【教学课件】第五章固定化酶催化反应动力学.ppt
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1、 茂名学院化学与生命科学学院茂名学院化学与生命科学学院生化工程电子教案生化工程电子教案2023/1/9上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 固定化酶催化应动力学概述(一)固定化酶的应用(一)固定化酶的应用1 1 1 1、食品工业、食品工业、食品工业、食品工业 漆酶是一种结合多个铜离子的蛋白质,属于铜蓝氧化酶漆酶是一种结合多个铜离子的蛋白质,属于铜蓝氧化酶 啤酒、果蔬汁等啤酒、果蔬汁等 贮藏贮藏 浑浊或沉淀现象浑浊或沉淀现象?果汁生产,果汁生产,果胶存在果胶存在,提产及去浊澄清问题?,提产及去浊澄清问题?影响:出汁率低;果汁浊,黏影响:出汁率低;果汁浊,黏度高,易出现沉淀。度高
2、,易出现沉淀。食品工业的食品工业的绿色绿色生产问题生产问题?原因原因:酚类与蛋白质生成大分子物质酚类与蛋白质生成大分子物质固定化果胶酶固定化果胶酶方法方法:漆酶漆酶淀粉糖淀粉糖/高果糖浆高果糖浆2023/1/9上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 固定化酶催化应动力学概述(一)固定化酶的应用(一)固定化酶的应用2、燃料工业(生物柴油)、燃料工业(生物柴油)主要酸碱催化。主要酸碱催化。固定化脂酶固定化脂酶2023/1/9上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 固定化酶催化应动力学概述(一)固定化酶的应用(一)固定化酶的应用3、医药工业、医药工业固定化固定化青霉素
3、酰化酶青霉素酰化酶 合成头孢羟氨苄合成头孢羟氨苄(代替青霉素)(代替青霉素)固定化固定化脂肪酶脂肪酶 合成合成VC棕榈酸酯棕榈酸酯固定化固定化酶药物酶药物蛋白类口酶口服易分解,固定后有助于保持活性蛋白类口酶口服易分解,固定后有助于保持活性2023/1/9上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 固定化酶催化应动力学概述(二)固定化酶与游离酶(二)固定化酶与游离酶自由酶自由酶 (Free Enzyme)(Free Enzyme)酶直接加入至溶液中,酶自身的空间酶直接加入至溶液中,酶自身的空间结构不发生改变,保持自己的生物特性结构不发生改变,保持自己的生物特性固定化酶固定化酶 (Im
4、mobilized Enzyme)(Immobilized Enzyme)通过物理或化学的手段,将酶固载在某种基体上。通过物理或化学的手段,将酶固载在某种基体上。2023/1/9上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 固定化酶催化应动力学概述(三)固定化酶反应器的特点(三)固定化酶反应器的特点(三)固定化酶反应器的特点(三)固定化酶反应器的特点1、自由酶反应器优点:酶解效率高、使用比较方便,特别是在大批量样品处理时。缺点:不能重复使用、寿命短、产物分离难度大2023/1/9上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 固定化酶催化应动力学概述2 2、固定化酶的优点、固
5、定化酶的优点 (三)固定化酶反应器的特点(三)固定化酶反应器的特点(三)固定化酶反应器的特点(三)固定化酶反应器的特点易于将酶与底物及产物分离,产物相对容易提纯;酶能够重复利用,使用效率提高,成本低;大多数情况下可以提高酶的稳定性;可以增加产物的收率,提高产物质量;有利于实现管道化、连续化以及自动化操作,易于与各种分离手段联用。2023/1/9上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 固定化酶催化应动力学概述2 2、固定化酶的缺点、固定化酶的缺点 (三)固定化酶反应器的特点(三)固定化酶反应器的特点(三)固定化酶反应器的特点(三)固定化酶反应器的特点但由于固定化酶是通过反应而被结
6、合在载体上,固定化过程中酶的活力难免有一定损失;而底物则要求是水溶性的,这样才能够接触酶而发生反应;也不适宜于需要辅助因子的反应。2023/1/9上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 固定化酶催化应动力学概述(四)(四)(四)(四)酶的固定化方法酶的固定化方法酶的固定化方法酶的固定化方法Covalent bondCross linkageIonic bondInvestmentMicrocapsule2023/1/9上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 固定化酶催化应动力学概述、吸附法、吸附法、吸附法、吸附法(Adsorption)(Adsorption)(
