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第一篇 酶理论1

1 酶与酶工程3

1.1 酶学研究概况3

1.2 从分子水平研究酶的结构与功能4

1.3 用分子生物学方法改进酶的催化特性及设计新酶4

1.3.1 酶结构与功能关系的研究4

1.3.2 基因工程酶5

1.3.3 酶的蛋白质工程构建5

1.4 构建新酶——核酶、抗体酶、模拟酶和分子印迹酶6

1.4.1 核酶6

1.4.2 抗体酶6

1.4.3 模拟酶7

1.4.4 分子印迹酶7

1.5 酶工程中的若干研究热点8

1.5.1 非水介质中的酶反应8

1.5.2 组合生物催化8

1.5.3 生物催化的重要课题——酶法拆分8

1.5.4 开辟酶生物转化合成的新途径9

1.5.5 开发极端环境条件下的新酶种9

1.5.6 发挥酶和微生物在环境整治中的作用9

参考文献10

2 酶的分类与命名11

2.1 酶的系统分类和命名11

2.2 同工酶12

2.3 多酶系统13

2.4 酶的辅因子13

2.5 酶的理化特性14

2.5.1 酶的高效性14

2.5.2 酶的专一性14

2.5.3 酶容易失活18

2.5.4 酶的活性调节18

2.6 新型酶19

参考文献19

3 酶的作用与机理20

3.1 酶活性中心的概念20

3.2 影响酶催化效率的因素21

3.2.1 邻近效应与定向效应21

3.2.2 底物形变和诱导契合22

3.2.3 酸碱共同催化22

3.2.4 共价催化23

3.2.5 疏水环境的影响23

3.2.6 金属催化23

3.3 酶的活性部位柔性的假说24

3.3.1 酶的活性丧失和整体构象变化的关系25

3.3.2 酶活性部位的柔性25

3.3.3 酶活性部位柔性和整体结构刚性的实例26

3.4 辅因子在酶促反应中的作用27

3.4.1 金属激活酶和金属酶27

3.4.2 辅酶29

参考文献36

4 酶的催化反应动力学38

4.1 酶的活性38

4.1.1 酶活力的表示方法38

4.1.2 酶活力单位39

4.2 酶促反应动力学39

4.2.1 底物浓度对酶促反应速率的影响39

4.2.2 酶浓度对酶促反应速率的影响46

4.2.3 温度对酶促反应速率的影响47

4.2.4 pH对酶促反应速率的影响48

4.2.5 激活剂对酶促反应速率的影响49

4.2.6 抑制剂对酶促反应速率的影响49

4.3 多底物反应的动力学49

4.3.1 多底物反应的类型50

4.3.2 多底物反应的酶促动力学52

4.4 酶抑制动力学54

4.4.1 抑制作用的类型54

4.4.2 可逆抑制作用的分类55

4.4.3 可逆抑制作用的酶促反应动力学56

4.4.4 不可逆抑制剂60

4.4.5 可逆抑制剂63

参考文献64

5 酶的活性调节65

5.1 通过配体诱导酶构象改变的活性调节65

5.1.1 配体和蛋白质的结合65

5.1.2 变构酶73

5.2 通过酶共价结构改变的活性调节80

5.2.1 共价结构不可逆改变的活性调节80

5.2.2 共价结构可逆改变的活性调节83

5.3 代谢途径中酶活性的调节85

5.3.1 磷酸果糖激酶86

5.3.2 磷酸化酶88

5.4 酶的转换89

5.4.1 酶合成的调节90

5.4.2 酶降解的调节90

参考文献91

第二篇 酶工程93

6 酶的分离工程95

6.1 酶分离纯化的一般原则95

6.1.1 建立一个可靠和快速的测活方法95

6.1.2 酶原料的选择95

6.1.3 酶的提取96

6.1.4 酶的提纯96

6.1.5 酶的纯度检验96

6.2 酶提取方法的选择97

6.2.1 生物材料的破碎97

6.2.2 抽提方法98

6.3 酶纯化方法的选择98

6.3.1 调节酶溶解度的方法99

6.3.2 根据酶分子大小、形状不同的分离方法104

6.3.3 根据酶分子电荷性质的分离方法110

6.3.4 根据酶分子的极性进行分离的方法116

