的數據求取底物或產物對時間曲線的初始斜率，即取底物或產物對時間曲線的初始斜率，即v其中酶濃度其中酶濃度CECE0，CSCS0和和Cp0 000(12)pstttdcdcrdtdt1-1 簡單酶反應動力學簡單酶反應動力學 一、米氏方程一、米氏方程 米氏方

7、程取不同的米氏方程取不同的CS0和和CE0可可得到不同的得到不同的 ，如圖，如圖10-1，從圖中可以看出：從圖中可以看出：對底物濃度來說，在低對底物濃度來說，在低濃度下，反應速率呈一濃度下，反應速率呈一級反應的特征；級反應的特征；底物濃度不斷增加時，底物濃度不斷增加時，對底物的反應級數從一對底物的反應級數從一級逐漸變成零級；級逐漸變成零級；反應速率與總酶量成正反應速率與總酶量成正比。比。 圖圖1-1酶反應動力學的特點酶反應動力學的特點 0tr1-1 簡單酶反應動力學簡單酶反應動力學v這種現象最簡單的解釋是酶催化反應至少必須經過兩步。這種現象最簡單的解釋是酶催化反應至少必須經過兩步。首先，酶首先

8、，酶E和底物和底物S結合形成酶底物中間體結合形成酶底物中間體ES，在中間體，在中間體形式下，底物轉化為產物并釋放出來形式下，底物轉化為產物并釋放出來： 11(1 3 )kkSEESa 2(1 3 )kESPEb 如果如果10-3a反應進行的很快，處于平衡態，有反應進行的很快，處于平衡態，有 11SEmESc ckKck解離常數(1-4)其中其中CS，CE，CES表示底物表示底物S酶酶E，中間體，中間體ES的濃度。，的濃度。，中間體變成產物和游離酶是不可逆的，中間體變成產物和游離酶是不可逆的， 2S1 5Edcrk cdtp=01 6EESEccc10-1 簡單酶反應動力學簡單酶反應動力學v將將

9、1-5、1-6式代入到式代入到1-4式中，得式中，得 因因 ，且當所有酶都參加了第二步反應，且當所有酶都參加了第二步反應，反應速率達到最大值，即反應速率達到最大值，即 ，則（，則（1-7式）式）可變型為可變型為v其中其中 稱作最大反應速率，稱作最大反應速率， 稱為米氏常數。稱為米氏常數。v而這個方程我們成為米氏方程而這個方程我們成為米氏方程 2E0 SmS(1 7)k c crKcmSSKccmax2E0rckmaxSmS(1 8)rcrKcmaxrmK1-1 簡單酶反應動力學簡單酶反應動力學v米氏方程是最簡單最經典的酶反應動力學表達式，米氏方程是最簡單最經典的酶反應動力學表達式，更為一般的情

10、況，常用定態法處理，即更為一般的情況，常用定態法處理，即 反應速率反應速率 （ 的反應速率等于中間產物的反應速率等于中間產物ES的生成減去分解）的生成減去分解）v酶中間體生成速率酶中間體生成速率v因為酶的中間體在反應開始升高后，基本不在改因為酶的中間體在反應開始升高后，基本不在改變保持定態，所以變保持定態，所以 v這個假設稱為擬定態假設，成立條件為初始底物這個假設稱為擬定態假設，成立條件為初始底物濃度遠遠大于總酶濃度。濃度遠遠大于總酶濃度。S1 SE1 ES(1 9)dck c ck cdtr-ES1E0ESsES2ES(1 10)dck ccck ck cdt-1（）ES0(1 11)dcd

11、tscv我們將我們將1-5、1-9、1-10和和1-11式聯立，得到式聯立，得到 v其中其中 ，不在有解離常數的物理意義，不在有解離常數的物理意義v我們把米氏方程我們把米氏方程1-8式積分，得式積分，得 v從式（從式（1-4）或式（）或式（1-10）和）和1-11）都可以得到）都可以得到 1-1 簡單酶反應動力學簡單酶反應動力學s2E0s(1 12)sdck c crdtkkkc-111-（ ）/(1 14)mkkKk-1110max Ssmax Ssmax0msmax0mmSmSS0S(1)ln(1 15)1SSctsssmscrcdcrcdcrcKrdcrdtccKKKcdtKcdtccc

12、-ESsE0ESm(1 16)ccccK結合態酶濃度游離態酶濃度v1-4式推到過程：式推到過程： v1-10推導過程：推導過程： 1-1 簡單酶反應動力學簡單酶反應動力學ESsE0ESm1SEESmESSEmc ccccKcc cKccKESss1E0ESsES2ES1E0ESsES22E0ESm10(+(+ccck ccck ck ck cccckkkkccKk-1-1-1（）（）（）1-1 簡單酶反應動力學簡單酶反應動力學v因此，當因此，當 等于等于 時，時，總的酶分子中，有一半總的酶分子中，有一半處于游離態，另一半處處于游離態，另一半處于結合態，反應速率為于結合態，反應速率為最大可能反應

13、速率的一最大可能反應速率的一半半 。當。當 遠大于遠大于 時大多數的都與底物結時大多數的都與底物結合成，反應速率呈零級合成，反應速率呈零級反應特征；當遠小于時，反應特征；當遠小于時，大多數酶以游離狀態存大多數酶以游離狀態存在，反應速率呈一級反在，反應速率呈一級反應特征。應特征。 scmKmax12rrscmK圖圖1-21-2米氏方程的速率濃度關系米氏方程的速率濃度關系 二、可逆反應、雙底物反應、底物抑制和平行反應二、可逆反應、雙底物反應、底物抑制和平行反應1、可逆反應、可逆反應 在酶催化反應中，如生物大分子的水解其平衡點在酶催化反應中，如生物大分子的水解其平衡點極有利于產物，多數情況下可看成不

