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第一篇 酶理论1

目录1

1 酶与酶工程3

1.1 酶学研究概况3

1.2 酶工程4

1.2.1 酶结构与功能的研究6

1.2.2 生物催化过程的研究6

1.2.3 改造酶的催化特性及新酶设计7

1.2.4 应用酶工程7

参考文献8

2.1 酶的分类和命名9

2.1.1 酶学委员会的分类系统9

2 酶的分类组成及结构特征9

2.1.2 酶学委员会推荐的命名法14

2.1.3 同工酶14

2.1.4 多酶体系15

2.2 酶的组成及结构特征15

2.3 酶作为催化剂的特点16

2.3.1 酶的催化能力及酶活性16

2.3.2 酶的专一性16

2.3.3 酶的调节性18

2.4 酶的辅（助）因子20

参考文献21

3 酶作用动力学和酶的抑制作用22

3.1 酶的基本动力学22

3.1.1 Michaelis-Menten方程22

3.1.2 Briggs-Haldane修饰的Michaelis-Menten方程23

3.1.3 米氏方程的意义24

3.1.4 米氏方程中Km、Vmax的测定26

3.1.5 可逆反应的Haldane关系式28

3.2 King-Altman法推导酶动力学方程29

3.3 酶的抑制动力学35

3.3.1 酶的可逆抑制36

3.3.2 酶的不可逆抑制42

参考文献60

4 酶的作用机制62

4.1 酶催化的化学机制62

4.1.1 酸碱催化62

4.1.2 共价催化63

4.1.4 金属离子催化64

4.1.3 多元催化64

4.1.5 微观可逆原理66

4.2 酶催化的专一性与高效性66

4.2.1 过渡态和活化能66

4.2.2 酶和底物的结合作用67

4.2.3 邻近和定向效应68

4.2.4 底物的形变和酶的诱导契合模型69

4.2.5 微环境的影响70

4.3 酶的活性部位柔性的假说70

4.3.1 酶的活性丧失和整体构象变化的关系71

4.3.2 酶活性部位的柔性72

4.3.3 酶活性部位柔性和整体结构刚性的实例72

4.4 辅因子在酶促反应中的作用73

4.4.1 金属激活酶和金属酶73

4.4.2 辅酶75

4.5.1 动力学研究84

4.5 酶作用机制的研究方法84

4.5.2 “捕捉”酶-底物复合物86

4.5.3 X射线晶体衍射法87

4.5.4 质谱法87

4.5.5 氨基酸侧链的化学修饰88

4.5.6 定点突变89

4.6 酶反应机制实例91

4.6.1 丝氨酸蛋白酶91

4.6.2 乳酸脱氢酶102

4.6.3 超氧化物歧化酶107

4.6.4 基质金属蛋白酶112

参考文献119

5.1.1 配体和蛋白质的结合120

5 酶活性的调节和酶的转换120

5.1 通过配体诱导酶构象改变的活性调节120

5.1.2 变构酶128

5.2 通过酶共价结构改变的活性调节136

5.2.1 共价结构不可逆改变的活性调节136

5.2.2 共价结构可逆改变的活性调节138

5.3 代谢途径中酶活性的调节140

5.3.1 磷酸果糖激酶140

5.3.2 磷酸化酶143

5.4 酶的转换144

5.4.1 酶合成的调节145

5.4.2 酶降解的调节145

参考文献146

第二篇 酶工程147

6 酶分析法149

6.1 酶活力测定149

6.1.1 初速度149

6.1.2 酶反应条件的设计150

6.2 酶活力测定方法152

6.2.1 中止法测定酶活力152

6.2.2 连续法测定酶活力154

6.2.3 酶活力的定义与表示方法157

6.2.4 酶活性测定实例158

6.3 酶法分析159

6.3.1 终点法159

6.3.2 动力学法159

6.3.3 实例160

参考文献161

7 酶的分离工程162

7.1 酶分离纯化的一般原则162

7.1.1 建立一个可靠和快速的测活方法162

7.1.2 酶原料的选择162

7.1.3 酶的提取163

7.1.4 酶的提纯163

7.1.5 酶的纯度检验163

7.2 酶提取方法的选择164

7.2.1 生物材料的破碎164

7.2.2 抽提方法165

7.3 酶纯化方法的选择165

7.3.1 调节酶溶解度的方法166

7.3.2 根据酶分子大小、形状不同的分离方法170

7.3.3 根据酶分子电荷性质的分离方法171

7.3.4 根据酶分子的专一性结合的方法174

7.3.5 酶的结晶193

7.3.6 对各种纯化方法的评价195

7.4 酶纯度的评价195

7.4.1 酶纯度的检验195

7.4.2 酶活性的检验198

7.4.3 酶活性部位确定198

参考文献198

8 酶的生产199

