生化反应工程-周华从.ppt
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1、,制药反应工程,第六章 生化反应工程基础 赵瑞芬 周华从 2015年11月,生化反应工程基础知识;生化反应工程特点;,酶催化反应及其动力学;微生物反应及其动力学;,6.1,概述,6.2,生化反应动力学基础,固定化生物催化剂,生化反应器,酶和细胞的固定化;固定化生物催化剂的催化动力学;,生化反应器类型;生化反应器计算,6.3,6.4,生化反应工程基础知识;生化反应工程特点;,酶催化反应及其动力学;微生物反应及其动力学;,6.1,概述,6.2,生化反应动力学基础,6.1 概述,生化反应 工程,生物化学 工程,化学反应 工程,使用生物催化剂;生物技术实现产业 化的关键之一。,生化反应本质是化学反应;
2、用化学反应工程的原理和方 法解决生化反应问题,生化反应工程将化学反应工程的原理和方法用于生化反应及生化反应器设计、分析及确定最优操作条件的一门科学分支。,6.1.1 生化反应工程基础知识,研究对象:生物催化剂与生化反应、生化反应器设计与分析,6.1 概述,反应工程研究内容,反应工程,反应动力学,反应器设计与分析,研究内容:,?,生化,生化,生化,6.1.1 生化反应工程基础知识,游离酶或固定化酶、游离细胞或固定化细胞。,6.1 概述,原料预处理;生物催化剂制备及生化反应;产品分 离与纯化。,应用生物学、化学和工程学的基本原理,利用生物体(如微生物、动/植物细胞)或其组成部分(如酶或细 胞器)来
3、生产有用物质,或为人类提供某种服务的技术。,生物催化剂:,生化反应:,生物技术:,由生物催化剂催化的反应。包括三个过程:,与化学反应过程相比较,生化反应过程具备以下特点:,6.1 概述,6.1.2 生化反应工程特点,生物催化剂除单酶体系外,多酶或微生物细胞催化体系复杂;通常为气液固多相系统,反应物系复杂,;具有反应条件温和、催化专一性强和反应选择性高的优点;生物催化剂对环境敏感,对反应器的构造和过程控制要求较高;反应速率通常受到反应物和产物浓度的限制,且所需反应器体积较大。,一、酶的概述,1 酶的分类:,酶(Enzyme)是由活细胞产生的具有催化活性和高度 选择性的特殊蛋白质。,组 成,单纯蛋
4、白质,酶蛋白分子与辅助因子组成全酶,酶的分类:按照酶催化反应类型,分为:,氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂合酶、异构酶和合成酶,参考:生物化学,王镜岩 等,第三版,北京大学出版社,6.2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,酶具有一般化学催化剂所具有的性质。,降低反应的活化能;不影响反应的平衡常数;加速反应的进行;酶本身不被消耗,且能恢复到原来的状态。,酶同时具有蛋白质的性质。,需要适宜的反应温度、pH、溶剂的介电常数、离子强度等,极易受到物理因素和化学因素的影响,容易失活甚至变性。,6.2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,2 酶的特性:,E(Enzyme
5、),酶;,S(Substrate),底物;,以单底物S生成产物P的酶催化反应为例,其反应历程为:,P(Product),产物;,酶和底物非共价键结合,形成酶-底物中间络合物ES;ES络合物解离,生成产物P并释放E,开始下一个底物 的反应。,6.2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,3 酶催化反应历程:,酶的活性:即酶催化反应速率,在规定条件下,每微摩尔酶每分钟催化底物转化的微摩尔数。,酶单位:在规定条件下,每分钟催化1微摩尔底物转化为产物所需的酶量,定义为一个酶单位(U,Unit)。,二者关系:若酶的活性为 a mol/(min mol),则一个酶单位可表示为 1/a mo
6、l/(min mol),6.2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,4 酶的活性定义:,酶催化与化学催化反应能量变化,与化学催化相比较,酶催化有如下特点:,6.2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,5 酶催化特点:,酶的催化效率高:通常比非酶催化高107 1013倍。,?,酶催化降低了从底物到过渡态络合物所需的活化能,且不改变反应中总能量的变化。,专一性,酶对底物的专一性,底物结构专一性,立体专一性,酶对基团的专一性,酶催化反应具有高度的专一性:,酶对反应的专一性,6.2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,5 酶催化特点:,6.2 生化
7、反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,反应条件温和;,选择性高,副产物少,易于分离;,对环境因素敏感,具有适宜的反应温度、pH、离子 强度等。,5 酶催化特点:,反应温度:酶催化反应速率与温度曲线呈钟罩形。反应pH:影响酶与底物结合和解离的速率;甚至影响 酶的空间结构,6.2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,6 影响酶催化反应速率的因素:,酶浓度、底物浓度、产物浓度、离子强度和抑制剂等。,对于典型的单底物酶催化反应:,反应机理可表示为:,6.2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,二 单底物酶催化反应动力学米氏方程,一定条件下,反应速率 r与
8、底物浓度S关系:,通过米氏方程(Michaelis-Menten Equation)定量描述反应速率与底物浓度的关系:,cS为底物S的浓度;rmax=k2cE0是最大反应速率(所有酶分子均与底物结合),其中cE0为酶的初始浓度;,6.2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,,称为米氏常数,表示酶和底,物间的亲和力大小:Km越小,则亲和力越大,ES越不易解离;Km与酶催化反应物系的特性及其反应条件有关,是酶催化反应性质的特性常数。,底物浓度与酶催化反应速率的关系,当cS,Km时,底物浓度低,一级反应;,当底物浓度为中间值时,随着cS增大反应从一级向零级过渡,为变级数过程。,6.
9、2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,当cS,Km时,底物浓度高,零级反应;,当Km=cS时,r=rmax/2,Km数值上等于反应速率为rmax/2 时cS的值。,6.2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,米氏方程变形公式Lineweaver-Burk法(L-B法),6.2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,例题分析,例题(P251):在pH为5.1及15下,测得葡萄糖淀粉酶水解麦芽糖的初速率与麦芽糖浓度的关系如下:,求:该淀粉酶水解麦芽糖反应的Km和rmax?,酶催化反应中,某些物质(外源物质、反应底物或产物等)的存在使反应速率下降
10、,这些物质被称作抑制剂(I,Inhibitor),其效应称为抑制作用。,可逆抑制:酶与抑制剂之间靠非共价键结合,存在解离 平衡,可通过透析等方法除去,不可逆抑制:酶与抑制剂之间靠共价键相结合,使活性酶 浓度降低,根据抑制机理不同,可逆抑制分为:竞争性抑制、非竞争性抑制、反竞争性抑制、底物抑制。,6.2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,三 有抑制作用时的酶催化反应动力学,抑制作用,1 竞争性抑制,当抑制物与底物的结构类似时,它们将竞争酶的同一可结合部位(活性位),阻碍了底物与酶相结合,导致酶催化反应速率降低。,6.2 生化反应动力学基础,6.2.1 酶催化反应及其动力学,6
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