14、可逆的。但極有利于產物，多數情況下可看成不可逆的。但是，對于有些酶反應，如葡萄糖異構化酶轉化葡是，對于有些酶反應，如葡萄糖異構化酶轉化葡萄糖為果糖，在平衡狀態下時，底物和產物都有萄糖為果糖，在平衡狀態下時，底物和產物都有相當的量，必須考慮逆反應。對于最簡單的可逆相當的量，必須考慮逆反應。對于最簡單的可逆反應動力學模型。反應動力學模型。 1-1 簡單酶反應動力學簡單酶反應動力學11(10 17 )kkSEESa 22(1 17 )kkESPEb 1-1 簡單酶反應動力學簡單酶反應動力學v若適用于定態近似，則正反應速率方程為若適用于定態近似，則正反應速率方程為v其中其中 和和 與米氏方程中的與米氏

15、方程中的 和和 一致，并且一致，并且 v設平衡狀態下底物濃度為設平衡狀態下底物濃度為 ，產物濃度為，產物濃度為 ，平，平衡常數為衡常數為 ，式，式1-18的分子項等于零（平衡時反應的分子項等于零（平衡時反應速率為零），即速率為零），即 ssSp(/)(/)(1 18)1/sspsPPsPrK crK cdcdcrdtdtcKcK-srsKmaxrmK12spk rrk12(1 19)spk KKkS,eqcP,eqceqKP,eqeqS,eq(120)sppscr KKcr K1-1 簡單酶反應動力學簡單酶反應動力學v又因反應為單分子反應，反應物與生成物的分子個又因反應為單分子反應，反應物與生

16、成物的分子個數相等，故數相等，故v將式將式1-20代入到代入到1-21中，得中，得v引入新的底物濃度引入新的底物濃度 （因底物濃（因底物濃度很大，所以可以近似看成）度很大，所以可以近似看成） P,eqS,eq(121)SPccccS,eq(1)c(122)speqccKS,eqc(1 23)sscc1-1 簡單酶反應動力學簡單酶反應動力學v把式（把式（1-20），式（），式（1-22），式（），式（1-23）代入式）代入式（1-18），得），得 v其中，其中，v式（式（1-24）與米氏方程形式相同。實際上，當）與米氏方程形式相同。實際上，當 趨趨于零時于零時 和和 分別表示分別表示 和和v（當

17、當 ，由，由1-19式和式和1-20式可式可 ， ，則則 ，同理，同理 ） max(1 24)smsrcrKcmaxss1(125)eqpeqpKKrrKKKsS,eqss(1 26)eqppmpK KKcK KKKK（）2kmaxrmKmaxrmK20kpK eqK maxmaxSrrrmKmK1-1 簡單酶反應動力學簡單酶反應動力學2、雙底物反應、雙底物反應 有兩個底物同時與酶作用的酶催化反應，稱為有兩個底物同時與酶作用的酶催化反應，稱為雙底物反應。由乙酰輔酶雙底物反應。由乙酰輔酶A和草酰乙酸生成檸檬酸和草酰乙酸生成檸檬酸的反應，以及氧化磷酸化過程中還原輔酶（的反應，以及氧化磷酸化過程中還

18、原輔酶（NADHH）與氧分子結合成水的酶催化反應等都是雙底）與氧分子結合成水的酶催化反應等都是雙底物反應物反應 的例子速率方程式推導如下：的例子速率方程式推導如下：12SSP1111kkESES 111(1 27 )ESESc cKac2222kkESES 222(1 27 )ESESc cKbc1-1 簡單酶反應動力學簡單酶反應動力學v式中式中 為平衡常數，為平衡常數， 為反應速率常數，根為反應速率常數，根據酶總濃度不變的原則，假定據酶總濃度不變的原則，假定 ，可推得：，可推得：v在雙底物反應中，若其中一種底物處于過量狀態，在雙底物反應中，若其中一種底物處于過量狀態，這時這時, 式式1-29

19、回復到米氏方程的形式回復到米氏方程的形式 331212kkESSES S 121 23(1 27 )ESSES SccKcc442112kkESSES S 211 24(1 27 )ESSES SccKdc512kES SE P(1-27e)51 2(1 28)ES Srk c1234K K K K5k1423,KKKKmax121122(1 29)()()SSSSrc crKcKc22ScK1-1 簡單酶反應動力學簡單酶反應動力學3、底物抑制、底物抑制 在高底物濃度下，酶在高底物濃度下，酶催化反應往往會減慢，這催化反應往往會減慢，這種現象稱為底物抑制，如種現象稱為底物抑制，如圖圖1-3所示隨

20、著底物濃度所示隨著底物濃度的增加，反應速率的增加，反應速率r經過經過一個最大值。當底物濃度一個最大值。當底物濃度 時，底物濃度時，底物濃度的增加反而引起反應速率的增加反而引起反應速率的減小。的減小。 圖圖1-3 底物抑制時的反應速率和底物底物抑制時的反應速率和底物濃度關系圖濃度關系圖,maxSScc1-1 簡單酶反應動力學簡單酶反應動力學v這種動力學行為對生化反應器的性能有重要意義。這種動力學行為對生化反應器的性能有重要意義。在最簡單的情況下可用類似米氏方程的方法得出，在最簡單的情況下可用類似米氏方程的方法得出，酶底物中間物酶底物中間物ES能夠與第二個底物分子能夠與第二個底物分子S結合生結合生