8.1 酶的生产方法199

8.1.1 提取法199

8.1.2 生物合成法200

8.1.3 化学合成法200

8.2.2 微生物酶制剂的发酵201

8.2 酶生产的工艺过程201

8.2.1 原料选择201

8.2.3 酶的提取204

8.2.4 酶的纯化207

8.3 酶工业化生产实例210

8.3.1 L-天冬酰胺酶210

8.3.2 尿激酶212

8.3.3 胰蛋白酶215

8.3.4 超氧化物歧化酶219

参考文献222

9 酶的固定化技术224

9.1 概述224

9.1.1 酶的固定化225

9.1.2 微生物酶的固定化226

9.1.4 细胞器及动植物细胞的固定化227

9.2 酶的固定化方法227

9.2.1 酶的固定化方法227

9.1.3 微生物生活细胞的固定化227

9.2.2 微生物的固定化方法230

9.2.3 整细胞的固定化方法232

9.2.4 细胞器的固定化方法235

9.2.5 动植物细胞的固定化239

9.3 固定化酶（细胞）的性质及评价指标242

9.3.1 固定化酶（细胞）的性质242

9.3.2 固定化酶（细胞）的评价指标248

9.4 固定化酶（细胞）反应器249

9.4.1 填充床反应器250

9.4.3 流化床反应器251

9.4.2 恒流搅拌罐反应器251

9.4.4 空心纤维反应器252

9.4.5 其他类型反应器252

9.5 固定化酶（细胞）的应用253

9.5.1 固定化酶（细胞）在工业上的应用253

9.5.2 固定化酶在酶传感器方面的应用255

9.5.3 固定化酶（细胞）在食品工业上的应用255

9.5.4 固定化酶（细胞）的应用趋势261

参考文献263

10 非水介质中酶的催化反应264

10.1 非水介质中酶的催化反应及其特征264

10.2 非水介质中酶的结构与性质265

10.2.1 非水介质中酶的结构265

10.2.2 非水介质中的酶学性质267

10.3 微水有机溶剂的影响与反应介质工程269

10.3.1 水的作用及其调控270

10.3.2 有机溶剂的影响与反应介质工程275

10.3.3 酶的选择与催化剂工程279

10.4 “pH值记忆”与“分子印迹”技术284

10.5 反向胶团的酶学研究284

10.5.1 反向胶团的形成与酶的包覆285

10.5.2 反向胶团包覆酶的催化特性286

10.5.3 反向胶团的酶学应用287

10.6 水-有机溶剂两相体系287

10.6.1 两相体系的特点与构成287

10.6.2 固定化催化剂在两相体系中的应用288

10.7.1 酶催化反应的类型289

10.7 酶在非水介质中的催化反应289

10.6.3 两相体系的应用289

10.7.2 脂肪酶及其对映体的催化作用原理293

10.8 应用实例296

10.8.1 光学活性化合物的制备296

10.8.2 旋光性高分子298

10.8.3 功能高分子的合成299

10.8.4 用于生产精细化工产品的酶301

参考文献304

11 酶的分子工程306

11.1 设计酶化学修饰的注意点306

11.2 影响酶化学修饰的主要因素307

11.2.1 影响酶蛋白功能基的反应性307

11.2.2 影响修饰剂的反应性309

11.3.1 修饰反应专一性的控制310

11.3 酶化学修饰方法310

11.3.2 修饰程度和修饰部位的测定312

11.4 酶分子侧链基团的化学修饰314

11.4.1 几种重要的修饰反应315

11.4.2 特定氨基酸残基侧链基团的化学修饰316

11.4.3 化学修饰反应的条件控制322

11.5 酶的亲和修饰322

11.5.1 亲和标记323

11.5.2 外生亲和试剂与光亲和标记324

11.6 有机大分子对酶的化学修饰325

11.6.1 聚乙二醇325

11.6.2 右旋糖酐及右旋糖酐硫酸酯328

11.6.4 具有生物活性的大分子物质330

11.6.3 糖肽330

11.6.5 酶的化学交联332

11.6.6 蛋白质类及其他332

11.7 酶化学修饰实例——SOD的化学修饰334

11.7.1 修饰剂与修饰方法334

11.7.2 修饰SOD的性质339

11.8 修饰酶的性质及特点341

11.8.1 热稳定性341

11.8.2 抗原性342

11.8.3 最适pH值343

11.8.4 酶学性质的变化344

11.8.5 对组织的分布能力变化344

参考文献345

12.1 核酶的分类347

12 核酶347

12.2.1 Ⅰ型内含子的自我剪接348

12.2 大分子核酶的结构及催化机理348

12.2.2 Ⅱ型内含子的自我剪接352

12.2.3 Rnase P核酶353

12.3 小分子核酶的结构及催化机理354

