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出版者:Oxford University Press, USA

作者:Arthur M. Lesk

出品人:

页数:360

译者:

出版时间:2001

价格:USD 85.00

装帧:Paperback

isbn号码:9780198504740

丛书系列:

图书标签:

• 蛋白质结构
• 蛋白质架构
• 生物化学
• 分子生物学
• 结构生物学
• 蛋白质科学
• 生物物理学
• 蛋白质折叠
• 蛋白质功能
• 计算生物学

《生物分子结构解析：从原子到系统的多尺度视角》 本书聚焦于生物大分子结构解析的前沿技术、理论模型及其在生命科学研究中的深刻应用，旨在为结构生物学、生物物理学、计算生物学及相关交叉学科的研究者、高级学生提供一部全面、深入的参考指南。本书超越了单一分子方法的局限，强调理解结构如何随尺度变化，以及结构信息如何驱动功能、调控生命过程。 --- 第一部分：结构解析的基石与新技术浪潮 本部分系统回顾并深入探讨了现代结构生物学赖以建立的理论基础，并重点剖析了近年来推动学科飞速发展的革命性新技术。 第一章：结构生物学的理论框架与挑战 本章首先确立了研究生物大分子结构的核心物理化学原理，包括范德华力、静电相互作用、氢键以及疏水效应在维持蛋白质、核酸和脂质双层结构中的作用。随后，详细讨论了“结构-功能”关系的理论模型，并剖析了当前解析复杂生物体系（如膜蛋白、动态复合物）时面临的主要挑战，例如结构柔性、构象异质性以及数据稀疏性问题。本章还引入了信息论在评估结构模型质量中的应用。 第二章：高分辨率成像革命：冷冻电镜（Cryo-EM）的深度解析 作为当前结构生物学领域最主要的驱动力之一，本章对冷冻电子显微镜技术进行了详尽阐述。内容涵盖了样品制备的艺术与科学，包括微孔膜的优化、玻璃态冰层的形成机制及其对成像质量的影响。理论部分深入讲解了图像采集过程中的信号采集、信噪比优化，以及关键算法，如CTF（相位板的对比度转移函数）估计的精确性校正。重点关注了单颗粒分析（SPA）和断层扫描（Cryo-ET）的流程：从初筛、粒子挑选到三维重建的每一步数学处理，包括迭代优化、对称性应用以及分辨率评估的标准（如FSC曲线的精确解读）。此外，本书特别探讨了如何利用高级分类算法处理结构异质性，分离出具有生物学意义的特定构象态。 第三章：X射线晶体学的精进与同步辐射光源的应用 尽管面临新兴技术的竞争，X射线晶体学依然是获得原子分辨率结构的金标准。本章重点讨论了现代晶体学在数据采集和解析方面的进步。详细介绍了第三代和第四代同步辐射光源如何提供更高通量、更精确的波长扫描能力，特别是在利用异常散射（MAD/SAD）确定相位方面。算法部分，深入探讨了从高精度数据到电子密度图的傅里叶变换过程，以及如何利用结构精修（Refinement）技术，结合几何约束和物理化学势，最大化拟合优度，并严格评估R因子、RMSD等指标的可靠性。 第四章：核磁共振（NMR）在动态结构研究中的独特地位 NMR谱学因其能够捕获分子在溶液中时间尺度上的动态信息而不可替代。本章细致分析了溶液态NMR的基本原理，包括弛豫机制、化学位移的敏感性。重点内容在于如何通过弛豫测量（如$T_1, T_2$和$T_{1 ho}$）来量化分子内部运动的速率和幅度。对于大型蛋白质复合物，本书探讨了使用场相关技术（如PRE）和标度谱技术（如Relaxation-Optimized Spectroscopy, ROS）来确定距离约束和结构域间相对取向的策略。 --- 第二部分：跨尺度整合与功能性结构建模 本部分致力于将结构信息从静止的原子视图扩展到活细胞环境下的动态、多尺度系统，并探讨计算方法如何填补实验数据的空白。 第五章：从结构到组装：多级复合物的解析策略 生物学过程很少由单个分子完成，而是依赖于复杂组装体。本章聚焦于解析大型分子机器和细胞器组件的策略。内容包括如何整合来自不同技术的异构数据（如Cryo-EM的低分辨率轮廓、X射线晶体学的原子细节和蛋白质相互作用组学信息）。详细阐述了“整合建模”（Integrative Modeling）的数学框架，特别是如何使用约束优化、分子动力学模拟（MD）或低频振动模式分析来连接不同的结构域或亚基，从而构建出具有生物学意义的、跨尺度的三维模型。 第六章：分子动力学模拟：探究时间维度上的结构变异 分子动力学（MD）已成为结构生物学不可或缺的工具。本章从计算基础入手，解释了力场（Force Fields）的选择与构建原则，强调了针对特定分子体系（如离子通道、脂质膜）的专业力场校准。在高级应用方面，本书深入探讨了加速采样技术，如伞式采样（Umbrella Sampling）、薄板积分（Metadynamics）以及它们的变体，这些技术用于克服模拟中的能量垒，有效探索蛋白质折叠、配体结合和构象转换的自由能景观。特别强调了如何利用有限尺度模拟结果来解释实验观察到的结构柔性。 第七章：生物信息学与结构预测：深度学习时代的机遇 随着蛋白质结构数据库的爆炸式增长和计算能力的飞跃，结构预测正在经历范式转变。本章详细剖析了基于深度学习的结构预测方法，如AlphaFold2等模型的内部工作原理，包括序列嵌入、注意力机制在残基间距离和角度预测中的应用。此外，本书还探讨了如何利用预测模型来辅助或验证实验结果，尤其是在解析结构未知或高度柔性的系统时。讨论了预测模型的局限性，例如对非蛋白分子（如金属离子、糖基化位点）的预测精度，以及如何将结构预测结果纳入更宏大的网络动力学模型中。 第八章：结构生物学在药物设计中的应用与挑战 本章将结构解析的应用延伸至结构生物学驱动的药物发现（SBDD）。内容涵盖了靶点验证、基于结构的先导化合物优化（S-SAR）以及高通量筛选（HTS）后结构的解释。重点讨论了如何通过结构证据来理解耐药突变机制，以及利用结构信息设计新型变构调节剂或共价抑制剂。本章还探讨了在药物设计中处理动态蛋白质靶点和膜蛋白异质性的实际策略。 --- 第三部分：高级主题与未来展望 本部分关注当前研究的热点领域，以及结构生物学未来可能的发展方向。 第九章：活细胞结构生物学与原位成像 理解蛋白质如何在细胞的真实环境中运作至关重要。本章探讨了将结构解析技术带入活细胞环境的努力。讨论了荧光共振能量转移（FRET）网络的应用来映射细胞内相互作用距离，以及高灵敏度荧光标记技术（如HaloTag、SNAP-tag）的优化。重点分析了原位电子断层扫描（i-ET）技术如何克服冰限制，实现对细胞器和细胞骨架的初步三维结构描绘，以及其与低温冷冻电镜在分辨率上的互补性。 第十章：结构生物学的前沿与交叉 本章展望了未来结构生物学的发展方向，包括对快速、瞬态事件的捕获（如飞秒X射线激光应用）、结构生物学与合成生物学的结合（例如设计新型蛋白质机器）、以及数据科学在自动化结构解析管道中的整合。本章最后总结了当前领域面临的重大科学问题，并提出未来十年可能取得突破的关键技术路线图。 --- 目标读者： 结构生物学、生物物理学、生物化学、药物设计、计算生物学领域的研究人员、博士后及高级研究生。 本书特点： 本书强调从实验数据采集到高级计算分析的完整流程，注重不同技术间的互补性与数据整合，为读者提供理解和解决复杂生物结构问题的综合工具箱。内容紧扣最新的技术进展，并以严谨的科学视角审视每种技术的优势与局限。

