第二章酶促反應動力學 ppt課件

1、第二章第二章酶促反響動力學酶促反響動力學主要內(nèi)容主要內(nèi)容 1 1、酶促反響動力學的特點、酶促反響動力學的特點 2 2、均相酶促反響動力學、均相酶促反響動力學 3 3、固定化酶促反響動力學、固定化酶促反響動力學 4 4、酶的失活動力學、酶的失活動力學2.1 2.1 酶促反響動力學的特點酶促反響動力學的特點2.1.1 2.1.1 酶的根本概念酶的根本概念一、酶作為催化劑的共性一、酶作為催化劑的共性二、酶的生物催化特性二、酶的生物催化特性三、酶的調(diào)理功能三、酶的調(diào)理功能2.1.2 2.1.2 酶的穩(wěn)定性及運用特點酶的穩(wěn)定性及運用特點一、酶的穩(wěn)定性一、酶的穩(wěn)定性二、酶的運用特點二、酶的運用特點2.1.

2、3 2.1.3 酶和細胞的固定化技術酶和細胞的固定化技術一、固定化技術的根本概念一、固定化技術的根本概念二、固定化酶的特性二、固定化酶的特性三、固定化細胞的特性三、固定化細胞的特性四、酶和細胞的固定化技術四、酶和細胞的固定化技術2.1.4 2.1.4 酶促反響的特征酶促反響的特征一、優(yōu)點：一、優(yōu)點：常溫、常壓、中性范圍個別除外下進展反響；常溫、常壓、中性范圍個別除外下進展反響；與一些化學反響相比，省能且效率較高；與一些化學反響相比，省能且效率較高；專注性好；專注性好；反響體系較簡單，反響過程的最適條件易于控制等。反響體系較簡單，反響過程的最適條件易于控制等。二、缺乏，二、缺乏，多限于一步或幾步

3、較簡單的生化反響過程；多限于一步或幾步較簡單的生化反響過程；普通周期較長。普通周期較長。2.2 2.2 均相系酶促反響動力學均相系酶促反響動力學2.2.1 2.2.1 酶促反響動力學根底酶促反響動力學根底一、零級反響一、零級反響 二、一級反響二、一級反響即酶催化即酶催化ABAB的過程的過程 maxrdtdS)(01bakdtdb三、二級反響，即三、二級反響，即A + B C A + B C )(002cbcakdtdc 對于連鎖反響，如，對于連鎖反響，如，CBAkk21 akdtda1bkakdtdb21akdtdc22.2.2 2.2.2 單底物酶促反響動力學單底物酶促反響動力學一、米氏方程

4、 efree S x efree P根據(jù)質(zhì)量作用定律，P的生成速度可表示為PEESSEkkk211xkrP2三點假設三點假設1、底物濃度、底物濃度S 遠大于酶的濃度遠大于酶的濃度efree ，因此，因此x的構成不會降低底的構成不會降低底物濃度物濃度S ，底物濃度以初始濃度，底物濃度以初始濃度計算。計算。2、不思索、不思索P + E ES這個可逆反這個可逆反響的存在。要忽略這一反響，必響的存在。要忽略這一反響，必需是產(chǎn)物需是產(chǎn)物P為零，換言之，該方為零，換言之，該方程適用于反響的初始形狀。程適用于反響的初始形狀。3、ES E + P是整個反響的限速是整個反響的限速階段，也就是說階段，也就是說E

5、+ S = ES的可的可逆反響在初速度測定時間內(nèi)已到逆反響在初速度測定時間內(nèi)已到達平衡。達平衡。ES分解生成產(chǎn)物的速分解生成產(chǎn)物的速度缺乏以破壞這個平衡。度缺乏以破壞這個平衡。 式中式中rsrs為底物耗費速度負號表示減少；為底物耗費速度負號表示減少； rprp為產(chǎn)物生成速率；為產(chǎn)物生成速率； KsKs為平衡常數(shù)為平衡常數(shù), ,其又稱飽和常數(shù)其又稱飽和常數(shù)saturation saturation constantconstant。SKSrSKSekrrspsspmax,2)(利用穩(wěn)態(tài)法獲得米氏方程，同樣基于三點假設。利用穩(wěn)態(tài)法獲得米氏方程，同樣基于三點假設。其中第其中第1 1和和2 2兩點與快

