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第一篇 酶学理论 3

1 酶与应用酶学 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

1.2.1 酶的分子结构 4

1.2.2 结构与功能的研究 4

1.3 用分子生物学方法改进酶的催化特性及设计新酶 5

1.3.1 酶结构与功能关系研究是关键 5

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、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 8

1.5 酶工程中的若干应用热点 8

1.5.1 有机相酶反应 8

1.5.2 组合生物催化 9

1.5.3 生物催化的重要课题——酶法拆分 9

1.5.4 开辟酶或微生物转化合成的新途径 10

1.5.5 开发极端环境条件下的新酶种 11

1.5.6 发挥酶和微生物在环境整治中的作用 11

参考文献 11

2 酶的分类组成及结构特征 13

2.1 酶的分类和命名 13

2.1.1 酶学委员会的分类系统 13

2.1.2 酶学委员会推荐的命名法 17

2.2 酶的组成及结构特征 18

2.3 酶作为催化剂的特点 19

2.3.1 酶催化的高效性 19

2.3.2 酶的专一性 20

2.3.3 酶的调节性 21

2.4 酶的辅（助）因子 23

参考文献 24

3 酶作用动力学和酶的抑制作用 25

3.1 酶的基本动力学 25

3.1.1 Michaelis-Menten方程 25

3.1.2 Briggs-Haldane修饰的Michaelis-Menten方程 26

3.1.3 米氏方程的意义 27

3.1.4 米氏方程中Km,Vmax的测定 28

3.1.5 可逆反应的Haldane关系式 30

3.2　King-Altman法推导酶动力学方程 31

3.3 酶的抑制动力学 36

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 50

4 酶活性的调节和酶的转换 52

4.1 通过配体诱导酶构象改变的活性调节 52

4.1.1 配体和蛋白质的结合 52

4.1.2 变构酶 60

4.2 通过酶共价结构改变的活性调节 67

4.2.1 共价结构不可逆改变的活性调节 67

4.2.2 共价结构可逆改变的活性调节 69

4.3 代谢途径中酶活性的调节 72

4.3.1 磷酸果糖激酶 72

4.3.2 磷酸化酶 74

4.4 酶的转换 75

4.4.1 酶合成的调节 76

4.4.2 酶降解的调节 76

参考文献 78

5 酶的作用机制 79

5.1 酶催化的化学机制 79

5.1.1 酸碱催化 79

5.1.2 共价催化 80

5.1.3 多元催化 81

5.1.4 金属离子催化 81

5.1.5 微观可逆原理 82

5.2 酶催化的专一性与高效性 83

5.2.1 过渡态和活化能 83

5.2.2 酶和底物的结合作用 84

5.2.3 邻近和定向效应 84

5.2.4 底物的形变和酶的诱导契合模型 86

5.2.5 微环境的影响 87

5.3 酶的活性部位柔性的假说 87

5.3.1 酶的活性丧失和整体构象变化的关系 88

5.3.2 酶活性部位的柔性 88

5.3.3 酶活性部位柔性和整体结构刚性的实例 89

5.4 辅因子在酶促反应中的作用 90

5.4.1 金属激活酶和金属酶 90

5.4.2 辅酶 92

5.5 酶作用机制的研究方法 99

5.5.1 动力学研究 100

5.5.2 “捕捉”酶-底物复合物 101

5.5.3 X射线晶体衍射法 102

5.5.4 质谱法 103

5.5.5 氨基酸侧链的化学修饰 103

5.5.6 定点突变 104

5.6 酶反应机制实例 106

