納米酶是蘊含酶學(xué)特性的功能納米材料。納米酶的發(fā)現(xiàn)源于生物、化學(xué)、材料、物理、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域研究者的通力合作，這一發(fā)現(xiàn)打破了納米材料無酶學(xué)催化活性的傳統(tǒng)認(rèn)知，不僅開拓了酶學(xué)等諸多學(xué)科的研究視野，更為能有效利用多學(xué)科交叉思維與方法解決人類在健康、環(huán)境、能源、農(nóng)業(yè)、安全等方面的挑戰(zhàn)注入了新思路。
本書分為四篇，較為系統(tǒng)地闡述了這一新興領(lǐng)域的基本概念、理論和應(yīng)用，具體包括納米酶的概念與特點、納米酶相關(guān)催化反應(yīng)理論基礎(chǔ)、典型納米酶、納米酶設(shè)計與調(diào)控以及納米酶應(yīng)用。
本書適合作為高年級本科生、研究生及相關(guān)領(lǐng)域研究人員的教學(xué)用書或參考書。
魏輝，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院教授。國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金獲得者，英國皇家化學(xué)學(xué)會會士。入選國家海外高層次青年人才計劃，科睿唯安交叉領(lǐng)域全球高被引科學(xué)家。研究方向聚焦于納米酶高效設(shè)計及其精準(zhǔn)診療應(yīng)用。代表性獎勵包括:2025年度測量科學(xué)進(jìn)展講座獎(Advances in Measurement Science Lectureship Awards)，2024年度首屆自然微生物加速器獎(Nature Awards Accelerator Microbiome)，2023年度英國皇家化學(xué)學(xué)會Dalton Division Horizon Prize獎(團(tuán)隊獎，表彰其在納米酶交叉研究的原創(chuàng)貢獻(xiàn))。曾任 Chinese Journal of Chemistry副主編(綜述)，現(xiàn)任ACS Nano Medicine副主編。
Ⅰ 基礎(chǔ)篇
第1章 緒論 002
1.1 從酶到模擬酶 002
1.2 從模擬酶到納米酶 003
1.3 納米酶的概念及特點 004
1.3.1 納米酶概念的內(nèi)涵 004
1.3.2 納米材料為什么能模擬酶 004
1.3.3 納米材料仿酶催化功能是材料在納米尺度的納米生物效應(yīng) 004
1.3.4 納米酶與其他催化劑的異同 005
參考文獻(xiàn) 005
第2章 催化反應(yīng)基本概念 008
2.1 反應(yīng)速率 008
2.2 反應(yīng)級數(shù) 009
2.3 活化能 010
2.4 酶催化反應(yīng) 011
2.5 納米酶催化反應(yīng) 012
2.6 納米酶催化反應(yīng)動力學(xué) 012
2.6.1 催化活性及活性位點 013
2.6.2 催化反應(yīng)動力學(xué) 013
2.7 納米酶催化機(jī)理 019
參考文獻(xiàn) 019
Ⅱ 典型納米酶篇
第3章 氧化酶 022
3.1 典型天然氧化酶 022
3.1.1 葡萄糖氧化酶 022
3.1.2 NADPH氧化酶 023
3.1.3 細(xì)胞色素c氧化酶 024
3.1.4 漆酶 025
3.1.5 甲烷單加氧酶 026
3.2 典型氧化酶的結(jié)構(gòu)及其催化機(jī)制 026
3.2.1 葡萄糖氧化酶 026
3.2.2 甲烷單加氧酶 030
3.3 典型氧化酶模擬酶 031
3.3.1 重新設(shè)計肌紅蛋白來構(gòu)造細(xì)胞色素c氧化酶模擬酶 031
3.3.2 自組裝的超分子漆酶模擬酶 033
3.3.3 基于不同金屬離子的兒茶酚氧化酶模擬酶 036
3.4 典型氧化酶納米酶 039
3.4.1 類甲烷單加氧酶納米酶 039
3.4.2 類細(xì)胞色素c氧化酶納米酶 042
