现代酶化学（朱本伟）

随着化学与生命科学的交叉融合日益加深，酶作为生物催化剂在有机合成化学中的应用愈发广泛，酶化学这一高度交叉的学科正逐渐受到学术界和工业界的重视与密切关注。《现代酶化学》全书分为15章，即绪论、酶化学基础理论、酶促反应动力学、酶的合成与制备、酶的分离纯化、酶的固定化、酶的化学修饰、酶的定向进化、计算酶化学、人工酶、核酶、纳米酶、非水酶学、有机合成中的酶促反应及天然产物的酶法修饰等内容。本书写作上既注重酶化学基础理论知识的阐述，又注重引入酶化学研究领域的新进展，领域覆盖面广，框架脉络清晰。
《现代酶化学》适合作为化学、应用化学、生物工程、生物化工等专业本科生及研究生教学用书，亦可供酶化学相关领域研究人员参考使用。

朱本伟 南京工业大学 教授
硕士生导师，江苏省高校"青蓝工程"优秀青年骨干教师，教育部《酶工程》课程虚拟教研室成员，北海道大学访问研究员，中国海洋湖沼学会海洋生物技术分会委员、中国化工学会会员、江苏省海洋学会海洋生物资源与技术专业委员会委员，入选江苏省双创人才计划等省级人才项目。主讲《酶工程》《生物分离工程》（国家一流本科课程）等课程，主持国家自然科学基金面上项目、青年科学基金项目、中国博士后科学基金面上项目、江苏省重点研发计划等课题10余项，发表SCI论文50余篇，主编江苏省高等学校重点教材、普通高等教育十三五规划教材等教材3部，获中国轻工业联合会科学技术进步奖一等奖、江苏省轻工协会科学技术奖一等奖、江苏省海洋学会科学技术奖二等奖等科研奖励。

宁利敏 南京中医药大学 副教授
硕士生导师，本科毕业于哈尔滨工业大学生物工程专业，博士毕业于南京大学生物化学专业，日本北海道大学工学部访问研究员。主讲《生物化学》《分子生物学》等课程，主持国家自然科学基金青年科学基金、江苏省高校自然科学基金面上项目、江苏省博士后科研资助计划、江苏省高校教育信息化研究课题等课题4项，以第一作者或通讯作者发表SCI论文20余篇，参与主编普通高等教育十三五规划教材等教材3部，获江苏省海洋学会科学技术奖二等奖等科研奖励。

关于酶化学（enzyme chemistry）的真正含义，目前尚无准确和权威的表述。我们知道酶催化的反应本质上是化学反应，那么，我们是否可以将酶化学理解为研究酶（反应）的化学，包括酶的组成、结构、催化机制以及酶在化学领域（有机合成化学、化学生物学、生物分析化学等）的应用。近年来，酶在化学学科尤其是有机合成化学和化学生物学研究中扮演着非常重要的角色，已日渐成为化学家开展研究不可或缺的工具，酶化学学科正日显雏形，其地位也不断提升，成为新的研究热点。有鉴于酶化学教学和科研的需求，编写一本介绍酶在化学研究领域中的应用且专用于酶化学课程使用的教材就显得尤为必要。
国内外有关于酶化学的教材与专著可以追溯到1984年C. J. Suckling主编的Enzyme Chemistry： Impact and Applications，1991年金道森、童林荟、姚钟麒和吴应文四位知名专家教授将其翻译为中文，定名为《酶化学：影响与应用》，开启了国内酶化学研究与教育的先河。其后，中国科学院兰州化学物理研究所的李树本教授于2008年主编并出版了一部《酶化学》，作为高等院校生物化学专业高年级本科生和研究生的教材。该书以甲烷单加氧酶、细胞色素P450酶和脂肪酶的催化反应化学和人工模拟光合作用为主要内容，介绍了生物酶和模拟酶化学的研究进展，是酶化学初学者和研究者重要的学习用书和研究参考书。近年来，随着人工智能与量子化学等学科和领域的高速发展，酶化学领域也取得了巨大的成就，有了酶的参与，生命科学与化学学科的界限越来越模糊，酶化学逐渐成为两个学科交叉领域研究的热点。为此，我们联合了来自浙江大学、中国科学院、南京林业大学、南京中医药大学、山东理工大学、青岛大学等单位的十余位从事相关研究的青年科研人员整理汇集了酶化学领域研究的热点，形成了《现代酶化学》一书，以期能对相关领域的科研工作者提供帮助。
本书在编写过程中得到了许多专家的热心指点和帮助，并借鉴参考了国内诸多酶工程领域的权威教材（例如吉林大学罗贵民教授主编的《酶工程》、华南理工大学郭勇教授主编的《酶工程》、浙江大学梅乐和与岑沛霖教授主编的《现代酶工程》以及华东理工大学袁勤生教授主编的《现代酶学》等经典教材），在此一并致以诚挚的感谢。本书被江苏省教育厅列为“十三五”江苏省高等学校重点教材，列入化学工业出版社“十四五”普通高等教育规划教材，得到了诸多支持。
鉴于编者水平有限，书中难免存在不足之处，恳请各位读者不吝赐教，提出宝贵的修改意见，在此一并表示感谢。

