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酶工程原理 版权信息
- ISBN:9787030316752
- 条形码:9787030316752 ; 978-7-03-031675-2
- 装帧:一般胶版纸
- 册数:暂无
- 重量:暂无
- 所属分类:>
酶工程原理 本书特色
高等院校生物科学、生物工程专业的研究生和本科生,相关专业教学、科研人员。
酶工程原理 内容简介
酶学与酶工程是现代生物学的重要组成部分,酶学研究方法广泛应用到生物学的各个学科中。酶工程是酶学理论与工程技术结合的产物,是生物工程的基本组成部分之一,在人类健康,工农业生产,环境保护等方面取得众多应用成果。本书概括介绍酶学与酶工程的基本理论、概念和研究方法,进而介绍酶的分子改造,包括:酶的化学修饰、酶的固定化、酶的稳定化、酶的人工模拟、酶的定向进化以及*近核酶、杂合酶、抗体酶等新进展。
酶工程原理 目录
丛书序
前言
1 酶与酶工程 1
1.1 酶工程的发展历程 1
1.2 酶作为催化剂的特点 3
1.2.1 酶的高效催化能力 3
1.2.2 酶的专一性 4
1.2.3 酶的作用条件温和 5
1.2.4 酶的活性可调节 5
1.3 酶的命名及分类 5
1.4 酶催化功能的结构基础 8
1.4.1 酶的高级结构是其发挥活性的基础 9
1.4.2 酶的活性中心 9
1.4.3 酶的活性部位模型假说 10
1.5 酶催化反应的本质 11
1.5.1 酶促反应的过渡态 11
1.5.2 邻近效应和定向效应 13
1.5.3 共价催化 14
1.5.4 酸碱催化 15
1.5.5 金属离子催化 15
1.5.6 微环境影响 16
1.6 酶动力学 16
1.6.1 影响酶反应速率的因素 17
1.6.2 单底物反应 17
1.6.3 双底物反应动力学 18
1.6.4 失活(稳定性)动力学 20
1.7 酶的稳定性 21
1.7.1 酶的失活模型 22
1.7.2 酶蛋白不稳定的原因 22
1.7.3 稳定酶的方法 25
1.8 非水酶学 26
1.8.1 非水介质中酶催化反应的特征 26
1.8.2 非水介质中酶的催化基础 27
1.8.3 底物特异性 31
【思考题】 33
【参考文献】 34
2 酶的生产、分离纯化和制剂 37
2.1 原料的选择 37
2.2 产酶微生物发酵技术 39
2.2.1 培养基 39
2.2.2 发酵工艺控制 41
2.3 工程菌的高密度发酵 43
2.3.1 基因工程菌的构建 44
2.3.2 基因工程菌的培养方式 45
2.3.3 高密度发酵工艺 46
2.4 提高酶产量的方法 49
2.4.1 酶合成的调控机理 49
2.4.2 通过条件控制提高酶产量 51
2.4.3 通过基因突变提高酶产量 52
2.4.4 通过体内基因重组提高酶产量 54
2.4.5 通过体外基因重组提高酶产量 54
2.4.6 定向进化提高酶产量 55
2.5 酶分离纯化的原理与方法 55
2.5.1 酶分离纯化的基本原则 55
2.5.2 目标蛋白从生物机体内的释放 58
2.5.3 粗分离 59
2.5.4 根据相对分子质量不同的纯化方法 60
2.5.5 根据分子电荷不同的纯化方法 63
2.5.6 根据分子极性不同的纯化方法 65
2.5.7 根据蛋白质亲和力不同的纯化方法 66
2.6 酶的剂型与保存 69
2.6.1 酶的剂型 69
2.6.2 酶的稳定性与保存 70
【思考题】 71
【参考文献】 71
3 酶的固定化和酶反应器 73
3.1 酶的固定化 73
3.1.1 酶固定化的方法 73
3.1.2 固定化酶性质的表征 89
3.1.3 固定化酶的应用 94
3.2 酶反应器 99
3.2.1 酶反应器的类型 99
