酶工程原理和方法(孙彦)

1 绪论 001
1.1 酶 001
1.1.1 概论 001
1.1.2 酶的基本性质 001
1.1.3 酶的应用 002
1.2 酶催化 003
1.2.1 酶催化原理简介 003
1.2.2 酶催化反应动力学 005
1.2.3 酶失活动力学 007
1.3 酶工程 008
1.3.1 酶工程的目标 008
1.3.2 酶分子工程 009
1.3.3 多酶系统工程 011
1.4 本章总结 013
参考文献 013

2 酶的理性设计 014
2.1 酶理性设计的发展 014
2.2 酶理性设计的理论基础 016
2.2.1 酶的进化模型 016
2.2.2 酶与底物的结合 018
2.2.3 过渡态理论 019
2.2.4 B因子 021
2.2.5 电子和质子传递网络 024
2.3 理性设计方法 025
2.3.1 序列比对 025
2.3.2 蛋白质结构预测 028
2.3.3 分子对接 031
2.3.4 分子动力学模拟 033
2.3.5 去折叠能计算 037
2.3.6 量子力学 039
2.3.7 结合自由能计算 042
2.4 酶的理性设计实例 045
2.4.1 基于结构分析的理性设计 045
2.4.2 基于催化机制的理性设计 048
2.5 酶理性设计的问题和挑战 053
2.5.1 活性与稳定性的平衡 053
2.5.2 远端效应 053
2.5.3 突变的异位显性 054
2.6 本章总结 054
参考文献 055

3 酶的定向进化 061
3.1 概述 061
3.2 酶定向进化的基本原理和流程 062
3.3 基因文库构建方法 063
3.3.1 体外构建 064
3.3.2 体内构建 070
3.4 高通量选择/筛选方法 072
3.4.1 微孔板法 073
3.4.2 表面展示 073
3.4.3 体外区室化 074
3.4.4 荧光激活细胞分选 075
3.4.5 液滴微流控 076
3.5 应用 077
3.5.1 提高酶的催化活性 077
3.5.2 构建新催化活性 077
3.5.3 创造非生物化学反应的催化活性 078
3.5.4 提高酶稳定性 079
3.5.5 改变底物特异性和反应特异性 079
3.5.6 改变反应的立体选择性 080
3.5.7 进化核酶和人工酶 081
3.6 本章总结 081
参考文献 082

4 融合酶 086
4.1 概述 086
4.2 融合酶的构建 087
4.2.1 直接顺序融合 087
4.2.2 基于连接肽的顺序融合 088
4.2.3 插入融合 090
4.2.4 蛋白质水平融合 093
4.3 影响融合酶性能的主要因素 093
4.3.1 连接肽种类 093
4.3.2 连接肽长度 095
4.3.3 酶的融合顺序 096
4.4 融合酶的应用 097
4.4.1 促进蛋白质的可溶性表达 097
4.4.2 蛋白质的纯化和固定化 098
4.4.3 提高酶的催化性能 099
4.4.4 构建固定化蛋白支架 103
4.4.5 酶的组装 105
4.4.6 代谢途径调控及辅酶再生 106
4.4.7 促进酶与底物的结合 107
4.5 本章总结 109
参考文献 109

5 酶的化学修饰 114
5.1 概述 114
5.1.1 酶化学修饰技术的发展 114
5.1.2 酶化学修饰基团和反应的种类 115
5.2 酶化学修饰的基本反应 115
5.2.1 氨基的修饰反应 115
5.2.2 羧基的修饰反应 116
5.2.3 巯基的修饰反应 117
5.2.4 其他侧链基团的修饰反应 119
5.2.5 影响酶修饰反应的主要因素 120
5.3 修饰酶的表征 123
5.3.1 修饰程度分析 123
5.3.2 修饰位点测定 123
5.3.3 修饰酶结构表征 124
5.4 酶的聚合物修饰 125
5.4.1 聚合物修饰反应及表征 125
5.4.2 聚乙二醇修饰 127
5.4.3 聚合物接枝 128
5.4.4 聚合物修饰酶的主要特性 130
5.5 本章总结 130
参考文献 131

6 固定化酶 135
6.1 概述 135
6.1.1 固定化酶的定义及特点 135
6.1.2 固定化酶的发展史 135
6.1.3 固定化酶制备的一般原则 136
6.2 固定化载体 136
6.2.1 无机和有机载体 137
6.2.2 复合材料 144
6.3 传统固定化方法 145
6.3.1 吸附法 146
6.3.2 共价结合法 147
6.3.3 包埋法 149
6.3.4 交联法 153
6.3.5 固定化酶方法的比较 154
6.4 固定化方法的发展 155
6.4.1 多重固定化 155
6.4.2 仿生矿化法 158
6.4.3 生物印迹固定化酶 163
6.4.4 基于酶修饰的固定化酶 164
6.4.5 定向固定化 166
6.5 微纳马达及其对固定化酶反应的促进作用 177
6.5.1 微纳马达概述 177
6.5.2 微纳马达分类 177
6.5.3 微纳马达促进酶催化过程 179
6.5.4 酶反应驱动微纳马达的自促进现象 182
6.5.5 微纳马达固定化酶的应用潜力及限制 183
6.6 固定化酶性能分析 184
6.6.1 固定化酶的评价 184
6.6.2 固定化酶活性和催化反应动力学 184
6.6.3 *佳反应条件 185
6.6.4 稳定性 187
6.6.5 底物特异性 187
6.7 固定化酶的应用 188
6.7.1 生物医药 188
6.7.2 食品工业 192
6.7.3 环境保护 193
6.7.4 生物能源 194
6.7.5 有机合成 196
6.8 本章总结 197
参考文献 197

