生物催化剂工程：原理及应用

第1章绪论/1

1.1生物加工与生化工程1

1.2生物催化工程2

1.2.1生物催化工程的学科背景2

1.2.2生物催化工程的内涵与外延2

1.2.3我国生物催化发展概况5

1.3生物催化在手性合成中的应用8

1.3.1生物催化的不对称氧化还原11

1.3.2水解酶催化的对映选择性合成14

1.4工业生物催化发展动态及名家观点15

1.4.1生物催化的最新技术进展16

1.4.2生物催化的成功实例20

1.4.3生物催化的未来21

参考文献/24

第2章生物催化剂的发现/27

2.1概述27

2.1.1生物催化剂的基本概念27

2.1.2生物催化剂的来源与多样性27

2.2生物催化剂的发现和筛选28

2.2.1生物催化剂筛选的一般策略30

2.2.2建立有效和方便的筛选分析方法31

2.2.3生物催化剂的发现和筛选途径32

2.3总结与展望39

参考文献/39

第3章生物催化剂的改造/41

3.1概述41

3.2生物催化剂的理性设计42

3.2.1理性设计的工具42

3.2.2理性设计的目标44

3.2.3融合蛋白质46

3.2.4模拟计算的最新进展46

3.2.5小结与展望47

3.3生物催化剂的定向进化47

3.3.1定向进化的方法48

3.3.2亲本酶的选择55

3.3.3不同策略决定进化路径55

3.3.4生物催化剂的高通量筛选56

3.3.5小结与展望57

3.4理性设计与定向进化的组合应用57

3.4.1理性设计与定向进化的组合——半理性设计58

3.4.2不同进化方向采用不同策略59

参考文献/60

第4章酶的高通量筛选方法/63

4.1概述63

4.2氧化还原酶的高通量筛选方法64

4.2.1脱氢酶64

4.2.2氧化酶类66

4.2.3加氧酶68

4.2.4漆酶71

4.3转氨酶的高通量筛选方法72

4.3.1基于底物和产物性质的筛选方法72

4.3.2基于NAD(P)H再生的筛选方法73

4.3.3pH指示法73

4.4水解酶的高通量筛选方法74

4.4.1使用显色底物直接测定74

4.4.2pH 指示剂——偶合反应间接测定法74

4.4.3选择性的估算和测定78

4.5总结84

参考文献/84

第5章酶和细胞的固定化/90

5.1生物催化剂固定化技术的出现及发展90

5.1.1游离酶的缺陷90

5.1.2酶固定化技术的出现及发展90

5.1.3细胞固定化技术的出现及发展91

5.2固定化生物催化剂的命名及形式91

5.3固定化生物催化剂制备的原则92

5.4固定化酶的制备方法93

5.4.1非共价载体结合法93

5.4.2共价载体结合法95

5.4.3包埋法97

5.4.4无载体固定化法99

5.4.5组合固定化100

5.4.6酶固定化方法的优缺点100

5.5固定化酶的性质100

5.5.1酶活性101

5.5.2稳定性101

5.5.3固定化酶最适温度的变化102

5.5.4固定化酶最适pH的变化102

5.5.5底物专一性102

5.5.6固定化酶的优缺点103

5.6细胞的固定化103

5.6.1固定化细胞的特点103

5.6.2细胞固定化方法105

5.7固定化生物催化剂的应用107

5.7.1固定化催化剂在工业生产中的应用107

5.7.2固定化酶在酶传感器中的应用110

5.7.3固定化酶在临床检验方面的应用110

参考文献/110

第6章单加氧酶/112

6.1细胞色素P450单加氧酶112

6.1.1细胞色素P450单加氧酶的结构分类112

6.1.2细胞色素P450单加氧酶的羟化反应催化机理114

6.1.3细胞色素P450单加氧酶的性质表征114

6.1.4细胞色素P450单加氧酶的分子改造116

6.1.5细胞色素P450单加氧酶催化的反应117

6.2黄素依赖的单加氧酶121

6.2.1黄素依赖型单加氧酶的分类121

6.2.2黄素依赖型单加氧酶的催化机理122

6.2.3黄素依赖型单加氧酶催化的反应123

6.3非血红素单加氧酶124

6.3.1甲烷单加氧酶124

6.3.2ω羟化酶系统125

6.4总结126

参考文献/126

第7章还原酶/132

7.1生物催化还原反应132

7.2羰基的不对称还原132

7.2.1生物催化羰基不对称还原的机理132

7.2.2辅酶的再生134

7.2.3羰基还原酶的发现及改造137