编者  
2024年于南京

第一章 绪论 001
第一节　酶化学概述与发展历程 001
第二节　酶化学研究现状与前景 004
 
第二章 酶化学基础理论 007
第一节　酶的分类和命名 007
一、酶的分类 007
二、酶的命名 008
第二节　酶的化学组成与结构 010
一、单纯酶和结合酶 010
二、酶的辅因子 010
三、酶的活性中心 011
四、酶按结构的分类 011
五、同工酶 013
第三节　酶促反应的特点和机制 013
一、酶促反应的特点 013
二、酶促反应的机制 015
 
第三章 酶促反应动力学 017
第一节　影响酶促反应的因素 017
一、影响酶促反应速率的内因 017
二、影响酶促反应速率的外因 025
第二节　酶活力单位 033
第三节　酶的调节 034
一、酶的结构调节 034
二、酶的数量调节 036
 
第四章 酶的合成与制备 037
第一节　酶的生产方法 037
一、提取分离法 037
二、生物合成法 038
三、化学合成法 039
第二节　酶的发酵生产 039
一、优良产酶菌的特点 040
二、主要的产酶菌 041
三、产酶菌的获得 042
四、产酶菌的培养 046
第三节　提高发酵产酶量的方法 052
一、酶合成的调控机制 053
二、控制发酵条件提高产酶量 057
三、通过诱变提高产酶量 064
四、通过基因重组提高产酶量 065
五、其他提高产酶量的方法 065
 
第五章 酶的分离纯化 067
第一节　酶分离纯化的一般原则 067
一、减少或防止酶的变性失活 067
二、根据不同性质采用不同的分离纯化方法 068
三、建立快速可靠的酶活力检测方法 068
四、尽量减少分化步骤 068
第二节　酶的提取 069
一、预处理和细胞破碎 069
二、提取 071
三、浓缩 072
第三节　酶的纯化 073
一、根据酶溶解度不同进行纯化 073
二、根据酶分子大小、形状不同进行 纯化 076
三、根据酶分子电荷性质进行纯化 079
四、根据酶分子专一亲和作用进行纯化 082
五、高效液相色谱法 085
六、酶的结晶 088
七、酶纯化方法评价 090
第四节　酶的纯度与保存 090
一、酶纯度的检验 090
二、酶活力的检验 092
三、酶的剂型 092
四、酶的稳定性与保存 092
 
第六章 酶的固定化 094
第一节　酶固定化技术概述 094
一、酶固定化技术的含义 094
二、酶固定化的一般原则 095
三、酶固定化的方法 095
第二节　固定化酶的性质及其影响因素 097
一、固定化酶的性质 097
二、影响固定化酶性质的因素 098
三、固定化酶的优缺点及研究意义 099
第三节　固定化酶的研究进展及展望 100
一、固定化载体材料和固定化技术的研究概况 100
二、固体化载体材料和固定化技术的发展 102
三、展望 103
 
第七章 酶的化学修饰 104
第一节　酶的化学修饰的基本要求 104
一、被修饰酶的基本性质 104
二、修饰剂的选择 104
三、反应条件的确定 105
四、修饰效果的评价 105
第二节　酶分子的修饰技术 106
一、大分子修饰 106
二、小分子结合修饰（酶分子侧链修饰） 107
三、肽链有限水解修饰 110
四、氨基酸置换修饰 110
五、金属替换修饰 111
六、固定化修饰 111
七、基于基因工程的修饰技术 111
第三节　酶化学修饰的应用 113
一、在酶结构与功能方面的应用 113
二、在工业方面的应用 113
三、在生物医药方面的应用 114
 
第八章 酶的定向进化 115
第一节　酶定向进化的概述 115
一、定向进化的含义 115
二、定向进化的优势与挑战 119
第二节　酶基因的随机突变 120
一、定向进化的基本原理 120
二、序列多样化的方法 120
第三节　酶突变基因的定向选择 125
一、定向选择的重要性 125
二、常用的定向选择策略 125
三、选择的效率和准确性 128
四、现代技术在定向选择中的应用 129
五、定向选择在实际应用中的案例研究 129
六、未来展望 130
第四节　酶分子定向进化的研究进展及应用 130
一、定向进化的历史背景 130
二、新的突变和筛选技术 131
三、定向进化的应用领域与实际应用案例 132
四、展望 135
 
