纳米酶(精)

纳米酶是蕴含酶学特性的功能纳米材料。纳米酶的发现源于生物、化学、材料、物理、医学等领域研究者的通力合作，这一发现打破了纳米材料无酶学催化活性的传统认知，不仅开拓了酶学等诸多学科的研究视野，更为能有效利用多学科交叉思维与方法解决人类在健康、环境、能源、农业、安全等方面的挑战注入了新思路。 本书分为四篇，较为系统地阐述了这一新兴领域的基本概念、理论和应用，具体包括纳米酶的概念与特点、纳米酶相关催化反应理论基础、典型纳米酶、纳米酶设计与调控以及纳米酶应用。 本书适合作为高年级本科生、研究生及相关领域研究人员的教学用书或参考书。

魏辉，南京大学现代工程与应用科学学院教授。国家自然科学基金优秀青年基金获得者，英国皇家化学学会会士。入选国家海外高层次青年人才计划，科睿唯安交叉领域全球高被引科学家。研究方向聚焦于纳米酶高效设计及其精准诊疗应用。代表性奖励包括:2025年度测量科学进展讲座奖(Advances in Measurement Science Lectureship Awards)，2024年度首届自然微生物加速器奖(Nature Awards Accelerator Microbiome)，2023年度英国皇家化学学会Dalton Division Horizon Prize奖(团队奖，表彰其在纳米酶交叉研究的原创贡献)。曾任 Chinese Journal of Chemistry副主编(综述)，现任ACS Nano Medicine副主编。

Ⅰ 基础篇 第1章 绪论 002 1.1 从酶到模拟酶 002 1.2 从模拟酶到纳米酶 003 1.3 纳米酶的概念及特点 004 1.3.1 纳米酶概念的内涵 004 1.3.2 纳米材料为什么能模拟酶 004 1.3.3 纳米材料仿酶催化功能是材料在纳米尺度的纳米生物效应 004 1.3.4 纳米酶与其他催化剂的异同 005 参考文献 005 第2章 催化反应基本概念 008 2.1 反应速率 008 2.2 反应级数 009 2.3 活化能 010 2.4 酶催化反应 011 2.5 纳米酶催化反应 012 2.6 纳米酶催化反应动力学 012 2.6.1 催化活性及活性位点 013 2.6.2 催化反应动力学 013 2.7 纳米酶催化机理 019 参考文献 019 Ⅱ 典型纳米酶篇 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 细胞色素c氧化酶 024 3.1.4 漆酶 025 3.1.5 甲烷单加氧酶 026 3.2 典型氧化酶的结构及其催化机制 026 3.2.1 葡萄糖氧化酶 026 3.2.2 甲烷单加氧酶 030 3.3 典型氧化酶模拟酶 031 3.3.1 重新设计肌红蛋白来构造细胞色素c氧化酶模拟酶 031 3.3.2 自组装的超分子漆酶模拟酶 033 3.3.3 基于不同金属离子的儿茶酚氧化酶模拟酶 036 3.4 典型氧化酶纳米酶 039 3.4.1 类甲烷单加氧酶纳米酶 039 3.4.2 类细胞色素c氧化酶纳米酶 042 3.4.3 类漆酶纳米酶 044 3.4.4 类NAD(P)H氧化酶纳米酶 046 3.4.5 类葡萄糖氧化酶纳米酶 048 3.4.6 其他类氧化酶纳米酶 052 3.4.7 一般的类氧化酶纳米酶及催化机制 052 参考文献 054 第4章 过氧化物酶 062 4.1 过氧化物酶的分类 062 4.1.1 血红素过氧化物酶 063 4.1.2 非血红素过氧化物酶 066 4.2 过氧化物酶的催化反应机理 069 4.2.1 辣根过氧化物酶 070 4.2.2 谷胱甘肽过氧化物酶 074 4.3 典型过氧化物酶模拟酶 078 4.3.1 含类似血红素位点的模拟酶 078 4.3.2 可识别底物的硫属模拟酶 079 4.4 典型过氧化物酶纳米酶 082 4.4.1 一般类过氧化物酶 082 4.4.2 谷胱甘肽过氧化物酶 091 4.4.3 类卤素过氧化物酶 092 参考文献 093 第5章 过氧化氢酶 098 5.1 过氧化氢酶的分类 099 5.1.1 单功能过氧化氢酶 099 5.1.2 双功能过氧化氢酶 101 5.1.3 含锰的过氧化氢酶 102 5.2 典型过氧化氢酶模拟酶 103 5.3 典型类过氧化氢酶纳米酶 104 5.3.1 