生物催化剂工程——原理及应用 （郁惠蕾）（第二版）
定 价：66 元
丛书名：
- 作者：郁惠蕾、许建和 主编
- 出版时间：2025/4/1
- ISBN：9787122476807
- 出 版 社：化学工业出版社
适用读者:本教材为生物工程等专业开设的本科生和研究生的生物催化课程提供系统性的教学指导，同时也为相关领域的技术人才提供有价值的参考。
- 中图法分类：TQ426
- 页码：335
- 纸张：
- 版次：02
- 开本：大16开
- 字数：(单位：千字)
本教材采用分层次分册方式精心编写全书内容。上册注重系统化介绍生物催化发展趋势、生物催化剂类型、生物催化剂的筛选、改造、表征到制备和应用等基础知识，再版中增加了酶的结构模拟与智能设计章节。下册围绕酶催化的主要反应类型、辅因子再生、多酶级联反应、化学酶偶联反应、酶催化反应器的优化以及其应用展开介绍，尤其是以最新的催化反应和微反应器应用为特色。本书主要内容涵盖了从基本概念、理论基础、实践应用以及未来前景等生物催化领域的内容，内容紧跟前沿且有一定的理论深度，充分反应了世界发展动态，体现了新兴生物催化领域的最新发展趋势。本书上下册可分别为生物工程等专业开设的本科生和研究生的生物催化课程提供了一套系统性的教材，同时也为相关领域的技术人才提供了一本有价值的参考书。
郁惠蕾，华东理工大学教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者，上海市优秀学术带头人。2008年获华东理工大学生物化工博士学位，入选全国百篇优秀博士论文提名；2008年入职生物反应器工程国家重点实验室；2013年6月至2014年6月于MIT化工系从事访问学者研究。主要从事新酶的发现、设计和应用基础研究，聚焦“酶结构-功能关系及其调控规律”这一关键科学问题，提出了底物靶向性的酶理性设计策略以做到“量底物裁剪酶”；创新性发展了分区重组的酶分子聚焦进化方法，提升P450单加氧酶和Baeyer-Villiger单加氧酶的活性和选择性；基于反应过程调控的工业催化剂性能强化技术，实现了酶法合成手性羟基酸、手性亚砜和手性醇工艺的转化应用，促进了精细化学品生产技术的绿色革新。累计发表SCI收录论文100余篇，包括在ACSCatal，MetabEng等生物催化和生物化工领域期刊上发表论文。担任国际期刊BioresourBioproc执行编辑和ApplBiochemBiotechnol编委。授权中国发明专利20余项，授权美国专利3项；曾获霍英东基金、上海市技术发明奖一等奖、首届中国酶工程新华扬优秀青年酶学家奖等荣誉。
第1章 绪论 001
1.1 生物催化基本概念 001
1.1.1 生物催化工程的学科背景 001
1.1.2 生物催化工程的内涵与外延 001
1.1.3 生物催化的发展历史 003
1.2 生物催化的研究动态 003
1.2.1 生物催化剂的发现和改造 003
1.2.2 生物催化新反应的发现和拓展 004
1.2.3 生物催化反应工程策略 004
1.3 生物催化的应用现状与发展趋势 004
1.3.1 生物催化应用领域的不断拓展 004
1.3.2 智能化和跨学科交叉融合的发展趋势 005
第2章 生物催化剂的分类及反应类型 007
2.1 概述 007
2.2 酶的生化分类及系统命名 007
2.2.1 习惯命名法 007
2.2.2 系统命名法 007
2.3 典型的酶促反应特性概述 010
2.3.1 氧化-还原酶 010
2.3.2 转移酶 017
2.3.3 水解酶 018
2.3.4 裂合酶 025
2.3.5 异构酶 027
第3章 生物催化剂的发现 031
3.1 引言 031
3.2 生物催化剂的来源、发现和筛选 031
3.2.1 生物催化剂的来源 031
3.2.2 生物催化剂的发现和筛选 032