3.4.3 類漆酶納米酶 044
3.4.4 類NAD(P)H氧化酶納米酶 046
3.4.5 類葡萄糖氧化酶納米酶 048
3.4.6 其他類氧化酶納米酶 052
3.4.7 一般的類氧化酶納米酶及催化機(jī)制 052
參考文獻(xiàn) 054
第4章 過氧化物酶 062
4.1 過氧化物酶的分類 062
4.1.1 血紅素過氧化物酶 063
4.1.2 非血紅素過氧化物酶 066
4.2 過氧化物酶的催化反應(yīng)機(jī)理 069
4.2.1 辣根過氧化物酶 070
4.2.2 谷胱甘肽過氧化物酶 074
4.3 典型過氧化物酶模擬酶 078
4.3.1 含類似血紅素位點的模擬酶 078
4.3.2 可識別底物的硫?qū)倌M酶 079
4.4 典型過氧化物酶納米酶 082
4.4.1 一般類過氧化物酶 082
4.4.2 谷胱甘肽過氧化物酶 091
4.4.3 類鹵素過氧化物酶 092
參考文獻(xiàn) 093
第5章 過氧化氫酶 098
5.1 過氧化氫酶的分類 099
5.1.1 單功能過氧化氫酶 099
5.1.2 雙功能過氧化氫酶 101
5.1.3 含錳的過氧化氫酶 102
5.2 典型過氧化氫酶模擬酶 103
5.3 典型類過氧化氫酶納米酶 104
5.3.1 金屬基類過氧化氫酶納米酶 105
5.3.2 金屬氧化物基類過氧化氫酶納米酶 105
5.3.3 金屬有機(jī)框架基類過氧化氫酶納米酶 106
5.3.4 碳基類過氧化氫酶納米酶 106
5.4 類過氧化氫酶納米酶的催化機(jī)制 106
5.4.1 金屬基納米酶模擬CAT過程的異裂路徑 107
5.4.2 氧化鈰納米酶模擬CAT過程的異裂路徑和非催化化學(xué)還原途徑 108
5.4.3 氧化鐵納米酶模擬CAT過程的異裂途徑 108
5.4.4 四氧化三鈷納米酶模擬CAT過程的氧化還原途徑和雙過氧化氫締合途徑 108
參考文獻(xiàn) 110
第6章 超氧化物歧化酶 114
6.1 超氧化物歧化酶的分類及其催化反應(yīng)機(jī)理 115
6.1.1 CuZnSOD 115
6.1.2 MnSOD 117
6.1.3 FeSOD 121
6.1.4 NiSOD 123
6.2 典型超氧化物歧化酶模擬酶 125
6.2.1 氮氧化物 125
6.2.2 金屬配合物 126
6.2.3 大分子與超分子 128
6.3 類超氧化物歧化酶納米酶 130
6.3.1 碳基類SOD納米酶 131
6.3.2 貴金屬納米材料 139
6.3.3 金屬化合物納米材料 139
6.3.4 金屬有機(jī)骨架 142
6.4 類超氧化物歧化酶納米酶的催化機(jī)制 142
6.4.1 能級判據(jù) 142
6.4.2 吸附能判據(jù) 143
拓展閱讀 144
參考文獻(xiàn) 144
第7章 水解酶 154
7.1 水解酶的類型 154
7.1.1 -胰凝乳蛋白酶(EC 3.4.21.1) 154
7.1.2 有機(jī)磷水解酶（OPH，EC 3.1.8.1） 156
7.2 典型水解酶模擬酶 159
7.2.1 胰凝乳蛋白酶模擬酶 159
7.2.2 磷酸水解酶模擬酶 160
7.3 水解型納米酶 163
7.3.1 水解型納米酶的分類 164
7.3.2 基于模擬材料的分類 167
7.3.3 水解型納米酶的構(gòu)建策略 167
參考文獻(xiàn) 170
第8章 裂解酶 173
8.1 常見裂解酶 173
8.1.1 碳酸酐酶 173
8.1.2 DNA光裂合酶 173
8.2 典型裂解酶模擬酶 176
8.2.1 典型的碳酸酐酶模擬酶 176
8.2.2 典型的DNA光裂合酶模擬酶 176
8.3 典型裂解酶納米酶 176
8.3.1 模擬碳酸酐酶活性的納米酶 176
8.3.2 模擬光裂合酶活性的納米酶 178
參考文獻(xiàn) 179
第9章 異構(gòu)酶 182
9.1 常見異構(gòu)酶 182
9.1.1 蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶 182