21、成第二個成第二個ESS，且它不能進行下一步反應。平衡下，且它不能進行下一步反應。平衡下的反應步驟如下：的反應步驟如下： 11kkESES 111(1 30 )kKak22kkESSESS 222(1 30 )kKbk3(1030 )kESEPc 1-1 簡單酶反應動力學簡單酶反應動力學v利用上述關系可推出（應用定態法）利用上述關系可推出（應用定態法）v在低底物濃度下，若在低底物濃度下，若 遠小于遠小于1，上式簡化成米，上式簡化成米氏方程的形式。于是，這個方程的參數氏方程的形式。于是，這個方程的參數 和和 常在低底物濃度下求取。在高底物濃度下，常在低底物濃度下求取。在高底物濃度下，r值比米值比米

22、氏方程計算值小，且在氏方程計算值小，且在 時，時，r達到最大達到最大值，然后縮小。值，然后縮小。v（ 或或 求方程最小值）求方程最小值） max212(1031)/SSSrcrKccK22/ScKmaxr1K12K KSc1/2（）maxmax21122/1SSSSSSrcrrrcKKccKcK 212/SSKccKy1-1 簡單酶反應動力學簡單酶反應動力學4、平行反應、平行反應 許多酶不止能利用一種底物，各種反應物共用許多酶不止能利用一種底物，各種反應物共用酶的活性點，并產生相互之間的競爭，這種反應方酶的活性點，并產生相互之間的競爭，這種反應方式稱為平行反應。例子：生物大分子的水解酶類，式稱

23、為平行反應。例子：生物大分子的水解酶類，如淀粉、多糖等分子鏈很長并大小不一，實際上并如淀粉、多糖等分子鏈很長并大小不一，實際上并不是由一種物質構成，因此其動力學行為也會有相不是由一種物質構成，因此其動力學行為也會有相應的差別，在這里，我們先假設一種酶同時催化兩應的差別，在這里，我們先假設一種酶同時催化兩種不同的底物進行反應種不同的底物進行反應 。1-1 簡單酶反應動力學簡單酶反應動力學v慢反應慢反應v由此可推出由此可推出1111kkESES 111(1 32 )kKak2222kkESES 222(1 32 )kKbk311(1 32 )kESEPc 422(1 32 )kESEPd 1max

24、11111122(1 33)/SSSSdcrcrdtKcK cK 2max22222211r(1 34)/SSSSdccrdtKcK cK 1-1 簡單酶反應動力學簡單酶反應動力學v定義總的底物濃度為定義總的底物濃度為v將將1-33和和1-34式代入到式代入到1-35，得到總反應速率，得到總反應速率v從從1-36式可以看出，在保持總量不變的情況下，總式可以看出，在保持總量不變的情況下，總反應速率還取決于底物濃度之比。當反應速率還取決于底物濃度之比。當 時時 1-36式變為式變為 ，當，當 時，時，1-36是是變成為變成為 和米氏方程一致。同樣，在酶反和米氏方程一致。同樣，在酶反應中，即使反應物

25、總濃度保持常數，但相對量不同，應中，即使反應物總濃度保持常數，但相對量不同，反應器性能也會發生改變。反應器性能也會發生改變。 12(1 35)STSSccc12max111max2221122r/r/()(1 36)1/STSSSSTSSdcdcdccKcKrdtdtdtcKcK 120SSTSccc（，）max11rSTTSTcrKc210SSTSccc（，）max22rSTTSTcrKc1-2 競爭性和非競爭性抑制競爭性和非競爭性抑制v首先要了解什么是首先要了解什么是抑制劑抑制劑，某種物質的存在而使酶，某種物質的存在而使酶催化反應速率減慢，這種物質稱為抑制劑。抑制劑催化反應速率減慢，這種物

26、質稱為抑制劑。抑制劑可通過兩種方式產生抑制作用：可通過兩種方式產生抑制作用：1、抑制作用可由、抑制作用可由抑制劑和酶之間的作用引起；抑制劑和酶之間的作用引起；2、抑制作用可由抑、抑制作用可由抑制劑和底物之間的作用引起。因為抑制劑和底物的制劑和底物之間的作用引起。因為抑制劑和底物的作用機理相對復雜，這里只討論抑制劑和酶之間的作用機理相對復雜，這里只討論抑制劑和酶之間的相互作用引起的抑制現象。通過稀釋和去除抑制劑，相互作用引起的抑制現象。通過稀釋和去除抑制劑，有的抑制現象可逆，有的抑制現象不可逆，在眾多有的抑制現象可逆，有的抑制現象不可逆，在眾多抑制作用中，最簡單的模型是抑制作用中，最簡單的模型是

27、競爭性抑制和非競爭競爭性抑制和非競爭性抑制性抑制。 1-2 競爭性和非競爭性抑制競爭性和非競爭性抑制v酶是靠它的活性部位來完成酶是靠它的活性部位來完成催化作用的。當底物和抑制催化作用的。當底物和抑制劑都能專一的作用于酶的同劑都能專一的作用于酶的同一活性部位，抑制劑與酶的一活性部位，抑制劑與酶的結合阻止了底物與這個酶分結合阻止了底物與這個酶分子的結合，這種現象稱為競子的結合，這種現象稱為競爭性抑制。當抑制劑和酶分爭性抑制。當抑制劑和酶分子的結合點不在酶催化反應子的結合點不在酶催化反應的活性部位，底物和酶的結的活性部位，底物和酶的結合并不影響抑制劑與酶的結合并不影響抑制劑與酶的結合，而抑制劑與酶的

