第一章 酶学与酶工程
第一节 酶工程概述
一．酶工程定义：
通过预先设计，经人工操作而获得大量所需的酶，并利用各种方法使酶发挥最大的催化
功能。
二．酶学与酶工程研究简史
1.1783 意大利 斯巴兰让 胃具有化学消化的功能
2.1833 payen person 麦芽的水抽提物→酒精沉淀→淀粉水解（淀粉酶制剂）
3.1878 德国 kuhne Enzyme
4.1878 德国 Buchner 兄弟 酵母无细胞提取液（石英砂）→酒精发酵
5.1926 美 Sumner 脲酶结晶（纯品） 酶是蛋白质
6.各种酶的发现
酶工程：
①1894 日本 高峰让吉 曲米霉→淀粉酶（用于工业上） 固体发酵
②1908 德国 胰酶→皮革软化（工业）
③1949 液体的深层发酵（培养）技术
7.1950s 固定化酶
60s 固定化细胞 1953 聚氨苯乙烯树脂 淀粉酶等 1969 日本 千田一郎 工业化固定氨基酸酰化酶（DL-氨基酸拆分）
80s 以后出现新技术
三．酶工程的研究内容
1.1971第一届国际酶工程会议
研究内容：酶的生产，纯化，固定化，反应器
2.21世纪酶工程发展主题
新酶：研究与开发
酶的优化生产
酶的高效应用（固定化，化学修饰，非水酶学）
（一）新酶
1.核酶
2.人工酶：人工合成的非蛋白质类酶
3.抗体酶： 抗体通过化学修饰或者突变或重组 催化中心
酶 结合中心
催化中心
4.端粒酶：延长端粒 端粒复制时会变短 复制50-60次
生殖细胞 干细胞 癌细胞（端粒活性很高）
5.极性环境微生物新酶
Taq 聚合酶（嗜热）
6.不可培养微生物新酶
在常规条件下，无法得到的微生物的纯化培养体（99%-95%不可培养）
7.杂交酶
不同结构域串联
包埋
获得
（二）酶的优化生产
优化的培养基配方
优化培养条件
优化分离培养条件
（三）酶的高效应用
1.固定化化学修饰非水酶学
2.生物酶食品饮料行业其他（各占1/3）
（1）丹麦诺维信（Novozyme）（酶，微生物制剂）←Novo Nordisk 诺和诺德（前体）（2）美国杰能科（Genencor）
（3）荷兰帝斯曼（DSM）
第二节酶分类组成结构特点及作用机制
一.酶分类
氧转水裂异合核
命名：
底物名称+ase
习惯命名来源：胰酶胃蛋白酶胰蛋白酶
功能：溶菌酶
系统命名：底物+反应类型
酶的国际统一编号：
Ec 3 . 4 . 21 . 4
↓↓↓↓
大类亚类亚亚类序号（发现的先后次序）
二．酶的组成
酶蛋白：结合为主
分开
全酶辅酶：疏松（非共价）超滤或透析
辅因子：催化为主
辅基：与酶蛋白结合牢固（共价结合）→不能分开
三．酶蛋白的结构蛋白
1.球蛋白
2.球蛋白表面至少含有一个凹陷的空穴，空穴一般为疏水环境
3.亲水氨基酸趋向外侧，疏水趋向内侧（内侧疏水核，外侧亲水核）
酶的三维构想测定X晶体衍射3/4
核磁共振1/4
四.作用机制
（一）酶作用专一性假说
1.锁钥学说1894 Fisher
E，S 局限：无法解释可逆反应
2.诱导契合学说1958 Koshland
E,S 当酶分子与底物分子相互接近时，E受到S的诱导而发生了有利于底物结合的构
象，从而相互契合进行反应。
3.三点附着学说：解释了立体异构专一性
（二）酶的催化机理
1.广义的酸碱催化
广义酸：能够提供质子 E-COOH COO-+H +
广义碱：能够接受电子 -COO -
2.共价催化
亲核基团：提供电子 相当于还原剂 亲电基团：接受电子 相当于氧化剂
（2）酶分子主要以亲核基团为主
-COOH -NH 2 -SH 组氨酸-咪唑基(一般PH 下，既可以做广义酸，又可以作广义碱，亲核基团强)
（3）亲电：H + Fe 2+ Mn 2+
3.邻近及定向效应
4.变形和张力（主要是共价催化）
5.酶的活性中心为疏水环境
第三节 酶反应动力学及抑制作用
一．米氏方程（MM 反应）
（一）米氏方程的推导
1903 Henri Wurtz 提出中间络合物学说
E + S ES E + P
1913 米歇尔.曼特 提出快速平衡原理
其假说的的假设：①K -2=0 ②K -1>>K 2 ③[s]>>[E]
V 0= K S =
V M =K 2[ES]=K 2[E]
1925年 Briggs Haldance 提出稳态平衡原理
K 2≈0 极短时间内 t=0 ES 分解速度（K 2+K -1）与生成速度（K 1）相等
标准米氏方程 V 0=
K m =
(解离速度) [ES]
电离 K 1 K -1 K 2
K -2
V M [S]
K S +[S] K -1K 1
Vm[S]
Km+[S] K-1+K2 K1
(二)米氏方程推导的几点假设
1.K-2≈0
2.[S]>>[E] [S]>>[ES]
3.酶的总量不变，以[E][ES]形式存在
（三）米氏方程的适用范围
1.只适合单底物的反应
2.只适合米氏酶（即除了变构酶）
3.米氏方程是数学推导公式，而不是经验公式
（四）米氏方程曲线
V K m的物理意义：
当V0=V m/2 [S=]K
V
[S] [S] （产物）P
[S]=10K m V0=91%V m
斜率为反应速度
T
二．酶反应的动力学的重要参数
1.Kcat(或TN)：催化常数（或转换常数）
定义：指当酶被底物充分饱和时，单位时间内每个酶分子（或活性部位）转换底物为产物的目的S-1 min-1 Kcat=K2
2.K m ：米氏常数可用来鉴定同工酶
K m有单位浓度为单位如：mol/L 大小与酶浓度无关与T.pH.t等有关
K m与亲和力关系：不可以表征亲和力，理解与分解不一样
3.Ks
K-1
Es的解离平衡常数或底物常数Ks= 1/Ks:为结合常数即亲和力K2< K1 4.Kcat/K m :表观二级常数（或酶的专业性常数） = = K 1 极限值 K 1 为分子碰撞频率 108-109S -1M -1 完全进化酶：结合快，反应快 三． Lineweaver-Burk 双倒数曲线 V 0=V m [S]/(K m +[S]) 1/V 0 1/V m 1/[S] -1/[K m ] 四．酶的抑制作用 酶的抑制作用：抑制剂的酶结合后改变酶活性中心的构象性质，从而引起酶活性中心下降的一种效应。 （一）抑制作用的类型： 1.不可逆抑制作用（共价结合） Kcat 不可逆型 专一性不可逆： Ks 不可逆 非专一性不可逆：专一性较弱 2.可逆抑制作用 竞争性抑制 非竞争性抑制 反竞争性抑制 过量底物抑制 产物反馈抑制 (二)不可逆抑制 1.非专一性不可逆 重金属 -SH 2.专一性不可逆抑制 Ks 型（亲和性） Kcat K m K 2 K -1+K 2/K 1 K 2*K 1 K -1+K 2 有机农药 胆碱脂酶 乙酰胆碱 青霉素 糖肽转移酶 丝氨酸-OH ② Kcat 型（催化型）自杀性底物 具有与底物相似的结构，不仅能够与酶结合，而且潜伏的反应基团能被酶催化，并与酶活性中心必须基团进行不可逆结合 （三）可逆抑制作用 1.竞争性抑制 ①S 与I 结构相似，竞争结合酶活性中心 K m →↑ V m →不变（[S]→+ ，→V m 不变） 1/V 0 图形特点： 逆时针旋转，加[I]后的图形在原 直线之上 1/V m 1/[S] -1/K m ②S 与I 结构部相似，并结合在不同部位，互相影响 非竞争抑制 1/V 0 2. S 与I 结合在不同部位，相互影响 Km ：不变 Vm ：下降 E+S ES+I ESI →E+P E+I EI+S EIS →E+P P 1/Vm 1/[S] -1/K m 3.反竞争性抑制 S 与I 结合在不同部位，E 与S 结合后才能结合I 1/V 0 E+S ES+I ESI →P Km ↑ E+I EI Vm ↓ 1/Vm E+S ES+I ESI →P E+P -1/Km 1/[S] 影响 水解 4.过量底物抑制 5.产物反馈抑制 E→F→G A→B→C→D H→I→J 五．酶抑制剂的应用举例 ①硫胺类药物 二氢叶酸合成酶四氢叶酸合成酶 对氨基苯甲酸等二氢叶酸四氢叶酸 对氨基苯磺酰胺及其衍生物氨甲喋呤 ②5-尿嘧啶（5-FV） ③6-巯基嘌呤（6-MP） 2.不可逆抑制剂 ①Ks型：青霉素 ②Kcat（自杀型底物）：迫降灵（炔类化合物） 破坏 单胺氧化酶组胺（血管舒张素） 第四节影响酶活力的因素 一.酶的测定 测底物的消耗速率 测产物的生成速率（分光光度法）（√） 二．酶活力单位 ①国际单位定义（IU）:指在特定条件下，每分钟催化1umol底物转化为产物所需要的酶量，定义为一个国际单位 ②习惯定义（U）:指在特定条件下，在某个时间内催化1g(mg/kg)底物转化为产物所需要的酶量。 开特kat 1kat=6*107IU 酶比活力：每mg酶蛋白所具有的的酶活力单位。酶蛋白：总活力/总蛋白质 二.影响酶活力因素 （一）底物浓度与酶浓度 底物充分过量时，活力与酶浓度成正比活力延长反应（二）反应温度时间酶的构象变化，反应时间也有影响 T 酶耐热性实验0℃ 活力 37℃ 60℃ pH 100℃ （三）pH值 酶蛋白侧链电离状态 耐酸碱性实验 （四）激活剂与抑制剂 第五节酶蛋白的分离纯化 一.