9.1.2 DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶 183
9.2 典型異構(gòu)酶模擬酶 186
9.2.1 蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶 186
9.2.2 DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶 187
9.3 典型異構(gòu)酶納米酶 188
參考文獻(xiàn) 189
第10章 連接酶 192
10.1 DNA連接酶 192
10.2 典型DNA連接酶模擬酶 195
10.3 典型DNA連接酶納米酶 195
參考文獻(xiàn) 197
第11章 模擬其他酶的納米酶 198
11.1 氫化酶 198
11.1.1 氫化酶的分類與結(jié)構(gòu) 198
11.1.2 模擬氫化酶的傳統(tǒng)模擬酶 201
11.1.3 模擬氫化酶的納米酶 203
11.2 硝基還原酶 205
11.2.1 硝基還原酶的結(jié)構(gòu)與分類 205
11.2.2 模擬硝基還原酶的納米酶 207
11.3 硅蛋白酶 208
11.3.1 硅蛋白酶的結(jié)構(gòu) 208
11.3.2 硅蛋白酶的催化機(jī)理 209
11.3.3 模擬硅蛋白酶的納米酶 210
參考文獻(xiàn) 211
第12章 具有多酶活性的納米酶 215
12.1 氧化鈰 216
12.2 氧化鐵 220
12.3 四氧化三鈷 221
12.4 四氧化三錳 222
12.5 普魯士藍(lán) 223
12.6 其他具有多酶活性的納米酶 225
參考文獻(xiàn) 225
Ⅲ 設(shè)計與調(diào)控篇
第13章 納米酶設(shè)計 228
13.1 基于“構(gòu)效關(guān)系”的納米酶設(shè)計 228
13.1.1 納米酶活性調(diào)控 229
13.1.2 配位環(huán)境調(diào)控 230
13.1.3 缺陷工程 231
13.1.4 廣義理論模型 231
13.1.5 本征理論模型 232
13.2 數(shù)據(jù)驅(qū)動的納米酶高效設(shè)計 234
13.2.1 研究路徑 234
13.2.2 文獻(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的納米酶設(shè)計 235
13.2.3 機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的納米酶設(shè)計 235
13.3 仿生設(shè)計 240
13.3.1 模擬酶的活性位點及配位結(jié)構(gòu) 240
13.3.2 模擬天然酶底物結(jié)合位點（結(jié)合口袋） 241
13.3.3 模擬天然酶的催化機(jī)制 242
13.4 理論計算輔助的納米酶篩選設(shè)計 242
13.4.1 第一性原理計算 242
13.4.2 納米酶的催化機(jī)理 243
13.5 納米酶高效設(shè)計的發(fā)展方向 245
參考文獻(xiàn) 246
第14章 納米酶活性的調(diào)控 249
14.1 激活劑或抑制劑 249
14.1.1 激活劑 249
14.1.2 抑制劑 249
14.2 別構(gòu)調(diào)控 251
14.3 共價修飾調(diào)控 252
14.4 尺寸調(diào)控 254
14.5 晶面調(diào)控 254
14.6 元素?fù)诫s 256
14.7 表面修飾 256
14.7.1 表面電荷 256
14.7.2 厚度 257
14.7.3 手性配體 257
14.8 分子印跡技術(shù) 258
14.9 外場刺激 259
14.10 其他 259
參考文獻(xiàn) 259
Ⅳ 應(yīng)用篇
第15章 生物分析 264
15.1 檢測模式 264
15.1.1 納米酶自身催化與調(diào)控 264
15.1.2 納米酶催化探針 264
15.1.3 納米酶傳感器陣列 266
