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出版者:

作者:Kim, Jungbae (EDT)/ Kim, Seong H./ Wang, Ping (EDT)

出品人:

页数:440

译者:

出版时间:2008-6

价格:$ 220.35

装帧:

isbn号码:9780841274150

丛书系列:

图书标签:

• Biomolecular catalysis
• Enzymes
• Biocatalysis
• Protein catalysis
• RNA catalysis
• Synthetic biocatalysis
• Catalytic mechanisms
• Molecular biology
• Biochemistry
• Chemical biology

酶促反应的机制与应用：从基础理论到前沿探索 导言：生命活动的无声引擎 在浩瀚的生命世界中，生命体的运转依赖于精确且高效的化学反应。这些反应的速率和特异性，远超非生物催化剂所能企及的范畴。支撑这一切的，正是那些由蛋白质构成的精巧分子机器——酶。酶促反应不仅是生命体新陈代谢的基石，更是生物技术和药物研发领域的核心驱动力。本书旨在深入剖析酶催化现象背后的物理化学原理，并全面梳理其在现代科学与工业中的广泛应用。 第一部分：酶的结构与催化本质 第一章：蛋白质的折叠与活性位点的构建 酶作为一类特殊的蛋白质，其催化功能与其三维结构息息相关。本章将从蛋白质一级、二级、三级及四级结构的角度，阐述多肽链如何精确地折叠成具有特定功能的构象。我们将重点探讨活性位点（Active Site）的形成机制——这个微小的空间如何通过精确的氨基酸残基排列，实现对底物的特异性识别和结合。 结构决定功能： 深入分析不同类型酶（如水解酶、转移酶、氧化还原酶等）的结构特征，解释结构域（Domain）在稳定催化中心中的作用。 动态平衡与柔性： 酶并非刚性分子，其构象的动态变化（Induced Fit模型）是催化循环中的关键环节。本章将运用分子动力学模拟的视角，探讨酶的柔性对底物结合亲和力和反应速率的影响。 第二章：酶促反应的动力学基础 理解酶如何加速反应，必须回归到化学动力学的基本原理。本章将详细介绍描述酶促反应速率的经典模型和现代修正模型。 米氏方程（Michaelis-Menten Kinetics）的精细解读： 从反应机理出发推导米氏方程，并对 $V_{max}$ 和 $K_m$ 参数进行详尽的物理化学诠释。讨论当反应物浓度远高于或远低于 $K_m$ 时的行为特征。 过渡态理论在酶催化中的应用： 酶的核心功能在于降低反应的活化能（Activation Energy）。本章将聚焦于酶如何通过稳定反应的过渡态（Transition State Stabilization）来实现超高的催化效率，并对比热力学驱动力与动力学加速效应。 反应级数与底物多重性： 探讨双底物反应的机制（如随机模型、有序模型），以及如何通过Lineweaver-Burk图、Hanes图等方法确定反应级数。 第三章：催化机制的分子层面解析 酶的催化过程是多步骤、多效应的协同作用。本章将剖析实现高效率催化的具体化学策略。 酸碱催化（Acid-Base Catalysis）： 探讨活性位点中特定氨基酸侧链（如组氨酸、天冬氨酸）如何作为质子供体或受体，参与反应的起始和结束。 共价催化（Covalent Catalysis）： 以丝氨酸蛋白酶为例，阐述中间体共价结合的形成与断裂，及其在反应循环中的作用。 金属离子辅助催化： 分析过渡金属离子（如 $ ext{Zn}^{2+}$, $ ext{Fe}^{2+}$）在氧化还原反应和水解反应中作为路易斯酸中心的作用，及其对水分子活化的贡献。 量子效应与电子转移： 对于氧化还原酶，探讨电子隧穿（Electron Tunneling）机制在长距离电子转移中的重要性。 第二部分：酶活性的调控与应用环境 第四章：环境因素对酶活性的影响 酶的活性极易受到其微环境的影响，这既是理解其生理功能的关键，也是工业应用中需要精确控制的变量。 温度与 $ ext{pH}$ 的影响： 详细分析温度如何影响酶的动力学速率（$Q_{10}$ 值）和结构的稳定性（变性温度 $T_m$）。探讨不同 $ ext{pH}$ 值下活性位点残基的离子化状态如何决定底物结合和催化效率。 底物与产物的反馈抑制： 阐述同源调节（Allosteric Regulation）和竞争性、非竞争性、混合抑制的动力学特征，以及这些机制如何在代谢网络中实现自我平衡。 辅因子与辅酶的协同作用： 深入探讨 $ ext{NAD}^+/ ext{NADH}$、$ ext{ATP}$ 等辅因子如何参与能量转换和基团转移反应，以及酶如何有效地再生这些昂贵的分子。 第五章：酶的固定化技术与稳定性提升 在生物催化剂的工业化应用中，酶的回收、重复利用和稳定性是必须解决的关键工程问题。 固定化策略： 全面介绍物理吸附、共价偶联、交联（Cross-linking）和包埋（Entrapment）等主要固定化方法。讨论每种方法的优缺点及其对酶活性的影响。 酶的稳定性工程： 探讨如何通过定向进化、理性设计（Rational Design）或化学修饰（如聚乙二醇化 $ ext{PEGylation}$）来增强酶在极端 $ ext{pH}$、高温或有机溶剂中的稳定性。 生物反应器设计： 简要概述固定化酶在填充床反应器（Packed-Bed Reactors）和搅拌釜反应器中的应用模式，以及反应器设计如何优化传质和传热过程。 第三部分：酶促反应的前沿研究与新兴领域 第六章：现代酶学研究的技术支撑 随着分析化学和结构生物学的发展，我们对酶的认识已进入原子分辨率时代。 结构解析技术： 聚焦于X射线晶体学、冷冻电镜（Cryo-EM）和核磁共振（NMR）在解析酶-底物复合物结构中的应用，特别是对反应中间态的捕获。 光谱学分析： 介绍利用紫外-可见光谱（UV-Vis）、圆二色谱（CD）和表面等离子体共振（SPR）技术实时监测酶反应过程和构象变化的方法。 计算酶学与分子建模： 阐述量子化学计算（QM）和密度泛函理论（DFT）如何模拟高活化能的化学步骤，以及分子动力学模拟在揭示酶柔性与底物通道中的作用。 第七章：生物催化的工业化前景 酶促反应因其高选择性（化学选择性、区域选择性、对映选择性）成为绿色化学和生物制造的核心技术。 手性药物合成： 详细分析脂肪酶、转氨酶、氧化还原酶等在合成单一对映体药物中的关键作用，以及如何利用酶来避免传统化学合成中外消旋体的产生。 生物燃料与生物材料： 探讨纤维素酶、木质素酶在生物质转化中的应用，以及利用酶技术生产新型生物聚合物和精细化学品的前景。 新型酶的发现与工程： 介绍宏基因组学（Metagenomics）在挖掘极端环境中新型高效酶资源方面的突破，以及利用人工智能辅助设计新功能酶的趋势。 结语： 本书构建了一个从微观分子机制到宏观工业应用的完整知识体系。通过对酶促反应的深入理解，读者将能更好地把握生命化学的精妙，并能将这些知识转化为解决现实世界复杂化学挑战的有力工具。

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