3.3 总结与展望 036
第4章 生物催化剂的分子工程改造 039
4.1 酶分子改造 039
4.2 酶的定向进化 039
4.2.1 定向进化的关键因素 040
4.2.2 定向进化的方法 041
4.2.3 定向进化应用案例 044
4.3 酶的理性设计/半理性设计 046
4.3.1 理性设计提高酶的活性 046
4.3.2 理性设计提高酶的热稳定性 047
4.3.3 理性设计调控酶的选择性 049
4.3.4 理性设计改造酶的催化多功能性 050
4.3.5 机器学习指导的酶分子设计 052
4.4 酶分子工程的发展趋势与展望 052
第5章 生物催化剂的结构模拟与智能设计 055
5.1 蛋白质的序列分析 055
5.2 同源酶的结构模拟和分子对接 056
5.2.1 结构模拟 056
5.2.2 分子对接 057
5.3 酶的三维结构智能预测方法 058
5.4 基于物理模型的酶理性设计 059
5.4.1 酶-配体结合口袋再设计 060
5.4.2 基于计算的酶稳定性设计 060
5.5 机器学习指导的酶分子改造 061
5.5.1 基于偏最小二乘法回归模型提高酶的活力 061
5.5.2 基于高斯过程模型辅助酶工程研究 062
5.5.3 基于3D CNN模型进行酶的分子设计 062
5.5.4 基于BaggingTree预测酶底物特异性 063
5.5.5 基于CLEAN预测酶的EC编号 064
第6章 酶的基因表达系统 067
6.1 大肠杆菌表达系统 067
6.1.1 常用的大肠杆菌表达宿主 067
6.1.2 大肠杆菌表达质粒 068
6.1.3 目的蛋白在大肠杆菌中的表达 068
6.1.4 大肠杆菌表达底盘的改造与应用 070
6.2 枯草芽孢杆菌表达系统 071
6.2.1 枯草芽孢杆菌简介 071
6.2.2 枯草芽孢杆菌表达载体与转化方法 072
6.2.3 枯草芽孢杆菌重组表达系统的优化 072
6.2.4 枯草芽孢杆菌表达系统的应用 074
6.3 毕赤酵母 074
6.3.1 毕赤酵母背景介绍 074
6.3.2 毕赤酵母表达系统的优势 074
6.3.3 工程改造毕赤酵母产酶的原理 075
6.3.4 毕赤酵母工程菌产酶的实例 076
6.3.5 提高毕赤酵母产酶量的方法 076
6.3.6 小结与展望 078
6.4 无细胞表达系统 078
6.4.1 原核无细胞表达系统 078
6.4.2 真核无细胞表达系统 079
第7章 游离酶的制备与表征 081
7.1 产酶微生物的高密度发酵 081
7.1.1 产酶微生物高密度发酵的影响因素 081
7.1.2 高密度发酵模式 082
7.1.3 高密度发酵的过程控制 083
7.2 工程酶的提取纯化 085
7.2.1 细胞裂解 086
7.2.2 酶的分离纯化 086
7.3 酶的催化性能表征 088
7.3.1 蛋白质的浓度和纯度 088
7.3.2 酶的活力 089
7.3.3 酶的专一性 089
7.3.4 酶的稳定性 090
第8章 生物催化剂的固定化 093
8.1 固定化生物催化剂概述 093
8.1.1 游离生物催化剂在应用中存在的缺陷 093
8.1.2 生物催化剂固定化技术的出现与发展历程 093
8.1.3 固定化生物催化剂的定义 094
8.2 固定化生物催化剂的制备方法 094
8.2.1 载体结合法固定化酶 095
8.2.2 交联法固定化酶 097
8.2.3 包埋法固定化酶 099
8.2.4 纳米材料固定化酶 101
8.2.5 金属有机框架固定化酶 102
8.2.6 酶和金属催化剂的共固定化 102
8.2.7 交联法固定化整细胞 103
8.2.8 包埋法制备固定化整细胞 103
8.2.9 组合固定化方法 104
8.2.10 膜反应器截留法固定化酶 105
