第2章酶促反应动力学课件.ppt

生物反应工程原理生物反应工程原理第二章第二章 酶促反应动力学酶促反应动力学主要内容主要内容1. 1. 酶与固定化酶的性质酶与固定化酶的性质2.2. 利用稳态法和快速平衡法建立酶促反应动力学方程利用稳态法和快速平衡法建立酶促反应动力学方程3.3. 操作参数（温度与操作参数（温度与pHpH）对酶促反应的影响）对酶促反应的影响4.4. 酶的抑制动力学酶的抑制动力学5.5. 固定化酶促反应动力学固定化酶促反应动力学6.6. 酶的失活动力学酶的失活动力学了了解解酶酶的的失失活活动动力力学学与与反反应应过过程程中中酶酶失失活活动力学行为动力学行为掌握零级、一级和米氏酶促反应动力学方掌握零级、一级和米氏酶促反应动力学方程及其应用原理程及其应用原理熟悉酶促反应与化学反应的区别与特点熟悉酶促反应与化学反应的区别与特点具备分析固定化酶反应过程中的传质与反应具备分析固定化酶反应过程中的传质与反应和固定化酶动力学反应不同阶段特性的能力和固定化酶动力学反应不同阶段特性的能力目的目的学习的目的学习的目的了解抑制酶促反应动力学的特征了解抑制酶促反应动力学的特征21 酶与固定化酶的性质酶与固定化酶的性质1.1.酶酶2.2.固定化酶固定化酶l熟悉酶促反应与一般化学反应的区别与特点熟悉酶促反应与一般化学反应的区别与特点l掌握酶促反应过程中的一些基本概念掌握酶促反应过程中的一些基本概念211 酶酶生物反应工程是建立在生物科学与工程学基础之上。

生物反应工程是建立在生物科学与工程学基础之上生物反应离不开生物催化剂，因此首先应深入了解生物催生物反应离不开生物催化剂，因此首先应深入了解生物催化剂的基本概念化剂的基本概念酶是生物体为其自身代谢活动而产生的生物催化剂，除具酶是生物体为其自身代谢活动而产生的生物催化剂，除具有催化活性的有催化活性的RNA外基本都是蛋白质外基本都是蛋白质基本概念：基本概念： 1) 为什么称酶促反应？不说酶反应？为什么称酶促反应？不说酶反应？ 2) 生物催化剂与化学催化剂具有相同的性质吗？生物催化剂与化学催化剂具有相同的性质吗？ 3）购买酶时，是购买的活力还是什么？）购买酶时，是购买的活力还是什么？酶的分类酶的分类国际生物化学联合会国际生物化学联合会(International Union of Biochemistry IUB)国际酶学委员会国际酶学委员会(Enzyme Commission, EC)于于1961年年提出的酶的分类与命名方案的规定，按照酶进行催化反应提出的酶的分类与命名方案的规定，按照酶进行催化反应的类型，可将酶分为六类：的类型，可将酶分为六类： 1 1）氧化还原酶类）氧化还原酶类(oxidoreductases) (oxidoreductases) 2 2）转移酶类）转移酶类(transferases) (transferases) 3 3）水解酶类）水解酶类(hydrolases) (hydrolases) 4 4）裂合酶）裂合酶(lyases)(lyases) 5 5）异构酶）异构酶(isomerases)(isomerases) 6 6）连接（或合成）酶）连接（或合成）酶(ligase, synthetases)(ligase, synthetases)酶的分类酶的分类例如：例如：第一亚第一亚类（氧类（氧化基团化基团是是CHOH） 在此亚在此亚亚类中亚类中的顺序的顺序号号第一大第一大类（氧类（氧化还原化还原酶）酶）第一亚第一亚亚类亚类（NAD为为H的的受体）受体）编号编号EC1.1.1.1（已醇脱氢酶）（已醇脱氢酶）酶的催化共性酶的催化共性1）降降低低反反应应的的活活化化能能 如如过过氧氧化化氢氢的的分分解解，无无催催化化剂剂时时反反应应活活化化能能为为75.31kJ/mol，加加入入过过氧氧化化氢氢酶酶后后，过过氧氧化化氢氢分分解解反应的活化能为反应的活化能为8.37kJ/mol；2）加加快快反反应应速速率率 一一般般非非酶酶催催化化反反应应速速率率太太低低，不不易易观观察察，酶酶催催化化反反应应速速率率和和在在相相同同pH值值与与温温度度下下非非酶酶催催化化反反应应速速率率可可直直接接比比较较的的例例子子很很少少。