6、速平衡法一致，第兩點與快速平衡法一致，第三點是在基于底物濃度比酶的濃度高得多，中間三點是在基于底物濃度比酶的濃度高得多，中間復合物復合物ESES分解時所得到的酶又立刻與底物結合，分解時所得到的酶又立刻與底物結合，使中間復合物濃度維持不變。即在這段時間里，使中間復合物濃度維持不變。即在這段時間里，x x的生成速率與的生成速率與x x的消逝速率相等，到達動態(tài)平衡，的消逝速率相等，到達動態(tài)平衡，即所謂即所謂“穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)。SKSrSKSekrrmpmspmax,2)(在實踐的酶促反響中，人們關懷的是反響時間與在實踐的酶促反響中，人們關懷的是反響時間與底物轉化率的關系所以，基于底物轉化率的關系所以，基于

7、t=0t=0，S=S0S=S0初值積初值積分得分得tmtSSKSStr00maxln)(ssmrSrKtmax0max)11ln(第二章第二章 酶促反響動力學酶促反響動力學2.1 酶促反響動力學的特點酶促反響動力學的特點2.1.1 酶的根本概念酶的根本概念2.1.2 酶的穩(wěn)定性及運用特點酶的穩(wěn)定性及運用特點 酶是以活力、而不是以質(zhì)量購銷的。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：工業(yè)用酶、食品用酶、酶有不同的質(zhì)量等級：工業(yè)用酶、食品用酶、醫(yī)藥用酶。酶的實踐運用中應留意，沒有必要運醫(yī)藥用酶。酶的實踐運用中應留意，沒有必要運用比工藝條件所需純度更高的酶。用比工藝條件所需純度更高的酶。

8、 經(jīng)典酶學研討中，酶活力的測定是在反響經(jīng)典酶學研討中，酶活力的測定是在反響的初始短時間內(nèi)進展的，并且酶濃度、底物濃的初始短時間內(nèi)進展的，并且酶濃度、底物濃度較低，且為水溶液，酶學研討的目的是討論度較低，且為水溶液，酶學研討的目的是討論酶促反響的機制。酶促反響的機制。 工業(yè)上，為保證酶促反響高效率完成，常工業(yè)上，為保證酶促反響高效率完成，常需求運用高濃度的酶制劑和底物，且反響要繼需求運用高濃度的酶制劑和底物，且反響要繼續(xù)較長時間，反響體系多為非均相體系，有時續(xù)較長時間，反響體系多為非均相體系，有時反響是在有機溶劑中進展。反響是在有機溶劑中進展。2.2 均相酶促反響動力學均相酶促反響動力學2.2.

9、1 酶促反響動力學根底酶促反響動力學根底可采用化學反響動力學方法建立酶促反響動力學方程?？刹捎没瘜W反響動力學方法建立酶促反響動力學方程。對酶促反響對酶促反響 ，有：，有： 式中，式中， k：酶促反響速率常數(shù)；：酶促反響速率常數(shù)； r：酶促反響速率；：酶促反響速率； rA：以底物：以底物A的耗費速率表示的酶促反響速率；的耗費速率表示的酶促反響速率； rP：以產(chǎn)物：以產(chǎn)物P的生成速率表示的酶促反響速率。的生成速率表示的酶促反響速率。DCBA dtdCrAA BAPACkCrrr dtdCrPP 對連鎖的酶促反響，對連鎖的酶促反響，PMAkk21AACkdtdC1 MAMCkCkdtdC21 MPC

10、kdtdC2 2.2.2 單底物酶促反響動力學2.2.2.1 米氏方程 根據(jù)酶底物中間復合物假說，對單底物酶促反響 ，其反響機制可表示為：PS PEESSEkkk 211快速平衡法推導動力學方程：快速平衡法推導動力學方程：幾點假設：幾點假設：1CSCE，中間復合物，中間復合物ES的構的構成不會降低成不會降低CS。2不思索這個可逆反響。不思索這個可逆反響。3 為快速平衡，為快速平衡， 為整個反響的限速階段，因此為整個反響的限速階段，因此ES分分解成產(chǎn)物缺乏以破壞這個平衡。解成產(chǎn)物缺乏以破壞這個平衡。ESSE PEES ESCkr2 11kkKCCCSESSE ESEECCC 0解之，得解之，得S