8.3 固定化生物催化剂制备的原则 105
8.4 固定化生物催化剂的性能表征与评价指标 105
8.4.1 固定化生物催化剂的活性 105
8.4.2 固定化生物催化剂的稳定性 106
8.4.3 固定化生物催化剂的机械强度 106
8.4.4 固定化酶的蛋白质上载率 106
8.4.5 生物催化剂的固定化效率（活力回收率） 106
8.5 生物催化剂固定化的性能影响 107
8.5.1 固定化生物催化剂活性与选择性的变化 107
8.5.2 固定化生物催化剂的动力学参数变化 108
8.5.3 固定化生物催化剂的稳定性影响 108
8.5.4 反应条件参数的影响 108
8.6 固定化生物催化剂的应用 109
8.6.1 固定化生物催化剂的优缺点 109
8.6.2 固定化方法与固定化制剂形式的选择 110
8.6.3 固定化生物催化剂在工业生产中的应用 110
8.7 展望 112
第9章 生物催化反应的动力学表征 115
9.1 均相酶反应动力学 115
9.1.1 单底物酶反应动力学 115
9.1.2 可逆酶反应动力学 118
9.1.3 双底物酶反应动力学 119
9.1.4 受抑制的酶反应动力学 121
9.1.5 变构酶反应动力学 124
9.1.6 pH对酶反应速率的影响 125
9.1.7 温度对酶反应速率的影响 126
9.2 非均相酶反应动力学 127
9.2.1 外扩散对反应速率的影响 127
9.2.2 内扩散对反应速率的影响 129
第10章 生物催化剂的介质系统 135
10.1 介质系统简介 135
10.2 水相及非水相生物催化的优缺点 136
10.3 酶在微水有机溶剂中失活的原因 136
10.3.1 传质和接触的因素 136
10.3.2 酶结构的变化 137
10.3.3 底物的解溶剂化能量学和临界态的稳定性 137
10.3.4 构象的柔性 137
10.3.5 pH环境 138
10.4 微水有机溶剂中的酶学性质 138
10.4.1 酶的活性 138
10.4.2 酶的稳定性 141
10.4.3 酶的选择性 141
10.4.4 酶的分子记忆性 142
10.5 不同介质体系中的生物催化与生物转化 143
10.5.1 水相体系中的生物催化 143
10.5.2 有机溶剂-水单相体系中的生物催化 143
10.5.3 有机溶剂/水双相体系中的生物催化 144
10.5.4 反胶束体系中的生物催化 144
10.5.5 微水有机溶剂中的生物催化 145
10.5.6 无溶剂体系中的生物催化 146
10.5.7 超临界流体中的生物催化 146
10.5.8 离子液体体系中的生物催化 147
10.5.9 深度共熔溶剂体系中的生物催化 148
10.6 非水相体系中的酶激活方法 149
10.6.1 化学修饰 149
10.6.2 赋形剂 149
10.7 非水相生物催化的工业应用 150
第11章 生物催化在精细化学品合成中的应用案例 153
11.1 概述 153
11.2 生物催化过程的应用技术评价指标 153
11.3 医药原料及中间体的酶促合成 155
11.3.1 单加氧酶催化合成埃索美拉唑 155
11.3.2 转氨酶催化合成西他列汀 156
11.3.3 生物催化合成新冠治疗药物中间体 156
11.3.4 醇脱氢酶催化合成抗组胺药物中间体 159
11.4 农药、兽药及除草剂的酶促合成 160
11.4.1 农药中间体2-氯烟酸的酶法合成 161
11.4.2 拟除虫菊酯关键手性中间体的一锅法合成 161
11.4.3 兽药氟苯尼考中间体的酶促合成 162
11.4.4 除草剂草铵膦的酶促合成 164
11.5 其他功能化学品的酶促合成案例 165
11.5.1 生物催化在香精香料合成中的应用 165
11.5.2 生物催化在材料化学品中的应用 167