12.3.1 锤头状核酶354

12.3.2 发夹状核酶355

12.3.3 肝炎δ病毒（HDV）核酶356

12.3.4 VS核酶358

12.4 脱氧核酶359

12.4.1 具有水解酶活性的脱氧核酶360

12.4.2 具有N-糖基化酶活性的DRz361

12.4.3 具有连接酶活性的DRz361

12.5 核酶的应用362

12.4.4 其他酶活性362

12.5.1 抗HIV感染363

12.5.2 抗肝炎病毒感染363

12.5.3 肿瘤治疗363

12.5.4 其他364

12.6 脱氧核酶的应用365

参考文献365

13 模拟酶368

13.1 环糊精模拟酶模型368

13.1.1 水解酶的模拟369

13.1.2 核酸酶的模拟370

13.1.3 转氨酶的模拟371

13.2 大环聚醚及其模拟酶372

13.1.4 氧化还原酶的模拟372

13.2.2 肽合成酶的模拟373

13.2.1 水解酶的模拟373

13.3 膜体系及其模拟酶374

13.4 聚合物及其模拟酶376

13.4.1 功能聚合物376

13.4.2 杯芳烃376

13.5 金属卟啉及其模拟酶377

13.6 肽酶377

13.7 SOD的模拟378

13.7.1 Cu,Zn-SOD的模拟378

13.7.2 Mn-SOD的模拟379

13.7.3 Fe-SOD的模拟379

参考文献380

13.7.4 超氧化物歧化酶的功能模拟380

14 抗体酶382

14.1 抗体酶诞生的理论基础382

14.2 抗体酶的制备方法383

14.2.1 诱导法383

14.2.2 引入法384

14.2.3 拷贝法385

14.2.4 基因工程方法385

14.3 抗体酶催化的反应类型386

14.3.1 磷酸酯水解反应387

14.3.2 磺酸酯闭环反应387

14.3.3 酰基转移反应387

14.3.5 氧化-还原反应388

14.3.4 重排反应388

14.3.6 金属螯合反应389

14.3.7 光诱导反应389

14.3.8 其他反应389

14.4 抗体酶的应用390

14.4.1 有机合成手性药物拆分390

14.4.2 前药的应用391

14.5 抗体酶的研究展望392

参考文献394

15 分子印迹酶396

15.1 分子印迹概念396

15.2 分子印迹技术的分类397

15.2.1 预组织法397

15.2.2 自组装法398

15.2.3 分子自组装和分子预组织相结合方法399

15.2.4 金属离子配位作用399

15.3 分子印迹聚合物的制备400

15.3.1 分子印迹聚合物的制备方法400

15.3.2 影响分子印迹聚合物选择性的因素401

15.4 分子印迹酶应用实例402

15.4.1 人工合成抗体酶402

15.4.2 人工模拟受体403

15.4.3 药物筛选405

15.4.4 生物印迹酶406

15.4.5 利用新型单体分子印迹树枝状分子聚合物407

参考文献409

16.1.1 理论基础410

16.1 组合生物催化的理论基础和特点410

16 组合生物催化410

16.1.2 组合生物催化的特点411

16.2 组合生物催化中的酶412

16.2.1 生物催化组合合成412

16.2.2 用于组合生物催化反应的酶的特点413

16.3 组合生物催化的类型416

16.3.1 非水介质中的生物催化416

16.3.2 酶作为组合生物合成的脱保护工具417

16.3.3 固定化酶催化417

16.4 组合生物催化实例419

16.4.1 构建小分子库419

16.4.2 构建天然产物库419

16.4.3 生物催化用于组合库的后合成修饰422

16.4.4 结论和展望423

参考文献424

17 酶的定向进化426

17.1 酶的定向进化简介426

17.1.1 酶分子定向进化的基本原理426

17.1.2 酶分子定向进化的研究史427

17.1.3 应用前景429

17.2 定向进化的策略430

17.2.1 易错PCR技术为代表的无性进化431

17.2.2 DNA改组技术为代表的有性进化431

17.2.3 基因家族之间的同源重组435

17.3 基因文库的构建与筛选436

17.3.1 构建理想的基因文库要考虑的因素436

17.3.2 突变体基因的构建策略436

17.3.3 构建突变基因文库的载体系统437

17.3.4 文库的筛选438

17.4.1 提高酶分子的催化活力441

17.4 定向进化的应用441

17.4.2 提高酶分子的稳定性442

17.4.3 提高底物专一性和增加对新底物催化活力的进化444

参考文献445

18 蛋白酶抑制剂的设计447