11、SSECKCCkr 0202maxECkr SSSCKCrr max令令那那么么根據(jù)假設建立動力學方程根據(jù)假設建立動力學方程穩(wěn)態(tài)法推導動力學方程：穩(wěn)態(tài)法推導動力學方程：幾點假設：幾點假設：1CSCE，中間復合物，中間復合物ES的構成不的構成不會降低會降低CS。2不思索這個可逆反響。不思索這個可逆反響。3CSCE中間復合物中間復合物ES一經(jīng)分解，一經(jīng)分解，產(chǎn)生的游離酶立刻與底物結合，使中間產(chǎn)生的游離酶立刻與底物結合，使中間復合物復合物ES濃度堅持衡定，即濃度堅持衡定，即 。0 dtdCESESCkr2 ESEECCC 0解之，得解之，得02maxECkr 令令那那么么0211 ESESSEESC

12、kCkCCkdtdCSSECkkkCCkr 12102121kkkKm SmSCKCrr max根據(jù)以上假設，可建立如下方程組根據(jù)以上假設，可建立如下方程組米氏方程米氏方程 rrmaxrmax/2KmCSSmSCKCrr max圖21 酶濃度一定時底物濃度對反響速率的影響對米氏方程的討論：當CSKm時，屬零級反響。當CSKm時，。Km在數(shù)量上等于反響速度到達最大反響速度一半時的底物濃度。SmCKrrmax maxrr 2maxrr 雙倒數(shù)法(Linewear Burk): 對米氏方程兩側取倒數(shù)，得 ,以 作圖，得不斷線，直線斜率為 ，截距為 ,根據(jù)直線斜率和截距可計算出Km和rmax。 SmC

13、rKrr111maxmax SCr11max1rmaxrKm 1 Km1rmax1r斜率Km/rmax1CS圖22 雙倒數(shù)法求解Km和rmax 2.2.2.2 抑制劑對酶促反響速率的影響 失活作用 抑制造用 競爭性抑制 非競爭性抑制 競爭性抑制競爭性抑制 非競爭性抑制非競爭性抑制EISESI競爭性抑制反響機理：競爭性抑制反響機理：PEESSEkkk 211EIIEIK IEIIEKCCC ESCkr2 SESSEKkkCCC 11EIESEECCCC 0快速平衡法推導動力學方程：快速平衡法推導動力學方程： SIISSCKCKCrr)/1 (max02maxECkr11kkKS解之，得解之，得，

14、式中式中: :采用穩(wěn)態(tài)法推導動力學方程：采用穩(wěn)態(tài)法推導動力學方程：ESCkr2 0211 ESESSEESCkCkCCkdtdC0 EIiIEiEICkCCkdtdCEIESEECCCC 0解之，解之，得得SIImSCKCKCrr )/1 (max02maxECkr 121kkkKm 式中式中:非競爭性抑制反響機理非競爭性抑制反響機理PEESSEkkk 211EIIEIK ESIIESIK 快速平衡法推導動力學方程快速平衡法推導動力學方程ESCkr2 SESSEKkkCCC 11IEIIEKCCC IESIIESKCCC EIESEECCCC 0 )(/1 (maxSSIISCKKCCrr 0

15、2maxECkr 11kkKS 解之，得解之，得式式中中: :穩(wěn)態(tài)法推導動力學方程：穩(wěn)態(tài)法推導動力學方程：ESCkr2 0211 IESiESIiESESSEESCCkCkCkCkCCkdtdC0 EIiIEiEICkCCkdtdC0 ESIiIESiESICkCCkdtdCESIEIESEECCCCC 0解之，得解之，得式式中中: :)(/1 (maxSmIISCKKCCrr 02maxECkr 121kkkKm 競爭性抑制競爭性抑制 非競爭性抑制非競爭性抑制SIImSCKCKCrr )/1 (max)(/1 (maxSmIISCKKCCrr )/1 (IImmKCKK SmSCKCrr m

