2.细胞反应动力学.ppt

三、细胞反应过程的主要特征 1. 细胞是反应的主体。 2. 细胞反应过程的本质是复杂的酶催化反应体系。 3. 细胞反应与酶催化反应也有着明显的不同。 a. 酶催化为分子水平，酶本身不进行再生产 b. 细胞反应是细胞与分子之间，反应的同时细胞也得到生长。 c. 整个过程中，细胞要经历生长、繁殖、维持和死亡等不同阶段。 物质的跨膜输送 简单扩散：扩散速率与膜两侧的浓度差成正比 促进扩散：扩散速率与膜两侧的浓度差不成正比；要求细胞提供载体蛋白来促进跨膜输送 主动输送：逆着浓度差的方向进行，除了要借助于载体蛋白外，还要消耗细胞的代谢能。 胞内代谢调控 代谢调控的实质就是把细胞内的所有的酶组织起来,通过活化某些酶,抑制另一些酶,甚至出现一些新的酶,去掉某些原有的酶,以使整个代谢过程适应细胞生理活动的需要. 胞内酶调控的重要机制:酶活性调控(反应水平)和酶合成调控(基因水平) 2.2.3 细胞反应热 细胞反应是放热反应，储存于碳源中能源，在好氧反应中有40%~50%的能量转化为ATP，供细胞的生长、代谢之需，其余的作为热量被排放。 营养组分通过分解代谢，在生成能量(ADP-ATP)的同时，生成产物。 另一方面，组分通过同化代谢在合成细胞细胞同时利用了能量(ADP-ATP)。 能量可以从呼吸(如糖在氧存在下氧化分解为CO2、H2O)和发酵获得(厌氧进程中糖分解为中间代谢物和CO2)。 例2-3 葡萄糖为唯一碳源进行酵母培养：反应式为 求（1)Yx/s（2）生成1Kg细胞量时的燃烧焓。 2.3 细胞反应动力学的非结构模型 细胞的生长、繁殖代谢是一个复杂的生物化学过程。 该过程包括细胞内的生化反应，也包括胞内与胞外的物质交换，还包括胞外的物质传递以反应。该体系的特点： 多相：体系内常含有气体、液体和固相。 多组分：培养液中有多种营养成分；多种代谢产物以及具有不同生理功能的化合物。 非线性：需要非线性方程描述。 时变性：很难精确地在线测量，响应速率慢等成分的含量随环境条件的变化而变化 非结构模型：把细胞视为单组分，不考虑细胞内部结构，则环境变化对细胞组成的影响可忽略，在此基础上建立的模型。 通常基于如下假设：不考虑胞内存在的各种反应和各组分的功能； 细胞处于均衡生长状态，细胞被视为一个恒定的生物相，所有的反应均在细胞与环境之间进行；细胞生长过程中的唯一变量为细胞的质量或浓度。 理想的生长模型应具备的条件 1.要明确建立模型的目的：与其说是对微生物生长繁殖的复杂现象有统一、深刻的理解，不如说是为了进行微生物反应器的设计，找到最佳操作条件和确定出反应过程的合理管理方法； 2.明确地给出建立模型的假定条件，这样才能确定模型的适用范围。 3.希望所含有的参数，能够通过实验逐个确定 4.模型应尽可能简单。 Monod 方程的优缺点 优点: Monod 方程能适合于许多实验和生产过程中的微生物生长过程，适用面较广。 缺点: a. 仅适用于生长速率较慢的情况 b. 仅适用于细胞浓度较低的条件 2.6 描述细胞群体反应动力学的分离模型 许多微生物在生长过程中，当细胞成熟到一定阶段后才能产生产物，而另一部分不能产生产物。根据细胞成熟与否将细胞分为二个种群（未成熟的X1和成熟的X2），而成熟的细胞X2能繁殖成为未成熟细胞并产生产物。 假设成熟的过程符合一级反应动力学，而细胞繁殖的过程符合Monod方程，产物的合成与成熟细胞的生长相关。则由右图的物理模型可得： 对数生长速率方程符合一级动力学方程 4. 减速期 基质浓度降低 有害代谢产物积累 5. 静止期（稳定期） 生长速率等于死亡速率 达到最大细胞浓度 死亡速率常数 6. 衰亡期 停止生长 细胞浓度下降，细丧失活性并自溶 2.3.5 影响细胞反应速率的主要环境因素 1、温度 Ea＝50-70 kJ/mol，Ed＝300-380 kJ/mol 最适的生长温度与最适的产物合成温度不一定相同 动物细胞：31～39 度 植物细胞：25～30 度 最适生长温度、最适生产温度 T低于最适温度 2、pH （1）不同细胞的最适pH （2）pH变化及其调节 细菌：6.3-7.5 霉菌和酵母：3-6 放线菌：7-8 植物细胞：5-6 动物细胞：6.5-7.5 pH变化：有机酸和氨态氮生成 pH调节：细胞本身调节；补加酸或碱等 3. 溶氧 重点 对数死亡律（营养细胞） 非对数死亡律（芽孢） 2.3.6 细胞死亡动力学 受热死亡的规律分为对数死亡律和非对数死亡律。 1、对数死亡率 t=t0,NV=N0 2、非对数死亡律 R S D kr ks 2.4 底物消耗与产物生成动力学 2.4.1 底物消耗动力学 合成新