E S [ES] E P E I [EI] [EI] S KS [EIS] [ES] I KI [ESI]
底物 抑制
产物 抑制
E S [ES ] E P S [ES ] [SES ]
E S [ES ] E P E P [EP]
所消耗的底物. 3. 产物的抑制作用不计.
有两种推导反应速率方程的方法:平衡假设法和拟稳态假设法.
平衡假设法—Michaelis-Menten方程
平衡假设：认为酶催化反应历程中，生成产物一步的反应速率要慢于底物S和酶 形成中间复合物的可逆反应速率，因此生成产物一步的反应速率决定整个酶催 化反应的速率，生成复合物的可逆反应则达到平衡状态。
流量分析，介绍代谢工程进展。 • 重点：
各种情况下的酶和细胞反应（过程）的动力学方程及其在形式 上差异、简单的代谢流量分析。 • 难点：
酶催化反应动力学机理方程的推导。
第一节 均相酶催化反应动力学
酶催化反应过程分为：均相酶催化反应过程和非均相酶催化反应过程。 均相酶催化反应 定义: 指酶和反应物系处于同一相(液相)中的酶催化反应. 特点: 不存在相间的物质传递.所描述的反应速率与反应物系的基本关系反映
拟稳态假设法—Briggs-Haldane方程
拟稳态假设：认为由于反应体系中底物浓度要比酶的浓度高得多，中间复合物 分解时所得到的酶又立即与底物相结合，使得反应体系中复合物的浓度维持不 变，即中间复合物的浓度不随时间变化，即：
dC[ES] 0 dt
根据反应机理和拟稳态假设，有下述方程式：
dCP dt
所示。
rm ax
该曲线表示了三个不同动力学特点的区域： rS
1
•当CS KS 时，即底物浓度比值小得多时，该曲 2 rmax
线近似为一直线。这表示反应速率与底物浓度
近似成正比关系，此时的酶反应可以看为一级
反应。此时，大部分酶为游离酶，与底物结合 0 Km
CS
的酶很少，要提高反应速率，只有增加底物的
根据假设有： r rP kC[ES]
根据生成复合物的可逆反应有：
k 1C E C S
k1C[ES]
CE

k1C[ES ] k1CS

KS
C[ES ] CS
CE0 CE C[ES]
CE0

KS
C[ES ] CS
C[ES]

C[ES] (1
KS CS
)

C[ES ]
了该反应过程的本征动力学关系,是分子水平上的反应.本征动力学可以 说明反应机理,即阐明各基元反应如何进行,也就是反应历程. 研究均相酶催化反应的目的:阐明反应机理及设计反应器及其操作. 非均相酶催化反应 指酶和反应物系不处于同一相(液相)中的酶催化反应，同时还存在固相 或另一个液相，因而存在相间的物质传递。这些情况主要有固定化酶反应、 双水相酶反应及有机相酶催化反应等。 这部分内容将在第三章生物反应器中的传质与传热中讨论。
k C[ES ]
dCS dt
k1CECS
k1C[ES ]
dC[ESES ] k C[ES ]
0
CE0 CE C[ES]
C[ES ]


(k1 k ) k1CS
C[ ES ]
CE0
C[ES ]

CE 0CS
CS
各底物浓度对反应速率的影响在动力学方程中已可明显看出。本部分只讨论 温度和pH值对反应速率的影响。
• pH值的影响
酶分子上有许多酸性和碱性的氨基酸侧链基团。如果要其表现出活性，则这 些基团必须有一定的解离形式。随着pH值的变化，这些基团可以处在不同的解 离状态，具有催化活性的离子基团仅是其中的一种特定的解离形式。因此，随 着pH值的变化，具有催化活性的离子基团在总酶量中所占的比例就会不同，因 此其所具有的催化能力也不同。
rS

