膜蛋白在生命细胞中扮演着多种重要的角色，与分子生物学、医药、农业、生物技术等领域密切相关。针对膜蛋白的结构-功能研究是结构生物学中最活跃的前沿领域之一。本书从化学动力学角度探讨膜蛋白结构与功能的关系问题，对生物膜膜电位的物理性质及其生物学意义进行了系统性的介绍，基于膜电位驱动力原理对多种膜蛋白家族的功能机制给予了深入浅出的分析和阐释。
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前言
PREFACE
第一章 膜蛋白 1
1.1 生物膜与膜蛋白 1
1.2 细胞能量系统的“三驾马车” 3
1.3 膜蛋白的结构研究 6
1.4 膜蛋白分类和结构稳定因素 8
1.5 β桶型膜蛋白 14
小结与随想 18
第二章 生物膜与膜蛋白的相互作用 19
2.1 生物膜的构成及性质 19
2.1.1 生物膜的一般性质和化学组成 19
2.1.2 脂分子的物理聚集态 20
2.1.3 表面张力和内部压强 21
2.1.4 吉布斯自由能与玻尔兹曼分布 22
2.1.5 生物膜与膜蛋白分子的相互作用 23
2.2 疏水匹配差 25
2.3 膜电位与膜蛋白 28
2.3.1 制约膜蛋白分子取向的“正电在内规则” 29
2.3.2 膜电位——“活”细胞的标志 31
2.3.3 跨膜的电荷迁移与膜电位的成因 32
2.3.4 膜蛋白对于其附近膜电位电场的影响 39
2.3.5 静电驱动力与膜蛋白的构象变化 40
小结与随想 45
第三章 化学动力学基础 46
3.1 酶促反应中的化学动力学 46
3.2 自由能景观函数 48
3.2.1 关于耗散热、速率与效率 50
3.2.2 最小阻抗通路 51
3.3 热力学与动力学的区别和联系 53
3.3.1 将酶视为一只灰箱 56
3.3.2 底物结合步骤的进一步分解 56
3.3.3 酶反应案例 57
3.4 双稳态模型 58
3.4.1 双稳态模型及其参数 58
3.4.2 膜电位对双稳态模型的修正 61
3.4.3 化学势的别构驱动能力 64
小结与随想 68
第四章 二级主动转运蛋白 70
4.1 转运蛋白的一般概念 71
4.2 MFS家族转运蛋白 75
4.2.1 MFS家族转运蛋白的保守三维结构 75
4.2.2 结合能差ΔGD——理解能量偶联的关键科学概念 77
4.2.3 转运蛋白分类及机制差异 87
4.2.4 关于膜蛋白驱动原理的普适性 93
4.3 APC家族 94
4.4 CPA家族钠-氢交换泵 97
4.4.1 NhaA及其同源蛋白 97
4.4.2 CPA3分支的唯一成员Mrp 101
4.5 RND转运蛋白以及AcrB的协同性 103
4.5.1 AcrB复合体的三维结构 104
4.5.2 AcrB的三冲程机制 105
4.5.3 质子化事件和能量偶联 106
4.5.4 AcrB复合体三个亚基之间的协同性 108
4.5.5 单亚基RND转运蛋白MmpL3的结构和转运机制 110
4.5.6 胆固醇转运蛋白NPC1110小结与随想 113
第五章 ATP驱动的跨膜转运 114
5.1 ATP水解酶的共性和多样性 114
5.2 P型ATP酶——ATP驱动的离子泵 116
5.2.1 P型ATP酶的共性结构 118
5.2.2 肌质网钙泵 119
5.2.3 Post-Albers循环以及解离态储能机制 121
5.3 ABC转运蛋白 124
5.3.1 Ⅰ型ABC输出蛋白 126
5.3.2 Ⅰ型ABC输入蛋白 126
5.4 脂多糖转运系统 129
小结与随想 131
第六章 通道蛋白 132
6.1 离子通道的一般概念 132
6.2 离子通道的结构和开关机制 135
6.2.1 四聚体水通道 135
6.2.2 Ksc钾离子通道 136
6.2.3 离子通道的疏水闸门 139
6.3 通道蛋白的门控机制 141
6.3.1 机械力敏感通道 141
6.3.2 电压门控机制 145
6.3.3 离子通道的快失活和慢失活机制 149
6.3.4 配体门控机制 150
6.4 ClC氯离子通道 155
6.4.1 ClC蛋白分子的总体结构 156
6.4.2 通道抑或交换泵 157
6.4.3 ClC蛋白的功能切换 158
6.4.4 ClC转运机制的结构基础 159
小结与随想 161
第七章 能量转化相关膜蛋白 162
7.1 ATP合酶 162
7.1.1 ATP合酶的基本结构 162
7.1.2 F1部分的ATP合成机制 165
7.1.3 FO部分的转动机制 168
7.2 光合作用 172
7.2.1 细菌视紫红质蛋白 173
7.2.2 叶绿体与光系统 175
7.2.3 光系统Ⅰ和光系统Ⅱ 176
7.3 呼吸链复合体Ⅰ 181
7.3.1 基本结构和能量偶联的一般机制 181
7.3.2 关于复合体Ⅰ的5个科学问题 185
7.4 醌氧化酶驱动的质子泵 192
7.4.1 醌氧化酶的一般机制 192
7.4.2 关于质子泵浦的关键科学问题 193
7.4.3 醌氧化酶复合体结构 194
小结与随想 196
第八章 信号转导相关膜蛋白——GPCR 197
8.1 G蛋白偶联受体信号通路 197
8.2 GPCR结构和共性结构元件 201
8.2.1 GPCR蛋白的一般结构 201
8.2.2 A类GPCR中的保守模体 203
8.2.3 GPCR蛋白激活过程的简化模型 204
8.3 “质子转移”激活机制 205
8.3.1 基态-激发态之间的结构差异 205
8.3.2 质子转移与激发变构 207
8.3.3 保守模体在激发变构中的角色 209
8.3.4 A类GPCR的共性激活机制 211
8.4 GPCR激活过程的双稳态模型 212
小结与随想 215
参考文献 216
附录 228
附录1 符号定义 228
附录2 常用热力学常数及换算 228
附录3 中英文对照表 229
附录4 习题及思考题 230
附录5 中国科学院大学教材专家
会议审核意见 231
结束语 233
致谢 234
后记 235
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