金属基类过氧化氢酶纳米酶 105 5.3.2 金属氧化物基类过氧化氢酶纳米酶 105 5.3.3 金属有机框架基类过氧化氢酶纳米酶 106 5.3.4 碳基类过氧化氢酶纳米酶 106 5.4 类过氧化氢酶纳米酶的催化机制 106 5.4.1 金属基纳米酶模拟CAT过程的异裂路径 107 5.4.2 氧化铈纳米酶模拟CAT过程的异裂路径和非催化化学还原途径 108 5.4.3 氧化铁纳米酶模拟CAT过程的异裂途径 108 5.4.4 四氧化三钴纳米酶模拟CAT过程的氧化还原途径和双过氧化氢缔合途径 108 参考文献 110 第6章 超氧化物歧化酶 114 6.1 超氧化物歧化酶的分类及其催化反应机理 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拟酶 125 6.2.1 氮氧化物 125 6.2.2 金属配合物 126 6.2.3 大分子与超分子 128 6.3 类超氧化物歧化酶纳米酶 130 6.3.1 碳基类SOD纳米酶 131 6.3.2 贵金属纳米材料 139 6.3.3 金属化合物纳米材料 139 6.3.4 金属有机骨架 142 6.4 类超氧化物歧化酶纳米酶的催化机制 142 6.4.1 能级判据 142 6.4.2 吸附能判据 143 拓展阅读 144 参考文献 144 第7章 水解酶 154 7.1 水解酶的类型 154 7.1.1 -胰凝乳蛋白酶(EC 3.4.21.1) 154 7.1.2 有机磷水解酶（OPH，EC 3.1.8.1） 156 7.2 典型水解酶模拟酶 159 7.2.1 胰凝乳蛋白酶模拟酶 159 7.2.2 磷酸水解酶模拟酶 160 7.3 水解型纳米酶 163 7.3.1 水解型纳米酶的分类 164 7.3.2 基于模拟材料的分类 167 7.3.3 水解型纳米酶的构建策略 167 参考文献 170 第8章 裂解酶 173 8.1 常见裂解酶 173 8.1.1 碳酸酐酶 173 8.1.2 DNA光裂合酶 173 8.2 典型裂解酶模拟酶 176 8.2.1 典型的碳酸酐酶模拟酶 176 8.2.2 典型的DNA光裂合酶模拟酶 176 8.3 典型裂解酶纳米酶 176 8.3.1 模拟碳酸酐酶活性的纳米酶 176 8.3.2 模拟光裂合酶活性的纳米酶 178 参考文献 179 第9章 异构酶 182 9.1 常见异构酶 182 9.1.1 蛋白质二硫键异构酶 182 9.1.2 DNA拓扑异构酶 183 9.2 典型异构酶模拟酶 186 9.2.1 蛋白质二硫键异构酶 186 9.2.2 DNA拓扑异构酶 187 9.3 典型异构酶纳米酶 188 参考文献 189 第10章 连接酶 192 10.1 DNA连接酶 192 10.2 典型DNA连接酶模拟酶 195 10.3 典型DNA连接酶纳米酶 195 参考文献 197 第11章 模拟其他酶的纳米酶 198 11.1 氢化酶 198 11.1.1 氢化酶的分类与结构 198 11.1.2 模拟氢化酶的传统模拟酶 201 11.1.3 模拟氢化酶的纳米酶 203 11.2 硝基还原酶 205 11.2.1 硝基还原酶的结构与分类 205 11.2.2 模拟硝基还原酶的纳米酶 207 11.3 硅蛋白酶 208 11.3.1 硅蛋白酶的结构 208 11.3.2 硅蛋白酶的催化机理 209 11.3.3 模拟硅蛋白酶的纳米酶 210 参考文献 211 第12章 具有多酶活性的纳米酶 215 12.1 氧化铈 216 12.2 氧化铁 220 12.3 四氧化三钴 221 12.4 四氧化三锰 222 12.5 普鲁士蓝 223 12.6 其他具有多酶活性的纳米酶 225 参考文献 225 Ⅲ 设计与调控篇 第13章 纳米酶设计 228 13.1 基于“构效关系”的纳米酶设计 228 13.1.1 纳米酶活性调控 229 13.1.2 配位环境调控 230 13.1.3 缺陷工程 231 13.1.4 广义理论模型 231 13.1.5 本征理论模型 232 13.2 数据驱动的纳米酶高效设计 234 13.2.1 研究路径 234 13.2.2 文献数据驱动的纳米酶设计 235 13.2.3 机器学习辅助的纳米酶设计 235 13.3 仿生设计 240 13.3.1 模拟酶的活性位点及配位结构 