5.6.1 丝氨酸蛋白酶 106

参考文献 115

6 同工酶 116

6.1 同工酶的结构基础 116

6.1.1 同工酶的一级结构的差异 116

6.1.2 构象变化造成同工酶的差异 118

6.1.3 同工酶亚基的杂交 119

6.2 同工酶与基因 120

6.2.1 单基因决定的同工酶 120

6.2.2 多基因决定的同工酶 120

6.2.3 复等位基因决定的同工酶 121

6.2.4 修饰同工酶 121

6.3 同工酶的分离、纯化及鉴定 122

6.3.1 几种常用分离和测定同工酶的方法 122

6.3.2 同工酶类型的鉴别 123

6.4 同工酶的应用 125

6.4.1 同工酶与临床诊断 125

6.4.2 遗传与进化中的同工酶 126

6.4.3 代谢调节中的同工酶 129

6.4.4 癌瘤状态下同工酶谱改变的生物学意义 133

6.4.5 发育与分化中的同工酶 134

参考文献 136

7 酶化学修饰的定量处理及不可逆抑制动力学 137

7.1 Ray-Koshland方法 137

7.2 邹承鲁作图法 139

7.3 酶化学修饰的动力学机制 147

7.3.1 不可逆反应 147

7.3.2 可逆反应 148

7.3.3 形成中间体复合物 148

7.4 利用失活动力学确定酶配位体解离常数 149

7.4.1 由不可逆失活动力学机制确定酶配体的解离常数 149

7.4.2 存在中间体复合物的失活动力学反应的酶-配体的解离常数的确定 150

7.4.3 酶化学修饰反应的pH效应 151

7.5 酶活性修饰过程中底物反应动力学 152

7.5.1 单底物酶反应，非配合型抑制剂 152

7.5.2 单底物酶反应，配合型抑制剂 155

7.5.3 双底物酶反应，非配合型抑制剂 156

7.5.4 双底物酶反应，配合型抑制剂 160

7.5.5 可逆抑制剂和不可逆抑制剂的底物竞争性概念的统一 165

7.6 不可逆抑制动力学在其他方面的应用 165

7.6.1 酶脱配体的动力学 165

7.6.2 酶在变性剂中失活的动力学 166

参考文献 169

8 氧自由基与酶 170

8.1 氧自由基在生物体内的作用 170

8.1.1 自由基的生物学意义 170

8.1.2 生命过程中某些重要的自由基反应 170

8.2 生物体内自由基的产生和清除 171

8.2.1 生物体内自由基的产生 172

8.2.2 自由基的清除 178

8.3 生物体内一些重要的抗氧酶 183

8.3.1 超氧化物歧化酶 183

8.3.2 过氧化氢酶 194

8.3.3 谷胱甘肽过氧化物酶 198

8.3.4 谷胱甘肽转硫酶 203

8.3.5 其他过氧化物酶 204

8.3.6 过氧化氢酶与谷胱甘肽过氧化物酶的协同作用 206

参考文献 207

9 酶与细胞的信号转导 208

9.1 细胞膜受体的类型 208

9.1.1 离子通道偶联受体 209

9.1.2 G蛋白偶联受体 209

9.1.3 酶偶联受体 209

9.2 G蛋白家族 209

9.2.1 异三聚体G蛋白 210

9.2.2 小分子G蛋白 212

9.3 产生第二信使的酶 214

9.3.1 核苷酸环化酶 214

9.3.2 产生脂类信号分子的酶 216

9.4 蛋白质激酶 222

9.4.1 环核苷酸依赖性蛋白激酶 222

9.4.2 脂类依赖性蛋白激酶 224

9.4.3 钙调蛋白依赖性蛋白激酶 228

9.4.4 丝裂源激活蛋白激酶信号流中的蛋白激酶家族 230

9.4.5 酪氨酸蛋白激酶 232

参考文献 235

第二篇 应用酶学 239

10 非水介质中的酶催化反应 239

10.1 非水介质酶催化反应及其特征 239

10.2 非水介质中酶的结构与性质 240

10.2.1 非水介质中酶的结构 240

10.2.2 非水介质中的酶学性质 242

10.3 微水有机溶剂体系 244

10.3.1 水的作用及其调控 244