7.2.4生物催化羰基不对称还原反应的应用139

7.3还原氨化反应142

7.4羧酸的还原143

7.5碳碳双键的还原145

7.6总结147

参考文献/147

第8章脂肪酶/酯酶/156

8.1脂肪酶/酯酶简介156

8.2脂肪酶/酯酶的结构分类157

8.2.1脂肪酶/酯酶的结构157

8.2.2脂肪酶/酯酶的分类157

8.3脂肪酶/酯酶的催化机理160

8.4脂肪酶/酯酶的分子改造160

8.5脂肪酶/酯酶的合成应用162

8.5.1手性醇的合成162

8.5.2手性酸的合成163

8.5.3手性胺的合成164

8.6脂肪酶/酯酶的典型应用案例165

8.6.1普瑞巴林的合成165

8.6.2地尔硫中间体的合成166

参考文献/167

第9章环氧水解酶/172

9.1概述172

9.2环氧水解酶的生理功能172

9.2.1哺乳动物环氧水解酶的生理功能173

9.2.2植物、昆虫、微生物环氧水解酶的生理功能174

9.3环氧水解酶的结构分类及催化机理175

9.3.1环氧化物的开环反应175

9.3.2α/β折叠环氧水解酶的结构及催化机理175

9.3.3LEH类环氧水解酶的结构及催化机理177

9.3.4白三烯A4水解酶的结构及催化机理178

9.4环氧水解酶的性质表征179

9.4.1环氧水解酶的纯化及生化性质表征179

9.4.2环氧水解酶催化反应的区域选择性179

9.4.3环氧水解酶区域选择性的表征180

9.5环氧水解酶生物催化剂的开发及其合成应用181

9.5.1一些高选择性的环氧水解酶生产菌株181

9.5.2天然来源环氧水解酶的生产183

9.5.3环氧水解酶的基因克隆及重组表达184

9.5.4环氧水解酶的蛋白质工程改造185

9.5.5环氧水解酶应用于经典动力学拆分187

9.5.6内消旋环氧化物的去对称化191

9.5.7环氧水解酶催化的对映会聚水解192

9.5.8非天然亲核试剂参与的环氧开环193

9.6环氧水解酶反应工程194

9.6.1单一水相催化194

9.6.2两相催化195

9.6.3膜反应器转化195

9.7总结与展望196

参考文献/197

第10章腈水合酶和腈水解酶/207

10.1概述207

10.2腈水解酶简介208

10.3腈水合酶简介209

10.3.1Fe-型腈水合酶209

10.3.2Co-型腈水合酶211

10.3.3腈水合酶的水合机理211

10.4具有腈水解酶或腈水合酶活性的微生物212

10.5腈水解酶和腈水合酶的选择性214

10.5.1化学选择性214

10.5.2立体选择性214

10.5.3区域选择性214

10.6影响酶催化腈水解的主要因素215

10.6.1诱导剂的影响215

10.6.2底物和产物的抑制215

10.6.3反应介质的影响216

10.7腈水解酶和腈水合酶的应用216

10.8氰水解酶和氰水合酶的简介220

10.9在生物降解与生物修复中的应用221

10.10总结222

参考文献/222

第11章羟腈裂解酶/230

11.1羟腈裂解酶简介230

11.2羟腈裂解酶的研究进展231

11.2.1羟腈裂解酶的来源和筛选231

11.2.2羟腈裂解酶的反应机理231

11.2.3羟腈裂解酶的理性设计和定向进化233

11.3羟腈裂解酶在有机合成中大规模应用的实例235

11.4总结与展望237

参考文献/238

第12章醛缩酶/241

12.1醛缩酶的催化机理与分类241

12.2DHAP依赖性醛缩酶244

12.2.1DHAP依赖性醛缩酶的分类与性质244

12.2.2DHAP依赖性醛缩酶的合成应用246

12.2.3使用不带有磷酸基团的底物作为供体的醛缩酶248

12.3丙酮酸和磷酸烯醇式丙酮酸依赖性醛缩酶248

12.3.1丙酮酸依赖性醛缩酶的分类和性质248

12.3.2丙酮酸依赖性醛缩酶的合成应用250

12.4乙醛依赖性醛缩酶252

12.4.1乙醛依赖性醛缩酶的分类与性质252

12.4.2乙醛依赖性醛缩酶的合成应用253

12.5甘氨酸依赖性醛缩酶253

12.5.1甘氨酸依赖性醛缩酶的分类253

12.5.2甘氨酸依赖性醛缩酶的合成应用254

12.6其他新的具有醛缩酶活性的催化剂255

12.6.1非醛缩酶催化的醛缩反应255

12.6.2计算机从头设计新的醛缩酶255

12.7总结和展望257

参考文献/258