28、結合卻合，而抑制劑與酶的結合卻阻止了底物與酶的結合，這阻止了底物與酶的結合，這種現象稱為非競爭性抑制。種現象稱為非競爭性抑制。 圖圖1-4競爭性抑制和非競爭性抑制競爭性抑制和非競爭性抑制 1-2 競爭性和非競爭性抑制競爭性和非競爭性抑制一、競爭性抑制一、競爭性抑制其中其中I為抑制劑，其反應速率為為抑制劑，其反應速率為我們繼續用定態假設進行計算，設我們繼續用定態假設進行計算，設 、 在達到平在達到平衡后維持不變，則衡后維持不變，則 121(1 38 )kkkESESEPa 33kkEEII(1-38b)2=(1 39)ESr k cEScEIc112()0(1 40)ESESESdck c ck

29、k cdt33(141)EIEIEIdck c ck cdt1-2 競爭性和非競爭性抑制競爭性和非競爭性抑制v因抑制劑都是過量的，所以可近似認為抑制劑總濃因抑制劑都是過量的，所以可近似認為抑制劑總濃度度 等于等于 ，可得，可得 (可與米式方程對應可與米式方程對應)v式中式中 v競爭性抑制可用于化學治療藥物，也可用于殺蟲劑競爭性抑制可用于化學治療藥物，也可用于殺蟲劑或除草劑。在青霉素之類抗生素發現之前，磺胺藥或除草劑。在青霉素之類抗生素發現之前，磺胺藥物（如磺胺吡啶）用作主要的的抗細菌藥物，它在物（如磺胺吡啶）用作主要的的抗細菌藥物，它在輔酶四氫葉酸的合成中能與對氨基苯甲酸競爭，細輔酶四氫葉酸的

30、合成中能與對氨基苯甲酸競爭，細菌需要合成這種酶，而人直接從維生素葉酸獲得，菌需要合成這種酶，而人直接從維生素葉酸獲得，這樣用磺胺吡啶處理細菌感染，對人影響很小。這樣用磺胺吡啶處理細菌感染，對人影響很小。 0IcIcmaxr(142)(1/)SmIIScrKcKc31213,mIkkkKKkk1-2 競爭性和非競爭性抑制競爭性和非競爭性抑制二、非競爭性抑制二、非競爭性抑制同樣根據定態假設，可得同樣根據定態假設，可得 121(143 )kkkESESEPa 33IEI(1-43b)kkE 44II(1-43c)kkESES 2=(1 44)ESr k c14124()0(145)ESESESIES

31、ESIdck c ck ckk ck c cdt330(146)EIEIEIdck c ck cdt440(1047)ESIESIESIdck c ck cdt1-2 競爭性和非競爭性抑制競爭性和非競爭性抑制v在在 下，得下，得v式中式中三、根據實驗數據判別競爭性抑制和非競爭性抑制三、根據實驗數據判別競爭性抑制和非競爭性抑制通過通過E-H作圖法，將米氏方程轉換為；作圖法，將米氏方程轉換為； 對于競爭性抑制和非競爭性抑制可將方程轉換為對于競爭性抑制和非競爭性抑制可將方程轉換為 和和0000IESEcccc，max(1048)()(1/)SmSIIrcrKccK31213,mIkkkKKkkmax

32、mSrrrKcmax(1/)mIISrrrKckcmax1/mIISrrrKckc1-2 競爭性和非競爭性抑制競爭性和非競爭性抑制圖圖1-5競爭性抑制和非競爭性抑制的競爭性抑制和非競爭性抑制的eadie作圖作圖 1-3 pH值和溫度的作用值和溫度的作用 v影響酶催化活性的因素很多，如影響酶催化活性的因素很多，如pH值、溫度、流體值、溫度、流體力、化學試劑和輻射等，其中，最常遇到、影響最力、化學試劑和輻射等，其中，最常遇到、影響最大的是大的是pH值和溫度對催化活性的作用。值和溫度對催化活性的作用。一、一、pH值的作用值的作用v我們都知道，酶的基本組成是蛋白質，構成蛋白質我們都知道，酶的基本組成是

33、蛋白質，構成蛋白質的氨基酸含有堿性、中性和酸性集團。在一定的氨基酸含有堿性、中性和酸性集團。在一定pH值值下，酶既帶有正電荷基團也帶有負電荷基團，而這下，酶既帶有正電荷基團也帶有負電荷基團，而這些基團常是構成活性點的部分。一種酶往往只是在些基團常是構成活性點的部分。一種酶往往只是在一種特定的電荷狀態下才具有催化活性。因為具有一種特定的電荷狀態下才具有催化活性。因為具有這種特定電荷狀態的酶只占總酶的一部分，隨著這種特定電荷狀態的酶只占總酶的一部分，隨著pH值的變化，酶的相對活力有一個最大值，即相對活值的變化，酶的相對活力有一個最大值，即相對活性性pH值曲線常呈鐘罩型或倒拋物線型。值曲線常呈鐘罩型