7、Adsorption)(Adsorption)(四)(四)(四)(四)酶的固定化方法酶的固定化方法酶的固定化方法酶的固定化方法吸附法有物理吸附、离子吸附及螯合或金属结合法。常用的载体如淀粉、谷蛋白等有机类载体,活性炭、多孔玻璃、硅胶等无机类载体,大孔型的合成树脂,陶瓷以及纤维素衍生物类。阴、阳离子交换剂 pH,影响载体和酶的电荷变化,影响酶吸附;离子强度,一般认为盐阻止吸附;蛋白质浓度,蛋白质浓度增加,吸附量也增加,直至饱和;温度,蛋白质往往是随温度上升而减少吸附;吸附速度,蛋白质在固体载体上的吸附速度要比小分子慢得多;载体,对于非多孔性载体,则颗粒越小吸附力越强。影响酶蛋白在载体上吸附程度的
8、因素影响酶蛋白在载体上吸附程度的因素2023/1/9上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 固定化酶催化应动力学概述(四)(四)(四)(四)酶的固定化方法酶的固定化方法酶的固定化方法酶的固定化方法、包埋法、包埋法、包埋法、包埋法(Entrapment)(Entrapment)(Entrapment)(Entrapment)包埋类型可有:网格型、微囊型及脂质体液膜型。包埋类型可有:网格型、微囊型及脂质体液膜型。包埋法是将游离酶包埋于格子或微胶囊内,格子的结构可以防包埋法是将游离酶包埋于格子或微胶囊内,格子的结构可以防止酶渗出到周围的培养基中,而底物分子仍能渗入格子内与酶止酶渗出到
9、周围的培养基中,而底物分子仍能渗入格子内与酶接触。接触。2023/1/9上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 固定化酶催化应动力学概述、共价键合法、共价键合法、共价键合法、共价键合法(Covalent bonds)(Covalent bonds)(Covalent bonds)(Covalent bonds)(四)(四)(四)(四)酶的固定化方法酶的固定化方法酶的固定化方法酶的固定化方法交联法和肽键键合法 氨基:氨基:赖氨酸的氨基和多肽链的末端氨基;羧基:羧基:天冬氨酸的羧基,谷氨酸的羧基和末端羧基;酚基:酪氨酸的酚环;巯基:半胱氨酸、蛋氨酸的巯基;羟基:羟基:丝氨酸、苏氨酸
10、和酪氨酸的羟基;咪唑基:组氨酸的咪唑基;吲哚基:色氨酸的吲哚基。2023/1/9上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 固定化酶催化应动力学概述Synthesis of IMER using glutaraldehyde method1.1.戊二醛法戊二醛法Ye,M.L.et al.Electrophoresis,2005,25:1319-1326常用的共价键合方法常用的共价键合方法(四)(四)(四)(四)酶的固定化方法酶的固定化方法酶的固定化方法酶的固定化方法2023/1/9上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 固定化酶催化应动力学概述(四)(四)(四)(四
11、)酶的固定化方法酶的固定化方法酶的固定化方法酶的固定化方法Synthesis of the IMER using DSC method2、二琥珀酰亚胺碳酸酯法、二琥珀酰亚胺碳酸酯法(DSC)Rawale,S.,et al.J.Med.Chem.,2002,45:937-43Calleri,E.,et al.,J.Pharm.Biomed.Anal.,2003,32:715-24常用的共价键合方法常用的共价键合方法2023/1/9上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 固定化酶催化应动力学概述(四)(四)(四)(四)酶的固定化方法酶的固定化方法酶的固定化方法酶的固定化方法常用的共
12、价键合方法常用的共价键合方法3、-羟胺形式(-hydroxylamine formation)The synthesis of the IMER through-hydroxylamine formationMarle I.,et al.J.Chromatogra.1992,A,604:185-196 2023/1/9上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 固定化酶催化应动力学概述被固定的微生物细胞所用载体和方法底物产物或用途酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)硅和聚氧乙稀碎片,吸附葡萄糖乙醇酿酒酵母魔芋葡甘露糖,共价葡萄糖乙醇酿酒酵母海藻酸钙,包埋麦芽
13、汁啤酒委内瑞拉链霉菌(Streptomyces venezuelae)明胶,微囊葡萄糖果糖固定化酶细胞的应用实例固定化酶细胞的应用实例 2023/1/9上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 固定化酶催化应动力学概述被固定的微生物细胞所用载体和方法底物产物用途黑曲霉(Aspergilus niger)甲基丙烯酸缩水甘油脂聚合物戊二醛交联葡萄糖葡萄糖酸芽孢杆菌(Bucillus sp.)聚丙烯酰胺,包埋蛋白胨等杆菌肽粘质赛氏菌(Serratia marcescens)卡拉胶,包埋明胶,蛋白胨等碱性蛋白酶珊瑚诺卡氏菌(Nocardia corallina)酚醛树脂,吸附丙烯腈废水处