酶分离纯化遵循的原则 1.根据使用目的确定纯化策略 食品用酶 工业用酶 分析用酶 医药用酶 2.制备方法的经济性 步骤少（3-5步）成本低 3.应尽量避免各种酶变性失活的因素或操作 4.具有灵敏的检测方法，以评价分离纯化的效果 二防止酶变性失活的方法 1.除少数例外，所有操作应尽可能在低温下进行 2.尽量避免局部过酸过碱（慢，搅拌） 3.防止泡沫形成 4.加入蛋白酶抑制剂，防止内源性酶水解 5.加入巯基乙醇等还原性试剂，防止酶被氧化 6.加入EDTA防止重金属污染 三．酶分离纯化的基本过程 （一）酶的抽提 1.预处理 动物组织（去结缔组织）溶酶（胞质） 植物组织（去油脂）胞内酶结酶（膜蛋白） 微生物组织（细胞分离）胞外酶 2.细胞破碎 机械法：研磨，球磨，石磨，高速捣碎机，匀浆机 物理法：渗透压冲击法，反复冻融法，超声波破碎法 化学法：乙酸乙酯，甲苯，氯仿，表面活性剂 酶解法：纤维素酶，半纤维素酶，几丁质酶，溶菌酶，蜗牛酶3.抽提 稀盐稀酸稀碱水等 缓冲液pH值：远离等电点 碱性酶→用稀酸酸性酶→用稀碱 样品：抽提液=1：（1-5）[体积] （二）浓缩 蒸发：减压蒸发（30℃左右）薄膜蒸发 超滤:(滤膜) 透析 胶过滤（吸水膨胀） 冰冻浓缩（冻干机）：升华 其他：PEG浓缩 （三）酶的纯化 粗分离 细分离 1.根据溶解度大小 ①盐析：盐浓度增加，蛋白质沉淀 ②有机溶剂沉淀 ③等电点沉淀（选择性沉淀） 2.根据分子量大小 ①凝胶层析法：分子量大的先流出，分子量小的后流出 ②膜过滤 ③超速离心（2万以上） ④液相色谱（HPLC）-高效性 3.根据电荷特性 ①离子交换层析：电荷相同的先流出，相反后流出 阴离子交换剂：带+ 阳离子交换剂：带- ②电泳 等电聚焦电泳 PAGE 双向电泳（二维电泳） 4.根据亲和能力：亲和层析 （四）结晶 方法：晶体形成的条件： 盐析结晶法酶浓度：1%-5%为宜 有机溶剂沉淀法酶纯度:越高越好 透析平衡法温度 等电点结晶法pH等 四．衡量酶分离纯化效果的评价指标 1.酶活力 2.总活力的回收：提纯前后总活力之比= ×100%<100% 第一次总活力（原液） 3.纯化倍数（提纯倍数） 提纯后比活力 提纯前后比活力之比= >1 固定化酶和固定化细胞 第一节 固定化酶 一．固定化酶定义：“水不溶性酶”或“固相酶” 定义：在一定空间里面呈封闭状态的酶，能连续进行反应，并可回收反应后的酶重复使用。 二．酶固定化发展史 1.发展早期（1916-20世纪20s ） 1916 Nelson Griffin 氧化铝和活性炭吸附蔗糖酶 2.发展前期（20世纪50s ） 物理吸附固定化酶：离子吸附→尝试共价吸附 3.发展期（20世纪60s ） 共价固定化 吸附固定化得到的改进 1969年 日本 氨基酸酰化酶固定化（拆分外消旋体） 有机溶剂酶反应 包埋固定：无载体固定（交联法）→交联晶体法 4.发展中期（20世纪70s ） 创新，改进 →先修饰再固定 包埋交联→手臂固定 5.发展后期（20世纪80s ） 基因工程-位点专一性吸附 PEG 修饰-脂化学修饰法 6.合理设计期（20世纪90s-现在） 稳定性，活力 固定化酶设计 催化功能 非催化功能（应用环境因素考虑） 三．固定化酶优缺点 优点： 容易将固定化酶与底物产物分开 在大多数情况下能够提高稳定性（热稳定性，耐酸碱性） 提纯后总活力 提纯前总活力 提纯前比活力 可以反复使用回收，以及可继续生产 比游离酶更安全更适合多酶反应 可以增加产物的收率 缺点： 酶固定化后活力有所下降 增加了生产成本 只适合可溶性小分子 四．固定化酶的制备原则 1.必须注意维持酶的活性及其专一性 2.固定化酶应有最小的空间位阻 3.固定化酶应有最大的稳定性 4.载体必须有一定的机械强度，可以优化工业化，自动化，连续化生产 5.酶与载体必须结合牢固（不牢固易脱落） 6.固定化酶可以回收，贮藏及反复使用 7.固定化酶成本低 五．酶的固定化的方法 吸附法→非共价 共价结合 分类 交联法 包埋法 网格型 微囊型 （一）吸附法 1.物理吸附法（非特异性物理吸附法） 定义：酶被物理吸附于水不溶性载体上 作用力：氢键，范德华力，疏水作用 无机载体：活性炭，硅胶，氧化铝，陶瓷，多孔玻璃，高岭土 载体 天然有机物：淀粉，纤维素，琼脂糖，海藻酸钠 有机载体： 合成有机物：大孔合成树脂，交联葡聚糖，聚乙烯醇等 优点：操作简单，酶活损失少 缺点：酶与载体结合比较弱，易脱落 2.离子吸附法 定义：酶通过离子键结合于具有离子交换基的水不溶性载体 优点：操作简单，处理条件温和，酶活减少损失 缺点：酶与载体结合较弱，易收到缓冲液，种类pH ，离子强度等影响 1969年 日本 工业上 固定化氨基酸酰化酶 DEAG-葡聚糖 其他吸附法： 生物特异性吸附 亲和吸附 疏水作用吸附 载酶量（负载量）：载体颗粒大小，孔径大小 单层原理：单层覆盖酶量时最小的载酶量 (二)共价结合（共价偶联） 定于：酶与载体通过共价键结合的固定化方法 ①将载体的有关基团活化，再与酶发生偶联 ②将载体活化后，链接一个双功能试剂，然后将酶偶联上去 共价法 结合方式 ③将酶蛋白进行化学修饰，再与活化载体相连（连接方式，数目） 双功能试剂：手臂分子（间隔臂）→与亲水.疏水性大小，长度，电荷，构型，微环境优点：酶与载体结合牢固 缺点：①反应条件苛刻，操作比较复杂（0-4℃，pH值，反应时间，分子比例等） ②酶活损失比较大，保留30%左右 ③底物的专一性可能发生变化 载体的活化： ①活性单体聚合：酰基叠氮，酸酐，卤素（F ），环氧基团（Eupergit C） 异氰酸酯（硫代异氰酸酯） ②惰性载体活化：羟基载体 酶分子的氨基酸侧链： N-末端-NH2 赖氨酸- -氨基 C末端的-COOH及谷氨酸天冬氨酸-COOH 常用 SS-OH及糖基化酶-OH 精-胍，半胱-SH，组-咪唑 不常用 酪-酚羟基蛋-二硫键 惰性载体的活化： CNBr法（pH 11-12） ①羟基载体活化脂法 环氧化法（表氯醇法） 三嗪法-cl ②醛基载体 ③羧基载体 ④多胺载体 （三）交联法（无载体固定化） 1.定义：用双功能（或多功能）试剂使酶与酶之间交联的方法。 CLE S (交联酶)：溶液中酶交联 CLEC(交联酶晶体)：先结晶再进行交联 CLEA S(交联酶聚体)：先沉淀再交联 2.交联法很少单独使用，一般与其他方法联合使用： 吸附交联法 包埋交联法 3.交联剂：戊二醛 4.优点：结合比较牢固，酶活回收率较高（空间位组较小） 缺点：不利于工业化设计，易造成酶失活 （四）包埋法 1.定义：将酶或微生物细胞包埋在高分子的凝胶网格中或高分子的半透膜中 2.包埋法类型： 网格型包埋法 微囊型包埋法 3.优点：酶活回收率较高（物理屏障），无化学反应，酶高级构象变化比较大 缺点：底物的扩散阻力较大，包埋时发生聚合反应，酶容易失活，容易造成渗漏，只适合于小分子底物 （1）网格型包埋： 天然高分子：海藻酸钠，明胶，琼脂糖，卡拉胶 高分子凝胶： 合成分子：聚丙烯酰胺，聚乙烯醇，光敏树脂 物理方法：加热→ 冷却凝固 海藻酸钠需加Ca 2+ 化学方法：化学聚合反应（单体[与酶反应]→交联剂） 网格型包埋的改进技术： ①双包埋法 ②封包埋（膜包埋） ③原位交联包埋（先交联再包埋） 先包埋再结合 ④共价包埋 单体先与酶共价再进行包埋 （2）微囊型包埋（工业上基本上不常用） 半透膜孔径<酶分子直径 医药上控制药物释放（应用） 缺点：底物扩散阻力较大 改进技术： ①微囊化交联（孔径可大于酶分子） ②固定化再进行微囊化 ③载酶后微囊化：酶装入中空微球 具体方法： ①界面沉淀法（凝聚法）或相转化法→属于物理方法 酶的水溶液（水相） 硝酸纤维素的乙醚（有机相） 乳化液 ②界面聚合法（化学方法） 亲水单体+酶 有机溶剂 ③脂质体法 ④乳化法（二级乳化法） 五．固定化酶的性质 （一）固定化酶活力的变化 大多数情况下活力下降，少数可以上升 下降原因： ①固定化后，酶活性中心构象发生改变 ②底物内扩散阻力增大（空间位阻） ③酶的自由度下降 （二）固定化酶稳定性变化 热稳定性：大多数增强 增强的原因： ①酶与载体多点连接，使酶构象更加稳定 ②抑制酶的自身的降解 ③微囊保护 （三）固定化后最适温度变化 热稳定最适温度↑ 30-80℃ 耐热酶仍可以提高 （四）固定化酶的最适pH 变化 带正点 ? pH 下降（可能） 带负电 ? pH 上升 表面活性剂 加入苯甲酸丁酯 乳化液 加入疏水单体 载体 （五）固定化酶的米氏常数（Km变化） 大多数Km ↑ 带相同电荷Km ↑ 载体与底物带相反电荷Km↓或Km仍↑ 不带电荷Km ↑ （六）固定化酶底物特异性变化 小分子不易发生改变 大分子底物可能发生专一性改变 六．辅酶固定化 第二节固定化细胞 一．固定化细胞定义： 被限制或定于特定空间位置的细胞 二．