生物工程反應(yīng)2013課件

生物工程反應(yīng)2013.9聯(lián)系方式：

1.1生物反應(yīng)過程概述

1.1.1生物反應(yīng)過程(bioprocess)

定義：將生物技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室成果經(jīng)工藝及工程開發(fā)而成為可供工業(yè)生產(chǎn)的工藝過程。實(shí)質(zhì)：利用生物催化劑從事生物技術(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程。青霉素的生產(chǎn)抗生素——青霉素羅伯茨（W.Roberts，1874)首次報(bào)道微生物的頡頏現(xiàn)象（antagonism）灰綠青霉生長(zhǎng)旺盛的液體會(huì)使人工感染細(xì)菌困難廷德爾（J.Tyndall,1876）青霉菌與細(xì)菌液體培養(yǎng)中有頡頏現(xiàn)象巴斯德和朱伯特（J.F.Joubert，1877)用炭疽芽孢桿菌培養(yǎng)物感染動(dòng)物巴比斯和科尼爾（V.Babes&A.V.Cornil,1885)細(xì)菌之間……青霉素的生產(chǎn)1928.9英國(guó)Fleming發(fā)現(xiàn)青霉素1938英國(guó)Flory和Chain重復(fù)（實(shí)驗(yàn)室）少量敗血病失敗(Heathley)第二次世界大戰(zhàn)美國(guó)D.Elder固體培、表面培養(yǎng)、液體深層發(fā)酵0.001g/L1945青霉素高產(chǎn)菌株——產(chǎn)黃青霉

（Penicilliumchrysogenum)

育種技術(shù)培養(yǎng)基設(shè)計(jì)技術(shù)攪拌通氣發(fā)酵罐為反應(yīng)器氧的傳遞技術(shù)等等化學(xué)家錢恩（E.Chain）獲得精制品，1940在美國(guó)產(chǎn)業(yè)化0.001g/L,1939~50g/L當(dāng)前水平60000～80000U/ml(150m3)生物技術(shù)biotechnology側(cè)重技術(shù)方法應(yīng)用自然科學(xué)及工程學(xué)的原理，依靠生物催化劑的作用將物料進(jìn)行加工以提供產(chǎn)品或?yàn)樯鐣?huì)服務(wù)的技術(shù)。生物科學(xué)bioscience：側(cè)重機(jī)理研究生命現(xiàn)象和生命活動(dòng)規(guī)律的科學(xué)生物工程bioengineering：側(cè)重工程（一）描述性生物學(xué)1．19世紀(jì)30年代，德國(guó)植物學(xué)家施萊登、動(dòng)物學(xué)家施旺提出細(xì)胞學(xué)說。2．1859年，英國(guó)生物學(xué)家達(dá)爾文出版《物種起源》。（二）實(shí)驗(yàn)生物學(xué)階段：（孟德爾遺傳規(guī)律重新提出—1900年）（三）分子生物學(xué)階段：

1．1944年，美國(guó)生物學(xué)家艾弗里首次證明DNA是遺傳物質(zhì)。

2．1953年，美國(guó)沃森，英國(guó)克里克提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。生物科學(xué)發(fā)展示意圖

細(xì)胞

酶

(游離或固定化)

空氣

能量

提取精制

產(chǎn)品生物催化劑

副產(chǎn)品

滅菌

廢物

原料

基質(zhì)或培養(yǎng)基生

物

反

應(yīng)

器檢

測(cè)

控

制

系

統(tǒng)組成

原料的預(yù)處理——選擇、加工（物理或化學(xué)）、培養(yǎng)基的配制和滅菌；生物催化劑的制備——菌種的選擇、擴(kuò)大培養(yǎng)和接種，酶的純化和固定化等；（核心）生物反應(yīng)器及反應(yīng)條件的選擇與監(jiān)控——反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、操作方式、操作條件；反應(yīng)

參數(shù)的檢測(cè)與控制；產(chǎn)物的分離純化——去除雜質(zhì)，提高濃度。

以生物反應(yīng)器為核心，之前反應(yīng)上游加工；之后反應(yīng)下游加工1.1.2生物反應(yīng)過程的特點(diǎn)

一門綜合學(xué)科——生物學(xué)：生物化學(xué)、分子生物學(xué)、微生物學(xué)

化學(xué)：無機(jī)、有機(jī)、分析、物理

工程學(xué)：化學(xué)工程、機(jī)械工程；采用生物催化劑——酶Enzyme；采用再生資源為原料——豐富、低廉，危害性小；難控制，質(zhì)量不穩(wěn)定；設(shè)備簡(jiǎn)單，能耗低。廢水的生物處理過程特點(diǎn)：①是由細(xì)菌等菌類、原生動(dòng)物等各種微生物構(gòu)成的混合培養(yǎng)系統(tǒng)；②幾乎全都采用連續(xù)操作；③微生物所處的環(huán)境條件波動(dòng)大；④反應(yīng)的目的是消除有害物質(zhì)而不是生成代謝產(chǎn)物和微生物細(xì)胞本身；⑤不計(jì)成本。1.2生物工程

1.2.1生物工程的定義

人們以現(xiàn)代生命科學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合先進(jìn)的工程技術(shù)手段和其他基礎(chǔ)學(xué)科的科學(xué)原理，按照預(yù)先的設(shè)計(jì)改造生物體或加工生物原料，為人類生產(chǎn)出所需產(chǎn)品或達(dá)到某種目的。1.2.2.生物工程的分類：

基因工程(Geneengineering)

細(xì)胞工程(Cellengineering)酶工程(Enzymeengineering)發(fā)酵工程(Fermentationengineering)蛋白質(zhì)工程(Proteinengineering)1.2.3.生物工程涉及的學(xué)科

學(xué)科眾多。分子生物學(xué)、微生物生理學(xué)、生物化學(xué)、免疫生物學(xué)等等。使用現(xiàn)代化器和設(shè)備——技術(shù)手段。

廣闊的應(yīng)用前景；醫(yī)藥林業(yè)環(huán)境保護(hù)能源采礦冶金農(nóng)業(yè)材料畜牧業(yè)化工表1-1重要的現(xiàn)代生物技術(shù)儀器和設(shè)備