16、axIIKCrr/1maxmax SmSCKCrr max令可變形為可變形為: : 可變形為可變形為: : 令mmKKmaxmaxrr 競爭性抑制競爭性抑制 非競爭性抑制非競爭性抑制1 r1CS1rmax- 1 Km- 1 Km1r1CS1rmax- 1 KmCI = 0CI 1rmaxCI = 0CI 產(chǎn)物抑制：酶促反響中，有時隨產(chǎn)物濃產(chǎn)物抑制：酶促反響中，有時隨產(chǎn)物濃度提高，產(chǎn)物與酶構成復合物，妨礙了度提高，產(chǎn)物與酶構成復合物，妨礙了底物與酶的結合，從而降低了酶促反響底物與酶的結合，從而降低了酶促反響的速度。的速度。EPPEESSEPKkkk211反響機理： ESCkr2 SESSEKkk

17、CCC 11PEPPEKCCC EPESEECCCC 0快速平衡法推導動力學方程快速平衡法推導動力學方程: :解之解之, ,得得SPPSSCKCKCrr )/1 (max02maxECkr 11kkKS 式中式中: :ESCkr2 EPESEECCCC 0穩(wěn)態(tài)法推導動力學方程穩(wěn)態(tài)法推導動力學方程: :0211 ESESSEESCkCkCCkdtdC0 EPpPEpEPCkCCkdtdC解之解之, ,得得SPPmSCKCKCrr )/1 (max02maxECkr 121kkkKm 式中式中: :可見可見, ,產(chǎn)物抵抗屬于競爭性抵抗產(chǎn)物抵抗屬于競爭性抵抗底物抑制：對于某些酶促反響，當?shù)椎孜镆种疲?/p>

18、對于某些酶促反響，當?shù)孜餄舛容^高時，反響速率呈下降趨勢，物濃度較高時，反響速率呈下降趨勢，稱為底物抑制。稱為底物抑制。CSCSCSr底物抑制反響機理：底物抑制反響機理：PEESSEkkk 211ESSSESSSK 快速平衡法推導動學方程：快速平衡法推導動學方程：ESCkr2 SESSEKkkCCC 11SSESSSESKCCC ESSESEECCCC 0解之解之, ,得得)/1 (maxSSSSSSKCCKCrr 02maxECkr 11kkKS 式中式中: :2.2.3 2.2.3 多底物酶促反響動力學多底物酶促反響動力學普通的多底物酶促反響可表示為：普通的多底物酶促反響可表示為： RQPC

19、BA這里討論：雙底物雙產(chǎn)物情況這里討論：雙底物雙產(chǎn)物情況QPBA 反響機制：反響機制：關鍵問題：底物關鍵問題：底物A A、B B哪個先和酶結合？哪個先和酶結合？ 任何一個都有能夠先與酶結合任何一個都有能夠先與酶結合 隨機機制隨機機制 A A先與酶結合或先與酶結合或B B先與酶結合先與酶結合 兩底物同時與酶結合兩底物同時與酶結合 能夠性極小能夠性極小隨機機制分支機制隨機機制分支機制EEBEAEABEPQEPEQE不構成三元復合物反響模型不構成三元復合物反響模型EAEAAPPBBEQQQEEG EG：修飾過的酶：修飾過的酶 簡單機制簡單機制EEAEABAABBEPQQQEPEPP雙底物酶促反響動力

20、學雙底物酶促反響動力學 反響機理：反響機理：EAAEPEEABAEB B B AKAKBKBK2kEABCkr2 AEAAEKCCC AEABAEBKCCCBEBBEKCCC BEABBEAKCCC EABEBEAEEOCCCCC EABEBEAEEOCCCCC 解之，得解之，得)(maxBBAABACKCKCCrr 式中：式中：EOCkr2max 2.3 固定化酶促反響動力學 2.3.1 2.3.1 固定化酶促反響動力學根底固定化酶促反響動力學根底 2.3.1.1 2.3.1.1 酶的固定化技術定義酶的固定化技術定義 酶的固定化技術是將水溶性的酶分子經(jīng)過一定的方式，酶的固定化技術是將水溶性的