第九章 计算酶化学 137
第一节　经典的计算机辅助酶设计 137
一、基于序列的酶设计 137
二、基于结构的酶设计 140
三、传统的计算机辅助酶设计的流程 141
第二节　物理驱动的酶设计 143
一、底物结合和产物释放 143
二、催化 144
三、物理驱动方法软件和工具 146
第三节　数据驱动的酶设计 149
一、预测酶的性质参数 150
二、酶工程中的DBTL循环 151
三、数据驱动的计算蛋白质设计 152
 
第十章 人工酶 155
第一节　人工酶概述 155
一、主客体酶模型 156
二、肽酶 159
三、分子印迹酶 159
第二节　人工酶与人工光合作用 165
一、水分子氧化 166
二、水分子还原 169
三、二氧化碳还原 170
第三节　人工酶与人工固氮 172
一、生物固氮与固氮酶 172
二、光催化固氮 175
 
第十一章 核酶 181
第一节　天然核酶 181
一、自剪接型核酶 182
二、自剪切型核酶 184
三、天然核酶的鉴定方法与生物应用 186
第二节　人工核酶 189
一、DNA核酶的分类与结构 189
二、DNA核酶体外筛选策略 192
三、基于DNA核酶的生物传感器的设计策略 194
第三节　DNA核酶在生物传感分析领域的应用 196
一、金属离子检测 196
二、细菌检测 197
三、蛋白质和小分子检测 198
 
第十二章 纳米酶 200
第一节 纳米酶简介 200
第二节 纳米酶的类型 201
一、过氧化物纳米酶 201
二、氧化纳米酶 202
三、超氧化物歧化纳米酶 203
四、过氧化氢纳米酶 203
五、水解纳米酶 203
第三节 纳米酶的反应动力学和催化机制研究 204
一、酶促反应动力学 204
二、过氧化物纳米酶的催化机制研究 206
第四节 纳米酶催化活性的调控 206
一、元素组成 207
二、尺寸 207
三、形貌和晶面 208
第五节 纳米酶的应用 209
一、用于生物传感和诊断 209
二、用于抗肿瘤治疗 210
三、用于抗菌和抗生物膜治疗 210
四、用于抗炎症治疗 211
五、用于其他疾病的治疗 211
 
第十三章 非水酶学 213
第一节　概述 213
第二节　传统非水酶学中的反应介质 213
一、水-有机溶剂单相系统 214
二、水-有机溶剂两相系统 214
三、含有表面活性剂的乳液或微乳液系统 214
四、微水有机溶剂单相系统 215
五、无溶剂或微溶剂反应系统 215
六、气相反应介质 216
第三节　非水介质中酶的结构与性质 216
一、非水介质中酶的结构 216
二、非水介质中酶的性质 219
第四节　影响非水介质中酶催化的因素以及调控策略 222
一、有机溶剂 222
二、反应系统的水含量 224
三、添加剂 227
四、生物印迹 228
五、化学修饰 228
六、酶固定化技术 229
七、反应温度 229
八、酶干燥前所在缓冲液的pH和离子强度 229
第五节　非水介质中酶催化的应用 230
一、酯的合成 230
二、肽的合成 232
三、高分子的合成与改性 232
四、光学活性化合物的制备 234
第六节　离子液体中的酶催化 236
一、离子液体概述 236
二、离子液体的溶剂特性 238
三、离子液体在酶催化中的应用 239
 
第十四章 有机合成中的酶促反应 242
第一节　酶催化的有机合成反应概述 242
一、有机合成反应中酶催化特征 243
二、有机合成反应中酶催化的劣势 243
第二节　酶催化有机合成反应的类型 244
一、C—O键的水解和生成反应 244
二、C=C键的加水和消除反应 247
三、C—N键的水解和生成反应 250
四、C—C键的生成和裂解反应 253
五、P—O键的生成和断裂反应 256
六、还原反应 258
七、氧化反应 261
八、卤化反应 268
九、异构化反应 270
第三节　酶在有机合成反应中的应用 275
一、利用酮还原酶生产手性醇 275
二、酶促羟基化制备手性醇 276
三、利用腈水解酶生产他汀类药物 277
四、利用转氨酶合成西格列汀中间体 278
五、利用腈水解酶合成羧酸类化合物 279
六、通过裂合酶生产氨基酸类化合物 280
七、利用蔗糖磷酸化酶合成糖苷类化合物 281
八、多酶级联生物催化合成精草铵膦 283
 
第十五章 天然产物的酶法修饰 287
第一节　天然产物的糖基化修饰 288
一、糖基转移酶概述 288
二、糖基转移酶在改善天然产物中的应用 290
第二节　天然产物的酰基化修饰 293
一、组蛋白翻译后修饰 293
二、酰基化修饰在其他天然产物中的应用 299
第三节　天然产物的酶法降解及合成修饰 302
一、多糖酶法降解修饰 303
二、多糖酶法合成修饰 320 

参考文献 322