7 酶分子的自驱动和酶驱微纳马达 208
7.1 概述 208
7.2 酶分子马达及其原理 209
7.2.1 生物分子马达 209
7.2.2 酶分子马达的自驱动机理 210
7.2.3 酶分子马达运动的观测方法 213
7.3 酶驱微纳马达与微泵 214
7.3.1 概述 214
7.3.2 酶驱微纳马达运动机理 215
7.3.3 酶驱微纳马达分类 217
7.3.4 酶驱微纳马达的控制 223
7.3.5 酶驱微纳马达特性 225
7.3.6 酶驱微泵 226
7.4 酶的趋化行为 228
7.4.1 酶分子的趋化性 229
7.4.2 酶驱微纳马达的趋化行为 230
7.5 酶驱微纳马达和微泵的应用 231
7.5.1 药物递送 231
7.5.2 传感检测 232
7.5.3 其他应用 232
7.6 本章总结 233
参考文献 233

8 多酶级联催化反应 238
8.1 概述 238
8.1.1 多酶级联催化及其发展 238
8.1.2 多酶级联催化的意义 239
8.2 多酶级联催化反应的种类 239
8.2.1 线性级联反应 239
8.2.2 正交级联反应 246
8.2.3 平行级联反应 247
8.2.4 循环级联反应 247
8.3 多酶级联催化体系的构建 248
8.3.1 构建原则 248
8.3.2 多酶级联体系的邻近效应 249
8.3.3 多酶级联体系的底物通道效应 252
8.3.4 构建方法 254
8.4 本章总结 263
参考文献 263

9 多酶组装系统 267
9.1 概述 267
9.1.1 多酶组装的背景及意义 267
9.1.2 构建多酶组装系统的原理和特点 267
9.2 基于蛋白质支架的多酶组装系统 268
9.2.1 Cohesin-Dockerin系统 268
9.2.2 蛋白质纳米笼 271
9.2.3 增殖细胞核抗原系统 274
9.3 基于多肽自组装的多酶组装系统 276
9.3.1 卷曲螺旋（coiled-coil）系统 276
9.3.2 β折叠股（β-strand）系统 281
9.4 基于多肽-蛋白质相互作用的多酶组装系统 284
9.4.1 Catcher-Tag共价系统 284
9.4.2 蛋白质及其肽配体系统 287
9.5 基于核酸支架的多酶组装系统 291
9.5.1 DNA支架系统 291
9.5.2 RNA支架系统 296
9.6 基于脂质支架的多酶组装系统 298
9.7 本章总结 300
参考文献 301

10 辅酶再生和循环利用 305
10.1 概述 305
10.1.1 辅酶及其分类 305
10.1.2 非烟酰胺类辅酶及其在酶催化中的作用 305
10.1.3 烟酰胺类辅酶及其在酶催化中的作用 307
10.1.4 NAD(P)的检测方法 308
10.2 辅酶再生 309
10.2.1 辅酶再生和辅酶转换数 309
10.2.2 体内合成再生 309
10.2.3 酶促再生 311
10.2.4 化学再生 312
10.2.5 电化学再生 314
10.2.6 光催化再生 317
10.3 辅酶循环利用 317
10.3.1 辅酶循环利用的原理 317
10.3.2 物理法 318
10.3.3 化学法 324
10.4 本章总结 327
参考文献 328

11 化学-酶级联催化 331
11.1 概述 331
11.2 化学-酶级联催化的分类及原理 332
11.2.1 金属-酶级联催化 333
11.2.2 有机-酶级联催化 335
11.2.3 光-酶级联催化 337
11.3 化学-酶级联催化体系的构建 345
11.3.1 催化剂工程 345
11.3.2 介质工程 349
11.4 化学-酶级联催化体系的应用 351
11.4.1 基于类过氧化物酶的比色传感检测 351
11.4.2 肿瘤的多模式协同治疗 352
11.4.3 有机磷化合物的级联降解和资源化 354
11.4.4 手性化合物的合成 355
11.4.5 高附加值化学品的合成 357
11.4.6 绿色碳中和技术：光-酶级联催化CO2转化 359
11.5 本章总结 363
参考文献 363

缩写词表 367

索引 380