6.3.5 根据酶分子的专一性结合的方法117

6.3.6 酶的结晶121

6.3.7 对各种纯化方法的评价123

参考文献123

7 非水介质中酶的催化反应124

7.1 非水介质中酶的催化反应及其特征124

7.2 非水介质中酶的结构与性质125

7.2.1 非水介质中酶的结构125

7.2.2 非水介质中的酶学性质126

7.3 微水有机溶剂的影响与反应介质工程129

7.3.1 水的作用及其调控129

7.3.2 有机溶剂的影响与反应介质工程135

7.3.3 酶的选择与催化剂工程138

7.4 酶在非水介质中的催化反应142

7.4.1 酯酶和脂肪酶的酯合成反应、转酯反应及酸酐水解反应142

7.4.2 糖苷键的水解核形成143

7.4.3 C—N键反应——肽的合成143

7.4.4 C—C键形成144

7.4.5 还原反应145

7.4.6 氧化反应145

7.4.7 C—X的反应——卤化反应146

7.4.8 异构化反应146

参考文献146

8 组合生物催化148

8.1 组合生物催化的理论和特点148

8.1.1 理论基础148

8.1.2 组合生物催化的特点149

8.2 组合生物催化中的酶150

8.2.1 生物催化组合合成150

8.2.2 用于组合生物催化反应中酶的特点151

8.3 组合生物催化的类型154

8.3.1 非水介质中的生物催化154

8.3.2 酶作为组合合成的脱保护工具155

8.3.3 固定化酶催化156

8.4 组合生物催化实例158

8.4.1 构建小分子库158

8.4.2 构建天然产物库158

8.4.3 展望161

参考文献161

9 酶的固定化技术163

9.1 概述163

9.1.1 酶的固定化164

9.1.2 微生物酶的固定化164

9.1.3 微生物生活细胞的固定化165

9.1.4 细胞器及动植物细胞的固定化165

9.2 酶的固定化方法166

9.2.1 酶的固定化方法166

9.2.2 微生物的固定化方法168

9.2.3 整细胞的固定化方法170

9.2.4 细胞器的固定化方法172

9.2.5 动植物细胞的固定化175

9.3 固定化酶（细胞）的性质及评价指标179

9.3.1 固定化酶（细胞）的性质179

9.3.2 固定化酶（细胞）的评价指标185

9.4 固定化酶（细胞）反应器186

9.4.1 填充床反应器（PBR）187

9.4.2 恒流搅拌罐反应器（CSTR）187

9.4.3 流化床反应器188

9.4.4 空心纤维反应器188

9.4.5 其他类型反应器188

参考文献189

10 新酶的发现和筛选191

10.1 新酶的来源191

10.2 微生物新酶的获得途径及优劣比较192

10.2.1 从市场供应的酶库中筛选192

10.2.2 从微生物菌种保藏库筛选192

10.2.3 从自然界筛选产酶微生物192

10.2.4 从基因克隆库中筛选192

10.3 新酶筛选的策略193

10.3.1 新酶筛选的一般规律193

10.3.2 生物反应过程中的用酶设计193

10.3.3 建立高效的筛选方法193

10.4 从自然界中筛选产酶微生物的一般方法与步骤194

10.4.1 样品采集195

10.4.2 富集培养195

10.4.3 纯种分离196

10.4.4 初筛197

10.4.5 复筛198

10.4.6 高产菌株的选育198

10.5 从基因组DNA筛选酶的方法198

10.6 基于机理的新酶设计202

参考文献203

11 生物酶工程204

11.1 酶的基因克隆和异源表达204

11.1.1 酶基因克隆的基本步骤205

11.1.2 酶基因克隆的常用方法211

11.1.3 酶的异源表达213

11.2 酶理性设计与定点突变216

11.2.1 酶的遗传修饰与理性设计217

11.2.2 酶定点突变方法217

11.3 酶的定向进化222

11.3.1 酶分子定向进化的基本原理222

11.3.2 酶分子定向进化的策略223