3.2.2 酶反应器的设计原则与性能评价 107
3.2.3 酶反应器的操作 109
3.2.4 酶反应器的模型化与规模放大 112
3.2.5 酶反应器的各种应用 120
【思考题】 125
【参考文献】 125
4 酶的分子改造 131
4.1 酶的化学修饰 131
4.1.1 酶分子侧链基团的化学修饰 132
4.1.2 修饰反应类型和反应条件 138
4.1.3 亲和标记 138
4.1.4 酶的化学交联 140
4.1.5 单功能聚合物化学修饰 142
4.1.6 小分子化合物化学修饰 145
4.1.7 辅因子引人 146
4.1.8 化学修饰突变 146
4.1.9 结合定点突变的化学修饰 147
4.1.10 酶化学修饰的应用 148
4.2 酶的蛋白质工程 150
4.2.1 蛋白质工程的基本流程 150
4.2.2 蛋白质分子设计 151
4.2.3 定位诱变技术 158
4.2.4 蛋白质工程改造酶分子的实际应用 162
4.3 酶的定向进化 169
4.3.1 酶定向进化的原理和步骤 169
4.3.2 酶定向进化中随机突变的策略 171
4.3.3 酶定向进化中的筛选和选择策略 174
4.3.4 定向进化的应用 178
【思考题】 179
【参考文献】 179
5 酶的模拟 183
5.1 模拟酶的理论基础和策略 183
5.1.1 模拟酶的酶学基础 183
5.1.2 主客体化学和超分子化学 184
5.2 模拟酶的分类 184
5.3 主-客体酶模型 184
5.3.1 冠醚模型 184
5.3.2 环糊精模型 185
5.3.3 杯芳烃模型 187
5.4 分子印迹酶模型 188
5.4.1 分子印迹概念 188
5.4.2 分子印迹技术的原理 189
5.4.3 分子印迹酶 190
5.4.4 生物印迹酶 194
5.5 抗体酶 195
5.5.1 抗体和酶的差别 195
5.5.2 抗体酶的理论基础 196
5.5.3 抗体酶的设计策略 197
5.5.4抗体酶的制备方法 201
5.5.5 抗体酶的应用和挑战 204
【思考题】 205
【参考文献】 205
6 酶与生物催化 209
6.1 药物合成中的生物转化 209
6.1.1 生物转化与手性药物合成 209
6.1.2 脂肪酶在制药工业中的应用 219
6.1.3 醇脱氢酶在制药工业中的应用 231
6.1.4 环氧化物水解酶在制药工业上的应用 240
6.1.5 其他一些酶在制药工业中的应用 249
6.2 有机合成中的生物转化 252
6.2.1 腈水合酶催化合成丙烯酰胺 253
6.2.2 嗜热菌蛋白酶催化合成阿斯巴甜 254
6.2.3 氨基酰化酶制备L-氨基酸 255
6.2.4 乳糖酶制备脱乳糖牛奶 257
【思考题】 257
【参考文献】 258
7 酶与生物降解 260
7.1 生物易降解性物质 260
7.1.1 淀粉的分解 260
7.1.2 果胶质的分解 262
7.1.3 蛋白质的分解 264
7.2 生物难降解物质 266
7.2.1 纤维素的降解 266
7.2.2 木质素的降解 268
7.2.3 半纤维素的降解 269
7.2.4 环境污染物降解 270
7.2.5 塑料的降解 291
【思考题】 293
【参考文献】 293
8 酶与代谢工程 295
8.1 代谢工程的实质 295
8.1.1 代谢工程的定义 295
8.1.2 代谢工程的实质 296
8.2 酶对代谢途径的调控 298
8.2.1 酶活力的调节 298
8.2.2 酶量的调节 305
8.3 酶与次级代谢产物的生物合成 307
8.3.1 聚酮类化合物的生物合成机制及其代谢工程的应用 308
8.3.2 非核糖体肽类化合物的生物合成机制和代谢工程的应用 314
8.3.3 聚酮-聚肽杂合化合物的生物合成机制及代谢工程的应用 316