细胞类型 动物细胞 植物 微生物 死细胞：完整细胞，细胞碎片，细胞器 活细胞：增殖细胞，静止细胞，饥饿细胞 增殖细胞：发酵↑ 静止细胞：G0细胞（逃离细胞周期，但需要诱导条件）休眠状态发酵能力不提高三．固定化细胞与固定化酶的优缺点 优点： ①适合于细胞发酵过程 ②固定化细胞能够保持酶的天然构象 ③更适合于多酶反应 ④不需要酶的分离纯化 缺点： ①固定化细胞存在载体胞壁或胞膜扩散限制（底物扩散） ②只适合于胞内酶 ③存在多种副产品 四．固定化细胞的方法 （一）吸附法 1.活性污泥法：絮凝体--好氧微生物+胶质物质+其他物质（具有自净功能） 2.中空纤维法： 动物细胞：单层贴壁生长中空纤维管 （二）包埋法 对包埋载体的要求： 1.易于成形，过程简单 2.成本低 3.固定化过程对细胞无害 4.基质通透好 5.不易渗漏 6.固定化细胞密度大 7.物理强度和化学稳定性好 8抗微生物分解 9.沉降分离好 例如：海藻酸钙包埋法：天然状态下，海藻酸钠不易凝固 Na+ 包埋的基本过程：[聚乙烯醇（PVA）PVA-HBO3包埋法] 1.将海藻酸钠（或PVA）加热溶于水（海藻酸钠比琼脂更难溶） 2.将海藻酸男（或PVA）与细胞悬液混合均匀，使海藻酸钠最终浓度为2%-4%，取生长对数期增殖细胞107个/mL 3.将上述的混合液用针形管滴入5%-10%Cacl2（饱和硼酸溶液）（方向垂直，慢而且不成串） 4.同化7-8h（HBO3-10h） 5.过滤出颗粒，用生理盐水洗净 后面的步骤： （一）交联法： 6.将颗粒置于乙二胺溶液中搅拌1-2h 7.过滤颗粒后，加0.5%戊二醛交联5min 8.过滤洗净 （二）封包埋法 6.将颗粒置于下列溶液中：5%壳聚糖0.2M Cacl2 7.过滤出颗粒，洗净，加入0.5%戊二醛交联 8.过滤，洗净 第三节固定化细胞与固定化酶的表征 一．固定化酶（细胞）活力 （一）活力单位定义酶： 每mg干重的固定化酶（细胞）每分钟转化底物（或生成产物的量）（干重包括载体和细胞）umol/.min-1.mg-1 若为酶膜，酶板，酶管则为：umol/.min-1.cm-2 （二）活力测定： 1.间歇测定 2.连续测定：反应器测定：流入底物或流出产物速率 二.偶联率 加入蛋白活力-上清液蛋白活力 偶联率= ×100% 加入蛋白活力 偶联率的测定：HPLC 酶分子修饰后的酶分子修饰剂 三．相对活力。 固定化酶总活力 相对活力= ×100% 加入酶活力-上清液酶活力 四．活力回收率 固定化酶总活力 活力回收率= ×100% 加入酶总活力 五．固定化酶（细胞）半衰期（与稳定性，重复次数有关） 定义：是指在连续测定条件下，固定化酶（细胞）活力下降为最终一半所经历的连续工作时间。 t 1/2=0.693/K D K D=-2.303/t× 第三章酶的化学修饰 第一节酶的化学修饰目的和原理 一．酶的化学修饰的定义 利用化学手段将化学物质或基团结合到酶分子上，或将酶分子的某一部分删除或置换，改变酶的理化性质。 二．酶化学修饰的意义 1.提高酶活力 2.增强酶的稳定性，热稳定性，耐酸碱性，耐变性剂（半衰期也延长） 3.消除或降低抗原性（药物） 4.产生新的催化能力（新的底物） 5.研究酶的结构与功能的关系（50s） 三．酶的活性中心 活性中心以外 必需基团结合基团 活性中心以内 酶分子催化基团 非必需基团 四．酶化学修饰的原理 （一）如何增强天然构象的稳定性及耐热性 多点交联：修饰剂与酶分子多点交联 （二）如何保护酶分子活性部位与抗抑制剂 覆盖效应静电斥力 （三）如何维持酶功能结构完整以及抗蛋白水解酶 覆盖水解位点敏感基团被修饰 （四）如何消除酶的抗原性及稳定酶的微环境 抗原表位覆盖或破坏形成缓冲外壳（微环境） 第二节酶化学修饰的设计 一．充分认识酶分子的特性 1.活性部位的情况 2.酶稳定条件及最佳反应条件 3.侧链基团的化学性质及其反应类型 二．修饰剂的选择 1.修饰剂的分子量及链的长度 2.修饰剂上的反应基团的数目及位置 3.修饰剂的活化条件及方法 三．修饰反应条件的选择 1.酶与修饰剂的分子数目比例（根据修饰率与酶活回收率选择比例） 2.反应体系（考虑：缓冲液及其pH）盐浓度及pH（不同pH电离程度不同） 3.反应温度和时间（T:0-10℃t：3-4h） 第三节酶化学修饰方法（或种类） 一．酶分子表面的化学修饰 （一）大分子结合修饰：最常用，最广泛 定义：利用水溶液性大分子与酶结合（共价或非共价），使酶的空间结构发生某些精细改变，从而改变酶的特性与功能的方法 共价：优点：具有很强的目标性 非共价：氢键，无很强目标性，操作简单，失活较少 常用大分子结合修饰剂: 1.聚乙二醇（PEG）： ①可以有不同的分子量几百-几千； ②双亲分子:既溶于水，又溶于有机溶剂 ③无免疫毒性，生物相容性好 单甲氧基PEG（应用多） 双甲氧基PEG 2.多糖类 右旋糖酐：不同大小分子量安全 蔗糖聚合物（聚蔗糖）肝素淀粉壳聚糖环糊精琼脂糖 3.多肽类及同源蛋白 多肽类：聚丙氨酸聚赖氨酸 同源蛋白：人/牛血清白蛋白免疫球蛋白 4.长链脂肪酸类 硬脂酸月桂酸棕榈酸 大分子结合修饰举例： 物质半衰期 SOD 6min 右旋糖酐-SOD 7h 聚蔗糖高分子量24h 低分子量14h PEG-SOD 35h （二）小分子修饰（酶蛋白侧链基团修饰） 20种氨基酸只有极性氨基酸能被修饰（12种） 重要的修饰反应类型： 烷基化反应： 2.4-二硝基氟苯，碘乙酸等 酰基化反应 氧化还原反应 芳香环取代反应 （三）交联修饰（交联酶晶体） 双功能试剂 （四）固定化修饰（共价偶联） 二．酶分子的内部修饰 （一）肽链有限水解修饰（蛋白主链修饰） 定义：利用肽链有限水解，使酶的空间结构发生某些精细的改变，从而改变酶的特性与功能的方法。 可降解免疫原性 例如：免疫激活 可提高稳定性 （二）金属离子置换修饰 定义：对于含有金属离子的酶分子，二价金属离子为主 方法步骤： 法1：含金属离子酶液→加入EDTA→酶+金属螯合物→透析或超滤分离→酶液→加入新的金属离子 法2.Zn型蛋白酶→Ca型酶蛋白（提高20%-30%） （三）氨基酸置换修饰 遗传修饰 化学修饰 （半胱氨酸）Cys←Ser -SH←-OH 枯草杆菌蛋白酶：Cys←Ser （活性中心） 硝基苯酯→水解 （四）肽链伸展后修饰 变性→修饰→水解 三．其他修饰方法： （一）酶的亲和修饰 要求基团专一性分类内生亲和试剂：不常用 位点专一性外生亲和试剂：（常用）光敏亲和试剂 光敏亲核试剂：暗条件→结合反应，多余修饰剂去除 光条件 （二）物理修饰 高压，温度 第四章非水酶学 第一节非水酶学的概述 1984年美国麻省理工Klihanov 猪胰脂肪酶99%有机溶剂 三丁酸甘油与醇→转酯反应 结果：100℃保持稳定较高活力 （一）非水介质中酶催化的优缺点 1.有利于疏水底物的反应 2.可以提高酶的热稳定性（非水介质中酶是刚性构象） 3.催化水中不能进行的反应 4.可以改变反应平衡移动方向 5.可控制底物的专一性： 底物特异性 化学键的选择性 对映体的选择性 位置选择性 6.可以防止由水引起的副反应 7.可以扩大反应pH的适应性（耐酸碱能力提高） 8.酶容易实现固定化 9.酶和产物易于回收 10.可以避免微生物的污染 二．非水酶介质中酶催化的条件 （一）保证必需水的含量 必需水：指紧紧吸附在酶分子表面，维持酶催化活性所必需的最低含水量（水化层=结合水=必需水）可能含有自由水 （二）选择合适的酶和酶的形式 酶粉：均匀悬浮在有机相 酶的形式固定化酶（最重要的形式） 化学修饰：PEG修饰，糖脂修饰 （三）选择合适的溶剂和反应体系 （四）选择最佳pH值 有机相缓冲液 水溶液缓冲液 酶（水溶液）→酶粉→有机相 三．非水酶学介质中酶催化的有机溶剂体系 1.微水有机介质体系（微水为必需水） 单相体系有机溶剂不溶于水 2.水有机溶剂互溶单相体系 水>2%（含游离水）有机溶剂（极性溶剂） 3.水和有机溶剂的两相体系 4.反胶束体系 水浓度高，正向胶团（正胶束）→水包油 水浓度低，反向胶团（反胶束）→油包水 反胶团优点：底物与酶充分接触 超活性：酶载有机相的活力比水中高 5. 超临界流体 介于气体和液体之间，具有强的扩散和溶解力 临界温度：在此温度之上，无论如何增大压强，气体都不会液化 临界压力：在临界温度时，使气体液化的最小的压力 超临界流体：温度和压力均超过临界值的高密度流体 6.氟溶剂： 两相→→单相→→两相 （低）（高，催化）（低，分离纯化） 7.离子液体： 定义：指由阴阳离子组成并在常温下呈液态离子化合物。 咪唑盐类 阳离子吡啶盐类 季铵盐 季鏻盐 8.无机盐体系或少溶剂体系：底物+酶 9.（拟）低共培体系（固液共存） 10.气体 四．分子印迹酶 分子印迹酶的制作方法：酶在有机相中结构更稳定→保持酶的刚性 酶水溶液+配体（高浓度）[底物类似物或竞争性抑制性]→冷冻干燥（酶粉）→去掉配体（溶剂抽提）→在有机相中酶催化 五．仿水溶剂 用极性溶剂代替一部分或全部水 例如：二甲基甲酸胺 第二节影响酶在非水介质中的催化因素 一．