21、酶分子經(jīng)過一定的方式，如靜電吸附，共價鍵等與載體如角叉菜膠、離子交換樹脂如靜電吸附，共價鍵等與載體如角叉菜膠、離子交換樹脂等資料制成固相酶的技術。等資料制成固相酶的技術。 細胞的固定化技術細胞的固定化技術: : 為省去從微生物或動、植物中為省去從微生物或動、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胞、動植物細胞、組織技術。細胞、動植物細胞、組織技術。 物理吸附法 載體結合法 離子結合法 共價結合法 交聯(lián)法 格子型 包埋法 微膠囊2.3.1.2 2.3.1.2 酶和細胞固定化方法酶和細胞固定化方法 交聯(lián)法交聯(lián)法EOEEOOOE2

22、.3.1.3 2.3.1.3 固定化對酶性質(zhì)的影響固定化對酶性質(zhì)的影響 底物專注性的改動底物專注性的改動 穩(wěn)定性加強穩(wěn)定性加強 最適最適pHpH值和最適溫度變化值和最適溫度變化 動力學參數(shù)的變化動力學參數(shù)的變化 2.3.1.4 2.3.1.4 影響固定化酶促反響的主要要素影響固定化酶促反響的主要要素 分子構象的改動分子構象的改動 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 定量描畫鏈接定量描畫鏈接 分散效應分散效應 可定量描畫可定量描畫分配系數(shù)分配系數(shù) (Kp)(Kp)鏈接鏈接 分配系數(shù)：載體內(nèi)外底物分配系數(shù)：載體內(nèi)外底物( (或其他物質(zhì)或其他物質(zhì)) )濃度之比。

23、濃度之比。 KpKp的測定：的測定： 知底物濃度知底物濃度(CS0 )(CS0 )，體積，體積(V0)(V0)的溶液中，放入的溶液中，放入不含底物的一定體積的載體，并堅持適宜條件，當?shù)竭_平衡不含底物的一定體積的載體，并堅持適宜條件，當?shù)竭_平衡時，測定載體外溶液的底物濃度時，測定載體外溶液的底物濃度(Cs)(Cs)。2.3.2 2.3.2 固定化酶促反響過程分析固定化酶促反響過程分析2.3.2.1 2.3.2.1 外部分散過程外部分散過程 以外表固定化酶為例。以外表固定化酶為例。SSmSSoutCKCrr maxCSCSSooutoutrr SmSoCKCrr max外分散過程分析外分散過程分析

24、SSmSSoutCKCrr maxoutrN )(maxSSSLSSmSSCCakCKCr 外分散速率：外分散速率： 到達平衡時，即即 )(SSSLCCakN 酶促反響速率：酶促反響速率： SLaCkN maxN, rrmaxN max 0 CSS CS( C S S ，rout)NmaxN，rrmax0 CSS CS( C S S ，rout)maxmaxNr0, 0outSSC maxmaxNr1,outSSSCC Da準數(shù)準數(shù) :maxmaxNrDa 當當 時，時， 過程為外分散控制。過程為外分散控制。 當當 時，時， 過程為反響控制。過程為反響控制。1 Da1 Da0, 0outSSC

25、 1,outSSSCC 式中式中:)(maxSSSLSSmSSCCakCKCr *maxmaxmax)(1(CCKCaCkrNrDaSL SmSSSCKKCCC ,*闡明闡明C*為為Da準數(shù)的函數(shù)，即準數(shù)的函數(shù)，即 )(*DafC ( 時時, )*maxmaxCKCCKCCKCrCKCrrrSSmSSSmSSSmSSooutout mSKC maxrro 闡明闡明為為C*的函數(shù)，即的函數(shù)，即 out *)(Cgout 可見，Da準數(shù)是決議效率因子 和比濃度C*的獨一參數(shù)，因此是表征傳質(zhì)過程對反響速率影響的根本準數(shù)。 Da準數(shù)越小，固定化酶外表濃度越接近于主體濃度CS， 越接近于1。Da準數(shù)越大