名稱用途1DNA自動(dòng)測(cè)序儀自動(dòng)測(cè)定核酸的核苷酸2蛋白/多肽自動(dòng)測(cè)序儀測(cè)定蛋白質(zhì)、多肽的氨基酸序列3半自動(dòng)DNA測(cè)序儀測(cè)定核酸的核苷酸序列4DNA自動(dòng)合成儀合成已知寡核苷酸序列5蛋白/多肽自動(dòng)合成儀的蛋白質(zhì)或多肽6生物反應(yīng)器細(xì)胞的連續(xù)培養(yǎng)7發(fā)酵罐微生物細(xì)胞培養(yǎng)8熱循環(huán)儀（聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)儀、PCR儀）DNA快速擴(kuò)增9序列分析軟件核酸/蛋白質(zhì)序列分析10基因轉(zhuǎn)移設(shè)備將外源DNA引進(jìn)靶細(xì)胞11色譜軟件控制色譜儀、收集和處理數(shù)據(jù)12高效液相色譜儀物質(zhì)的分離和純化及純度鑒定13電泳設(shè)備物質(zhì)的分離和純化及純度鑒定14凝膠電泳系統(tǒng)蛋白質(zhì)和核酸的分離和分析15毛細(xì)管電泳儀質(zhì)量控制、組分分析16超速、高速離心機(jī)分離生物大分子物質(zhì)17電子顯微鏡觀察細(xì)胞及組織的超微結(jié)構(gòu)圖生物技術(shù)樹1.3生物反應(yīng)工程

1.3.1定義：研究生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)、放大以及反應(yīng)器優(yōu)化的一個(gè)重要學(xué)科。實(shí)質(zhì)：生物反應(yīng)過程中帶有共性的工程技術(shù)問題的學(xué)科。如何從生物現(xiàn)象中抽象出共性的內(nèi)容從宏觀看

以獲得生物量為目的：

生物合成速率≈影響因素（生物體、基質(zhì)、環(huán)境因素、操作條件等）

以獲得目的產(chǎn)物為目的：從微觀看轉(zhuǎn)錄與轉(zhuǎn)譯速率=（基因量、…….等)調(diào)控速率=（表達(dá)速率、酶活力、……等）A.

生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

動(dòng)力學(xué)——研究工業(yè)生產(chǎn)中生物反應(yīng)速率問題；影響生物反應(yīng)速率的各種因素以及如何獲得最優(yōu)的反應(yīng)結(jié)果。

本征動(dòng)力學(xué)（微觀動(dòng)力學(xué)）

反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)（宏觀動(dòng)力系學(xué)）

靜態(tài)變量——?jiǎng)討B(tài)變量B.生物反應(yīng)器

傳遞特性——傳質(zhì)、傳熱和動(dòng)量傳遞設(shè)計(jì)與放大——選型、操作方式、計(jì)算優(yōu)化與控制——優(yōu)化操作與優(yōu)化設(shè)計(jì)、反應(yīng)參數(shù)測(cè)定與控制。生物反應(yīng)工程與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系表生物反應(yīng)過程特征的比較生物反應(yīng)過程生物反應(yīng)特征酶反應(yīng)過程

細(xì)胞反應(yīng)過程

微生物反應(yīng)過程

動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)過程

單一菌體培養(yǎng)系統(tǒng)

多菌體混合培養(yǎng)系統(tǒng)

反應(yīng)水平分子水平單一群體水平生態(tài)系水平細(xì)胞或組織水平反應(yīng)過程的復(fù)雜性簡(jiǎn)單一般復(fù)雜很復(fù)雜基質(zhì)的數(shù)量1-2基質(zhì)

幾種基質(zhì)

幾種基質(zhì)幾種基質(zhì)產(chǎn)物的數(shù)量

1-2種

菌體和幾種代謝產(chǎn)物

幾種菌體和二氧化碳，厭氧反應(yīng)過程、甲烷

細(xì)胞或組織或幾種產(chǎn)物和二氧化碳

反應(yīng)速率或生長(zhǎng)速率

快一般慢很慢1.3.4發(fā)展歷史

a釀酒、生產(chǎn)醬油和醋——容器最簡(jiǎn)單、最原始的生物反應(yīng)器b.

1857Pasteur酵母發(fā)酵生產(chǎn)酒——控制——發(fā)酵罐c.

20世紀(jì)初,微生物產(chǎn)品有所發(fā)展,但主要屬于初級(jí)代謝產(chǎn)物,厭氣發(fā)酵,設(shè)備也相對(duì)簡(jiǎn)單（乳酸，乙醇，丙酮）。d.抗生素的發(fā)展,使生化工程誕生.特點(diǎn)是好氣發(fā)酵,產(chǎn)物結(jié)構(gòu)復(fù)雜,次級(jí)代謝物,培養(yǎng)液含量低,無菌條件高.深層培養(yǎng)技術(shù)、無菌空氣制備技術(shù)——分批、連續(xù)與流加操作e.

20世紀(jì)50年代,氨基酸工業(yè),

60年代:酶制劑.60年代固定化技術(shù)——新概念——生物反應(yīng)器.70年代基因工程——特殊生物反應(yīng)器，干擾素,胰島素,生長(zhǎng)激素,乙肝疫苗,單克隆抗體.龍山文化（距今4000-4200年）已有酒具出現(xiàn)。公元前200年，作豆腐、醬油和釀醋。在我國(guó)最早的詩集《詩經(jīng)》中就提出過采用厭氧進(jìn)行亞麻浸漬處理。公元10年有了天花的活疫苗。龍山文化泛指中國(guó)黃河中、下游地區(qū)約當(dāng)新石器時(shí)代晚期的一類文化遺存。因1928年首先在山東省章丘縣龍山鎮(zhèn)城子崖發(fā)現(xiàn)而命名。

20世紀(jì)中期前后生物化學(xué)工程學(xué)科的形成。20世紀(jì)后期（1970～80年）生物反應(yīng)工程學(xué)科的形成。英國(guó)學(xué)者阿特金遜（1971）首次提出生化反應(yīng)工程……。20世紀(jì)90年代基因工程與生物反應(yīng)工程不斷融合、發(fā)展。1.3.5發(fā)展方向

從微觀角度揭示細(xì)胞反應(yīng)過程規(guī)律；

代謝網(wǎng)絡(luò)、細(xì)胞、酶預(yù)測(cè)代謝網(wǎng)絡(luò)（代謝途徑）新型生物反應(yīng)器的研究與開發(fā)；各種描述生物反應(yīng)過程的數(shù)學(xué)模型的建立基礎(chǔ)研究——以基因組為基礎(chǔ)的整體數(shù)學(xué)模型生產(chǎn)過程參數(shù)與控制手段的改進(jìn)。1.4生物反應(yīng)工程的研究方法

數(shù)學(xué)模型法——用數(shù)學(xué)語言表達(dá)生物法反應(yīng)過程中各個(gè)變量之間的關(guān)系。

不能替代實(shí)驗(yàn)研究。方法——機(jī)理模型或結(jié)構(gòu)模型既過程機(jī)理出發(fā)推倒的。--------可外推使用半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚛

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?jīng)驗(yàn)法參考資料國(guó)外1975年日本學(xué)者合葉修一等《生物化學(xué)工程---反應(yīng)動(dòng)力學(xué)》1979年日本學(xué)者山根恒夫《生物反應(yīng)工程》1985年德國(guó)學(xué)者許蓋特（Schugerl）《生物反應(yīng)工程》1993年日本學(xué)者川瀨義矩《生物反應(yīng)工程基礎(chǔ)》1994（02）年丹麥學(xué)者Nielsen等《生物反應(yīng)工程原理》2008美國(guó)michael、土耳其Fikret《生物過程工程》國(guó)內(nèi)《生物反應(yīng)工程原理》（1990和2003天津科技大學(xué)賈士儒）《生物工藝學(xué)》（1992華東理工大學(xué)俞俊棠等）《生化工程》（1993江南大學(xué)倫世儀）《生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)與反應(yīng)器》（1996北京化工大學(xué)戚以政等）《生物反應(yīng)工程》（2004戚以政等）《生物反應(yīng)工程》2005浙江大學(xué)岑沛林等）《生物反應(yīng)工程》（2005清華大學(xué)邢新會(huì)譯）《生物反應(yīng)工程原理》（2011清華大學(xué)曹竹安陳堅(jiān)）作業(yè)：

1.什么是生物工程？它包括哪幾部分？2.

生物工程對(duì)人類社會(huì)將產(chǎn)生怎樣的影響？3.

什么是生物反應(yīng)工程？其內(nèi)容包括那些？

4.什么是生物反應(yīng)過程？其內(nèi)容包括那些？5.生物工程應(yīng)用在哪些領(lǐng)域？預(yù)習(xí)：

1.

概念：解離常數(shù)、平衡常數(shù)、速度常數(shù)、Arrhenius公式；2.酶的生物化學(xué)知識(shí)。

第1章均相酶催化動(dòng)力學(xué)

本章的重點(diǎn)：①米氏方程的兩種假設(shè)、兩種推導(dǎo)方式及其參數(shù)的物理意義；②實(shí)驗(yàn)法求取米氏方程的動(dòng)力學(xué)參數(shù)；③競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑和非競(jìng)爭(zhēng)抑制劑的動(dòng)力學(xué)方程的推導(dǎo)及判斷；④根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出動(dòng)力學(xué)參數(shù)并判斷動(dòng)力學(xué)類型。本章的難點(diǎn)：①米氏方程及抑制劑動(dòng)力學(xué)等有關(guān)的推導(dǎo)；②酶失活動(dòng)力學(xué)的意義及推導(dǎo)。1.1酶催化反應(yīng)的基本特征

1.1.1酶的分類與命名

氧化還原酶類、轉(zhuǎn)移酶類、水解酶類、裂合酶類、異構(gòu)酶類、合成酶類。1.1.

2酶的活力表示方法酶的催化效率與酶的轉(zhuǎn)換數(shù)是同一概念。催化中心活力酶活力——1kat=6×107U或1μkat=60U1U=1.7×10-8kat比活力——每1mg（1ml）蛋白質(zhì)所具有的酶的單位數(shù)。U/mg或kat/mg1.1.3酶的特性

生物催化劑，具有一般催化劑所特有的特性——不能改變反應(yīng)的平衡點(diǎn)，只能改變反應(yīng)速率，反應(yīng)條件溫和。高效性；專一性；酶的催化作用需要輔因子——非蛋白質(zhì)物質(zhì)共同作用；金屬離子、有機(jī)物質(zhì)——輔酶（緊密）、輔基（疏松）

酶是蛋白質(zhì)——失活與變性?；瘜W(xué)修飾（微觀變化）、空間障礙、高級(jí)結(jié)構(gòu)的變化（宏觀變化）、多肽鏈的斷裂1.1.4酶的穩(wěn)定方法

分類穩(wěn)定化方法穩(wěn)定的理由水溶性酶低溫（冷凍）保存難以被化學(xué)物質(zhì)和蛋白質(zhì)破壞添加鹽類

加入高濃度硫銨等后，酶高級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性增加添加底物、輔酶等配體

常用

護(hù)酶活性中心，有利于酶分子高級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性

添加多元醇

理由不明化學(xué)修飾，特別是分子架橋

穩(wěn)定酶的高級(jí)結(jié)構(gòu)或保護(hù)酶的活性中心

添加強(qiáng)變性劑

若能保護(hù)好一級(jí)結(jié)構(gòu)，則可隨時(shí)再生

大量添加蛋白質(zhì)

添加清蛋白等用于保護(hù)在稀薄狀態(tài)下易發(fā)生變性、失活的酶類添加有機(jī)溶劑

如加入丙酮，理由不明結(jié)晶化

有利于高級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定不溶性酶

固定化

常用能防止蛋白酶間的相互作用，其它理由不明1.2簡(jiǎn)單的酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

1.2.1概念：

反應(yīng)速率：在均相反應(yīng)中，一般以單位時(shí)間、單位體積中反應(yīng)組分的改變量。對(duì)于恒容反應(yīng)，V為常數(shù)，故

反應(yīng)速率反應(yīng)速率的單位有mol·L-1·s-1、mol·L-1·min-1和mol·L-1·h-1等。反應(yīng)速率通常有兩種表示方法：平均速率和瞬時(shí)速率。平均速率在化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的一段時(shí)間里，單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物濃度的減少或生成物濃度的增加即為平均速率，用表示。例如反應(yīng)2AB(g)=H2(g)+I2(g)瞬時(shí)速率一般有兩種方法作圖法通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定出不同時(shí)間某一物質(zhì)的濃度，然后作出C-t曲線，再?gòu)腃-t曲線圖上于某時(shí)刻t處作切線，并求出切線的斜率（），從而獲得瞬時(shí)速率r。但該方法的缺點(diǎn)是在c-t曲線上作t時(shí)刻切線時(shí)，存在人為因素，不易獲得準(zhǔn)確一致的結(jié)果。例如某一反應(yīng):aAbB濃度