34、或倒拋物線型。 1-3 pH值和溫度的作用值和溫度的作用v其模型如下：其模型如下：v其中其中E代表酶的活性形式，代表酶的活性形式， 、 都是酶的非活都是酶的非活性形式。解離常數性形式。解離常數K1,K2分別由下式表示：分別由下式表示：12(1 49)HHHHKKEEE 12,(1 50)EHEHEEc cc cKKccEE1-3 pH值和溫度的作用值和溫度的作用v其中其中 分別對應的分別對應的 和氫離子和氫離子的濃度形式，而上述三種狀態的酶的總濃度是不變的濃度形式，而上述三種狀態的酶的總濃度是不變的，即的，即 v用用 分別表示分別表示 與與 值之比，值之比，通過通過1-50和和1-51式的轉換

35、，則有式的轉換，則有 v1-51轉換得：轉換得： EEHEcccc、EEE、0EEEEcccc（1-51）, ,yy yEEEccc、011EEEEEEEEEEccycccccccc0Ec1-3 pH值和溫度的作用值和溫度的作用v1-50轉換得：轉換得：v兩式代入得兩式代入得v同理可得到：同理可得到： 1122EEEEHHccKK Kcccc；1120211EEHHcyKK Kccc20111EHEHcycKcKc（1-53）1-3 pH值和溫度的作用值和溫度的作用v上述三式稱為米氏上述三式稱為米氏pH值函數，值函數，y達到最大值時的氫達到最大值時的氫離子濃度為離子濃度為v即即2021211E

36、HHEcycccKK K（1-54）opt12HcK K12，（） （1-55）12optpH2pKpK（）（1-56）1-3 pH值和溫度的作用值和溫度的作用v因為參加酶反應的是處于活化狀態的酶，那可用因為參加酶反應的是處于活化狀態的酶，那可用 代替代替 總酶濃度，則得到新的最大反應速率為總酶濃度，則得到新的最大反應速率為 （米式方程中最大反應速率表達式為（米式方程中最大反應速率表達式為 ） 0Ecy0Ec0max0211EEHHkcrkcycKKc（1-57）max2E0rck1-3 pH值和溫度的作用值和溫度的作用二、溫度作用二、溫度作用溫度對化學反應的作用可用阿倫尼烏斯方程表示溫度對化

37、學反應的作用可用阿倫尼烏斯方程表示 v其中其中k為反應速率常數，為反應速率常數，A為數前因子，為數前因子，Ea為活化能，為活化能，Rg為氣體常數為氣體常數8.31，T是絕對溫度。是絕對溫度。v最佳溫度產生原因：溫度升高，反應速率加快，同最佳溫度產生原因：溫度升高，反應速率加快，同時，溫度過高，酶受到破壞，失去活性，但兩者達時，溫度過高，酶受到破壞，失去活性，但兩者達到平衡取得最佳值時就是最佳溫度。到平衡取得最佳值時就是最佳溫度。agEexp()R TkA（1-58）第二節第二節 細胞生長和產物生成的動力學細胞生長和產物生成的動力學v第一節我們講了幾種簡單的酶催化反應的動力學方第一節我們講了幾種

38、簡單的酶催化反應的動力學方程和影響酶催化反應的因素，這一節我們主要從細程和影響酶催化反應的因素，這一節我們主要從細胞的角度來分析動力學方程。細胞和酶有明顯的區胞的角度來分析動力學方程。細胞和酶有明顯的區別，酶是有活性的物質，而細胞則是有生命的物質，別，酶是有活性的物質，而細胞則是有生命的物質，他利用他利用底物主要有三個作用底物主要有三個作用：（：（1）合成新的細胞）合成新的細胞物質（自身代謝）（物質（自身代謝）（2）合成細胞外產物（作為整）合成細胞外產物（作為整個細胞組織其它細胞的需要）（個細胞組織其它細胞的需要）（3）提供必須能量。）提供必須能量。a、進行合成反應需要；、進行合成反應需要；b

39、、維持細胞內物質的濃度、維持細胞內物質的濃度與環境的差別；與環境的差別；c、進行細胞內的轉化反應。、進行細胞內的轉化反應。 第二節第二節 細胞生長和產物生成的動力學細胞生長和產物生成的動力學v 進行細胞過程所需要的能量是進行細胞過程所需要的能量是ATP或類似物或類似物質的化學能，它由質的化學能，它由兩個過程兩個過程產生：一、底物產生：一、底物氧化成氧化成CO2和水（氧化磷酸化）；二、底物和水（氧化磷酸化）；二、底物降解為簡單產物（如乙醇、乙酸、檸檬酸、降解為簡單產物（如乙醇、乙酸、檸檬酸、底物水平磷酸化等）、底物水平磷酸化等）、CO2和水等。底物水和水等。底物水平磷酸化為平磷酸化為第一類產物第

40、一類產物。 第二節第二節 細胞生長和產物生成的動力學細胞生長和產物生成的動力學v細胞外產物是指：（細胞外產物是指：（1）胞外酶（分解不能通過細）胞外酶（分解不能通過細胞壁的底物）；（胞壁的底物）；（2）多糖（用于細胞聚集）；（）多糖（用于細胞聚集）；（3）特殊代謝產物（能抑制競爭微生物，如抗生素），特殊代謝產物（能抑制競爭微生物，如抗生素），這類物質統稱為這類物質統稱為第二類產物第二類產物。v有時當含碳底物過量，含氮鎂等底物限制下，產生有時當含碳底物過量，含氮鎂等底物限制下，產生第三類底物第三類底物，它們主要是蓄能化合物，如糖原、脂，它們主要是蓄能化合物，如糖原、脂肪和多糖等。肪和多糖等。v維