11.5.3 生物催化在保健品制备中的应用 169
第12章 生物催化剂的高通量筛选方法 173
12.1 引言 173
12.2 氧化还原酶的高通量筛选方法 173
12.2.1 脱氢酶 173
12.2.2 氧化酶类 175
12.2.3 加氧酶 177
12.2.4 漆酶 180
12.3 转氨酶的高通量筛选方法 181
12.3.1 基于乙醛脱氢酶的方法 181
12.3.2 荧光法 182
12.3.3 以半胱氨酸亚磺酸为氨基供体的比色法 182
12.3.4 基于红四氮唑的比色法 183
12.4 水解酶的高通量筛选方法 184
12.4.1 琼脂平板筛选法 184
12.4.2 基于显色的直接测定法 184
12.4.3 基于荧光的孔板筛选法 184
12.4.4 基于荧光的流式细胞仪筛选法 185
12.4.5 基于pH指示剂的筛选法 185
12.4.6 基于偶联反应的间接测定法 186
12.5 结论 186
第13章 酶催化碳碳偶联反应 189
13.1 自由基介导的酶促碳碳键偶联反应 189
13.1.1 酶催化脱氧腺苷自由基引发的碳碳键偶联反应 189
13.1.2 铁氧四价自由基催化C—C键偶联 191
13.1.3 漆酶催化C—C键的形成 195
13.1.4 黄素依赖酶催化碳碳键的形成 196
13.2 酶催化（亲核、亲电）加成或取代的碳碳键偶联反应 197
13.2.1 醛缩酶催化的碳碳键形成反应 197
13.2.2 ThDP依赖的聚醛酶和转酮酶催化的碳碳键形成 199
13.2.3 羟腈裂解酶催化的碳碳键形成 200
13.2.4 卤醇脱卤酶催化的碳碳键形成 202
13.2.5 Pictet-Spenglerases催化的碳碳键形成 203
13.2.6 C-糖基转移酶催化的碳碳键形成反应 205
13.2.7 异戊烯基转移酶催化的碳碳键形成 206
13.2.8 傅克烷基化酶催化的碳碳键形成反应 208
13.3 周环酶催化的碳碳键偶联 209
第14章 生物催化C—O键修饰反应 213
14.1 概述 213
14.2 酶催化C—H键的氧化 213
14.2.1 sp3 C—H键羟化 213
14.2.2 芳香族的sp2C—H键的羟化 222
14.2.3 C=C键氧化反应 224
14.2.4 醇的氧化 225
14.2.5 醛和酮的氧化 226
14.2.6 甲基转移酶催化的C—O修饰 227
14.3 结论 228
第15章 生物催化C—N成键反应 231
15.1 转氨酶 231
15.2 氨基酸脱氢酶 235
15.3 亚胺还原酶 238
15.4 胺脱氢酶 240
15.5 胺氧化酶 242
15.6 氨裂合酶 245
第16章 工业生物催化中的辅因子再生技术 251
16.1 常见辅因子的种类及其反应类型 251
16.1.1 烟酰胺类 251
16.1.2 黄素类 251
16.1.3 ATP 251
16.1.4 SAM 251
16.1.5 乙酰辅酶A 252
16.1.6 糖核苷酸 252
16.1.7 3′-磷酸腺苷-5′-磷酰硫酸（PAPS） 252
16.2 游离型辅因子再生方式 252
16.2.1 化学再生 252
16.2.2 电化学再生 253
16.2.3 光化学再生 253
16.2.4 酶法再生 253
16.3 辅因子工程 257
16.3.1 辅因子偏好性改造 257
16.3.2 内源辅因子系统调节 258
16.3.3 异源辅因子系统补充 258
第17章 生物催化的非专一性反应及其应用 261
17.1 酶催化的非专一性 261
17.1.1 非专一性的概念和分类 261
17.1.2 非专一性产生的原因 261
17.1.3 酶催化非专一性的反应机制 262
17.2 水解酶催化的非专一性 263