時(shí)間

微分法：通過作圖軟件，如Excel作C-t曲線圖，并求擬合曲線（要求相關(guān)系數(shù)的平方值R2→1），得一元多次方程。如擬合曲線為c=a5

t5+a4t4+a3

t3+a2

t2+a1t+a0中c為濃度，t為時(shí)間，an為常數(shù)。微分上式得然后代入任一時(shí)刻的t值，得y值。此值即為t時(shí)刻在c-t曲線處切線的斜率（），從而求出瞬時(shí)速率。計(jì)算法：例1y=dc/dt=5×a5t4+4×a4

t3+3×a3

t2+2×a2

t+a1aA+bBcC+dD

②平衡常數(shù)K意義：衡量反應(yīng)進(jìn)行程度大小的一個(gè)常數(shù)。K越大。表示反應(yīng)進(jìn)行程度越大，即反應(yīng)進(jìn)行的越完全；反之，K越，表示反應(yīng)進(jìn)行程度越小，即反應(yīng)進(jìn)行的越不完全。K是溫度的函數(shù)。③解離常數(shù)Ks：

aA+bBcC+dD

Ks=1/K意義：衡量解離進(jìn)行程度大小的一個(gè)常數(shù)。Ks越大，表示解離進(jìn)行程度越大，即解離進(jìn)行越完全；反之，Ks越小，表示反解離進(jìn)行程度越小，即解離進(jìn)行的越不完全。Ks是溫度的函數(shù)。④（反應(yīng)）速度常數(shù)（比速度）：aA+bB+??????lL+Mm+??????[A]=[B]=1mol/L時(shí)，則r=k。k與溫度、催化劑有關(guān)。物理意義：某在反應(yīng)一定溫度下，反應(yīng)物為單位濃度時(shí)的反應(yīng)速度。反應(yīng)快，k數(shù)值大。阿侖尼烏斯公式：零級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)AB二級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)A+BCk1k1連鎖酶反應(yīng)ABC

k1k2如果A的初始濃度為a0，B和C的初始濃度為0，并且a+b+c=a0，則求得：[例1]卵狀假單胞菌（Pseudomonasovalis)在分批反應(yīng)中先把葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸烟莾?nèi)酯，再轉(zhuǎn)化為葡萄糖酸。此反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)如下

GLP

求中間產(chǎn)物（葡萄糖內(nèi)酯）濃度達(dá)到最大時(shí)所需要的時(shí)間tmax及其最大濃度值[L]max。已知反應(yīng)常數(shù)k1和k2分別為0.87/h和0.7/h。G0(初始葡萄糖濃度）=0.38g/L。解：GLPt=0[G]000t=t[G][L][P]k1k2k1k2（1）當(dāng)葡萄糖內(nèi)酯達(dá)到最大值時(shí)，有

將（1）和（2）帶入（3），整理得：

則即在1.28h時(shí)，葡萄糖內(nèi)酯達(dá)到最大值15.5g/L（2）（3）1.2.2簡(jiǎn)單的酶催化反應(yīng)特點(diǎn)：

①簡(jiǎn)單的酶催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)——一種反應(yīng)物（底物）參與的不可逆反應(yīng)。酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)。

酶催化的水解反應(yīng)、異構(gòu)化反應(yīng)和大部分裂解反應(yīng)②對(duì)單一底物參與的簡(jiǎn)單酶催化反應(yīng)：

SP反應(yīng)機(jī)理可表示為：S+EESE+P根據(jù)質(zhì)量作用定律，P的生成速率可表示為rp=k+2[ES]=k+2XEk+2k+1k-11.2.3米氏方程

假設(shè)在反應(yīng)過程中，酶的濃度保持恒定，即e0=efree+X與底物濃度[S]相比，酶的濃度是很小的。故可以忽略有于生成中間復(fù)合物ES而消耗的底物；產(chǎn)物的濃度是很低的，因而產(chǎn)物的抑制作可以忽略，同時(shí)也不考慮P+EES這個(gè)逆反應(yīng)的存在。(反應(yīng)的初始狀態(tài)）V.Henri于1902年根據(jù)轉(zhuǎn)化酶(invertase)，苦杏仁酶(emulsin)及淀粉酶(amylase)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了反應(yīng)速率方程（檢驗(yàn)公式）。1913年Michaelis和Menten推導(dǎo)米氏方程。①M(fèi)——M方程

快速平衡學(xué)說（rapidequilibrium)原理:k+1＞＞k-2，k-1＞＞k-2

即ESE+P反應(yīng)慢，k+2較小，決定整個(gè)酶催化反應(yīng)的速度。推導(dǎo)：eo=e+Xk+1e[S]=k-1Xrp=k+2X動(dòng)力學(xué)參數(shù)：KS為rP=1/2rP,max時(shí)的底物濃度，表示酶與底物相互作用的特性；rP,max表示當(dāng)全部的酶分子都變成[ES]的反應(yīng)速度；k+2表示單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)酶分子所催化底物發(fā)生反應(yīng)的分子，即表示酶催化能力大小——轉(zhuǎn)換系數(shù)。（kcat)②B-H方程擬穩(wěn)態(tài)學(xué)說原理：中間復(fù)合物濃度維持不變，即生成產(chǎn)物速度與分解產(chǎn)物速度相等。推倒：動(dòng)力學(xué)參數(shù)：同M——M③兩種方程（學(xué)說）比較項(xiàng)目M—M方程B—H方程假設(shè)酶和底物生成不穩(wěn)定復(fù)合物[ES]，酶催化反應(yīng)是經(jīng)中間復(fù)合物完成的。即[ES]在反應(yīng)開始后與E及S迅速達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡k+1＞＞k+2，k-1＞＞k+2ES]的生成速率與其解離速率相等，其濃度不隨時(shí)間變化。底物濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于酶的濃度。[S]＞＞e0酶量守恒(假設(shè))e0=efree+X產(chǎn)物生成動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)方程Ks與Kmk-1④擴(kuò)展方程若米氏方程中e數(shù)值大（結(jié)果見書[例3-3、5]）存在多個(gè)中間復(fù)合物是，催化活性中心速率常數(shù)S1+ES1EK1有輔因子反應(yīng)S2+ES2EK2S1E+S2S1S2EK12S2E+S1S1S2EK21S1S2EE+Pk雙底物反應(yīng)E+CECKCEC+SECSKSECSE+C+Pk[例1]假設(shè)單底物S生成產(chǎn)物P的酶促反應(yīng)機(jī)理下式，試建立可逆反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程。E,[S],X和[P]分別與下式對(duì)應(yīng)的濃度。

E+S[ES]E+P

e[S]Xe[P]解：B-H：rP=k+2X-k-2e[P]e0=e+Xk+1[S]e+k-2e[P]