41、持細胞內物質的濃度與環境的差別和進行細胞內維持細胞內物質的濃度與環境的差別和進行細胞內的轉化反應所需要的總能量稱為的轉化反應所需要的總能量稱為維持能維持能，其只能維，其只能維持細胞處于活性狀態，不生成細胞物質和第二、三持細胞處于活性狀態，不生成細胞物質和第二、三類產物。類產物。 第二節第二節 細胞生長和產物生成的動力學細胞生長和產物生成的動力學v圖圖1-6是細胞、底物、能量和產物的關系圖，各個是細胞、底物、能量和產物的關系圖，各個r表示下標物質的生成或消耗速率，表示下標物質的生成或消耗速率，S、N、O、X、P和和C分別表示底物、氮源、氧、細胞、產物和二氧分別表示底物、氮源、氧、細胞、產物和二氧

42、化碳。實線表示物質流，虛線表示以化碳。實線表示物質流，虛線表示以ATP形式的能形式的能量流。含碳底物（以量流。含碳底物（以CHO表示）形成第三類產物，表示）形成第三類產物，與含氮底物一起形成細胞物質和第二類產物。因反與含氮底物一起形成細胞物質和第二類產物。因反應過程需要能量，含氮底物又被用來產生能量用以應過程需要能量，含氮底物又被用來產生能量用以合成和維持。產能途徑有兩條合成和維持。產能途徑有兩條:一一是無氧代謝產生第是無氧代謝產生第一類產物，一類產物，二二是有氧代謝產生是有氧代謝產生CO2和水。和水。 第二節第二節 細胞生長和產物生成的動力學細胞生長和產物生成的動力學圖圖1-6細胞、底物、能

43、量和產物的關系圖細胞、底物、能量和產物的關系圖第二節第二節 細胞生長和產物生成的動力學細胞生長和產物生成的動力學v進入的物料有三種（進入的物料有三種（CHO、N、O），可以），可以寫出三個獨立的物料平衡關系，也能寫出總寫出三個獨立的物料平衡關系，也能寫出總的的ATP平衡關系，這樣就有四個平衡方程。平衡關系，這樣就有四個平衡方程。圖圖1-6中有八個物料流和一個能量流，總共中有八個物料流和一個能量流，總共9個速率式。因此可以有個速率式。因此可以有5個獨立的速率方程式。個獨立的速率方程式。（5個反應速率方程）個反應速率方程） 第二節第二節 細胞生長和產物生成的動力學細胞生長和產物生成的動力學v最常選

44、擇的兩個動力學表達式最常選擇的兩個動力學表達式rm（維持能）和（維持能）和rx（生長速率），其它的表達式可選擇（生長速率），其它的表達式可選擇ro（氧攝入速（氧攝入速率）、率）、rp2和和rp3（第二、三類產物生成）。因為在實（第二、三類產物生成）。因為在實際中不可能把氧化磷酸化產生的際中不可能把氧化磷酸化產生的CO2和水與作為第和水與作為第一類產物的一類產物的CO2區分開來。因此可忽略這支流和對區分開來。因此可忽略這支流和對應的氧平衡，剩下兩個物料平衡和一個應的氧平衡，剩下兩個物料平衡和一個ATP平衡式平衡式 312123/1/2/3/POXPPSSXSPSPSPSOX SPSPSPSO S

45、rrrrrrrrrrrYYYYY（1-59）2/2/XPNX NPNrrrYY（1-60）223311XXPPPPmATPPPO Oa ra ra rra ra r（1-61）第二節第二節 細胞生長和產物生成的動力學細胞生長和產物生成的動力學v式中式中Y為得率系數。為得率系數。 為生成每為生成每kg細胞所需的細胞所需的ATP的千摩爾數，的千摩爾數， 為生成每為生成每kg第一類產物所需的第一類產物所需的ATP的千摩爾數，的千摩爾數， 和和 類推。這樣有了三個平衡關系類推。這樣有了三個平衡關系和七個速率關系，其中只有四個速率方程是獨立的。和七個速率關系，其中只有四個速率方程是獨立的。它們的基本形式

46、是它們的基本形式是 123123(,.,.)XSSSrf ccccc c c（1-62）Xa1Pa2Pa3Pa1-4 細胞的生長和維持細胞的生長和維持一、細胞的生長和抑制一、細胞的生長和抑制v細胞的生長和抑制的動力學模型大多以酶動力學模型細胞的生長和抑制的動力學模型大多以酶動力學模型為基礎。把細胞看做是一個微小的化學反應器，通過為基礎。把細胞看做是一個微小的化學反應器，通過復雜的酶催化反應網絡把底物轉化為活細胞物質和分復雜的酶催化反應網絡把底物轉化為活細胞物質和分泌物質。假設所有底物中有一種是限制性底物，在這泌物質。假設所有底物中有一種是限制性底物，在這種底物轉化為細胞物質所經過的各種途徑中，