水 （一）干燥酶的水合过程： 1.酶分子表面的带电基团结合0.00--0.07g/g酶 2.酶表面的极性基团：0.07--0.25g/g酶 3.酶聚到表面相互作用比较弱的部位：0.25--0.38g/g酶 4.酶分子表面水化，形成水化层 （二）水的作用 3-10 求图示多跨梁支座A 、C 处的约束力。已知M =8kN ·m ，q =4kN/m ，l =2m 。 解：（1）取梁BC 为研究对象。其受力如图(b)所示。列平衡方程 （2）取整体为研究对象。其受力如图(c)所示。列平衡方程 3-11 组合梁 AC 及CD 用铰链C 连接而成，受力情况如图(a)所示。设F =50kN ， q =25kN/m ，力偶矩M =50kN ·m 。求各支座的约束力。 F B kN 1842494902 332, 0=??===? ?-?=∑ql F l l q l F M C C B kN 62431830 3, 0=??+-=+-==?-+=∑ql F F l q F F F C A C A y m kN 32245.10241885.1040 5.334, 022?=??+??-=+?-==??-?+-=∑ql l F M M l l q l F M M M C A C A A 解：（1）取梁CD 为研究对象。其受力如图(c)所示。列平衡方程 （2）取梁AC 为研究对象。其受力如图(b)所示，其中F ′C =F C =25kN 。列平衡方程 F C (b) (c) ′C kN 254 50 252420124, 0=+?=+= =-??-?=∑M q F M q F M D D C kN 254 50256460324, 0=-?=-= =-??+?-=∑M q F M q F M C C D ) kN(252 25225250222021212, 0↓-=?-?-='--= =?'-??-?+?-=∑C A C A B F q F F F q F F M kN 1502 25425650246043212, 0=?+?+='++==?'-??-?-?=∑C B C B A F q F F F q F F M 思考题 1． 试用简练的语言说明导热、对流换热及辐射换热三种热传递方式之间的联系和区别。 答：导热和对流的区别在于：物体内部依靠微观粒子的热运动而产生的热量传递现象，称为导热；对流则是流体各部分之间发生宏观相对位移及冷热流体的相互掺混。联系是：在发生对流换热的同时必然伴生有导热。 导热、对流这两种热量传递方式，只有在物质存在的条件下才能实现，而辐射可以在真空中传播，辐射换热时不仅有能 量的转移还伴有能量形式的转换。 能量平衡分析 1-1夏天的早晨，一个大学生离开宿舍时的温度为20℃。他希望晚上回到房间时的温度能够低一些，于是早上离开时紧闭门窗，并打开了一个功率为15W 的电风扇，该房间的长、宽、高分别为5m 、3m 、2.5m 。如果该大学生10h 以后回来，试估算房间的平均温度是多少？ 解：因关闭门窗户后，相当于隔绝了房间内外的热交换，但是电风扇要在房间内做工产生热 量：为J 5400003600 1015＝??全部被房间的空气吸收而升温，空气在20℃时的比热为：1.005KJ/Kg.K,密度为1.205Kg/m 3 ,所以89.11005.1205.15.235105400003 =?????=?-t 当他回来时房间的温度近似为32℃。 1-9 一砖墙的表面积为122 m ，厚为260mm ，平均导热系数为1.5W/（m.K ）。设面向室内的 表面温度为25℃，而外表面温度为-5℃，试确定次砖墙向外界散失的热量。 解：根据傅立叶定律有： W t A 9.207626.05 )(25125.1=--? ?=?=Φδλ 1-10 一炉子的炉墙厚13cm ，总面积为202 m ，平均导热系数为1.04w/m.k ，内外壁温分别 是520℃及50℃。试计算通过炉墙的热损失。如果所燃用的煤的发热量是2.09×104kJ/kg ，问每天因热损失要用掉多少千克煤？ 解：根据傅利叶公式 KW t A Q 2.7513.0) 50520(2004.1=-??=?= δλ 每天用煤 d Kg /9.3101009.22 .753600244 =??? 1-11 夏天，阳光照耀在一厚度为40mm 的用层压板制成的木门外表面上，用热流计测得木 门内表面热流密度为15W/m 2。外变面温度为40℃，内表面温度为30℃。试估算此木门在厚度方向上的导热系数。 解： δλ t q ?=，)./(06.0304004 .015K m W t q =-?=?= δλ 1-12 在一次测定空气横向流过单根圆管的对流换热实验中，得到下列数据：管壁平均温度t w =69℃，空气温度t f =20℃，管子外径 d=14mm ，加热段长 80mm ，输入加热段的功率8.5w ，如果全部热量通过对流换热传给空气，试问此时的对流换热表面传热系数多大？ 解：根据牛顿冷却公式 ()f w t t rlh q -=π2 所以 () f w t t d q h -= π＝49.33W/(m 2.k) 1-13 对置于水中的不锈钢束采用电加热的方法进行压力为1.013Pa 5 10?的饱和水沸腾换 热实验。测得加热功率为50W ，不锈钢管束外径为4mm ，加热段长10mm ，表面平均温度为109℃。试计算此时沸腾换热的表面传热系数。 《工程力学》学习心得 -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII 《工程力学》学习心得大二马上就要过去了，在即将过去的一年的大学学习中，我们已经把力学中的理论力学和材料力学都快学习完了。这一年的学习让我了解了许多有关于力的新知识和计算的新方法，老师讲了很多例题的解法，特别是学习的方式更是让我的受益匪浅。 在半年学习力学的过程中，一开始，我以为力学不一定很难，因为很多内容是大学物理里的，所以我应该很容易掌握，但经过一段时间的学习后，我发现它并不是想象中的那么容易，首先，学习内容多，而且有部分特别难。除此之外在学习力学的过程中，还要必须学会画图，学会受力分析。 从老师刚开始老师给我们讲述有关于力学的一些基本知识，并阐明了学习的目标和宗旨到现在将近一年，有时感觉力学容易有时有感觉难。上学期力学考的不是很理想，就是因为有阶段没好好听课，导致材料力学里弯曲变形没学懂，考试前没好好复习，这学期刚开始还是有些吃力，但是后来就慢慢赶上老师的进度，感觉老师应该每次 上课时应该穿插讲一点以前学过的知识来巩固我们以前的知识。 老师也很负责，先把新知识仔细地将一遍，然后再将例题一一讲解一遍，然后挑一两道相似的习题给我们同学现场做，有时还会随意抽同学上黑板做。放学后，老师还会布置一定的作业，到每周力学实验课连同上次力学实验一起交上去。，每次上课都让同学把与上课无关的东西收起来。上课的时候每次做题他都会看看学生的步骤。到考试之前，他还会让我们找个时间来答疑。 通过上学期的学习，我发现其实态度比学习方法更重要，在学习中我们应该端正自己的态度，如果一个学生不能端正自己的态度，大学基本上也学不到多少东西。而且这种心态不能有丝毫松懈，一旦松懈，就得花更长的时间来“补课”。有句话说：“学如逆水行，不进则退。心似平原散马，易放难收。” 上学期力学只考了七十几分，是我对自己有了一个全新的认识。在这学期我一定会好好努力，并且通过自己的努力，争取在期末能得到理想的成绩。给自己即将结束的力学之旅画上一个完整的句号。 工程力学习题答案 第一章 静力学基础知识 思考题：1. ×;2. √;3. √;4. √;5. ×;6. ×;7. √;8. √ 习题一 1．根据三力汇交定理，画出下面各图中A 点的约束反力方向。 解：（a ）杆AB 在A 、B 、C 三处受力作用。 由于力p u v 和B R u u v 的作用线交于点O 。 如图（a ）所示，根据三力平衡汇交定理， 可以判断支座A 点的约束反力必沿 通过A 、O 两点的连线。 （b ）同上。由于力p u v 和B R u u v 的作用线 交于O 点，根据三力平衡汇交定理， 可判断A 点的约束反力方向如 下图（b ）所示。 2．不计杆重，画出下列各图中AB 杆的受力图。 解：（a ）取杆AB 为研究对象，杆除受力p u v 外，在B 处受绳索作用的拉力B T u u v ，在A 和E 两处还受光滑接触面约束。约束力A N u u u v 和E N u u u v 的方向分别沿其接触表面的公法线， 并指向杆。其中力E N u u u v 与杆垂直， 力A N u u u v 通过半圆槽的圆心O 。 AB 杆受力图见下图（a ）。 (b)由于不计杆重，曲杆BC 只在两端受铰销B 和C 对它作用的约束力B N u u u v 和C N u u u v ， 故曲杆BC 是二力构件或二力体，此两力的作用线必须通过B 、C 两点的连线，且 B N = C N 。