=k-1X+k+2X

k+1k--1k--2k+2M-M法k+1[S]e=k-1X則1.2.4動(dòng)力學(xué)特征與參數(shù)求解動(dòng)力學(xué)特征A.[S]＜＜Km（[S]＜0.01Km），r為直線，B.[S]＞＞Km（[S]＞100Km），r為直線C.0.01Km＜[S]＜100Km，r為曲線參數(shù)求解參數(shù)求解(a)Linewear-Bunk(b)Hane-Woolf(c)Eadie-Hofstee(d）積分法參數(shù)求解L-B法，雙倒數(shù)法（常用）特點(diǎn)：濃度小時(shí)，誤差大；方便，快速。

H-W法特點(diǎn)：橫坐標(biāo)均勻，易作圖，誤差小，便于分析E-H法（誤差?。┨攸c(diǎn)：易作圖，誤差小，但不易測(cè)量積分法特點(diǎn)：誤差小，不經(jīng)變量計(jì)算，工程上常用例2有一均相酶催化反應(yīng)，Km值為2×10-3mol/L,當(dāng)?shù)孜锏某跏紳舛萚S]0為1×10-5mol/L，若反應(yīng)進(jìn)行1min，則有2%的底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。試求：（1）當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行3min，底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的百分?jǐn)?shù)是多少？此時(shí)底物和產(chǎn)物的濃度分別是多少？（2）當(dāng)[So]為1×10-6mol/L，也反應(yīng)了3min，底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的百分?jǐn)?shù)是多少？（3）最大反應(yīng)速率rmax值為多少？解（1）根據(jù)題意：[S]0＜＜0.01Kmln([S]0/[S]）=（rmax/Km)t=Ktt=1min,Xs=0.02[S]=[S]0(1-XS)=0.98×10-5mol/L,K=0.0202min-1(2)[So]為1×10-6mol/L時(shí)，仍是一級(jí)反應(yīng)，t=3min,求得χ=6%[S]=9.4×10-6mol/L,[P]=0.6×10-6mol/L（3）K=rmax/Km=0.202min-1

rmax=4.04×10-5mol/(L?min)[例3]常溫下利用蔗糖酶水解蔗糖，蔗糖的初試濃度[S]0=1.0mmol/L，酶的初試濃度e0=0.001mmol/L

在實(shí)驗(yàn)室反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行分批操作，測(cè)得如下表中數(shù)據(jù)。試確定可否用米氏方程來描述反應(yīng)速率，若可以，求Km和k+2。t/h1234567891011[S]/(mmol/L)0.840.680.530.380.270.160.090.040.0180.0060.005ln([S0]-[S])[S0]-[S]1.0901.2051.3511.5611.7942.1822.6263.3534.0915.1476.006t[S0]-[S]6.2506.2506.3836.4526.8497.1437.6928.3339.16510.0611.028解：米氏方程轉(zhuǎn)換為Rmax/Km=1截距=-5.0846-1/Km=-5.0846Km=0.197mmol/Lk2=19.7/h1.3有抑制劑的酶催化動(dòng)力學(xué)不可逆抑制劑——失活可逆抑制劑——競(jìng)爭(zhēng)、非競(jìng)爭(zhēng)、反競(jìng)爭(zhēng)、混合(用透析等物理方法除去抑制劑)定義：凡能減慢或停止酶促反應(yīng)的化合物稱抑制劑。作用機(jī)制：抑制劑的主要作用是直接或間接地影響酶活性中心，改變活性中心的三維構(gòu)象，占據(jù)酶活性中心，從而使酶與底物的結(jié)合機(jī)率下降。1.3.1競(jìng)爭(zhēng)性抑制的酶催化動(dòng)力學(xué)概念：競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑和底物結(jié)構(gòu)相似，能和底物分子競(jìng)爭(zhēng)與酶的活性中心相結(jié)合，酶與抑制劑結(jié)合后，不能再與底物結(jié)合。

琥珀酸脫氫酶受丙二酸及草酰乙酸抑制。此二者競(jìng)爭(zhēng)酶與底物的結(jié)合部位，但不能被酶催化脫氫，故一旦結(jié)合在活性中心部位，就抑制了酶與底物的結(jié)合.機(jī)理

E+SESE+P

E+IEI推導(dǎo):M-M：rP=k+2X-e=e+X+[EI]k+1[S]e=k-1Xk-3[EI]=k+3e[I]k+2k+3k-3k+1k-1方程圖形討論A.Km[I]KmIB.處理方法[S]＞＞[I]可解除抑制[S]/r[S]無竟-kIm-km1.3.2非競(jìng)爭(zhēng)性抑制的酶催化動(dòng)力學(xué)

概念：機(jī)理推導(dǎo)方程圖形討論[S]不能解除抑制

無有1/[S]1/rs核苷對(duì)霉菌酸性磷酸酯酶1.3.3反競(jìng)爭(zhēng)性抑制的酶催化動(dòng)力學(xué)

概念：機(jī)理E+S[ES]E+P[ES]+I[SEI]推導(dǎo)方程圖形討論

無反

肼對(duì)芳香基硫酸酯酶1/[S]1/r競(jìng)爭(zhēng)性和非競(jìng)爭(zhēng)性抑制示意圖1.3.4線性競(jìng)爭(zhēng)性抑制的酶催化動(dòng)力學(xué)

概念：機(jī)理E+SESE+PE+IEI

EI+SSEIES+ISEI推導(dǎo)方程圖形討論A.KIS=KSI時(shí)，rSI為非競(jìng)爭(zhēng)性抑制動(dòng)力學(xué)；B.KSI∞，rSI為競(jìng)爭(zhēng)性抑制動(dòng)力學(xué)；C.KSI∞，rSI為反競(jìng)爭(zhēng)性抑制動(dòng)力學(xué)；D.KIS=≠KSI，且為常數(shù)，rSI為混合競(jìng)爭(zhēng)性抑制動(dòng)力學(xué)k+2KsαKsαKIKI1.3.5底物抑制的酶催化動(dòng)力學(xué)

概念：機(jī)理E+S[ES]E+P[ES]+S[SES]推導(dǎo)方程圖形討論

1.3.6小結(jié)抑制形式最大速率米氏常數(shù)抑制百分?jǐn)?shù)競(jìng)爭(zhēng)性抑制rmax

Km(1+)非競(jìng)爭(zhēng)性抑制rmax/(1+）Km反競(jìng)爭(zhēng)性抑制rmax/(1+）Km/(1+)幾種抑制動(dòng)力學(xué)的比較抑制百分?jǐn)?shù),表示抑制劑對(duì)酶催化反應(yīng)抑制的程度[例]在含有相同酶濃度的五個(gè)反應(yīng)物系中，分別加入不同濃度的底物，并測(cè)定其初始速率，然后再在五個(gè)反應(yīng)物系中分別加入濃度為1×10-6mol/L的抑制劑，并測(cè)定其初始的反應(yīng)速率，其數(shù)據(jù)如下表.試根據(jù)上述數(shù)據(jù)決定其抑制類型及動(dòng)力學(xué)參數(shù)。底物初始濃度[S]0mmol/L

無抑制時(shí)速率rsommol/(L·min)有抑制時(shí)速率rSImmol/(L·min)0.1028180.1536240.2043300.5063510.707463解:由題意作L-B圖,有圖可知-1/Km=-4.16-1/KmI=-0.27，-1/rmax=1×10-2rmax=100Km=0.24KmI=0.44102KI=0.27-4.16-0.271.4復(fù)雜酶催化動(dòng)力學(xué)A+B+C+???P+Q+R+???