26、，固定化酶外表濃度越趨近于零， 越小，越趨近于零。out out out 為提高固定化酶外分散效率為提高固定化酶外分散效率,應設法減小應設法減小Da準數(shù)。減準數(shù)。減小小Da準數(shù)的措施：準數(shù)的措施： 1、降低固定化酶顆粒的粒徑，增大比外表積，但由于、降低固定化酶顆粒的粒徑，增大比外表積，但由于粒徑減小會伴隨壓降添加，因此運用中綜合思索，確定適粒徑減小會伴隨壓降添加，因此運用中綜合思索，確定適宜的粒徑。宜的粒徑。 2、使固定化酶外表流體處于湍流形狀以增大、使固定化酶外表流體處于湍流形狀以增大 。Lk2.3.2.2 內(nèi)部分散過程內(nèi)部分散過程 具有大量內(nèi)孔的球形固定化酶顆粒Rdrroininrr 內(nèi)分

27、散效率因子內(nèi)分散效率因子穩(wěn)定形狀下，對底物進展物料衡算：穩(wěn)定形狀下，對底物進展物料衡算： drrrdrdCDerdrdCDedrrSrSrdrrSr22244)(4 流入量流出量反響量流入量流出量反響量整理整理, ,得得drrrdrdCDerdrdCDedrrdrrSrSrdrrSr222244)(24 drrrdrdCrdrDedrdCdrdCDerSdrrSrrSrdrrSr22484 Dedrr24 兩側同除兩側同除 , ,得得DerdrdCrdrCdSSrSr 222當反響符合米氏方程規(guī)律時，當反響符合米氏方程規(guī)律時，SrmSrSCKCrr max)(2max22SrmrSSrSrCK

28、DeCrdrdCrdrCd 故故, ,令令 , , , , , ,SSSrXCCC Rrl mSSKC mDeKrR9max22 上式可轉化為無因次方式，得上式可轉化為無因次方式，得 XXXXccdldcldlcd 192222邊境條件邊境條件: :0 l0 dldcX1 l1 Xc, , ,該微分方程無解析解，只能用數(shù)值法求解。該微分方程無解析解，只能用數(shù)值法求解。西勒準數(shù)西勒準數(shù)( ) 的物理意義是外表反響速率與內(nèi)分散速率之比。對各類的物理意義是外表反響速率與內(nèi)分散速率之比。對各類反響動力學與固定化酶的外形，普遍化的反響動力學與固定化酶的外形，普遍化的 的定義式為的定義式為 :21,2 S

29、SeqSCCssPPdCsDerrAVSSmSSRrSrSSmSSRrSroininCKCrdrdCDeRCKCrRdrdCDeRrr maxmax323344 引入無因次參數(shù)，那么引入無因次參數(shù)，那么 11321lXindldcin 無解析解，只需數(shù)值解。無解析解，只需數(shù)值解。 見教材見教材33頁圖頁圖2-10 內(nèi)分散效率因子in 是 和的函數(shù)。 對in影響不大，影響in的主要參數(shù)是西勒準數(shù)。假設 ，那么 不隨變化，近似等于1，也就是說沒有內(nèi)部傳質(zhì)阻力，假設 ，那么 ，反響為內(nèi)分散所限制。3 . 0 3 . 01inin 為提高固定化酶內(nèi)分散效率，應設法減小。 減小的措施主要是適當降低固定化酶顆粒粒徑。外擴散過程外擴散過程內(nèi)擴散過程內(nèi)擴散過程 Da準數(shù)是決定外擴散準數(shù)是決定外擴散 效率的唯一參數(shù)。效率的唯一參數(shù)。 準數(shù)是決定內(nèi)擴散準數(shù)是決定內(nèi)擴散效率的主要參數(shù)。效率的主要參數(shù)。 Da準數(shù)定義：準數(shù)定義： 西勒準數(shù)定義：西勒準數(shù)定義： 外擴散效率因子定義：外擴散效率因子定義： 內(nèi)擴散效率因子定義：內(nèi)擴散效率因子定義： Da1，過程為外擴散控，過程為外擴散控