18.1 天冬氨酸蛋白酶类抑制剂447

18.1.1 血管紧张素转化酶447

18.1.2 HIV蛋白酶抑制剂的设计450

18.2 基质金属蛋白酶454

18.2.1 基质金属蛋白酶抑制剂455

18.2.2 抑制剂的设计456

18.3.2 Xa因子的抑制剂457

18.3.3 组合肽库法457

18.3.1 体内凝血过程中丝氨酸蛋白酶抑制剂的作用457

18.3 丝氨酸蛋白酶抑制剂457

18.4 半胱氨酸蛋白酶459

18.4.1 半胱氨酸蛋白酶在人体内的病理学作用460

18.4.2 溶酶体半胱氨酸蛋白酶（LCP）460

18.4.3 溶酶体半胱氨酸蛋白酶的结构和作用机理461

18.4.4 酶原激活462

18.4.5 溶酶体半胱氨酸蛋白酶的天然抑制剂462

18.4.6 半胱氨酸蛋白酶抑制剂的设计462

18.4.7 肽基醛型半胱氨酸蛋白酶抑制剂463

18.4.8 缩氨基脲型半胱氨酸蛋白酶抑制剂465

参考文献466

第三篇 酶应用469

19.1 概述471

19 工业酶制剂的应用现状471

19.2 工业酶制剂国内外产业化现状473

19.3 工业酶制剂的来源及特点474

20 酶在医药方面的应用478

20.1 酶类药物478

20.1.1 与治疗胃肠道疾病有关的酶类药物478

20.1.2 与治疗炎症有关的酶类药物479

20.1.3 与溶解血纤维有关的酶类480

20.1.4 具有抗肿瘤作用的酶类480

20.1.5 其他药用酶481

20.2 诊断用酶482

20.2.1 根据体液内酶活力的变化诊断疾病482

20.3 酶在药物制造方面的应用483

20.2.2 用酶测定体液中某些物质的量诊断疾病483

20.3.1 青霉素酰化酶制造半合成抗生素484

20.3.2 β-酪氨酸酶制造多巴486

20.3.3 核苷磷酸化酶制造阿糖腺苷486

20.3.4 无色杆菌蛋白酶制造人胰岛素487

20.3.5 多核苷酸磷酸化酶生产聚肌胞487

20.3.6 β-D-葡聚糖苷酶制造抗肿瘤人参皂苷487

21 酶在食品工业上的应用489

21.1 酶在食品保鲜方面的应用490

21.1.1 食品除氧保鲜490

21.1.2 蛋类制品脱糖保鲜490

21.1.3 食品灭菌保鲜491

21.2 酶在淀粉类食品生产方面的应用491

21.2.2 果葡糖浆的生产492

21.2.1 葡萄糖的生产492

21.2.3 饴糖、麦芽糖的生产493

21.2.4 糊精、麦芽糊精的生产493

21.2.5 环状糊精的生产494

21.3 酶在蛋白质类食品生产方面的应用494

21.3.1 水解蛋白的生产495

21.3.2 氨基酸的生产495

21.3.3 明胶的生产495

21.3.4 干酪的生产496

21.3.5 肉类的嫩化497

21.3.6 低乳糖奶的生产498

21.4 酶在果蔬类食品生产方面的应用498

21.4.1 柑橘制品去除苦味498

21.4.4 酶在果汁生产中的应用499

21.4.3 果蔬制品的脱色499

21.4.2 柑橘罐头防止白色浑浊499

21.4.5 酶在果酒生产中的应用501

21.5 酶在食品添加剂生产方面的应用501

21.5.1 酶在酸味剂生产中的应用501

21.5.2 酶在增味剂生产中的应用504

21.5.3 酶在甜味剂生产中的应用506

21.5.4 酶在乳化剂生产中的应用508

21.6 酶在改善食品的品质与风味方面的应用509

22 酶在轻工、化工方面的应用511

22.1 酶在原料处理方面的应用511

22.1.1 发酵原料的处理511

22.1.2 纺织原料的处理511

22.1.7 烟草原料的处理512

22.1.6 皮革的脱毛处理512

22.1.3 制浆、造纸原料的处理512

22.1.5 羊毛的除垢处理512

22.1.4 生丝的脱胶处理512

22.1.8 甜菜、糖蜜的处理513

22.2 酶在轻工、化工产品制造方面的应用514

22.2.1 酶法生产L-氨基酸514

22.2.2 酶法生产核苷酸515

22.2.3 酶法生产有机酸516

22.2.4 酶法制酱516

22.2.5 酶法制革516

22.2.6 制造化工原料516

22.3.3 加酶饲料517

22.3.2 加酶牙膏、牙粉和漱口水517

22.3.1 加酶洗涤剂517

22.3 加酶增强产品的使用效果517

22.3.4 加酶护肤用品518

23 酶在能源开发方面的应用519

23.1 乙醇生产519

23.2 氢气521

23.3 生物电池521

24 酶在环境保护方面的应用523

24.1 水净化523

24.2 石油与工业废油524

24.3 白色污染525

24.4 环境监测526

参考文献527