14、理废水荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)明胶,包埋葡萄糖血糖检测传感器固定化酶细胞的应用实例固定化酶细胞的应用实例 2023/1/9上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 固定化酶催化应动力学概述固定化酶细胞的应用实例固定化酶细胞的应用实例 被固定的微生物细胞被固定的微生物细胞载体和方法载体和方法底物底物产物或用途产物或用途木醋杆菌木醋杆菌(Acetobactes xylinum)卡拉胶,包埋卡拉胶,包埋乙醇乙醇酒精检测传感酒精检测传感器器柱孢鱼腥蓝细菌柱孢鱼腥蓝细菌(Anabaena cylindrica)玻璃珠,吸附玻璃珠,吸附光解水光解水链鱼腥
15、蓝细菌链鱼腥蓝细菌(Anabaenaazollae)链鱼腥蓝细菌链鱼腥蓝细菌(Anabaena azollae)海藻酸聚赖氨酸,海藻酸聚赖氨酸,微囊微囊N2固固 氮氮荨麻青霉荨麻青霉(Penicillium urticae)角叉菜聚糖,包角叉菜聚糖,包埋埋葡萄糖,酵母提取物葡萄糖,酵母提取物棒曲霉素棒曲霉素丙酸细菌丙酸细菌(Propionibacterium sp.)光交联树脂,包光交联树脂,包埋埋硫酸钴、甘氨酸硫酸钴、甘氨酸 等等B12谷氮酸棒杆菌谷氮酸棒杆菌(Corynebacteriumglutamicum)聚丙烯酰胺,包聚丙烯酰胺,包埋埋葡萄糖等葡萄糖等L-谷氨酸谷氨酸2023/1/9
16、上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第1节 固定化催化的动力学特征讨论几个问题:讨论几个问题:、糖在水中溶化,不搅拌与搅拌时,异同?、糖在水中溶化,不搅拌与搅拌时,异同?、香味传播?有风无风,异同?、香味传播?有风无风,异同?、自由酶、固定酶,反应异同?、自由酶、固定酶,反应异同?2023/1/9上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第1节 固定化催化的动力学特征一、酶固定化对其动力学特性的影响一、酶固定化对其动力学特性的影响酶固定后,酶本身的结构必然受到扰动,同时酶固定后,酶固定后,酶本身的结构必然受到扰动,同时酶固定后,由于扩散限制效应、空间位阻作用以
17、及载体性质等因素必然对由于扩散限制效应、空间位阻作用以及载体性质等因素必然对酶的性质产生影响。酶的性质产生影响。2023/1/9上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第1节 固定化催化的动力学特征、固定化酶的活力固定化酶的活力一、酶固定化对其动力学特性的影响一、酶固定化对其动力学特性的影响酶活力表现率一般降低(Km)EnzymeAgent of immobiliztionsubstrateKm/(mol/L)Creatine kinaseFree EATP6.510-4Aminobenzoic celluloseATP8.010-4Lactate dehydrogenaseF
18、ree ENADH7.810-6Propionyl-glassNADH5.510-5chymotrypsinFree EATEE1.010-3Soluble-aldehyde glucoseATEE1.310-3Ficus proteinaseFree EBAEE2.010-2CMC-70BAEE2.010-2Trypase Free EBAA6.810-3Maleate/ethylideneBAA2.010-4Tab1 M-constant of free E and immobilized E2023/1/9上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第1节 固定化催化的动力学
19、特征、固定化酶的稳定性固定化酶的稳定性一、酶固定化对其动力学特性的影响一、酶固定化对其动力学特性的影响热稳定性普遍提高保存期t1/2增1倍;热稳定性比溶液提高10倍以上(空间结构坚固,加热不易变型)2023/1/9上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第1节 固定化催化的动力学特征二、影响固定化酶动力学的因素二、影响固定化酶动力学的因素1 1、空间效应(包括构象和屏蔽)、空间效应(包括构象和屏蔽)酶,三维空间结构;固定化,由于酶,三维空间结构;固定化,由于E E与载体的相互与载体的相互作用,引起酶活性部位发生扭曲变形,改变活性部三作用,引起酶活性部位发生扭曲变形,改变活性部三
