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1、第二章第二章 生化反应工程生化反应工程第一页，本课件共有36页2.1 酶促反应动力学的特点酶促反应动力学的特点2.1.1 酶的基本概念酶的基本概念2.1.2 酶的稳定性及应用特点酶的稳定性及应用特点 酶是以活力、而不是以质量购销的。酶是以活力、而不是以质量购销的。酶酶有有不不同同的的质质量量等等级级：工工业业用用酶酶、食食品品用用酶酶、医医药药用用酶酶。酶酶的的实实际际应应用用中中应应注注意意，没没有有必必要要使使用用比比工工艺艺条条件件所所需需纯纯度更高的酶。度更高的酶。第二页，本课件共有36页 经经典典酶酶学学研研究究中中，酶酶活活力力的的测测定定是是在在反反应应的的初初始始短短时时间间内
2、内进进行行的的，并并且且酶酶浓浓度度、底底物物浓浓度度较较低低，且且为为水水溶溶液液，酶酶学学研研究究的的目目的的是是探探讨讨酶酶促促反反应应的的机机制。制。工工业业上上，为为保保证证酶酶促促反反应应高高效效率率完完成成，常常需需要要使使用用高高浓浓度度的的酶酶制制剂剂和和底底物物，且且反反应应要要持持续续较较长长时时间间，反反应应体体系系多多为为非非均均相相体体系系，有有时时反反应应是是在在有有机机溶溶剂剂中中进行。进行。第三页，本课件共有36页2.2 均相酶促反应动力学均相酶促反应动力学2.2.1 酶促反应动力学基础酶促反应动力学基础可采用化学反应动力学方法建立酶促反应动力学方程。可采用化
3、学反应动力学方法建立酶促反应动力学方程。对酶促反应对酶促反应 ，有：，有：式中，式中，k：酶促反应速率常数；：酶促反应速率常数；r：酶促反应速率；：酶促反应速率；rA：以底物：以底物A的消耗速率表示的酶促反应速率；的消耗速率表示的酶促反应速率；rP：以产物：以产物P的生成速率表示的酶促反应速率。的生成速率表示的酶促反应速率。第四页，本课件共有36页 对连锁的酶促反应，对连锁的酶促反应，第五页，本课件共有36页2.2.2 单底物酶促反应动力学2.2.2.1 米氏方程 根据酶底物中间复合物假说，对单底物酶促反应 ，其反应机制可表示为：第六页，本课件共有36页快速平衡法推导动力学方程：快速平衡法推导
4、动力学方程：几点假设：（1）CSCE，中间复合物ES的形成不会降低CS。（2）不考虑这个可逆反应。（3）为快速平衡，为整个反应的限速阶段，因此ES分解成产物不足以破坏这个平衡。第七页，本课件共有36页解之，得解之，得令令则则根据假设建立动力学方程根据假设建立动力学方程第八页，本课件共有36页稳态法推导动力学方程：稳态法推导动力学方程：几点假设：几点假设：（1）CSCE，中间复合物，中间复合物ES的形成不会降低的形成不会降低CS。（2）不考虑这个可逆反应。）不考虑这个可逆反应。（3）CSCE中间复合物中间复合物ES一经分解，产生的一经分解，产生的游离酶立即与底物结合，使中间复合物游离酶立即与底物
5、结合，使中间复合物ES浓浓度保持衡定，即度保持衡定，即 。第九页，本课件共有36页解之，得解之，得令令则则根据以上假设，可建立如下方程组根据以上假设，可建立如下方程组第十页，本课件共有36页米氏方程米氏方程 rrmaxrmax/2KmCS图21 酶浓度一定时底物浓度对反应速率的影响第十一页，本课件共有36页对米氏方程的讨论：当CSKm时，属零级反应。当CSKm时，。Km在数量上等于反应速度达到最大反应速度一半时的底物浓度。第十二页，本课件共有36页双倒数法(Linewear Burk):对米氏方程两侧取倒数，得 ,以 作图，得一直线，直线斜率为 ，截距为 ,根据直线斜率和截距可计算出Km和rm
6、ax。第十三页，本课件共有36页1Km1rmax1r斜率Km/rmax1CS图22 双倒数法求解Km和rmax 第十四页，本课件共有36页2.2.2.2 抑制剂对酶促反应速率的影响 失活作用 抑制作用 竞争性抑制 非竞争性抑制第十五页，本课件共有36页 竞争性抑制竞争性抑制 非竞争性抑制非竞争性抑制EISESI第十六页，本课件共有36页竞争性抑制反应机理：竞争性抑制反应机理：第十七页，本课件共有36页快速平衡法推导动力学方程：快速平衡法推导动力学方程：解之，得解之，得，式中式中:第十八页，本课件共有36页采用稳态法推导动力学方程：采用稳态法推导动力学方程：第十九页，本课件共有36页解之，得解之
7、，得式中式中:第二十页，本课件共有36页非竞争性抑制反应机理非竞争性抑制反应机理第二十一页，本课件共有36页快速平衡法推导动力学方程快速平衡法推导动力学方程 解之，得解之，得式中式中:第二十二页，本课件共有36页稳态法推导动力学方程：稳态法推导动力学方程：第二十三页，本课件共有36页解之，得解之，得式中式中:第二十四页，本课件共有36页竞争性抑制竞争性抑制 非竞争性抑制非竞争性抑制令可变形为可变形为:可变形为可变形为:令第二十五页，本课件共有36页 竞争性抑制竞争性抑制 非竞争性抑制非竞争性抑制1r1CS1rmax-1Km-1Km1r1CS1rmax-1KmCI=0CI 1rmaxCI=0CI
8、 第二十六页，本课件共有36页产物抑制：酶促反应中，有时随产物浓度提产物抑制：酶促反应中，有时随产物浓度提高，产物与酶形成复合物，阻碍了底物与酶高，产物与酶形成复合物，阻碍了底物与酶的结合，从而降低了酶促反应的速度。的结合，从而降低了酶促反应的速度。反应机理：第二十七页，本课件共有36页 快速平衡法推导动力学方程快速平衡法推导动力学方程:第二十八页，本课件共有36页解之解之,得得式中式中:第二十九页，本课件共有36页稳态法推导动力学方程稳态法推导动力学方程:第三十页，本课件共有36页解之解之,得得式中式中:可见可见,产物抵制属于竞争性抵制产物抵制属于竞争性抵制第三十一页，本课件共有36页底物抑制：对于某些酶促反应，当底物浓底物抑制：对于某些酶促反应，当底物浓度较高时，反应速率呈下降趋势，称为底度较高时，反应速率呈下降趋势，称为底物抑制。物抑制。CSC CS Sr第三十二页，本课件共有36页底物抑制反应机理：底物抑制反应机理：第三十三页，本课件共有36页快速平衡法推导动学方程：快速平衡法推导动学方程：第三十四页，本课件共有36页解之解之,得得式中式中:第三十五页，本课件共有36页作业：作业：P501456第三十六页，本课件共有36页