已已知知己己糖糖激激酶酶可可加加快快反反应应速速率率，大于大于1010倍；乙醇脱氢酶大于倍；乙醇脱氢酶大于2108倍酶的催化共性酶的催化共性3）不能改变反应的平衡常数，只能加快反应达到平衡的速不能改变反应的平衡常数，只能加快反应达到平衡的速度度另另外外，反反应应中中酶酶的的立立体体结结构构和和离离子子价价态态可可能能发发生生变变化化，但但在在反应结束时，酶本身一般不消耗，并恢复到原来状态反应结束时，酶本身一般不消耗，并恢复到原来状态酶的生物催化特性酶的生物催化特性 1）很强的专一性）很强的专一性 底物专一性底物专一性(substrate specificity) 反应专一性反应专一性(reaction specificity) 立体专一性立体专一性(stereo specificity) 2）较较高高的的催催化化效效率率, 酶酶的的催催化化反反应应是是在在常常温温、常常压压等等温温和和条条件下进行的，相对于此条件下的化学反应，催化效率高件下进行的，相对于此条件下的化学反应，催化效率高另另外外，酶酶易易失失活活；酶酶的的催催化化活活力力与与辅辅酶酶、辅辅基基及及金金属属离离子子有有关关；酶酶活活性性受受到到浓浓度度参参数数、激激素素的的量量、反反馈馈抑抑制制等等因因素素的的调节和控制。

调节和控制 酶催化活力的定义酶催化活力的定义 酶的催化效率是用酶活力表示酶的催化效率是用酶活力表示在在一一定定条条件件（如如25，在在具具有有最最适适底底物物浓浓度度、最最适适缓缓冲冲液液离离子子强强度度和和pH值值）下下，min能能催催化化mol底底物物转转化化为为产产物时所需要的酶量为一个国际单位（物时所需要的酶量为一个国际单位（IU）1972年年国国际际酶酶学学委委员员会会推推荐荐一一个个新新的的酶酶活活力力国国际际单单位位katal，符号为，符号为katkat的定义：在最适条件下的定义：在最适条件下1 s催化催化mol底物转化的酶量底物转化的酶量 1 kat= 1mol/s = 60106mol/min = 6107 IU 1 IU = 1mol/min = 1/60mol/s = 1/60kat = 16.6710-9 kat酶的比活力为每千克酶所具有的酶的比活力为每千克酶所具有的katal数，即数，即kat/kg酶的调节功能酶的调节功能 酶酶是是生生物物催催化化剂剂，而而且且具具有有调调节节功功能能生生物物反反应应中中的的有有序序性性受受多多方方面面因因素素调调节节与与控控制制，而而酶酶活活力力的的控控制制是是代代谢谢调调节节作用的主要方式。