47、有一條種底物轉化為細胞物質所經過的各種途徑中，有一條途徑是最慢的，限制了總反應速率。途徑是最慢的，限制了總反應速率。這樣我們通過測這樣我們通過測定這條途徑的速率就可以測定總反應速率，這步反應定這條途徑的速率就可以測定總反應速率，這步反應稱為限制性反應。稱為限制性反應。如果我們對模型進行簡化，假定速如果我們對模型進行簡化，假定速率控制反應中，酶濃度正比于細胞濃度，底物濃度正率控制反應中，酶濃度正比于細胞濃度，底物濃度正比于限制性底物濃度，那么對于細胞生長，可以寫出比于限制性底物濃度，那么對于細胞生長，可以寫出與酶催化反應的米氏方程類似的形式與酶催化反應的米氏方程類似的形式 1-4 細胞的生長和維

48、持細胞的生長和維持m SxXXSScdcrcdtKc（1-63）v此式稱為細胞生長的（此式稱為細胞生長的（Monod）方程，其中）方程，其中 是是細胞生長速率，細胞生長速率， 是最大比生長速率，是最大比生長速率， 是限制性是限制性底物濃度，底物濃度， 是飽和常數，是飽和常數， 是活細胞濃度。是活細胞濃度。 稱為比生長速率。稱為比生長速率。 XXXrc（1-64）m SXSScKc（1-65）XXrmScSKXc1-4 細胞的生長和維持細胞的生長和維持v如果限制性底物濃度如果限制性底物濃度 遠大于遠大于 ，那么比，那么比生長速率為定制生長速率為定制 。這表明菌體處于對。這表明菌體處于對數生長期，

49、即生長速率與已有的細胞量呈正數生長期，即生長速率與已有的細胞量呈正比。比生長速率與細胞倍增時間的關系為比。比生長速率與細胞倍增時間的關系為（倍增時間是細胞總量增加一倍所用的時間）（倍增時間是細胞總量增加一倍所用的時間） ScSKXmdXXln20.693t（1-66）1-4 細胞的生長和維持細胞的生長和維持v同理，對應酶反應方程，可得出雙底物限制、底物同理，對應酶反應方程，可得出雙底物限制、底物限制和生長抑制的細胞生長方程為限制和生長抑制的細胞生長方程為S1S2XmS1S1S2S2ccKcKc（1-67）mSX2SSS ScKcK c（1-68） （受底物抑制，當底物濃度（受底物抑制，當底物濃

50、度增加到一定值后，再提高底增加到一定值后，再提高底物濃度生長速率會下降）物濃度生長速率會下降） （受雙底物限制時）（受雙底物限制時） mSXSS(1)IIcK cKc（1-69）mSXSSIIIcKKc Kc（1-70）m SXSSexpIIcK cKc（-）(1-71)有許多物質包括底物、產有許多物質包括底物、產物或其他物質會抑制細胞物或其他物質會抑制細胞生長，這些抑制劑的作用生長，這些抑制劑的作用就好象酶催化反應中的抑就好象酶催化反應中的抑制劑，可按酶催化抑制動制劑，可按酶催化抑制動力學模擬細胞生長抑制，力學模擬細胞生長抑制， 為抑制劑濃度為抑制劑濃度 Ic1-4 細胞的生長和維持細胞的生

51、長和維持二、細胞維持二、細胞維持v維持能是細胞消耗能量的一部分，用于維持細胞處維持能是細胞消耗能量的一部分，用于維持細胞處于活性狀態（例如新合成被不斷降解的細胞物質）于活性狀態（例如新合成被不斷降解的細胞物質）以及保持細胞內外的濃度梯度，產生維持能而消耗以及保持細胞內外的濃度梯度，產生維持能而消耗底物的速率寫為：底物的速率寫為：v也可根據也可根據ATP寫出維持方程寫出維持方程 m(172)XrmcmATPATP(1 73)Xrmc1-4 細胞的生長和維持細胞的生長和維持v其中其中 是是ATP需要量需要量 ， 是速是速率常數率常數 。M值的范圍（值的范圍（0.02-4），單位是），單位是kg底物

52、、（底物、（kg細胞細胞h）。）。 值的范值的范圍為圍為0.5-200。vm值的大小與環境條件和細胞生長速率有關值的大小與環境條件和細胞生長速率有關。大部。大部分維持能用于保持滲透壓的恒定，增加培養基鹽濃分維持能用于保持滲透壓的恒定，增加培養基鹽濃度會大大增加度會大大增加m值。值。pH值對值對m值也有較大影響，改值也有較大影響，改變了環境條件，細胞調節酶譜適應環境，細胞蛋白變了環境條件，細胞調節酶譜適應環境，細胞蛋白的重新合成加快，的重新合成加快，m值提高。生長條件不改變時，值提高。生長條件不改變時，用于細胞物質重新合成的維持能比較低，但當細胞用于細胞物質重新合成的維持能比較低，但當細胞停止生

53、長或適應新的底物時，停止生長或適應新的底物時，m值就比較高。值就比較高。 mATPrmolATP/3（mh）ATPmmolATP/（kg細胞 h）ATPm1-4 細胞的生長和維持細胞的生長和維持三、細胞死亡三、細胞死亡v細胞在生長的同時，也有部分活細胞變成非活性的。細胞在生長的同時，也有部分活細胞變成非活性的。所謂非活性細胞，一部分是真正死亡，唯一的命運所謂非活性細胞，一部分是真正死亡，唯一的命運是水解；另一部分處于假死狀態，短期內不能轉化是水解；另一部分處于假死狀態，短期內不能轉化為活細胞，假定轉化為非活性細胞的速率正比于活為活細胞，假定轉化為非活性細胞的速率正比于活細胞量細胞量ddX(1