研究杆两点受到约束反力A N u u u v 和B N u u u v ，以及力偶m 的作用而 平衡。根据力偶的性质，A N u u u v 和B N u u u v 必组成一力偶。 (d)由于不计杆重，杆AB 在A 、C 两处受绳索作用的拉力A T u u v 和C T u u v ，在B 点受到支 座反力B N u u u v 。A T u u v 和C T u u v 相交于O 点， 根据三力平衡汇交定理， 可以判断B N u u u v 必沿通过 工程力学课程认识与学习感受 工程力学是一门专业基础课，它不仅是力学学科的基础，而且也是《粉末冶金》和《高分子材料》等后续相关专业课程的基础课。它在许多工程技术领域中有着广泛的应用，学习这门课程是让我们掌握静力学和材料力学的基本概念和研究方法，为学习后继课程打好必要的基础，并为将来学习和掌握新的科学技术创造条件。通过本课程的学习使我们掌握了分析和解决一些简单的工程实际问题的方法。 力的作用与物质的运动是自然界和人类活动中最基本的现象。这正是力学学科研究的对象，从而也奠定了力学在自然科学中的基础地位。工程力学是现代工程科学技术交叉发展的一门力学分支学科，已成为土木、水利、机械、电子与信息、能源与矿山、交通、环境保护、材料与加工、自动化技术、农业、生物、海洋、船舶、石油化工、航空与航天及国防建设等工程科学的基础。工程力学具有广泛性、复杂性和多样性，体现了多学科交叉发展和相互促进，以及力学在解决重大工程技术问题中的基础性和必不可缺少重要的作用。工程力学研究的是有关机械或工程结构的各个组成部分在受外力的情况下发生的变形，分析变形对构件的影响，并设计一些简单的构件，使它满足稳定性的要求。开始学习这门课程，对课本主要知识结构不是很了解的话，就会觉得学习的知识很多，而且公式也非常多，有些公式还很难记，当时感觉就是有点难。对于理科的课程，我觉得最主要的是要抓住其主要的，形成一条线，让它贯穿整个知识结构，然后拖住一些细节知识。学习工程力学的基础是基本假设，在满足工程要求的情况下，提出合理的假设，然后在用简单高等数学分析，推理出一些简单实用的公式。而我一直喜欢的就是对一些简单的公式自己根据已知条件，再用学过的知识推理出公式，这样得出的公式就一般很容易记住，并且对其推理过程也有所掌握，不会乱套。但是力学不象数学那样有要求严格的数学公式，它要求的是满足工程要求，适当的简化公式，简化计算。所以有的时候我们要记住各种公式的适用条件，不能一概而论，否则很容易出错。 通过老师的介绍，我知道了力是物体之间的相互机械作用，明白了静力学是研究作用于物体上的力及其平衡的一般规律。力学的内容好比一条有机结合的知识链，知识点多,前后内容联系强，一环套一环，因此在学习中一旦疏漏了某个环节，就势必要影响到后续课程的学习。在这一个学期的学习过程中，我不仅学到了专业知识，还觉的工程力学这门功课锻炼了我的思维能力。比如说一道题可以有很多种方法,就看那一种比较简便。就我个人而言,我认为要学好结构力学，最关键的还是要多问多听多看多做。多问是指遇到不懂的要问,碰到不会的要问。在课前要做好预习工作。接触新知识,不可避免地会遇到很多较难理解的知识点。我觉得我们可以先向同学提出来，大家讨论。这样不仅可以创造良好的学习气氛，还可以提高大家对结构力学的兴趣，有助于对新知识点的理解。多听是指上课时要听老师讲课，讨论时要听同学提问。很多人只知道上课要认真，但是在其他同学提出问题时却毫不理会，如果 4-1 试求题4-1图所示各梁支座的约束力。设力的单位为kN ，力偶矩的单位为kN ?m ，长度单位为m ，分布载荷集度为kN/m 。(提示：计算非均布载荷的投影和与力矩和时需应用积分)。 解： (b)：(1) 整体受力分析，画出受力图(平面任意力系)； (2) 选坐标系Axy ，列出平衡方程； 0: 0.40 0.4 kN x Ax Ax F F F =-+==∑ ()0: 20.80.5 1.60.40.720 0.26 kN A B B M F F F =-?+?+?+?==∑ 0: 20.50 1.24 kN y Ay B Ay F F F F =-++==∑ 约束力的方向如图所示。 (c)：(1) 研究AB 杆，受力分析，画出受力图(平面任意力系)； (2) 选坐标系Axy ，列出平衡方程； 2 ()0: 3320 0.33 kN B Ay Ay M F F dx x F =-?-+??==∑? A B C D 0.8 0.8 0.4 0.5 0.4 0.7 2 (b) A B C 1 2 q =2 (c) M=3 30o A B C D 0.8 0.8 0.8 20 0.8 M =8 q =20 (e) A B C 1 2 q =2 M=3 30o F B F Ax F A y y x dx 2?dx x A B C D 0.8 0.8 0.4 0.5 0.4 0.7 2 F B F Ax F A y y x 2 0: 2cos300 4.24 kN o y Ay B B F F dx F F =-?+==∑? 0: sin300 2.12 kN o x Ax B Ax F F F F =-==∑ 约束力的方向如图所示。 (e)：(1) 研究CABD 杆，受力分析，画出受力图(平面任意力系)； (2) 选坐标系Axy ，列出平衡方程； 0: 0 x Ax F F ==∑ 0.8 ()0: 208 1.620 2.40 21 kN A B B M F dx x F F =??++?-?==∑? 0.8 0: 20200 15 kN y Ay B Ay F dx F F F =-?++-==∑? 约束力的方向如图所示。 4-16 由AC 和CD 构成的复合梁通过铰链C 连接，它的支承和受力如题4-16图所示。已知均布载荷集度q=10 kN/m ，力偶M=40 kN ?m ，a=2 m ，不计梁重，试求支座A 、B 、D 的约束力和铰链C 所受的力。 解：(1) 研究CD 杆，受力分析，画出受力图(平面平行力系)； (2) 选坐标系Cxy ，列出平衡方程； 0()0: -20 5 kN a C D D M F q dx x M F a F =??+-?==∑? 0: 0 25 kN a y C D C F F q dx F F =-?-==∑? (3) 研究ABC 杆，受力分析，画出受力图(平面平行力系)； A B C D 0.8 0.8 0.8 20 0.8 M =8 q =20 F B F Ax F A y y x 20?dx x dx A B C D a M q a a a C D M q a a F C F D x dx qdx y x y x A B C a q a F ’C F A F B x dx qdx 第一章 静力学基本概念与物体的受力分析 下列习题中，未画出重力的各物体的自重不计，所有接触面均为光滑接触。 1.1 试画出下列各物体（不包括销钉与支座）的受力图。 解：如图 (g) (j) P (a) (e) (f) W W F F A B F D F B F A F A T F B A 1.2画出下列各物体系统中各物体（不包括销钉与支座）以及物体系统整体受力图。 解：如图 F B B (b) (c) C (d) C F D (e) A F D (f) F D (g) (h) EO B O E F O (i) (j) B Y F B X B F X E (k) 1.3铰链支架由两根杆AB、CD和滑轮、绳索等组成，如题1.3图所示。在定滑轮上吊有重为W的物体H。试分别画出定滑轮、杆CD、杆AB和整个支架的受力图。 解：如图 ' D 1.4题1.4图示齿轮传动系统，O1为主动轮，旋转 方向如图所示。试分别画出两齿轮的受力图。 解： 1 o x F 2o x F 2o y F o y F F F' 1.5结构如题1.5图所示，试画出各个部分的受力图。 解： 第二章 汇交力系 2.1 在刚体的A 点作用有四个平面汇交力。其中F 1＝2kN ，F 2=3kN ，F 3=lkN ， F 4=2.5kN ，方向如题2.1图所示。用解析法求该力系的合成结果。 解 0 00 1 42 3c o s 30c o s 45c o s 60 c o s 45 1.29 Rx F X F F F F KN = =+- -=∑ 00001423sin30cos45sin60cos45 2.54Ry F Y F F F F KN ==-+-=∑ 2.85R F KN == 0(,)tan 63.07Ry R Rx F F X arc F ∠== 2.2 题2.2图所示固定环受三条绳的作用，已知F 1＝1kN ，F 2=2kN ，F 3=l.5kN 。求该力系的合成结果。 解：2.2图示可简化为如右图所示 23cos60 2.75Rx F X F F KN ==+=∑ 013sin600.3Ry F Y F F KN ==-=-∑ 2.77R F KN == 0(,)tan 6.2Ry R Rx F F X arc F ∠==- 2.3 力系如题2.3图所示。