作用的主要方式酶酶活活力力的的调调节节方方式式：1）酶酶浓浓度度的的调调节节；2）激激素素调调节节；3）共共价价修修饰饰调调节节；4）限限制制性性蛋蛋白白水水解解作作用用与与酶酶活活性性调调控控；5）抑抑制制剂剂调调节节；6）反反馈馈调调节节；7）金金属属离离子子和和其其它它小小分分子化合物的调节等子化合物的调节等酶酶还还是是一一类类多多用用途途的的催催化化剂剂，通通过过特特殊殊操操作作，可可产产生生具具有有两两种种或或更更多多种种不不同同功功能能（或或活活性性中中心心）的的酶酶此此外外，酶酶的的区区域域化化（compartmentation）和和多多酶酶复复合合体体等等都都和和酶酶活活力力的调节控制有密切关系的调节控制有密切关系引起酶失活的原因引起酶失活的原因1 1）酶活性中心特定氨基酸（或其它）残基被化学修饰；）酶活性中心特定氨基酸（或其它）残基被化学修饰；2 2）外部环境的影响，酶活性中心出现空间障碍，使其不能）外部环境的影响，酶活性中心出现空间障碍，使其不能与底物相结合；与底物相结合；3 3）酶的高级结构发生变化，相对而言是一种宏观变化；）酶的高级结构发生变化，相对而言是一种宏观变化；4 4）多肽链的断裂，可以说是一种）多肽链的断裂，可以说是一种“激烈的分解作用激烈的分解作用”；5 5）确保酶活力稳定的方法确保酶活力稳定的方法低温（冷冻保存）低温（冷冻保存）添加盐类添加盐类添加底物添加底物添加有机溶剂添加有机溶剂化学修饰化学修饰加入强变性剂加入强变性剂加入蛋白质加入蛋白质结晶化结晶化固定化固定化难以被化学物质或蛋白酶等破坏难以被化学物质或蛋白酶等破坏例如加入高浓度硫铵后，增强酶高级结构的稳定性例如加入高浓度硫铵后，增强酶高级结构的稳定性保护酶的活性中心，有利于酶分子高级结构的稳定保护酶的活性中心，有利于酶分子高级结构的稳定酶分子构象刚性增强等酶分子构象刚性增强等稳定酶的高级结构，保护酶的活性中心稳定酶的高级结构，保护酶的活性中心只要保留一级结构，仍可再生只要保留一级结构，仍可再生加入清蛋白（加入清蛋白（albuminalbumin）等用于保护在稀薄状态下易发生变）等用于保护在稀薄状态下易发生变性失活的酶类性失活的酶类有利于高级结构的稳定有利于高级结构的稳定防止或减少蛋白酶的作用防止或减少蛋白酶的作用稳定化方法稳定化方法稳定的原因稳定的原因酶应用的特点酶应用的特点1) 1) 酶的稳定性及应用特点酶的稳定性及应用特点2) 2) 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3) 3) 酶有不同的质量等级：酶有不同的质量等级： 工业用酶工业用酶 食品用酶食品用酶 医药用酶医药用酶 实际应用酶时应注意，没有必要使用比工艺条件所需实际应用酶时应注意，没有必要使用比工艺条件所需纯度更高的酶。

纯度更高的酶酶应用的特点酶应用的特点酶应用的特点酶应用的特点酶应用的特点酶应用的特点酶应用的特点酶应用的特点经典酶学研究中，酶活力的测定是在反应的初始短时间内经典酶学研究中，酶活力的测定是在反应的初始短时间内进行的，并且酶浓度、底物浓度较低，且为水溶液，酶学进行的，并且酶浓度、底物浓度较低，且为水溶液，酶学研究的目的是探讨酶促反应的机制研究的目的是探讨酶促反应的机制工业上，为保证酶促反应高效率完成，常需要使用高浓度工业上，为保证酶促反应高效率完成，常需要使用高浓度的酶制剂和底物，且反应要持续较长时间，反应体系多为的酶制剂和底物，且反应要持续较长时间，反应体系多为非均相体系，有时也在有机溶剂中进行非均相体系，有时也在有机溶剂中进行酶应用的特点酶应用的特点酶在有机溶剂中的优点：酶在有机溶剂中的优点：溶解度较大，溶解度较大，且其且其热稳定性和储存稳定性比在水中有明显热稳定性和储存稳定性比在水中有明显提高；提高；某些反应过程的热力学平衡可以向期望的方向移动，可以某些反应过程的热力学平衡可以向期望的方向移动，可以发生水溶液中不可能进行的反应，如脂肪酶催化酯交换和发生水溶液中不可能进行的反应，如脂肪酶催化酯交换和酯合成反应等；酯合成反应等；酶分子构象表现出比在水溶液中更有刚性的特点，因而可酶分子构象表现出比在水溶液中更有刚性的特点，因而可以通过选择不同性质的溶剂来调控酶的某些选择性；以通过选择不同性质的溶剂来调控酶的某些选择性；产物的分离与纯化比在水中容易；产物的分离与纯化比在水中容易；另外酶不溶于有机溶剂因此有利于酶的回收与再利用等。

另外酶不溶于有机溶剂因此有利于酶的回收与再利用等酶应用的特点酶应用的特点有机溶剂中，猪胰脂肪酶催化正己酸和无水乙醇合成己酸有机溶剂中，猪胰脂肪酶催化正己酸和无水乙醇合成己酸乙酯的反应：乙酯的反应：以环己烷为反应介质以环己烷为反应介质, 正己酸浓度正己酸浓度0. 6 m o l/L, n(正己酸正己酸)：n( 无水乙醇无水乙醇) = 1：1.25, 加酶量加酶量15 g /L, 反应温度反应温度37 , 反应反应24 h 后后, 产率达到产率达到90.5%2-1-2 固定化酶固定化酶1. 1. 固定化酶的基本概念固定化酶的基本概念2. 2. 酶固定化的方法酶固定化的方法3. 3. 。