1 V
dnS dt
rP

1 V
dnP dt
底物的消耗速率,mol/(L.S) 产物的生成速率,mol/(L.S)
上式中：V--反应体系的体积,L. nS , nP --为底物S和产物P的量,mol. t—为时间,S.
根据质量作用定律,P的生成速率可以表示为: rP kC[ES] 由于中间复合物[ES]的浓度 C[ES] 为一难测定的未知量,因此不能用它来表示最 终的速率方程.为此,需用反应体系中的可测量来代替该未知量.这样得到的反应速 率方程可以用来描述反应的进行,知道随着反应的进行各组分浓度的变化情况,据 此可以设计相关的反应器. 下面我们来推导.对于上述反应,我们假设: 1. 在反应过程中,酶浓度保持恒定,即 CE0 CE C[ES] 2. 与底物S的浓度相比,酶的浓度很小,因此可以不计由于生成中间复合物[ES]
抑制剂不能直接与酶结合，
E S [ES ] E P
只能与复合物[ES]结合形成[ESI]。 [ES ] I [ESI ]
线性混合 型抑制
基本上与非竞争性抑制相同，不 同的是当[EI]与S结合形成[EIS] 时，由于抑制剂的存在影响了[EI] 与S的结合，其解离常数需乘一 系数。
类型
特点
机理
竞争性 抑制
抑制剂与底物竞争地与酶的活性 部位结合。
E S [ES ] E P E I [EI ]
非竞争性 抑制
反竞争性 抑制
抑制剂可在酶的活性部位以外与 酶结合，这种结合与底物的结合 没有竞争。
E S [ES] E P E I [EI] [ES] I [ESI] [EI] S [EIS]
• 温度的影响
对于酶反应，只有在较低的温度范围内，其反应速率才会随温度的提高而加 快，超过某一温度，即酶被加热到生理许可温度以上，酶就会失活，反应速率 反而随温度的提高而下降。
酶的热稳定性和酶的操作稳定性。
第二节 细胞反应过程动力学
1 细胞反应过程计量学
反应计量学是对反应物的组成和反应转化程度的数量化研究。通过计量学， 可知道反应过程中有关组分的组成变化规律以及各反应之间的数量关系。知道 了这些数量关系，就可以由一个物质的消耗或生成速率来推知其他物质的消耗 或生成速率。
动力学方程
rSI

rP ,m a xC S
KS
(1
CI KI
)

CS
rSI

(1
rP ,m a xC S
CI KI
)( KS
CS
)
rSI

KS
rP ,m a xC S CS (1
CI KI
)
rSI

rI ,m axCS K SI CS
rI ,m ax

rP,m ax (1 CI
由于细胞反应过程由众多组分参与，且代谢途径错综复杂，在细胞生长和繁 殖的同时还伴随着代谢产物的生成，因此其过程很难象化学反应一样用正确的 系数加以表达。这就要求用另外一些方法来加以简化处理。
• 细胞反应的元素衡算方程
举例来说明：考虑一无胞外产物的简单细胞反应过程如下。
CH mOn aO2 bNH3 cCH O N dH2O eCO2
对C、H、O和N做元素平衡，得到：
C :1 c e
H : m 3b c 2d
O : n 2a c d 2e N : b c
另外有：
呼吸商 RQ

CO2 产生速率 O2消耗速率

e a
联立求解，可以解出a、b、c、d、e 5个未知数。
[EP]1 k1[EP]2 k2 [EP]3 k3[EP]4 k4 E P 1 1111 kcat k1 k2 k3 k4
例题：P24 例2.1,例2.2。
思考题：试推导上面两个 kcat 。
动力学特征和参数求取
M-M方程所表示的动力学关系为反应速率与
底物浓度之间的关系，即 r ~ CS关系。其图如右
•当 CS , KS 的数量关系处于上述两者之间的范围时，则符合M-M关系。
由上讨论可见，要计算出不同时间的底物浓度，必须知道M-M方程中的两个 参数。由于M-M方程为一非线性方程，无法直接通过作图法求取。为此要对方 程进行线性化处理。不同的线性化处理方法，就是不同的参数求取方法。使用 时主要依据所得数据。下面介绍几种常用的方法。
定义：催化活性中心速率常数
kcat

rP,m ax CE0
对于M-M和B-H方程， kcat k
•存在多个中间复合物
E S KS [ES]K[ES]' K'[ES]'' kE P
kcat

1
k KK ' K KK '
Km

1
KS K
K'
•存在多个产物中间复合物
1 简单的酶催化反应动力学
指由一种反应物(底物)参与的不可逆反应，例如酶催化的水解反应和 异构化反应。可以写为：
S E P
其反应机理可以认为是：首先是底物S和酶E相结合形成中间复合物 [ES]，然后该复合物分解成产物P，并释放出酶E。即有：
S E [ES] P E
上述反应的速率可表示为:
浓度，才能增加中间复合物的浓度，反应速率 图：CS一定时，rS与CS的关系曲线
主要取决于底物浓度。
•当CS KS 时，该曲线近似为一水平线，表示当底物浓度继续增加时反应速率并 不增加，此时的酶反应可看为零CS 级 反KS 应。此时绝大多数酶呈复合物状态，反应 体系内的游离酶很少，即使是提高底物浓度也不能提高酶反应速率。
这些情况就是所谓的抑制作用。 抑制作用分为可逆抑制和不可逆抑制两大类。 可逆抑制：如果某种抑制作用可用诸如渗透等物理方法把抑制剂去掉而恢复 酶的活性。此时，酶与抑制剂的结合存在解离平衡关系。 不可逆抑制：抑制剂与酶的基团成共价结合，不能用物理方法去掉抑制剂。 此类的抑制使酶永久性地失活。 可逆抑制又有：竞争性抑制、非竞争性抑制、反竞争性抑制和混合型抑制。 复杂酶催化反应动力学（自学）。