已知：F 1＝100N ，F 2=50N ，F 3=50N ，求力系的合力。 解：2.3图示可简化为如右图所示 080 arctan 5360 BAC θ∠=== 32cos 80Rx F X F F KN θ==-=∑ 12sin 140Ry F Y F F KN θ==+=∑ 161.25R F KN == ( ,)tan 60.25Ry R Rx F F X arc F ∠= = 2.4 球重为W ＝100N ，悬挂于绳上，并与光滑墙相接触，如题2.4 图所示。已知30α=， 不知不觉中，本学期又过大半，同时，学习工程力学这门课程也快一年了。刚开始学时觉得这门课和高中的物理力学没啥大的区别，都是分析力学问题。但是随着深入的学习，慢慢的，发现了这门课程没那么简单，并不只是简单的分析力的构成。 工程力学这门课程包括有理论力学和材料力学两大部分。理论力学主要讲述的是经典力学部分的内容，讲述了静力学和运动学和动力学三大部分。静力学是研究物体在力系作用下的平衡规律的科学，动力学主要研究了点和刚体的简单运动和合成运动，动力学研究物体的机械运动和作用力之间的关系。材料力学研究物体（变形体模型）在外力作用下的内力、应力、变形及失效规律。 理论力学不像是生物化学，很多知识要靠记忆去扩展，这是一门更多得靠逻辑和推理去构建知识构架的学科。我对需要大量记忆的课程并不擅长，但我喜欢在错综复杂的力学体系中用最基本的东西去思考，解决问题，并想出自己真正有个性的办法，我也觉得这样对自己的智力和思维方式才是有帮助的。而理论力学又不同于以前作为基础学科的物理，其分析的问题更加复杂，更加接近实际，对问题的剖析也更加深刻，因此对思维也提出了更多的挑战，激起人的兴趣。 在具体学习的过程中，自己还是碰到了很多的困难的，有时觉得会烦躁，但最后静下心来好好把书上的内容系统地过一遍，有时甚至往复地看好多遍，直到自己真正理解，成为让自己接受的知识。理论力学的难点不在于知识的多，而是真正要学好这门课，对其中没一点知识必须有足够深的理解，然后各种综合性交叉性的题目也便能很自然得想到用书中不同的知识去解决。自己也便能顺利地去推倒自己想要的结论了。 另外这门课最有特色的地方就是将理论和实际结合起来了，我们不仅在可以学到课本上的内容，同时，我们还可以亲自动手在实验中检验理论。这与以往学习理论力学的过程中有很大的不同，也更加激起了我们的学习兴趣。 工程力学理论性强且与专业课、工程实际紧密联系，是科学、合理选择或设计结构的尺寸、形状、强度校核的理论依据。具有承上启下的作用。所以，学好工程力学，为后续专业课的应用和拓展奠定了很强的理论基础。 §2.8 酶促反应动力学（9章 P351） 一一一底物浓度对酶反应速率的影响 用反应初速度v对底物浓度[S]作图得P355 图9-6。 曲线分以下几段： 一1一OA段：反应底物浓度较低时v与[S]成正比，表现为一级反应， v = k[S]。 根据酶底物中间络合物学说，酶催化反应时，首先和底物结合生成中间 复合物ES，然后再生成产物P，并释放出E。 E + S = ES → P + E OA段上，底物浓度小，酶未被底物饱和，有剩余酶，反应速率取决于ES浓 度，与[S]呈线性关系，v正比于[S]。 一2一AB段：反应速度不再按正比升高，表现为混合级反应。此时酶渐渐为底物饱和，[E S]慢慢增加，v也慢慢增加，为分数级反应。 一3一BC段：反应速度趋于V max，为零级反应，酶促反应表现出饱和现象。此时底物过量[S]>[E], [E]已全部转为[E S]而恒定，因此反应速率也恒定，为最大反应速率，V m 为[E]所决定。 ax 非催化反应无此饱和现象。 酶与底物形成中间复合物已得到实验证实。 一一一酶促反应力学方程式 一1一米氏方程推导 1913年Michaelis和Menten提出并推导出表示[S]与v之间定量关系的米氏方程 V max[S] V = K m + [S] Km：米氏常数，物理意义为反应速率为最大速率V max一半时底物的浓度， 单位与底物浓度同。 推导：酶促反应分两步进行。 k1 k3 E + S ES → P + E k2 v = k3 [ES] 一般k3为限速步骤 v = k3 [ES] … ① 1.[ES] 生成速率： d[ES]/dt = k1([E] - [ES]) [S] 2.[E S]分解速率： 工程力学学习心得 IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】 不知不觉中，本学期又过大半，同时，学习工程力学这门课程也快一年了。刚开始学时觉得这门课和高中的物理力学没啥大的区别，都是分析力学问题。但是随着深入的学习，慢慢的，发现了这门课程没那么简单，并不只是简单的分析力的构成。 工程力学这门课程包括有理论力学和材料力学两大部分。理论力学主要讲述的是经典力学部分的内容，讲述了静力学和运动学和动力学三大部分。静力学是研究物体在力系作用下的平衡规律的科学，动力学主要研究了点和刚体的简单运动和合成运动，动力学研究物体的机械运动和作用力之间的关系。材料力学研究物体（变形体模型）在外力作用下的内力、应力、变形及失效规律。 理论力学不像是生物化学，很多知识要靠记忆去扩展，这是一门更多得靠逻辑和推理去构建知识构架的学科。我对需要大量记忆的课程并不擅长，但我喜欢在错综复杂的力学体系中用最基本的东西去思考，解决问题，并想出自己真正有个性的办法，我也觉得这样对自己的智力和思维方式才是有帮助的。而理论力学又不同于以前作为基础学科的物理，其分析的问题更加复杂，更加接近实际，对问题的剖析也更加深刻，因此对思维也提出了更多的挑战，激起人的兴趣。 在具体学习的过程中，自己还是碰到了很多的困难的，有时觉得会烦躁，但最后静下心来好好把书上的内容系统地过一遍，有时甚至往复地看好多遍，直到自己真正理解，成为让自己接受的知识。理论力学的难点不在于知识的多，而是真正要学好这门课，对其中没一点知识必须有足够深的理解，然后各种综合性交叉性的题目也便能很自然得想到用书中不同的知识去解决。自己也便能顺利地去推倒自己想要的结论了。 工程力学知识点 静力学分析 1、静力学公理 a，二力平衡公理：作用在刚体上的两个力使刚体处于平衡的充分必要条件是这两个力等值、反向、共线。（适用于刚体） b，加减平衡力系公理：在任意力系中加上或减去一个平衡力系，并不改变原力系对刚体的效应。（适用于刚体） c，平行四边形法则：使作用在物体上同一点的两个力可以合为一个合力，此合力也作用于该点，合理的大小和方向是以两个力为邻边所构成的平行四边形的对角线来表示。（适用于任何物体） d，作用与反作用力定律：两物体间的相互作用力，即作用力和反作用力，总是大小相等、指向相反，并沿同一直线分别作用在这两个物体上。（适用于任何物体） e，二力平衡与作用力反作用力都是二力相等，反向，共线，二者的区别在于两个力是否作用在同一个物体上。 2、汇交力系 a，平面汇交力系：力的作用线共面且汇交与一点的平面力系。 b，平面汇交力系的平衡：若平面汇交力系的力多边形自行封闭，则该平面汇交力系是平衡力系。 c，空间汇交力系：力的作用线汇交于一点的空间力系。 d，空间汇交力系的平衡：空间汇交力系的合力为零，则该空间力系平衡。 3、力系的简化结果 a，平面汇交力系向汇交点外一点简化，其结果可能是①一个力②一个力和一个力偶。但绝不可能是一个力偶。 b，平面力偶系向作用面内任一点简化，其结果可能是①一个力偶②合力偶为零的平衡力系 c，平面任意力系向作用面内任一点简化，其结果可能是①一个力②一个力偶③一个力和一个力偶④处于平衡。 d，平面平行力系向作用面内任一点简化，其结果可能是①一个力②一个力偶③一个力和一个力偶④处于平衡。 e，平面任意力系平衡的充要条件是①力系的主矢为零②力系对于任意一点的主矩为零。 4、力偶的性质 a，由于力偶只能产生转动效应，不产生移动效应，因此力偶不能与一个力等效，即力偶无合力，也就是说不能与一个力平衡。 b，作用于刚体上的力可以平移到任意一点，而不改变它对刚体的作用效应，但平移后必须附加一个力偶，附加力偶的力偶矩等于原力对于新作用点之矩，这就是力向一点平移定理。 c，在平面力系中，力矩是一代数量，在空间力系中，力对点之矩是一矢量。力偶对其作用面内任意点的力矩恒等于此力偶矩，而与矩心的位置无关。 5、平面一般力系。 a，主矢：主矢等于原力系中各力的矢量和，一般情况下，主矢并不与原力系等效，不是原力系的合力。它与简化中心位置无关。 b，主矩：主矩是力系向简化中心平移时得到的附加力偶系的合力偶的矩，它也不与原力系等效。主矩与简化中心的位置有关。 c，全反力：支撑面的法向反力及静滑动摩擦力的合力 d，摩擦角：在临界状态下，全反力达到极限值，此时全反力与支撑面的接触点的法线的夹角。