8.3.4 其他次级代谢产物的生物合成 317
8.4 代谢工程的应用 318
8.4.1 乙醇 318
8.4.2 脂肪酸 320
8.4.3 青蒿素 322
【思考题】 324
【参考文献】 324
索引 327
酶工程原理 节选
1 酶与酶工程 酶是由活细胞产生的具有催化功能的蛋白质性质的催化剂。与普通的化学催化剂相比,酶具有催化效率高、专一性强、反应条件温和及活性可调节的特点。酶作为高效的催化剂在生物体内的各种生理活动中发挥着重要作用,催化生理活动所需的各种化学反应。通过这些反应,营养分子被降解,化学能被储存或转移,简单的前体分子被合成为生物高分子。通过调节酶的作用,使代谢途径高度协调,并使维持生命所必需的各种物质代谢、能量传递、信息转录、神经传导、免疫调节、细胞衰老及生长发育等生命活动得以有效和谐地进行。随着人们对酶的结构和功能、酶的性质以及作用机理认识的逐步深人,酶在医药、食品、轻工、化工、环保和能源等领域得到了广泛应用。酶的应用研究促进了酶工程(enzymeen gineering)的产生。酶工程是在一定的生物反应器中利用酶的催化性质,将相应原料转化成有用物质的技术。是酶学和工程学相互渗透结合发展而成的一门新的技术科学。是生物工程的主要内容之一。 1.1 酶工程的发展历程 人类对酶的利用已经有几千年的历史(表1.1),中国古代的酿造技术以及欧洲早期用小牛胃凝乳酶(chymosin)生产奶酪等都是对酶不自觉地利用。有目的地生产和应用酶是从19世纪开始的,1894年,日本的高峰让吉(Takamine)从米曲霉(Aspergillus oryzae)中提取出高峰淀粉酶(Taka-diastase),用于治疗消化不良,开创了人类有目的地生产和应用酶的先例。1908年,德国人罗姆(OttoR2rn)将胰酶[胰蛋白酶(trypsin)、胰淀粉酶(amylopsin)和胰脂肪酶(pancrelipase)的混合物]用于制革,并于1913~1915年开发成洗涤剂。1917年法国人波一登(Boidin)将枯草杆菌dacillus产生的热稳定的淀粉酶(amylase)用于纺织品的退浆[1]。在此后的近半个世纪内,酶的生产应用一直停留在从动植物和微生物的组织或细胞中提取酶的方式上。这种生产方式不仅工艺复杂,而且原料有限,所以很难进行大规模的工业生产。 表1.1 酶工程发展的相关历史事件 1949年,液体深层培养法用于生产细菌a-淀粉酶(a-amylase),使酶制剂的价格大大降低,酶的生产应用进入工业化阶段。1959年,由于采用了葡萄糖淀粉酶(glucoamylase)催化淀粉生产葡萄糖新工艺研究成功,彻底革新了原来葡萄糖生产中需要高温高压的酸水解工艺,淀粉得糖率从80%上升为100%,使日本在I960年的葡萄糖产量增加了10倍。这项新工艺的改革成功,极大地促进了酶在工业上的应用。1969年,千畑一郎(Ichiro Chibata)应用固定化氨基酰化酶(aminoacy-lase)拆分D(L)-氨基酸,实现了酶连续反应的工业化。这是世界上固定化酶应用于工业的开端。此后欧洲加酶洗涤剂的流行,20世纪70年代酶法生产果葡糖浆的成功,使酶的应用进入到工业化阶段[1-7]。 20世纪80年代以后,酶工程与基因工程(geneticen gineering)、蛋白质工程(proteinen gineering)、细胞工程(cellen gineering)和发酵工程(fermentationengi-neering)等学科相互融合发展,成为生物工程的重要组成部分。基因工程对酶工程的发展起到了巨大的推动和变革作用,运用基因工程技术克隆酶基因构建的基因工程菌,使许多酶进入大规模工业化生产过程。运用蛋白质工程改善原有酶的各种性能,如增加酶的稳定性、提高酶在有机溶剂中的反应效率、使酶在后提取工艺和应用过程中更容易操作等。