隨機(jī)機(jī)制順序機(jī)制雙底物機(jī)制

有序機(jī)制乒乓機(jī)制T-C機(jī)制1.4.1隨機(jī)機(jī)制1.4.2有序機(jī)制①順序機(jī)制②T-C機(jī)制③乒乓機(jī)制多底物反應(yīng)可看成是一組反應(yīng)。類似這樣反應(yīng)多糖和蛋白質(zhì)等高分子化合物的酶的水解反應(yīng)是類似這樣反應(yīng)。最初底物具有一定的聚合度分布，底物種類很多；一般高分子底物的聚合度越大，酶促的反應(yīng)速率越大。1.5影響酶催化速率的因素內(nèi)部酶的結(jié)構(gòu)特性、底物的結(jié)構(gòu)特性外部濃度因素：[E]、[S]、[P]、[I]、[A]等操作因素：T、P、pH、離子強(qiáng)度1.1.5pH對(duì)影響酶催化速率的因素pH對(duì)酶的影響的兩個(gè)方面′pH對(duì)酶穩(wěn)定性影響（臺(tái)形）pH對(duì)酶活性影響（鐘形）產(chǎn)生的原因：

pH改變酶的活性中心，即改變其解離狀態(tài)，從而反應(yīng)速率。1.5.1pH值的影響

Michaelis假設(shè)①假定酶分子有兩個(gè)可解離的基團(tuán)，隨著pH值的變化，分別呈現(xiàn)出EH2、EH-及E2-三種狀態(tài)模型，既EH2

EH-E2-酸性條件下，酶呈現(xiàn)EH2狀態(tài)；當(dāng)pH增加，酶以EH-狀態(tài)存在；當(dāng)pH繼續(xù)增加，酶以E2-狀態(tài)在。②

上述三種解離狀態(tài)中，只有EH-型具有催化活性。③底物的解離狀態(tài)不變。④速率控制步驟為由EHS-生成產(chǎn)物的速率。

-H++H++H+-H+pH反應(yīng)機(jī)制S推導(dǎo)：-rs=rp=k+2[EHS-]E0=[EH2]-+[EH-]+[E2-]+[EH2S]+[EHS-]+[ES2-]方程討論：

1.5.2溫度的影響影響：A.在較低溫度的范圍內(nèi)，θ、r總B.在較高溫度的范圍內(nèi)，θ、r總動(dòng)力學(xué)模型Arrhenius公式：溫度與反應(yīng)速率的關(guān)系Eryring過渡理論：實(shí)驗(yàn)建立模型(a)1.6酶的失活動(dòng)力學(xué)影響酶活力因素：高溫、pH、有機(jī)溶劑等；失活模型：雙狀態(tài)模型多狀態(tài)模型機(jī)理kdNDkrDNDN1.6.1失活速率的實(shí)驗(yàn)測(cè)定失活曲線：在一定條件下，使酶溶液恒溫保持一定時(shí)間，間隔時(shí)間定時(shí)取樣，在酶的最適pH、溫度條件下測(cè)定其活力，以殘存酶活力與失活處理時(shí)間作圖，即得失活曲線。分析：A.間隔取樣B.測(cè)定時(shí)間一致C.注意有無底物D.在最適pH、溫度1.6.2酶的熱穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)熱穩(wěn)定曲線：在一定條件下，使酶溶液不同的恒溫中保持一定時(shí)間，在酶的最適pH、溫度條件下測(cè)定其活力，以殘存酶活力與失活處理溫度作圖，即得該活曲線。表示酶的熱穩(wěn)定性雙模型機(jī)理kr推導(dǎo)：e0=et-[D]

利用初始條件t=0,et=e0，解方程方程：

（可逆）①（不可逆）②討論大多數(shù)熱失活模型服從②大多數(shù)pH失活模型服從①半衰期t1/2=ln2/kd；表示酶活力衰減的程度，是酶的穩(wěn)定性參數(shù)；若考慮溫度與時(shí)間的關(guān)系，則1.6.3反應(yīng)時(shí)酶的熱失活動(dòng)力學(xué)

——操作穩(wěn)定性

操作穩(wěn)定性

：

酶在反應(yīng)中的穩(wěn)定性；機(jī)理：E+S[ES]E+P

DD+S方程：δkdk+1k-1k+2kdet=ef

+X分析

A.δ=1時(shí)，底物對(duì)酶失活沒影響。B.δ=0時(shí)，酶完全被底物所保護(hù)，復(fù)合物[ES]完全不失活，此時(shí)只有游離酶失活。C．0<δ<1時(shí)，底物對(duì)酶有部分保護(hù)作用，能在一定程度上抑制酶的失活。D．δ>1時(shí)，底物加速酶的失活。E．若只有游離酶失活時(shí)，其分批反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程F．如果還要考慮到在反應(yīng)時(shí)溫度對(duì)酶失活的影響。顯然其速率方程更加復(fù)雜。這里只討論零級(jí)不可逆酶催化反應(yīng)的情況。對(duì)零級(jí)不可逆反應(yīng)，[S]值趨于無窮大，因此有

對(duì)該式積分，得到當(dāng)[s]足夠大時(shí)，上式可簡(jiǎn)化為

進(jìn)行積分得到

復(fù)習(xí)題：復(fù)雜酶催化動(dòng)力學(xué)模型有哪幾類型？Michaelis假設(shè)怎樣描述pH對(duì)酶催化反應(yīng)速率的影響？酶失活速率測(cè)定的方法？產(chǎn)物很高時(shí)，反應(yīng)機(jī)制為

E+S[ES]E+PE+P[EP]試推導(dǎo)其反應(yīng)速率方程。k-3k+3k-1k+1k+2第2章

固定化酶催化反應(yīng)過程動(dòng)力學(xué)