f=tan e，自锁现象：如果作用于物体的全部主动力的合力的作用线在摩擦角内，则无论这个力有多大，物体必然保持静止，这一现象称为自锁现象。 6、a，一力F在某坐标轴上的投影是代数量，一力F沿某坐标轴上的分力是矢量。 b，力矩矢量是一个定位矢量，力偶矩矢是自由矢量。 c，平面任意力系二矩式方程的限制条件是二矩心连线不能与投影轴相垂直；平面任意力系三矩式方程的限制条件是三矩心连线不能在同一条直线上。 d，由n个构件组成的平面系统，因为每个构件都具有3个自由度，所以独立的平衡方程总数不能超过3n个。 e，静力学主要研究如下三个问题：①物体的受力分析②力系的简化③物体在力系作用下处于平衡的条件。 f，1 Gpa = 103 Mpa = 109 pa = 109 N/m2 7、铰支座受力图 固定铰支座活动铰支座 1. 一物体在两个力的作用下，平衡的充分必要条件是这两个力是等值、反向、共线。 ( √ ) 2. 若作用在刚体上的三个力的作用线汇交于同一个点，则该刚体必处于平衡状态。 ( × ) 3. 理论力学中主要研究力对物体的外效应。 ( √ ) 4. 凡是受到二个力作用的刚体都是二力构件。 ( × ) 5. 力是滑移矢量，力沿其作用线滑移不会改变对物体的作用效果。 ( √ ) 6. 在任何情况下，体内任意两点距离保持不变的物体称为刚体。 ( √ ) 7. 加减平衡力系公理不但适用于刚体，而且也适用于变形体。 ( × ) 8. 力的可传性只适用于刚体，不适用于变形体。 ( √ ) 9. 只要作用于刚体上的三个力汇交于一点，该刚体一定平衡。 ( × ) 10. 力的平行四边形法则只适用于刚体。 ( √ ) 1.作用在刚体上两个不在一直线上的汇交力F 1和F 2 ，可求得其合力R = F 1 + F 2 ，则其合力的大小 ( B;D ) (A) 必有R = F 1 + F 2 ； (B) 不可能有R = F 1 + F 2 ； (C) 必有R > F 1、R > F 2 ； (D) 可能有R < F 1、R < F 2。 2. 以下四个图所示的力三角形，哪一个图表示力矢R 是F 1和F 2两力矢的合力矢量 ( B ) 3. 以下四个图所示的是一由F 1 、F 2 、F 3 三个力所组成的平面汇交力系的力三角形，哪一个图表示此汇交力系是平衡的 ( A ) 4．以下四种说法，哪一种是正确的 ( A ) （A ）力在平面内的投影是个矢量； （B ）力对轴之矩等于力对任一点之矩的矢量在该轴上的投影； （C ）力在平面内的投影是个代数量； （D ）力偶对任一点O 之矩与该点在空间的位置有关。 5. 以下四种说法，哪些是正确的？ ( B ) (A) 力对点之矩的值与矩心的位置无关。 (B) 力偶对某点之矩的值与该点的位置无关。 (C) 力偶对物体的作用可以用一个力的作用来与它等效替换。 (D) 一个力偶不能与一个力相互平衡。 四、作图题(每图15分，共60分） 画出下图中每个标注字符的物体的受力图和整体受力图。题中未画重力的各物体的自重不计。所有接触处均为光滑接触。 F 1 F 2 R (A) F 1 F 2 R (B) F 1 F 2 R (C) F 1 R F 2 (D) F 1 F 2 F 3 (A) F 1 F 2 F 3 (B) F 1 F 2 F 3 (C) F 1 F 2 F 3 (D) 工程力学-课后习题答案 4-1 试求题4-1图所示各梁支座的约束力。设力 的单位为kN ，力偶矩的单位为kN m ，长度 单位为m ，分布载荷集度为kN/m 。(提示： 计算非均布载荷的投影和与力矩和时需应用积分)。 A B C D 0.8 0.8 0.4 0 00.7 2 ( A B C 1 2 q ( M= 30o A B C D 0.8 0.8 0.8 2 0.8 M = q =( 解： (b)：(1) 整体受力分析，画出受力图(平面任意 力系)； (2) 选坐标系Axy ，列出平衡方程； 0: 0.40 0.4 kN x Ax Ax F F F =-+==∑ ()0: 20.80.5 1.60.40.720 0.26 kN A B B M F F F =-?+?+?+?==∑ 0: 20.50 1.24 kN y Ay B Ay F F F F =-++==∑ 约束力的方向如图所示。 (c)：(1) 研究AB 杆，受力分析，画出受力图(平 面任意力系)； A B C 1 2 q M= 30o F F A F A y x d 2?x A B C D 0.8 0.8 0.4 00 0.7 2 F F A F A y (2) 选坐标系Axy ，列出平衡方程； 2 0()0: 3320 0.33 kN B Ay Ay M F F dx x F =-?-+??==∑? 2 0: 2cos300 4.24 kN o y Ay B B F F dx F F =-?+==∑? 0: sin 300 2.12 kN o x Ax B Ax F F F F =-==∑ 约束力的方向如图所示。 (e)：(1) 研究C ABD 杆，受力分析，画出受力图 (平面任意力系)； (2) 选坐标系Axy ，列出平衡方程； 0: 0x Ax F F ==∑ 0.8 ()0: 208 1.620 2.40 21 kN A B B M F dx x F F =??++?-?==∑? 0.8 0: 20200 15 kN y Ay B Ay F dx F F F =-?++-==∑? 约束力的方向如图所示。 A B C D 0.8 0.8 0.8 20.8 M = q =F F A F A y x 20 x d 《工程力学(二)》(02392)实践答卷 1、工程设计中工程力学主要包含哪些内容？ 答:静力学、结构力学、材料力学。分析作用在构件上的力,分清已知力与未知力;选择合适的研究对象,建立已知力与未知力的关系;应用平衡条件与平衡方程,确定全部未知力 2、杆件变形的基本形式就是什么？ 答:1拉伸或压缩:这类变形就是由大小相等方向相反,力的作用线与杆件轴线重合的一对力引起的。在变形上表现为杆件长度的伸长或缩 方向相反、力的作用线相互平行的力引起的。在变形上表现为受剪杆件的两部分沿外力作用方向发生相对错动。截面上的内力称为剪力。 力近似相等。3扭转:这类变形就是由大小相等、方向相反、作用面都垂直于杆轴的两个力偶引起的。表现为杆件上的任意两个截面发生 沿着杆件截面平面内的的切应力。越靠近截面边缘,应力越大。4弯曲:这类变形由垂直于杆件轴线的横向力,或由包含杆件轴线在内的纵向平面内的一对大小相等、方向相反的力偶引起,表现为杆件轴线由 面上,弯矩产生垂直于截面的正应力,剪力产生平行于截面的切应力。 另外,受弯构件的内力有可能只有弯矩,没有剪力,这时称之为纯剪构件。越靠近构件截面边缘,弯矩产生的正应力越大。 3、根据工程力学的要求,对变形固体作了哪三种假设？ 答:连续性假设、均匀性假设、各项同性假设。 4、如图所示,设计一个三铰拱桥又左右两拱铰接而成,在BC作用一主动力。忽略各拱的自重,分别画出拱AC、BC的受力图。(20分) 答:(1)选AC拱为研究对象,画分离体,AC杆为二力杆。受力如图 (2)选BC拱为研究对象,画出分析体,三力汇交原理。 F NC F C C F NC’ F NA B F NB 5、平面图形在什么情况下作瞬时平动？瞬时平动的特征就是什么? 答:某瞬时,若平面图形的转动角速度等于零(如有两点的速度vA VB 而该两点的连线AB不垂直于速度矢时)而该瞬时图形上的速度分布规律与刚体平动时速度分布规律相同,称平面图形在该瞬时作瞬时平动。 瞬时平动的特征就是: 平面图形在该瞬时的角速度为零;平面图形在该瞬时的各点的速度相 1水平外伸梁，约束和载荷如图所示。已知q =8kN/m , M =2kN ·m ， kN P 10=，a=1 m ，求支座A 和B 的约束反力。 解：1、对该梁作受力分析 2、列平衡方程 0∑=A M ，0321 =?-?+-?a P a Y M a qa B 0=∑X ， 0=A X 0=∑Y ， 0=--+P qa Y Y B A 2图示悬臂梁，已知q =4kN/m , M =2kN ·m ，kN P 10=，l=2 m 试求A 端的约束力。 (1) 0M 2l q -l sin60P -m 0F m A 2 A =+????=∑)( (2) 0sin60P -ql -Y 0Y A =??=∑ (3) 0cos60P -X 0X A =??=∑ ???? ? ????=??==??+=?=?+???+-=kN kN m kN 5cos60P X 7.16sin60P ql Y 3.232l q l sin60P m M A A 2 A A X A 3在图示组合梁中，已知q =2kN/m ，力偶M =4kN·m , 不计梁的自重,试求A 、C 处支座的约束力。 1、 研究BC 杆 2kN R R 0 M 2R 0m C B C ===-?