15.2 納米酶用于體外檢測 267
15.2.1 離子 267
15.2.2 小分子 268
15.2.3 核酸 272
15.2.4 蛋白質(zhì) 273
15.2.5 細(xì)胞、細(xì)菌、病毒、組織等 274
15.3 納米酶用于活體分析 277
參考文獻(xiàn) 278
第16章 醫(yī)學(xué)治療 283
16.1 腫瘤 283
16.1.1 納米酶用于緩解腫瘤乏氧 284
16.1.2 納米酶誘導(dǎo)氧化應(yīng)激用于腫瘤治療 285
16.1.3 納米酶用于激活腫瘤前體藥物 286
16.1.4 納米酶與腫瘤饑餓治療 287
16.2 抗菌治療 287
16.2.1 納米酶在抗細(xì)菌治療中的應(yīng)用 287
16.2.2 納米酶在抗真菌治療中的應(yīng)用 294
16.2.3 小結(jié) 295
16.3 抗氧化 296
16.3.1 單一類酶活性 298
16.3.2 級聯(lián)反應(yīng)體系 299
16.4 抗炎 299
16.4.1 納米酶用于急性炎癥的治療 300
16.4.2 納米酶用于慢性炎癥的治療 305
16.5 抗衰老 308
16.5.1 延緩衰老相關(guān)癥狀 308
16.5.2 治療衰老相關(guān)疾病 309
16.5.3 展望 311
16.6 心血管疾病 311
16.6.1 氧化應(yīng)激與心血管疾病 312
16.6.2 納米酶在治療心血管疾病中的應(yīng)用 312
16.7 骨應(yīng)用 315
16.7.1 骨關(guān)節(jié)炎 315
16.7.2 納米酶增強(qiáng)骨修復(fù)和骨再生 318
16.7.3 納米酶對抗細(xì)菌感染和骨肉瘤 319
16.7.4 展望 320
16.8 神經(jīng)保護(hù) 320
16.8.1 神經(jīng)退行性疾病 321
16.8.2 其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病 323
16.8.3 總結(jié)與展望 324
參考文獻(xiàn) 324
第17章 環(huán)境檢測與治理 340
17.1 環(huán)境中有害物質(zhì)檢測 340
17.1.1 重金屬離子檢測 340
17.1.2 農(nóng)藥分子檢測 342
17.1.3 抗生素分子檢測 342
17.2 治理 343
17.2.1 多酚化合物的降解 343
17.2.2 微塑料的降解 344
17.2.3 有機(jī)磷農(nóng)藥的降解 344
參考文獻(xiàn) 344
第18章 國防領(lǐng)域的應(yīng)用 347
18.1 降解化學(xué)戰(zhàn)劑 347
18.1.1 化學(xué)戰(zhàn)劑 347
18.1.2 神經(jīng)毒劑降解 347
18.2 對抗船體生物淤積 353
18.2.1 海洋船體生物淤積 353
18.2.2 對抗船體生物淤積的常見方式 354
18.2.3 納米酶在對抗船體生物淤積中的應(yīng)用 355
參考文獻(xiàn) 358
第19章 物質(zhì)合成 361
19.1 聚合物合成 361
19.2 α-酮酸合成 363
19.3 小分子有機(jī)化合物合成 363
參考文獻(xiàn) 364
第20章 農(nóng)業(yè)應(yīng)用 366
20.1 農(nóng)藥檢測與鑒別 366
20.1.1 農(nóng)藥檢測 366
20.1.2 農(nóng)藥鑒別 367
20.2 農(nóng)藥降解 368
20.3 提高農(nóng)作物產(chǎn)量 368
20.4 脅迫環(huán)境下調(diào)控農(nóng)作物生長 369
20.4.1 脅迫條件下參與種子引發(fā) 369
20.4.2 其他抗逆能力 370
20.5 納米酶農(nóng)藥 370
20.6 展望 370
拓展閱讀 371
參考文獻(xiàn) 371
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