11.3.3 定向进化的应用237

11.4 酶的半理性设计241

11.5 融合蛋白和融合酶243

11.5.1 融合蛋白与融合酶简介243

11.5.2 融合蛋白与融合酶的构建策略243

11.5.3 融合蛋白与融合酶的制备244

11.5.4 融合蛋白与融合酶的应用245

参考文献248

12 化学酶工程249

12.1 酶的化学修饰249

12.1.1 酶的化学修饰反应250

12.1.2 影响酶化学修饰的主要因素263

12.1.3 修饰程度和修饰部位的测定266

12.1.4 酶化学修饰的应用268

12.1.5 酶的亲和修饰273

12.1.6 酶化学修饰的专一性控制275

12.1.7 酶化学修饰实例——SOD的化学修饰276

12.2 模拟酶283

12.2.1 环糊精模拟酶模型283

12.2.2 大环聚醚及其模拟酶286

12.2.3 胶束体系及其模拟酶288

12.2.4 聚合物及其模拟酶290

12.2.5 金属卟啉及其模拟酶290

12.2.6 肽酶291

12.2.7 氧化酶的模拟291

12.2.8 过氧化物酶的模拟291

12.2.9 SOD的模拟292

12.3 分子印迹酶295

12.3.1 分子印迹概念295

12.3.2 分子印迹技术的分类296

12.3.3 分子印迹聚合物的制备298

12.3.4 分子印迹酶300

参考文献303

13 酶抑制剂设计与药物开发304

13.1 天冬氨酸蛋白酶类抑制剂304

13.1.1 血管紧张素转化酶304

13.1.2 HIV蛋白酶抑制剂的设计306

13.2 基质金属蛋白酶311

13.2.1 基质金属蛋白酶抑制剂312

13.2.2 抑制剂的设计313

13.3 丝氨酸蛋白酶抑制剂314

13.3.1 体内凝血过程中丝氨酸蛋白酶抑制剂的作用314

13.3.2 Xa因子的抑制剂314

13.3.3 组合肽库法315

13.4 半胱氨酸蛋白酶317

13.4.1 半胱氨酸蛋白酶在人体内的病理学作用317

13.4.2 溶酶体半胱氨酸蛋白酶（LCP）317

13.4.3 溶酶体半胱氨酸蛋白酶的结构和作用机理318

13.4.4 酶原激活319

13.4.5 溶酶体半胱氨酸蛋白酶的天然抑制剂319

13.4.6 半胱氨酸蛋白酶抑制剂的设计319

13.4.7 肽基醛型半胱氨酸蛋白酶抑制剂320

13.4.8 缩氨基脲型半胱氨酸蛋白酶抑制剂322

13.5 酶抑制剂研究进展323

13.5.1 酶抑制剂药物的现状323

13.5.2 酶抑制剂药物的研发模式324

13.5.3 酶抑制剂药物研究展望324

参考文献325

14 酶的信号传导327

14.1 鸟嘌呤核苷三磷酸水解酶（GTPase）的信号传导328

14.1.1 G蛋白的基本特征328

14.1.2 结构特点328

14.1.3 活化的作用机制329

14.1.4 GTPase参与的信号传导331

14.2 核苷酸环化酶的信号传导336

"14.2.1 腺苷酸环化酶（Adenylyl Cyclase,AC）的信号传导336

14.2.2 鸟苷酸环化酶的信号传导338

14.3 磷脂酶介导的信号传导341

14.3.1 磷脂酶的概述341

14.3.2 磷脂酶的结构344

14.3.3 磷脂酶参与的信号传导346

参考文献350

第三篇 酶应用353

15 酶在工业上的应用355

15.1 工业酶的应用现状356

15.1.1 工业酶制剂的来源及特点356

15.1.2 工业酶制剂国内外产业化现状358

15.2 酶在轻工业上的应用359

15.2.1 酶在原料处理方面的应用360

15.2.2 酶在轻工业产品制造上的应用361

15.3 酶在化工方面的应用363

15.4 酶在其他方面的应用363

15.4.1 加酶洗涤剂363

15.4.2 加酶牙膏363

15.4.3 加酶饲料364

15.4.4 加酶护肤品364

参考文献364

16 酶在医药上的应用365

16.1 酶类药物365