17.2.1 Aldol反应 264
17.2.2 Herny（Nitroaldol）反应 265
17.2.3 Michael加成反应 265
17.2.4 Mannich反应 267
17.2.5 Markovnikov加成反应和反Markovnikov加成反应 268
17.2.6 氧化反应 268
17.2.7 Knoevenagel反应 269
17.3 黄素依赖酶催化的非专一性 270
17.3.1 Baeyer-Villiger单加氧酶催化的非专一性反应 270
17.3.2 烯还原酶催化的非专一性反应 271
17.3.3 脂肪酸光脱羧酶催化的非专一性反应 273
17.4 铁卟啉依赖酶催化的非专一性 274
17.5 其他辅因子依赖型酶的催化多功能性研究 275
17.6 酶催化非专一性在多步有机合成中的应用 276
17.6.1 脱羧-Aldol反应合成 -羟基酮类化合物 276
17.6.2 水解-缩合-加成反应 277
17.6.3 Michael加成-酰化反应合成手性杂环化合物 277
17.6.4 Michael加成-环化反应合成肟官能化二氢呋喃衍生物 279
17.6.5 Knoevengel反应-Michael加成反应-环合反应合成吲哚啉螺环类化合物 279
17.6.6 不对称Mannich反应合成手性β-氨基酮/醛类化合物 280
17.6.7 光催化氧化-酶催化联合催化合成噻唑、嘧啶类化合物 280
17.7 酶催化非专一性在工业合成中的应用 281
第18章 多酶级联催化反应 285
18.1 级联催化 285
18.1.1 级联催化简介 285
18.1.2 级联催化的分类 285
18.2 多酶级联催化 286
18.2.1 多酶级联催化简介 286
18.2.2 多酶级联催化的类型 287
18.3 基于逆合成分析设计多酶级联的催化路线 290
18.3.1 逆合成方法简介 290
18.3.2 多酶级联催化的设计 291
18.4 体外多酶级联催化的研究进展 293
18.5 体内多酶级联催化的研究进展 297
18.6 混合型级联催化的研究进展 304
第19章 化学-酶偶联的催化反应 307
19.1 概述 307
19.1.1 化学-酶偶联催化方法的发展 307
19.1.2 化学-酶偶联催化的特点 307
19.1.3 化学-酶法偶联催化的构建策略 308
19.2 金属-酶偶联催化 309
19.2.1 金属催化剂-氧化还原酶偶联催化 310
19.2.2 金属催化剂-转移酶的偶联催化 313
19.2.3 金属催化剂-水解酶的偶联催化 314
19.2.4 金属催化剂-裂合酶的偶联催化 314
19.3 有机小分子-酶偶联催化 315
19.3.1 有机小分子-氧化还原酶的偶联催化 315
19.3.2 有机小分子-水解酶的偶联催化 316
19.3.3 有机小分子催化剂-裂合酶的偶联催化 317
19.4 光-酶偶联催化 318
19.4.1 光-氧化还原酶的偶联催化 318
19.4.2 光-裂合酶的偶联催化 319
19.5 纳米酶-酶的偶联催化 320
19.5.1 纳米酶-水解酶的偶联催化 320
19.6 总结与展望 321
第20章 微尺度连续流生物催化过程 323
20.1 概述 323
20.2 微反应器强化的生物催化过程 324
20.2.1 辅因子循环 324
20.2.2 气-液两相反应 326
20.2.3 多酶兼容性问题 328
20.2.4 过程强化与品质提升 328
20.3 微反应器强化的生物-化学偶联过程 330
20.3.1 酶-化学偶联催化 330
20.3.2 过程强化与品质提升 334
20.4 总结与展望 335
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