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我最欣赏这本书的实用性和前沿性。内容组织上，作者非常注重与现代计算生物学和结构生物学实验技术的结合。书中详细介绍了冷冻电镜（Cryo-EM）技术如何革新我们解析蛋白质高分辨率结构的能力，以及利用X射线晶体学来确定原子分辨率结构的方法论。对于实验工作者来说，这部分内容简直是宝典。更难得的是，作者没有避开当前领域的热点和争议，比如关于“内在无序蛋白”（IDPs）的讨论，它平衡了传统结构生物学的观点和新型研究成果，使得结论更加中立和全面。书中配有的在线资源链接也十分丰富，指向了最新的蛋白质数据银行（PDB）条目和模拟软件的使用教程，极大地提升了学习的实践价值。这本书的价值在于，它不仅教你“是什么”，更教你“如何研究”以及“未来可能如何发展”，对于指导我的实验设计非常有启发性。

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这本书的封面设计极具吸引力，采用了深邃的蓝色调，搭配着抽象的蛋白质结构图案，给人一种既神秘又科学的感觉。内页的纸张质量非常高，印刷清晰，图表和插图的细节处理得令人赞叹。作为一名刚刚接触蛋白质结构领域的研究生，我发现书中的概念解释非常到位，即便是复杂的分子动力学模拟过程，作者也能用通俗易懂的语言和生动的比喻进行阐述。尤其是对Alpha-Helices和Beta-Sheets的描述，不仅有理论基础，还结合了大量的实验数据和三维模型，让我能够直观地理解这些基本结构单元是如何稳定存在的。我特别欣赏作者在章节过渡时所做的铺垫，逻辑链条非常紧密，使得阅读体验一气呵成，不会有那种“突然进入新领域”的突兀感。对于那些希望系统学习蛋白质结构基础的初学者来说，这本书无疑是一份非常可靠的入门指南，它的严谨性和全面性在同类教材中是少有的。

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从教材设计的角度来看，这本书的编排体现了极高的教学智慧。它采用了模块化和递进式的结构，每一章的末尾都设置了“关键概念回顾”和一系列富有挑战性的“思考题”。这些思考题远非简单的知识点复述，它们往往要求读者综合运用前几章的内容来解决一个复杂的生物学难题，这极大地锻炼了读者的批判性思维和解决问题的能力。我尤其喜欢其中一个关于“构象选择”与“诱导契合”模型的对比分析章节，作者通过清晰的图示和实验证据，将这两个看似对立的理论进行了细致的辨析，引导读者形成多元化的认知框架。这本书的覆盖范围非常广，从氨基酸的化学特性到宏大复杂的多蛋白复合物，一应俱全，使得它不仅仅是某个细分领域的参考书，更像是一部结构生物学的百科全书。对于希望通过自学达到专业水平的读者来说，这本书提供的结构化学习路径和自我检验机制，是其最大的附加值所在。

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这本书的写作风格，怎么说呢，充满了老派学术的严谨，但又带着一种对科学之美的敬畏。它的句子结构相对复杂，充满了技术性的定语和从句，这对于习惯了快餐式阅读的现代读者来说，可能需要更多的专注力去消化。然而，一旦你沉浸其中，就会发现这种深度恰恰是其魅力所在。作者在论证过程中极少使用过于简化的类比，而是倾向于用无可辩驳的物理化学原理来支撑每一个结论。例如，在讨论范德华力和静电相互作用对结构稳定性的贡献时，作者引入了详细的能量学计算模型，这使得读者对这些微观力的理解上升到了定量分析的层面。这本书无疑是为那些追求学术深度和精确性的读者准备的，它要求读者投入时间去咀嚼每一个论点，但最终的回报是建立在一个极其坚实和深入的结构生物学理解基础之上，绝非肤浅的知识点堆砌。

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这本书的视角相当独特，它并没有仅仅停留在描述蛋白质的三维结构，而是深入探讨了结构与功能之间的内在联系，这一点对于理解生物化学的本质至关重要。作者在讲述酶催化机制时，巧妙地引入了“结构柔性”的概念，强调了蛋白质并非一成不变的静态结构，而是一个动态的系统。这种动态观的引入，极大地拓宽了我的理解边界。书中对蛋白质折叠路径的讨论尤为精彩，它梳理了从一级序列到天然结构形成的复杂过程，穿插了大量的经典实验案例，比如Chaperone蛋白在细胞内扮演的关键角色。阅读过程中，我时常会停下来思考，作者是如何将如此庞杂的信息体系化并清晰呈现的。对于那些已经具备一定生物学背景，渴望深入探究蛋白质高级功能调控机制的进阶读者而言，这本书提供了极具价值的参考视角，它不仅仅是一本教科书，更像是一场关于生命分子机器如何运作的深度对话。

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