20、维结构,减弱了结合力,称维结构,减弱了结合力,称构象效应构象效应。载体的存在使酶分子不易与酶活性部位接触,对载体的存在使酶分子不易与酶活性部位接触,对酶活性部位造成空间障碍,使酶活下降,称酶活性部位造成空间障碍,使酶活下降,称屏蔽效应屏蔽效应(位阻效应)(位阻效应)2023/1/9上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第1节 固定化催化的动力学特征二、影响固定化酶动力学的因素二、影响固定化酶动力学的因素1 1、空间效应(包括构象和屏蔽)、空间效应(包括构象和屏蔽)图、固定化酶的结构改变和屏蔽效应图、固定化酶的结构改变和屏蔽效应2023/1/9上一内容上一内容下一内容下一内容回
21、主目录回主目录第3章 第1节 固定化催化的动力学特征二、影响固定化酶动力学的因素二、影响固定化酶动力学的因素2 2、分配效应、分配效应含固定化酶的多种载体示意图含固定化酶的多种载体示意图几个概念几个概念构成多相体系;构成多相体系;微环境(固酶附近)微环境(固酶附近)主体溶液主体溶液分配效应分配效应(SP浓度不同浓度不同的现象的现象)2023/1/9上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第1节 固定化催化的动力学特征二、影响固定化酶动力学的因素二、影响固定化酶动力学的因素3 3、扩散效应、扩散效应几个概念几个概念酶固定酶固定酶浓度不均匀酶浓度不均匀,S均匀均匀S向活性扩向活性扩
22、散散,反应后反应后P向溶液扩散向溶液扩散;内扩散内扩散(固酶内表面向微孔内酶活性中心)(固酶内表面向微孔内酶活性中心)外扩散外扩散(溶液主体向固定化酶表面溶液主体向固定化酶表面)反应和扩散的关系反应和扩散的关系内扩散效应和外扩散效应内扩散效应和外扩散效应?2023/1/9上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第2节 外扩散限制效应第第2 2节节 外扩散限制效应外扩散限制效应固定化酶与液相反应物系相接触的反应过程为固定化酶与液相反应物系相接触的反应过程为:第一步:底物由液相主体扩散到载体的外表面第二步:底物在载体的外表面进行反应第三步:产物由外表面扩散到液相主体传质过程反应过程
23、2023/1/9上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第2节 外扩散限制效应再次回顾前面讨论的两个问题:再次回顾前面讨论的两个问题:、糖在水中溶化,不搅拌与搅拌时,异同?、糖在水中溶化,不搅拌与搅拌时,异同?、香味传播?有风无风,异同?、香味传播?有风无风,异同?回答回答:溶解和传播速度与什么有关溶解和传播速度与什么有关?扩散速率扩散速率?浓度差面积 比例系数是多少比例系数是多少?kL2023/1/9上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第2节 外扩散限制效应扩散速率扩散速率=浓度差面积单位单位?传质系数kL再次回顾前面讨论的两个问题:再次回顾前面讨论的两个
24、问题:单位液体所具有的传质面积a单位时间单体积单位时间单体积所传递的物质量所传递的物质量kmol/(L.s)m2/m3=1/mCso-Csimol/L单位单位?单位单位?单位单位?扩散速率扩散速率=kL a(Cso-Csi)2023/1/9上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第2节 外扩散限制效应一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制以酶促反应为例,在载体外表面的酶促反应符合M-M方程:式中 RS i载体外表面的底物消耗速率,(mol/L s)CS i载体外表面的底物浓度(mol/L)2023/1/9上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录
25、回主目录第3章 第2节 外扩散限制效应底物由液相主体扩散到载体表面的扩散速率:一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制式中 RS d底物由液相主体扩散到载体表面的扩散速率,(mol/L s)kL液膜的传质系数,(m/s)a单位体积的反应物系具有的传质面积,(m2/m3=1/m)kLa体积传质系数,kLa=kL a,(1/s)CS 0液相主体的底物浓度,(mol/L)2023/1/9上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录第3章 第2节 外扩散限制效应在稳定的状态下有:?一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制一、外扩散速率对酶催化反应速率的限制反应速度=外扩
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- 教学课件 教学 课件 第五 固定 催化 反应 动力学
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