54、74)rk c1-4 細胞的生長和維持細胞的生長和維持v環境條件對環境條件對 的影響知之甚少，底物濃度對的影響知之甚少，底物濃度對 的的影響可假定為影響可假定為v在底物濃度為零時在底物濃度為零時 , 有最大值有最大值 ；在底物濃；在底物濃度高時，即度高時，即 ， 有最小值。有最小值。 dkd,maxk10sdscKcdkdkdkdd,max(1)sdsckkKc（1-75）1-5 產物形成產物形成v對各類產物的生成，有許多模型，有三種模型代表對各類產物的生成，有許多模型，有三種模型代表了三種系統了三種系統v生長偶聯產物：生長偶聯產物： (與細胞生長速率有關與細胞生長速率有關)v非生長偶聯產物：

55、非生長偶聯產物： （與細胞濃度有關）（與細胞濃度有關）v混和動力學：混和動力學： v對乳酸發酵：對乳酸發酵：v這個式子是經驗式，但也可從細胞過程推出。這個式子是經驗式，但也可從細胞過程推出。px(176)rrpx(177)rcpxx(178)rrrmspxxXXSS(179)crrcccKc1-5 產物形成產物形成v在無氧條件（在無氧條件（ ）下，對第一類產物作）下，對第一類產物作ATP平衡平衡（ ） v（第一類產物產生的（第一類產物產生的ATP等于生成細胞物質和細胞等于生成細胞物質和細胞維持所需能量）維持所需能量） v式中式中 ，所以，所以 v 為生成每為生成每kg細胞所需的細胞所需的ATP

56、的千摩爾數，的千摩爾數， 為為生成每生成每kg第一類產物所需的第一類產物所需的ATP的千摩爾數。的千摩爾數。 0or 230pprr11(1 80)XXmATPPPrrrmATPATPXrmc111(1 81)XATPPXXPPamrrcaaXa1Pa1-5 產物形成產物形成v此式與式（此式與式（1-37）一致，但有了理論依據。）一致，但有了理論依據。要使第一類產物生成速率高，就需要微生物要使第一類產物生成速率高，就需要微生物有高的維持能要求，生產單位量的第一類產有高的維持能要求，生產單位量的第一類產物時生產的物時生產的ATP要少（即要少（即 要少）。上述方要少）。上述方程也可解釋乙醇發酵中運

57、動短桿菌比酵母效程也可解釋乙醇發酵中運動短桿菌比酵母效率高的原因。運動短桿菌的率高的原因。運動短桿菌的mATP值是酵母的值是酵母的14-25倍，而運動短桿菌的倍，而運動短桿菌的 值是值是0.5kmolATP/（kg乙醇），酵母的對應值卻乙醇），酵母的對應值卻是是1。1Pa1P1-5 產物形成產物形成v對其他產物的生成也可采用類似的方法討論。對第對其他產物的生成也可采用類似的方法討論。對第二類產物，有二類產物，有v為使產物生產速率最大，應抑制細胞生長，氧攝取為使產物生產速率最大，應抑制細胞生長，氧攝取率應最大，用于維持和產物生成的底物為：率應最大，用于維持和產物生成的底物為： 0 02222(1

58、 82)ATPXXXPPPPa rmca rraaa222/1()(1 83)PATPXsPPSOO SOO SamcrrYa Ya Y1-5 產物形成產物形成v在培養基中產物達到足夠高的濃度，會抑制甚至停在培養基中產物達到足夠高的濃度，會抑制甚至停止產物生成，這在乙醇發酵中是很典型。產物抑制止產物生成，這在乙醇發酵中是很典型。產物抑制的動力學表達式可借用細胞生長抑制的表達式（的動力學表達式可借用細胞生長抑制的表達式（1-68），把其中的抑制物濃度），把其中的抑制物濃度 換成濃度換成濃度 。乙。乙醇發酵中常用的產物表達式為：醇發酵中常用的產物表達式為：v其中其中 為最大可能的乙醇濃度。為最大可

59、能的乙醇濃度。 Icpcxx(1/)( r)(1 84)Pppmrcccpmc1-6 底物利用底物利用 v隨著底物消耗，形成細胞物質和代謝物質。那底物隨著底物消耗，形成細胞物質和代謝物質。那底物利用速率和這些物質的生成速率又是怎樣一個關系利用速率和這些物質的生成速率又是怎樣一個關系呢，我們可以通過一個化學方程式來表示，如葡萄呢，我們可以通過一個化學方程式來表示，如葡萄糖生成乙醇的方程糖生成乙醇的方程 v即消耗即消耗1kg葡萄糖（分子量葡萄糖（分子量180），生成），生成0.51kg乙乙醇（分子量醇（分子量46）。如果）。如果 表示產物生成速率，表示產物生成速率， 表示用于產物生成的底物消耗速率

60、，即表示用于產物生成的底物消耗速率，即6126252C H O2C H OH2CO (1 85)prSPr1-6 底物利用底物利用v式中，式中， 是產物對底物的產率系數。是產物對底物的產率系數。v在以細胞無氧生長的關系為例在以細胞無氧生長的關系為例v式中式中 (分子量分子量30)代表糖類化合物，代表糖類化合物， （分（分子量子量18）是氮源，）是氮源， （分子量（分子量24.6）是許）是許多細胞的近似分子式。由此可見，每消耗多細胞的近似分子式。由此可見，每消耗1kg糖類糖類底物可產生底物可產生0.81kg細胞，而每細胞，而每1kg氮源則可產生氮源則可產生8.8kg細胞細胞 SPP/0.51(1