240 13.3.2 模拟天然酶底物结合位点（结合口袋） 241 13.3.3 模拟天然酶的催化机制 242 13.4 理论计算辅助的纳米酶筛选设计 242 13.4.1 第一性原理计算 242 13.4.2 纳米酶的催化机理 243 13.5 纳米酶高效设计的发展方向 245 参考文献 246 第14章 纳米酶活性的调控 249 14.1 激活剂或抑制剂 249 14.1.1 激活剂 249 14.1.2 抑制剂 249 14.2 别构调控 251 14.3 共价修饰调控 252 14.4 尺寸调控 254 14.5 晶面调控 254 14.6 元素掺杂 256 14.7 表面修饰 256 14.7.1 表面电荷 256 14.7.2 厚度 257 14.7.3 手性配体 257 14.8 分子印迹技术 258 14.9 外场刺激 259 14.10 其他 259 参考文献 259 Ⅳ 应用篇 第15章 生物分析 264 15.1 检测模式 264 15.1.1 纳米酶自身催化与调控 264 15.1.2 纳米酶催化探针 264 15.1.3 纳米酶传感器阵列 266 15.2 纳米酶用于体外检测 267 15.2.1 离子 267 15.2.2 小分子 268 15.2.3 核酸 272 15.2.4 蛋白质 273 15.2.5 细胞、细菌、病毒、组织等 274 15.3 纳米酶用于活体分析 277 参考文献 278 第16章 医学治疗 283 16.1 肿瘤 283 16.1.1 纳米酶用于缓解肿瘤乏氧 284 16.1.2 纳米酶诱导氧化应激用于肿瘤治疗 285 16.1.3 纳米酶用于激活肿瘤前体药物 286 16.1.4 纳米酶与肿瘤饥饿治疗 287 16.2 抗菌治疗 287 16.2.1 纳米酶在抗细菌治疗中的应用 287 16.2.2 纳米酶在抗真菌治疗中的应用 294 16.2.3 小结 295 16.3 抗氧化 296 16.3.1 单一类酶活性 298 16.3.2 级联反应体系 299 16.4 抗炎 299 16.4.1 纳米酶用于急性炎症的治疗 300 16.4.2 纳米酶用于慢性炎症的治疗 305 16.5 抗衰老 308 16.5.1 延缓衰老相关症状 308 16.5.2 治疗衰老相关疾病 309 16.5.3 展望 311 16.6 心血管疾病 311 16.6.1 氧化应激与心血管疾病 312 16.6.2 纳米酶在治疗心血管疾病中的应用 312 16.7 骨应用 315 16.7.1 骨关节炎 315 16.7.2 纳米酶增强骨修复和骨再生 318 16.7.3 纳米酶对抗细菌感染和骨肉瘤 319 16.7.4 展望 320 16.8 神经保护 320 16.8.1 神经退行性疾病 321 16.8.2 其他神经系统疾病 323 16.8.3 总结与展望 324 参考文献 324 第17章 环境检测与治理 340 17.1 环境中有害物质检测 340 17.1.1 重金属离子检测 340 17.1.2 农药分子检测 342 17.1.3 抗生素分子检测 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 有机磷农药的降解 344 参考文献 344 第18章 国防领域的应用 347 18.1 降解化学战剂 347 18.1.1 化学战剂 347 18.1.2 神经毒剂降解 347 18.2 对抗船体生物淤积 353 18.2.1 海洋船体生物淤积 353 18.2.2 对抗船体生物淤积的常见方式 354 18.2.3 纳米酶在对抗船体生物淤积中的应用 355 参考文献 358 第19章 物质合成 361 19.1 聚合物合成 361 19.2 α-酮酸合成 363 19.3 小分子有机化合物合成 363 参考文献 364 第20章 农业应用 366 20.1 农药检测与鉴别 366 20.1.1 农药检测 366 20.1.2 农药鉴别 367 20.2 农药降解 368 20.3 提高农作物产量 368 20.4 胁迫环境下调控农作物生长 369 20.4.1 胁迫条件下参与种子引发 369 20.4.2 其他抗逆能力 370 20.5 纳米酶农药 370 20.6 展望 370 拓展阅读 371 参考文献 371