10.3.2 有机溶剂的影响与反应介质工程 250

10.3.3 酶的选择与催化剂工程 254

10.4 “pH记忆”与“分子印迹”技术 258

10.5 反向胶团的酶学研究 259

10.5.1 反向胶团的形成与酶的包覆 259

10.5.2 反向胶团包覆酶的催化特性 260

10.5.3 反向胶团酶学的应用 261

10.6 水-有机溶剂两相体系 262

10.6.1 两相体系的特点与构成 262

10.6.2 固定化催化剂在两相体系中的应用 262

10.6.3 两相体系的应用 263

10.7 酶在非水介质中的催化反应 263

10.7.1 酶催化反应的类型 263

10.7.2 脂肪酶及其对映体的催化作用原理 267

10.8 应用实例 271

10.8.1 光学活性化合物的制备 271

10.8.2 旋光性高分子 273

10.8.3 功能高分子的合成 274

10.8.4 用于生产精细化工产品的酶 275

参考文献 279

11 酶的化学修饰 281

11.1 设计酶化学修饰的注意点 281

11.2 影响酶化学修饰的主要因素 282

11.2.1 影响酶蛋白功能基的反应性 282

11.2.2 影响修饰剂的反应性 284

11.3 酶化学修饰方法 285

11.3.1 修饰反应专一性的控制 285

11.3.2 修饰程度和修饰部位的测定 287

11.4 酶分子侧链基团的化学修饰 289

11.4.1 几种重要的修饰反应 289

11.4.2 特定氨基酸残基侧链基团的化学修饰 291

11.4.3 化学修饰反应的条件控制 297

11.5 酶的亲和修饰 298

11.5.1 亲和标记 298

11.5.2 外生亲和试剂与光亲和标记 299

11.6 有机大分子对酶的化学修饰 301

11.6.1 聚乙二醇 301

11.6.2 右旋糖酐及右旋糖酐硫酸酯 304

11.6.3 具有生物活性的大分子物质 305

11.6.4 酶的化学交联 307

11.7 酶化学修饰实例——SOD的化学修饰 307

11.7.1 修饰剂与修饰方法 308

11.7.2 修饰SOD的性质 312

11.8 修饰酶的性质及特点 314

11.8.1 热稳定性 314

11.8.2 抗原性 315

11.8.3 最适pH 316

11.8.4 酶学性质的变化 316

11.8.5 对组织的分布能力变化 317

参考文献 318

12 核酶 320

12.1 核酶的分类 320

12.2 大分子核酶的结构及催化机理 321

12.2.1 Ⅰ型内含子的自我剪接 321

12.2.2 Ⅱ型内含子的自我剪接 324

12.2.3 RNase P核酶 325

12.3 小分子核酶的结构及催化机理 326

12.3.1 锤头状核酶 326

12.3.2 发夹状核酶 328

12.3.3 肝炎δ病毒（HDV）核酶 328

12.3.4 VS核酶 330

12.4 脱氧核酶 331

12.4.1 具有水解酶活性的脱氧核酶 332

12.4.2 具有N-糖基化酶活性的脱氧核酶 333

12.4.3 具有连接酶活性的脱氧核酶 333

12.4.4 其他酶活性 334

12.5 核酶的应用 334

12.5.1 抗HIV感染 335

12.5.2 抗肝炎病毒感染 335

12.5.3 肿瘤治疗 335

参考文献 337

13 模拟酶 339

13.1 环糊精模拟酶模型 339

13.1.1 水解酶的模拟 340

13.1.2 核酸酶的模拟 341

13.1.3 转氨酶的模拟 342

13.2 大环聚醚及其模拟酶 342

13.2.1 水解酶的模拟 343

13.2.2 肽合成酶的模拟 344

13.3 膜体系及其模拟酶 345

13.3.1 胶束酶模型 346

13.4 聚合物及其模拟酶 347

13.5 金属卟啉及其模拟酶 348

13.6 肽酶 348

13.7 SOD的模拟 349