本章重點(diǎn)：①影響固定化酶性質(zhì)動(dòng)力學(xué)因素；

②Da準(zhǔn)數(shù)與φ準(zhǔn)數(shù)的意義；本章難點(diǎn)：①內(nèi)擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型建立原理；②外擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型建立原理

酶與細(xì)胞的應(yīng)用：

①

cheese生產(chǎn)：牛奶+凝乳蛋白酶；②

淀粉糖生產(chǎn)：大米（玉米）+α-淀粉酶+β-淀粉酶+異淀粉酶；③

原料處理：酒精、甘油、乳糖、氨基酸；④

生絲脫膠：絲蛋白（絲膠包裹著）——胰蛋白酶、木瓜蛋白酶處理脫膠；⑤

醫(yī)藥生產(chǎn)：L-氨基酸⑥

有機(jī)酸生產(chǎn)：L-蘋果酸

固定化黃色短桿菌⑦

如用固定化氨基酸?；干a(chǎn)L—氨基酸；⑧

固定化青霉素酰胺酶水解青霉素G生產(chǎn)6—氨基青霉烷酸；⑨

固定化葡萄糖異構(gòu)酶生產(chǎn)高果糖漿；⑩

固定化糖化酶生產(chǎn)葡萄糖固定化酶定義定義：固定化酶亦稱固相酶或水不溶酶。它是通過物理或化學(xué)的方法使溶液酶轉(zhuǎn)變?yōu)樵谝欢ǖ目臻g內(nèi)其運(yùn)動(dòng)受到完全約束、或受到局部約束的一種不溶于水，但仍具活性的酶。它能以固相狀態(tài)作用于底物進(jìn)行催化反應(yīng)。優(yōu)點(diǎn)：不僅固定化酶可以反復(fù)使用，而且產(chǎn)物不受污染容易精制；固定化后的酶大多數(shù)情況下其穩(wěn)定性增加，僅有少數(shù)的穩(wěn)定性下降；固定化酶有一定的形狀和一定的機(jī)械強(qiáng)度，可以裝填在反應(yīng)器中長(zhǎng)期使用，便于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)連續(xù)化和自動(dòng)化。固定化酶方法：

載體結(jié)合法、交聯(lián)法、包埋法

1.載體結(jié)合法：將酶結(jié)合于水不溶性載體的一種固定化方法。根據(jù)結(jié)合的形式不同，又可分為物理吸附法、離子結(jié)合法和共價(jià)結(jié)合法等。A.物理吸附法：指酶被物理吸附于不溶性載體的一種固定化方法。載體有活性炭、多孔玻璃、氧化鋁、硅膠、淀粉、合成樹脂等。

特點(diǎn)：酶活性中心不易被破壞，酶結(jié)構(gòu)變化少的優(yōu)點(diǎn)，但它有酶與載體相互作用力弱，酶易脫落的缺點(diǎn)。

1.載體結(jié)合法：B.離子結(jié)合法：酶通過離子鍵結(jié)合于具有離子交換基的水不溶性載體的固定化方法。此法的載體有多糖類離子交換劑和合成高分子離子交換樹脂。例如DEAE—纖維素、GM—纖維素等特點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，條件溫和，酶的高級(jí)結(jié)構(gòu)和活性中心的氨基酸殘基不易被破壞，能得到酶活回收率較高的固定化酶。但是載體與酶的結(jié)合力較弱，容易受緩沖液種類或pH的影響，在離子強(qiáng)度高的條件下反應(yīng)時(shí)，酶易從載體上脫落。1.載體結(jié)合法：C共價(jià)結(jié)合法：酶以共價(jià)結(jié)合于載體的固定化方法，它是載體結(jié)合法中應(yīng)用最多的一種。此法或是將載體有關(guān)基團(tuán)活化，然后與酶有關(guān)基團(tuán)發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)；或是在載體上接一個(gè)雙功能試劑，然后將酶偶聯(lián)上去。可與載體結(jié)合的酶的功能團(tuán)有氨基、羧基、羥基、酚基等。特點(diǎn)：共價(jià)結(jié)合法反應(yīng)條件比較苛刻，操作復(fù)雜，并且易引起酶高級(jí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，破壞了部分活性中心，酶活回收率一般為30％左右。代表性的方法有重氮法、溴化氰法等。2.交聯(lián)法雙功能或多功能試劑使酶與酶之間交聯(lián)的固定化方法。此法與共價(jià)結(jié)合法一樣也是利用共價(jià)鍵固定酶的，不同的是它不使用載體。做為交聯(lián)劑的有形成希夫堿的戊二醛、形成肽鍵的異氰酸酯、發(fā)生重氮偶合反應(yīng)的雙重氮聯(lián)苯胺等。特點(diǎn)：應(yīng)用條件較激烈、酶活回收率低。3.包埋法

分網(wǎng)格型和微囊型網(wǎng)格型：埋在高分子凝膠細(xì)微網(wǎng)格中的方法。微囊型：包埋在高分子半透膜中的方法。特點(diǎn)：包埋法一般很少改變酶的高級(jí)結(jié)構(gòu)，酶活回收率較高，因此可用于許多酶的固定化，但必須巧妙地設(shè)計(jì)反應(yīng)條件。適合范圍：小分子底物和產(chǎn)物的酶，因?yàn)橹挥行》肿硬趴梢酝ㄟ^高分子凝膠的網(wǎng)格進(jìn)行擴(kuò)散。

固定化酶的模式(5)疏水作用；（6）脂質(zhì)體包埋；（7）微膠囊2.1固定化酶催化的動(dòng)力學(xué)特征

酶固定化后性質(zhì)的變化評(píng)價(jià)固定化酶指標(biāo)：酶活力表現(xiàn)率和酶活力收率影響固定化酶動(dòng)力學(xué)的因素固定化酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2.1固定化酶催化的動(dòng)力學(xué)特征

酶固定化后性質(zhì)的變化：①

底物專一性的改變：②

pH的改變③

穩(wěn)定性——熱的穩(wěn)定性、貯藏穩(wěn)定性、操作穩(wěn)定性④

動(dòng)力學(xué)的改變。原因：①酶自身的變化——主要由于活性中心氨基酸殘基、空間結(jié)構(gòu)和電荷狀態(tài)變化；②載體的物理和化學(xué)性質(zhì)的變化。大多數(shù)酶在固定化后，其Km值增加，表示