=∑ 2、 研究AB 杆 kN 3R 0 1R 2 1 q 2R 0M D D B A -==?+? -=∑ kN 3R 0 1q R R R 0Y A B D A ==?-++=∑ 4约束和载荷如图所示，已知100P kN =,200/q kN m =,如果忽略拱的重量，求支座A 和B 的约束反力。 解：先研究整体 (3分) 0,20.510.50B A m Y P q =--+??∑＝ （2分） X C 0,20.51 1.50A B m Y P q =--??∑＝ （2解得：25A Y kN ＝ 175B Y kN ＝ （1分）再研究AC 0,0.50C A A m X Y P =-+∑＝ （2分） 解得：25A X =- （0.5分） 再研究BC X C 0,10.50C B B m X Y q =+-??∑＝ （2分） 解得：75A X =- （0.5 B 2－6 图示平面任意力系中F 1 = 402N ，F 2 = 80N ，F 3 = 40N ，F 4 = 110M ，M = 2000 N ·mm 。各力作用位置如图所示，图中尺寸的单位为mm 。求（1）力系向O 点简化的结果；（2）力系的合力的大小、方向及合力作用线方程。 F F F F (0,30) (20,20) (20,-30) (-50,0) 45 y x R F 'o o M y x o R F (0,-6) 解：N 15045cos 421R -=--?=∑=F F F F F x x 045sin 31R =-?=∑=F F F F y y N 150)()(22'R =∑+∑=y x F F F mm N 900305030)(432?-=--+=∑=M F F F M M O O F 向O 点简化结果如图（b ）；合力如图（c ），其大小与方向为 N 150' R R i F F -== 设合力作用线上一点坐标为（y x ,），则 x y O O yF xF M M R R R )(-==F 将O M 、'R y F 和'R x F 值代入此式，即得合力作用线方程为：mm 6-=y 2－7 图示等边三角形板ABC ，边长a ，今沿其边缘作用大小均为F P 的力，方向如图（a ）所示，求三力的合成结果。若三力的方向改变成如图（b ）所示，其合成结果如何？ 解（a ）0' R =∑=i F F a F a F M A P P 2 3 23=? =（逆） 合成结果为一合力偶a F M P 2 3 =（逆） （b ）向A 点简化i F P ' R 2F -=（←） a F M A P 2 3 = （逆） F F F F F F 习题2－10图 F F F A ' A d R F R F 'A M 习题2－9图 D o n e (略)2?1分别用几何法和解析法求图示四个力的合力。已知力F 3水平，F 1=60N ，F 2=80N ，F 3=50N ，F 4=100N 。 解： (一) 几何法 用力比例尺，按F 3、F 4、F 1、F 2的顺序首尾相连地画出各力矢得到力多边形abcde ，连接封闭边ae 既得合力矢F R ，如图b 所示。从图上用比例尺量得合力F R 的大小F R =68.8N ，用量角器量得合力F R 与x 轴的夹角θ=88°28′，其位置如图b 所示。 (二) 解析法 以汇交点为坐标原点，建立直角坐标系xOy ，如图c 所示。首先计算合力在坐标轴上的投影 N 79.685 11002 18010 3 605 12 1103N 85.15 2100502 18010 1 605 22 110142 1 R 432 1 R =? -?+? =-+==-=? -+?+? -=-++-==∑∑F F F F F F F F F F F y y x x 然后求出合力的大小为 N 81.6879.68)85.1(222R 2R R =+-=+=y x F F F 设合力F R 与x 轴所夹锐角为θ，则 82881838.3785.179 .68tan R R ' ?=== = θθx y F F 再由F R x 和F R y 的正负号判断出合力F R 应指向左上方，如图c 所示。 习题2?1图 F 1 F 2 F 4 F 3 F R 88°28′ (b) 2 3 1 1 1 1 F 1 F 2 F 3 F 4 F R θ (c) 2 3 1 1 1 1 F 1 F 2 F 3 F 4 (a) 0 25 50kN e a b c d O y x 第18章动能定理 功和能机械能守恒定律动力学普遍定理 本节要点： [例18.1]图示系统中,均质圆盘A、B各重P，半径均为R, 两盘中心线为水平线, 盘A上作用矩为M(常量)的一力偶；重物D重Q。问下落距离h时重物的速度与加速度。(绳重不计，绳不可伸长，盘B作纯滚动，初始时系统静止) 22 ：取系统为研究对象 ) /( R h Qh =+??2B ω) 2(B A R R v ωω== 23 )( )dt dh v dt dh Q R M =+P g Q 7)+ 例18.2、行星齿轮传动机构, 放在水平面内。 动齿轮半径r ,重P , 视为均质圆盘；曲柄重Q , 长l , 作用一力偶, 矩为M (常量), 曲柄由静止开始转动； 求曲柄的角速度 (以转角? 的函数表示) 和角加速度。 26 27 ωωωr l r v l == 11 , [例18.3] 长为l ，质量为m 的均质直杆，初瞬时直立于光滑的桌面上。当杆无初速度地倾倒后，求质心的速度（用杆的倾角q 和质心的位置表达）。 39 θ θθsin 2 , l y =)2(2122y l mg y m -++ θ [例18.4] 两根均质杆AC 和BC 各重为P ，长为l ，在C 处光滑铰接，置于光滑水平面上；设两杆轴线始终在铅垂面内，初始静止，C 点高度为h ，求铰C 到达地面时的速度。 解：由于不求系统的内力，可以不拆开。 ：由于不求系统的内力，可以不拆开。研究对象：整体 分析受力：∑=0) (e x F 动量守恒定理＋动能定理求解。 计算动能时，利用平面运动的运动学关系。 且初始静止，所以水平方向质心位置守恒。 gh v Ph C 3 =∴ 4-1 试求题4-1图所示各梁支座的约束力。设力的单位为kN ，力偶矩的单位为kN ?m ，长度 单位为m ，分布载荷集度为kN/m 。(提示：计算非均布载荷的投影和与力矩和时需应用积分)。 解： (b)：(1) 整体受力分析，画出受力图(平面任意力系)； (2) 选坐标系Axy ，列出平衡方程； 0: 0.40 0.4 kN x Ax Ax F F F =-+==∑ ()0: 20.80.5 1.60.40.720 0.26 kN A B B M F F F =-?+?+?+?==∑ A B C D 0.8 0.8 0.4 0.5 0.4 0.7 2 (b) A B C 1 2 q =2 (c) M=3 30o A B C D 0.8 0.8 0.8 20 0.8 M =8 q =20 (e) A B C D 0.8 0.8 0.4 0.5 0.4 0.7 2 F B F Ax F A y y x 0: 20.50 1.24 kN y Ay B Ay F F F F =-++==∑ 约束力的方向如图所示。 (c)：(1) 研究AB 杆，受力分析，画出受力图(平面任意力系)； (2) 选坐标系Axy ，列出平衡方程； 2 ()0: 3320 0.33 kN B Ay Ay M F F dx x F =-?-+??==∑? 2 0: 2cos300 4.24 kN o y Ay B B F F dx F F =-?+==∑? 0: sin300 2.12 kN o x Ax B Ax F F F F =-==∑ 约束力的方向如图所示。 (e)：(1) 研究C ABD 杆，受力分析，画出受力图(平面任意力系)； (2) 选坐标系Axy ，列出平衡方程； 0: 0x Ax F F ==∑ 0.80 ()0: 208 1.620 2.40 21 kN A B B M F dx x F F =??++?-?==∑? 0.8 0: 20200 15 kN y Ay B Ay F dx F F F =-?++-==∑? 约束力的方向如图所示。 4-16 由AC 和CD 构成的复合梁通过铰链C 连接，它的支承和受力如题4-16图所示。已知 均布载荷集度q =10 kN/m ，力偶M =40 kN ?m ，a =2 m ，不计梁重，试求支座A 、B 、D A B C 1 2 q =2 M=3 30o F B F Ax F A y y x dx 2?dx x A B C D 0.8 0.8 0.8 20 0.8 M =8 q =20 F B F Ax F A y y x 20?dx x dx A B C D M q天津大学工程力学习题答案
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