13.7.1 Cu,Zn-SOD的模拟 349

13.7.2 Mn-SOD的模拟 350

13.7.3 Fe-SOD的模拟 350

13.7.4 超氧化物歧化酶的功能模拟 351

参考文献 351

14 抗体酶 353

14.1 抗体酶诞生的理论基础 353

14.2 抗体酶的制备方法 354

14.2.1 诱导法 354

14.2.2 引入法 355

14.2.3 拷贝法 356

14.2.4 基因工程方法 356

14.3 抗体酶催化的反应类型 357

14.3.1 磷酸酯水解反应 358

14.3.2 磺酸酯闭环反应 358

14.3.3 酰基转移反应 359

14.3.4 重排反应 359

14.3.5 氧化-还原反应 360

14.3.6 金属螯合反应 360

14.4 抗体酶的应用 361

14.4.1 有机合成和手性药物拆分 361

14.4.2 前药的应用 362

14.5 抗体酶的研究展望 363

参考文献 364

15 分子印迹酶 366

15.1 分子印迹概念 366

15.2 分子印迹技术的分类 367

15.2.1 预组织法 367

15.2.2 自组装法 368

15.2.3 自组装和预组织相结合方法 368

15.2.4 金属离子配位方法 369

15.3 分子印迹聚合物的制备 369

15.3.1 分子印迹聚合物的制备方法 369

15.3.2 影响分子印迹聚合物选择性的因素 370

15.4 分子印迹酶应用实例 371

15.4.1 人工合成抗体酶 371

15.4.2 人工模拟受体 373

15.4.3 药物筛选 374

15.4.4 生物印迹酶 376

参考文献 377

16 组合生物催化 379

16.1 组合生物催化的理论基础和特点 379

16.1.1 理论基础 379

16.1.2 组合生物催化的特点 380

16.2 组合生物催化中的酶 381

16.2.1 生物催化组合合成 381

16.2.2 用于组合生物催化反应的酶的特点 382

16.3 组合生物催化的类型 385

16.3.1 非水介质中的生物催化 385

16.3.2 酶作为组合合成的脱保护工具 386

16.3.3 固定化酶催化 386

16.4 组合生物催化实例 388

16.4.1 构建小分子库 388

16.4.2 构建天然产物库 389

16.4.3 生物催化用于组合库的后合成修饰 392

16.4.4 结论和展望 393

参考文献 394

17 酶的定向进化 396

17.1 酶的定向进化简介 396

17.1.1 酶分子定向进化的基本原理 396

17.1.2 酶分子定向进化的研究史 398

17.1.3 应用前景 399

17.2 定向进化的策略 400

17.2.1 易错PCR技术为代表的无性进化 400

17.2.2 DNA改组技术为代表的有性进化 401

17.2.3 基因家族之间的同源重组 404

17.3 突变基因文库的构建与筛选 405

17.3.1 构建理想的基因文库要考虑的因素 405

17.3.2 突变体基因的构建策略 406

17.3.3 构建突变基因文库的载体系统 407

17.3.4 文库的筛选 408

17.4 定向进化的应用 411

17.4.1 提高酶分子的催化活力 411

17.4.2 提高酶分子的稳定性 412

17.4.3 提高底物的专一性和增加对新底物催化活力的进化 413

参考文献 414

18 蛋白酶抑制剂设计与药物 416

18.1 天冬氨酸蛋白酶类抑制剂 416

18.1.1 血管紧张素转化酶 416

18.1.2 HIV蛋白酶抑制剂的设计 418

18.2 基质金属蛋白酶 423

18.2.1 基质金属蛋白酶抑制剂 424

18.2.2 抑制剂的设计 425

18.3 丝氨酸蛋白酶抑制剂 426

18.3.1 体内凝血过程中丝氨酸蛋白酶抑制剂的作用 426

18.3.2 Xa因子的抑制剂 426