通过易错PCR(error-pronePCR)和DNA改组(DNA shuffling)等方法发展起来的酶的体外定向进化技术,为酶的分子改造提供了一种全新的策略,从而可以发展更优良的新酶或新功能酶。利用酶的区域、位点和立体选择性,开展了酶法转化、折分、合成手性药物及精细化合物。生化工程(biochemicalen gineering)的发展推动了酶发酵过程的优化、高密度培养、代谢网络控制、新型反应器的研究和开发以及产品的分离。随着人们对酶的结构和功能、酶的性质及作用机理认识的逐步深人,酶的应用遍及轻工、食品、化工、医药、农业以及能源、环境保护等领域。从美国工程基金会主持的两年召开一次的国际酶工程会议设立的国际酶工程奖(international enzyme en gineering award)获奖情况来看,也基本反映了以上酶工程的发展轨迹(表1.2)。 表1.2 1983~2009年国际酶工程奖获奖情况 1.2 酶作为催化剂的特点 1.2.1 酶的高效催化能力 酶是高效的生物催化剂"与非酶催化反应相比,酶催化可以使反应速率提高2417个数量级。催化反应的提速倍数(rate acceleration)可以用表示。直接比较酶催化反应速率和在相同pH及温度条件下非酶催化反应速率的例子不多,主要是因为非酶催化的反应速率太低,不易观察。而可比较的反应,发现酶催化反应速率大大被加快了。如表1.3所示,碳酸酐酶的接近107倍,过氧化氢酶为109倍,羧肽酶A为1011倍[8]。 表1.3 酶的分子活性 酶催化的*适条件几乎都为温和的温度和非极端pH。以固氮酶为例,NH:的合成在植物中通常在25°C和中性pH下由固氮酶催化完成。酶是由两个解离的蛋白质组分组成的一个复杂的系统,其中一个含铁,另一个含铁和钼,反应需消耗ATP分子,但工业上由氮和氢合成氨时,需在700~900K,10~90MPa条件下,还要有铁及其他微量金属氧化物作催化剂才能完成反应。由此可见,酶作为催化剂在常温、常压、中性pH的温和条件下,作用效率是非常高的。 1.2.2 酶的专一性 在一定条件下,酶只能催化某种化合物众多热力学反应中的一种反应,称为酶反应特异性(reaction specificity)。大多数酶对所作用的底物(substrate)和催化的反应都是高度专一的,如脲酶(urease)只催化尿素的水解反应(图1.1)。对于相同底物,不同的酶催化发生不同的反应,以葡萄糖可能进行的几种反应为例(图1.2), 图1.1 脲酶催化的反应 图1.2 葡萄糖在不同酶的催化下发生不同的反应 当葡萄糖在葡萄糖氧化酶(glucose oxidase)催化下氧化生成葡萄糖酸;在木糖异构酶(xylose isomerase)催化下异构化为果糖;在己糖激酶(hexokinase)催化下磷酸化为葡萄糖-6-磷酸;在醛糖还原酶(aldose reductase)催化下转化为山梨醇。这种酶作用的特异性,除极少数酶例外,几乎适应于所有的酶。 另外,酶催化剂对其底物具有严格的选择性,一种酶能在两种或多种不同底物之间作出辨别,并与其中*合适的一种底物结合,催化该底物进行化学反应,称为底物特异性(substrate specificity)。如果底物是具有立体异构体的化合物,除立体异构体发生相互转换的消旋酶(racemase)和差向异构酶(epimerase)外,酶几乎都表现出绝对的立体特异性(stereo specificity)或立体选择性(stereo selectivity)。例如,氨基酰化酶(aminoa cylase)只能催化酰基-L-氨基酸的加水分解,而不能使酰基-D-氨基酸加水分解。立体异构体有对映异构体(enantiomer)和非对映体异构体(disaster comer)两种,酶对每一种底物均有选择性。这一点成为利用酶进行有机化学反应的优势。