催化反應(yīng)活性將下降。也有少數(shù)酶固定化后活性無變化，甚至有所增大。評(píng)價(jià)這種活性變化可用下述兩種指標(biāo)來衡量：酶活力表現(xiàn)率和酶活力收率。酶活力表現(xiàn)率（相對(duì)活力）：實(shí)際測(cè)定的固定化酶的總活力與被固定化了的酶在溶液狀態(tài)時(shí)的總活力之比。酶活力收率（活力回收）：實(shí)際測(cè)定的固定化酶的總活力與固定化時(shí)所用的全部游離酶的活力之比。上述兩種指標(biāo)之差別在于是否考慮了所剩余的未被固定化的酶。

影響固定化酶動(dòng)力學(xué)的因素分子構(gòu)象的改變位阻效應(yīng)微擾效應(yīng)分配效應(yīng)擴(kuò)散效應(yīng)固定化酶反應(yīng)歷程①底物從液相主體傳向固定化酶周圍的滯流液層（外表面）；②底物擴(kuò)散通過這一滯流液層到載體外表面；③進(jìn)行酶促反應(yīng)；④底物由載體外表面向載體內(nèi)擴(kuò)散；⑤產(chǎn)物由內(nèi)部擴(kuò)散到載體外表面；⑥產(chǎn)物由載體外表面到滯流液層；⑦產(chǎn)物由滯流液層傳遞到主體溶液當(dāng)酶固定化于載體的外表面時(shí)，沒有④和⑤兩個(gè)階段。①和②、⑥和⑦是屬于外擴(kuò)散過程，④、⑤則為內(nèi)擴(kuò)散過程。可以看出，固定化酶的催化反應(yīng)受到了物質(zhì)傳遞和酶促反應(yīng)兩個(gè)方面的影響。固定化酶反應(yīng)歷程影響固定化酶動(dòng)力學(xué)的因素

（1）分子構(gòu)象的改變：指固定化過程中酶和載體的相互作用引起酶的活性中心或調(diào)節(jié)中心的構(gòu)象發(fā)生了變化，導(dǎo)致酶與底物的結(jié)合活力下降的一種效應(yīng)。特點(diǎn)：難以定量描述與預(yù)測(cè)。多出現(xiàn)于吸附法和共價(jià)偶聯(lián)法的固定化酶中。（2）位阻效應(yīng)：載體的遮蔽作用(如載體的空隙太小，或者固定化位置或方法不當(dāng)，給酶的活性中心或調(diào)節(jié)中心造成空間障礙，使底物和效應(yīng)物無法與酶接觸等)引起的。特點(diǎn)：選擇適宜的載體與固定化方法，可消除這種不利因素的影響，但這種效應(yīng)難以定量描述與預(yù)測(cè)。（3）微擾效應(yīng)由于載體的親水性、疏水性及介質(zhì)的介電常數(shù)等，使緊鄰固定化酶的環(huán)境區(qū)域(微環(huán)境)發(fā)生變化，改變了酶的催化能力及酶對(duì)效應(yīng)物做出調(diào)節(jié)反應(yīng)的能力。特點(diǎn)：這種效應(yīng)難以定量描述和預(yù)見，但可以通過改變載體與介質(zhì)的性質(zhì)而做出判斷與調(diào)節(jié)。空間效應(yīng)模擬圖（4）分配效應(yīng)

分配效應(yīng)是由于固定化載體與底物或效應(yīng)物之間的疏水性，親水性及靜電作用所引起微環(huán)境(固定化酶緊鄰的微觀局部環(huán)境)和宏觀環(huán)境之間物質(zhì)的不等分配，改變了酶反應(yīng)系統(tǒng)的組成平衡，從而影響酶反應(yīng)速率的一種效應(yīng)。特點(diǎn)：可以通過分配速率KP來定量描述（4）分配效應(yīng)Kp的定義是載體內(nèi)外底物(或其他物質(zhì))濃度之比。測(cè)定Kp方法：在已知濃度和體積的底物溶液中，放人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(cè)定載體外溶液中的底物濃度。（5）擴(kuò)散限制指底物、產(chǎn)物及其他效應(yīng)物的遷移和傳遞速度所受到的一種限制。

物質(zhì)的傳遞過程包括分子擴(kuò)散和對(duì)流擴(kuò)散。這種擴(kuò)散過程的速率在某些情況下可能會(huì)對(duì)反應(yīng)速率產(chǎn)生限制作用。

擴(kuò)散限制效應(yīng)可分為外擴(kuò)散限制效應(yīng)和內(nèi)擴(kuò)散限制效應(yīng)。

特點(diǎn)：可以通過引入相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行定量分析。分配效應(yīng)與擴(kuò)散效應(yīng)分配效應(yīng)擴(kuò)散效應(yīng)分配和擴(kuò)散效應(yīng)同時(shí)作用固定化酶剖面圖及濃度分布圖固定化酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)本征動(dòng)力學(xué)

指酶的真實(shí)動(dòng)力學(xué)行為，包括溶液酶和固定化酶在內(nèi)。對(duì)后者，它僅將空間效應(yīng)的影響考慮在內(nèi)。從這個(gè)意義上講，固定化酶的本征動(dòng)力學(xué)與溶液酶的本征動(dòng)力學(xué)是有差別的。固有動(dòng)力學(xué)

在本征動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上，僅僅考慮由于這種分配效應(yīng)而造成的濃度差異對(duì)動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生的影響，所建立的動(dòng)力學(xué)稱為固有動(dòng)力學(xué)

表觀動(dòng)力學(xué)表觀動(dòng)力學(xué)不論分配效應(yīng)是否存在，固定化酶受到擴(kuò)散限制時(shí)所觀察到的速率稱為有效反應(yīng)速率，或稱為宏觀反應(yīng)速率。

據(jù)此所建立的動(dòng)力學(xué)方程稱為宏觀動(dòng)力學(xué)方程，或稱為有效動(dòng)力學(xué)方程。所建立的宏觀動(dòng)力學(xué)方程也不完全服從M—M方程形式。固定化酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)2.2外擴(kuò)散限制效應(yīng)

特征：①底物：液相主體

固定化酶外表面

固定化酶外表面反應(yīng)②產(chǎn)物：固定化酶外表面

液相主體外擴(kuò)散是先于反應(yīng)發(fā)生，與反應(yīng)過程是串聯(lián)進(jìn)行的。2.2.1外擴(kuò)散速率對(duì)酶催化反應(yīng)速率的限制

A.速率方程

假定對(duì)一非帶電的固定化酶，其外表面上的反應(yīng)速率符合M—M方程形式，即底物由液相主體擴(kuò)散到固定化酶外表面的速率應(yīng)表示為NS=kLα([S]-[S]S)kLα——體積氧傳遞系數(shù)（1/S）定態(tài)條件下