16.1.1 与治疗胃肠道疾病有关的酶类药物365

16.1.2 与治疗炎症有关的酶类药物366

16.1.3 与溶解血纤维有关的酶类药物367

16.1.4 具有抗肿瘤作用的酶类药物367

16.1.5 药典收载的酶类药物368

16.2 诊断用酶370

16.2.1 根据体液内酶活力的变化诊断疾病370

16.2.2 用酶测定体液中某些物质量的诊断疾病370

16.3 酶在药物制造方面的应用371

16.3.1 青霉素酰化酶制造半合成抗生素371

16.3.2 β-酪氨酸酶制造多巴373

16.3.3 核苷磷酸化酶制造阿糖腺苷374

16.3.4 无色杆菌蛋白酶制造人胰岛素374

16.3.5 多核苷酸磷酸化酶生产聚肌胞375

参考文献375

17 酶在食品工业上的应用376

17.1 酶在食品保健方面的应用377

17.1.1 食品除氧保鲜377

17.1.2 食品灭菌保鲜377

17.2 酶在淀粉类食品生产方面的应用377

17.2.1 葡萄糖的生产378

17.2.2 果葡糖浆的生产378

17.2.3 环状糊精的生产379

17.3 酶在蛋白质类食品生产方面的应用379

17.3.1 氨基酸的生产380

17.3.2 明胶的生产380

17.3.3 干酪的生产380

17.3.4 肉类的嫩化381

17.4 酶在果蔬类食品生产方面的应用381

17.4.1 柑橘罐头防止白色浑浊381

17.4.2 果蔬制品的脱色381

17.4.3 酶在果汁生产中的应用382

17.4.4 酶在甜味剂生产中的应用382

参考文献384

18 极端酶的开发与应用385

18.1 嗜热极端酶386

18.1.1 嗜热极端菌386

18.1.2 嗜热极端酶的种类及应用387

18.1.3 嗜热极端酶的耐热机理研究391

18.2 嗜冷极端酶392

18.2.1 嗜冷极端微生物392

18.2.2 低温酶393

18.2.3 低温酶耐冷或嗜冷机理的研究394

18.3 嗜盐酶395

18.3.1 嗜盐微生物395

18.3.2 嗜盐酶及其应用396

18.3.3 嗜盐酶的耐盐机理397

18.4 嗜碱菌及碱性酶的研究和应用397

18.4.1 嗜碱菌397

18.4.2 碱性酶397

18.5 酸性酶399

18.5.1 嗜酸极端微生物399

18.5.2 酸性酶的种类及应用399

18.6 耐压酶类401

18.6.1 耐压菌和嗜压菌401

18.6.2 嗜压酶和耐压酶402

18.7 耐有机溶剂酶402

18.8 耐重金属微生物及相应酶403

18.9 结论和展望404

参考文献404

19 酶在环境治理方面的应用405

19.1 酶与环境保护405

19.2 酶在环境污染治理中的应用406

19.2.1 酶在废水处理工程中的应用406

19.2.2 酶在石油和工业废油处理工程中的应用408

19.2.3 酶与白色污染治理408

19.2.4 酶与环境监测409

19.2.5 酶与污染土壤修复409

参考文献415

20 酶在能源方面的应用417

20.1 燃料乙醇及其生产417

20.1.1 燃料乙醇简介417

20.1.2 发酵法生产燃料乙醇的原料418

20.1.3 发酵法生产燃料乙醇的酶419

20.1.4 发展中的燃料乙醇生产用酶制剂421

20.2 氢气及生物制氢423

20.2.1 生物法制氢423

20.3 生物燃料电池425

20.3.1 生物燃料电池的工作原理425

20.3.2 生物燃料电池的分类426

20.3.3 酶生物燃料电池426

20.4 生物柴油及其制备428

20.4.1 生物柴油的理化性能与制备428

20.4.2 生物酶催化生物柴油制备429

20.4.3 生物酶催化生物柴油制备的制约因素430

20.4.4 固定化脂肪酶制备生物柴油431

20.4.5 全细胞催化剂用于生物柴油制备432

20.4.6 生物工程技术改造脂肪酶和超临界流体中的酶催化433

20.4.7 脂肪酶催化生产生物柴油研究中存在的问题434

参考文献434