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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pH316

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