18.3.3 组合肽库法 427

18.4 半胱氨酸蛋白酶 429

18.4.1 半胱氨酸蛋白酶在人体内的病理学作用 429

18.4.2 溶酶体半胱氨酸蛋白酶（LCP） 430

18.4.3 溶酶体半胱氨酸蛋白酶的结构和作用机理 430

18.4.4 酶原激活 431

18.4.5 溶酶体半胱氨酸蛋白酶的天然抑制剂 432

18.4.6 半胱氨酸蛋白酶抑制剂的设计 432

18.4.7 肽基醛型半胱氨酸蛋白酶抑制剂 432

18.4.8 缩氨基脲型半胱氨酸蛋白酶抑制剂 435

参考文献 436

19 酶的固定化技术 438

19.1 序论 438

19.1.1 酶的固定化 439

19.1.2 微生物酶的固定化 440

19.1.3 微生物生活细胞的固定化 441

19.1.4 细胞器及动植物细胞的固定化 441

19.2 酶的固定化方法 442

19.2.1 酶的固定化方法 442

19.2.2 微生物的固定化方法 444

19.2.3 整细胞的固定化方法 446

19.2.4 细胞器的固定化方法 449

19.2.5 动植物细胞的固定化 454

19.3 固定化酶（细胞）的性质及评价指标 457

19.3.1 固定化酶的性质 457

19.3.2 固定化酶（细胞）的评价指标 462

19.4 固定化酶反应器 464

19.4.1 填充床反应器（PBR） 464

19.4.2 恒流搅拌罐反应器（CSTR） 466

19.4.3 流化床反应器 466

19.4.4 空心纤维反应器 467

19.4.5 其他类型反应器 467

参考文献 468

20 酶的分离工程 469

20.1 酶分离纯化的一般原则 469

20.1.1 建立一个可靠和快速的测活方法 469

20.1.2 酶原料的选择 469

20.1.3 酶的提取 469

20.1.4 酶的提纯 469

20.1.5 酶的纯度检验 470

20.2 酶提取方法的选择 470

20.2.1 生物材料的破碎 470

20.2.2 抽提方法 472

20.3 酶纯化方法的选择 472

20.3.1 调节酶溶解度的方法 472

20.3.2 根据酶分子大小、形状不同的分离方法 477

20.3.3 根据酶分子电荷性质的分离方法 478

20.3.4 根据酶分子的专一性结合的方法 480

20.3.5 酶的结晶 498

20.3.6 对各种纯化方法的评价 500

20.4　酶纯度的评价 500

20.4.1 酶纯度的检验 500

20.4.2　酶活性的检验 502

20.4.3　酶活性部位确定 502

参考文献 503

21　气体酶学 504

21.1 引言 504

21.2　氧化一氧化碳的酶 504

21.2.1　羧基养细菌的CO脱氢酶 505

21.2.2 硫酸盐还原细菌中的CO脱氢酶 506

21.2.3 光养厌氧菌的CO脱氢酶 506

21.2.4 甲烷养细菌的甲烷单加氧酶 506

21.2.5 关于氧化CO的酶的总结 506

21.3 甲烷单加氧酶的作用 507

21.3.1 甲烷单加氧酶的性质 507

21.3.2 可溶性MMO复合体中的电子转移 508

21.3.3 甲烷单加氧酶的底物专一性 509

21.4　固氮酶的作用 509

21.4.1 概述 509

21.4.2 固氮酶的酶学简介 509

参考文献 510

22　酶的生产 511

22.1　酶的生产方法 511

22.1.1 提取法 511

22.1.2 生物合成法 511

22.1.3　化学合成法 512

22.2　酶生产的工艺过程 512

22.2.1 原料选择 513

22.2.2 微生物酶制剂的发酵 513

22.2.3 酶的提取 516

22.2.4 酶的纯化 519

22.3　酶工业化生产实例 522

22.3.1　L-天冬酰胺酶 522

22.3.2　尿激酶 523

22.3.3　超氧化物歧化酶 527

参考文献 530