对映异构体的底物在酶的作用下,对R型异构体或S型异构体的对映选择性通常可高于99% [对映体过量值(enantiomeri cexcess),见1.8.3.2。此外,某种酶只作用于特定的化学键,称为族类特异性(group specificity)或基团特异性(functional specificity)。例如,醇脱氢酶(alcoholdehydrogen-ase)只作用于伯醇,酯酶(esterase)只作用于酯键,胃蛋白酶(pepsin)仅作用于肽键。限制酶(restrictionenzyme)是基因工程*常用的一类酶,它能识别DNA序列中的448个碱基序列,并能从该序列内部切断DNA,称为序列特异性(sequential specificity)。例如,EC0RI限制性内切核酸酶,使DNA序列在箭头的位点被切断。当同一分子存在多个作用位点的情况下,酶通常只识别其中特定的位点进行催化反应。例如,甘油酯具有2个伯醇酯键和1个仲醇酯键,某种脂肪酶可以识别其差异,该特异性称为位置特异性(positional specificity)[9]。 1.2.3 酶的作用条件温和 酶具有适宜在常温、中性pH和水相中起作用的性质,这是现代工业在发展“绿色化学”、“环境友好制造”中普通催化剂无法相比的优点。 1.2.4 酶的活性可调节 生命现象表现了它内部反应历程的有序性。这种有序性是受多方面因素调节和控制的,而酶活性的控制又是代谢调节作用的主要方式。酶活性的调节控制主要有酶浓度的调节、激素调节、共价修饰调节、限制性蛋白水解作用、抑制剂的调节、反馈调节和金属离子及其他/J、分子化合物的调节。 1.3 酶的命名及分类 酶的命名分为习惯命名(accepted name)和系统命名(systematic name)。习惯酶工程原理命名一般根据酶作用的底物命名,如淀粉酶,催化水解淀粉;蛋白酶,水解蛋白质"有时会加上酶的来源,如胃蛋白酶、胰蛋白酶。也可根据酶催化反应的性质及类型命名,如水解酶、转移酶和氧化酶。有时由上述两原则结合起来命名,如琥珀酸脱氢酶。习惯命名简单,但缺乏系统性,不严格,现仍在使用。 为了使酶的命名系统化,1961年,国际生物化学与分子生物学联合会命名委员会(Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry and Molecular Biology)制定了国际系统分类命名原则,已为各国普遍接受。系统命名以酶所催化的整体反应为基础,并明确表明酶的底物及催化反应性质。每个酶都赋予一个系统命名和编号。编号共有4个阿拉伯数字,数字间用隔开。表明酶促反应的底物、产物、辅酶和性质M。按酶促反应的性质,把酶分为六大类(表1.4)。 表1.4 酶的国际分类 **个数字酶的分类催化反应类型 (1)氧化还原酶(oxidoreductase)类,催化氧化还原反应。在生物体内参与氧化产能、解毒和某些生理活性物质形成。反应通式 (1.1) 例如,乳酸脱氢酶(L-lactate dehydrogenase,EC1.1.1.27)系统命名是L-乳酸:NAD+氧化还原酶(L-lactate:NAD+oxid oreductase)。催化反应如图1.3所示。 图1.3 乳酸脱氢酶催化的反应 (2)转移酶(transferase)类,催化某些基团从一分子化合物转到另一分子化合 物。主要参与核酸、蛋白质和脂肪代谢,催化辅酶、激素和抗生素的合成与转化。反应通式 (1.2) 例如,丙氨酸氨基转移酶(alanine transaminase,EC2.6.1.2),也称为谷丙转氨酶(glutamic-alanine transaminase)系统命名是L-丙氨酸,酮戊二酸氨基转移
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