МГУ. Серия "КЛАССИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТСКИЙ УЧЕБНИК"

УДК 577.1(075.8) ББК 24.239я73 В18
Печатается по решению Ученого совета Московского университета
Рецензенты:
чл.-корр. РАН, профессор С.О.Бачурин, чл.-корр. РАН, профессор Е. С. Северин

Варфоломеев С. Д.
Химическая энзимология: Учебник / Сергей Дмитриевич Варфоломеев.
— М.: Издательский центр «Академия», 2005. — 480 с. (Классический университетский учебник) ISBN 5-7695-1953-3
Изложены основы ферментативного катализа, обсуждаются аспекты его практического использования. Рассмотрены структура ферментов и их активных центров, кинетика ферментативного катализа и молекулярные механизмы действия ферментов, физико-химические основы высокой специфичности и эффективности биологического катализа. Обсуждаются проблемы генетической инженерии ферментов, получения и применения гетерогенных катализаторов на основе иммобилизованных ферментов. Дается исчерпывающая информация о современных биокаталитических технологиях, ферментной биоинженерии, включая использование ферментов для тонкого органического синтеза, в анализе, медицине и экологии.
Для студентов и аспирантов химических факультетов университетов и химических специальностей вузов.
УДК 577.1(075.8) ББК 24.239я73
© Варфоломеев С.Д., 2005
© Издательский центр «Академия», 2005
© МГУ им. М.В.Ломоносова, художественное оформление, 2005
ISBN 5-7695-1953-3

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 4
Глава 1. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ ФЕРМЕНТОВ 7
Глава 2. ХИМИЯ БЕЛКА
2.1. Аминокислоты и пептидная связь 18
2.2. Модификация белков протонированием. Белки как полиэлектролиты 24
2.3. Химическая модификация аминокислот белков 27
2.4. Химическая модификация каталитически важных групп активного центра 39
Глава 3. СТРОЕНИЕ БЕЛКОВ
3.1. Молекулярные силы и взаимодействия 43
3.2. Первичная структура белков. Биоинформатика 57
3.3. Вторичная, третичная и четвертичная структура белков 61
3.4. Масс-спектрометрия биомакромолекул 66
3.5. Методы изучения структуры белков 68
3.6. Компьютерное молекулярное моделирование белков 71
Глава 4. КИНЕТИКА ФЕРМЕНТАТИВНОГО КАТАЛИЗА
4.1. Основные понятия химической кинетики 76
4.2. Стационарная кинетика ферментативных реакций. Кинетические схемы и механизмы 86
4.3. Нестационарная кинетика ферментативных реакций 102
4.4. Влияние температуры и показателя рН на скорость ферментативных реакций 106
4.5. Кинетика сопряженных ферментативных реакций. Полиферментные системы 110
4.6. Ингибирование ферментативных реакций 117
Глава 5. ИНАКТИВАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ
5.1. Схемы инактивации ферментов 129
5.2. Инактивация ферментов в процессе реакции 135
5.3. Инактивация ферментных систем 151
Глава 6. БИОЭЛЕКТРОКАТАЛИЗ. ЭЛЕКТРОННЫЙ ТРАНСПОРТ В БЕЛКОВЫХ СИСТЕМАХ
6.1. Ферменты как катализаторы электрохимических реакций 159
6.2. Кинетика электронно-транспортных процессов 168
Глава 7. СКОРОСТИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ СТАДИЙ В ФЕРМЕНТАТИВНОМ КАТАЛИЗЕ
7.1. Равновесные и кинетические стадии ферментативных реакций 186
7.2. Лимитирующие стадии ферментативных реакций 191
7.3. Бимолекулярные стадии ферментативных реакций 194
7.4. Конформационные изменения в ферментативных реакциях 199
Глава 8. ХИМИЯ КАТАЛИТИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ
8.1. Химические реакции, катализируемые ферментами. Классификация ферментов 214
8.2. Активные центры ферментов 220
8.3. Структура активных центров ферментов. Биоинформатика 224
8.4. Кислоты и основания в ферментативном катализе 233
8.5. Каталитические центры гидролаз. Молекулярные механизмы действия 237
8.6. Глицин, цистеин и пролин как структурообразующие аминокислоты 247
8.7. Оксидоредуктазы 249
8.8. Изомеразы. Триозофосфатизомераза 262
8.9. Трансферазы. ДНК-полимераза 263
8.10. Многоэлектронные процессы в активных центрах ферментов 266
Глава 9. СПЕЦИФИЧНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ ФЕРМЕНТОВ
9.1. Специфичность как особое свойство ферментов 279
9.2. Электронное влияние заместителей на реакционный центр 280
9.3. Концепция стерического соответствия «ключ—замок» 284
9.4. Концепция индуцированного соответствия 287
9.5. Концепция напряжений и деформаций 289
9.6. Двухцентровая модель. Комплексообразование активного центра с нереакционными фрагментами субстрата как фактор ускорения реакции 292
9.7. Стереоспецифичность ферментов 302
9.8. Специфичность ферментов: молекулярное приближение 305
Глава 10. ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ИНЖЕНЕРИЯ ФЕРМЕНТОВ
10.1. Выделение и амплификация гена. Библиотека генов 314
10.2. Ферменты — инструменты генетической инженерии 317
10.3. Векторы 322
10.4. Кинетика репликации плазмид 328
10.5. Трансформация, трансфекция. Клоны и клонирование 341
10.6. Оптимизация экспрессии и выделение генно-инженерных белков 342
10.7. Сайт-направленный мутагенез 343
Глава 11. ГЕТЕРОГЕННЫЕ КАТАЛИЗАТОРЫ НА ОСНОВЕ ИММОБИЛИЗОВАННЫХ ФЕРМЕНТОВ И КЛЕТОК
11.1. Методы иммобилизации. Носители 346
11.2. Иммобилизованные клетки микроорганизмов 352
11.3. Иммобилизованные ферменты: новые свойства 354
11.4. Регулирование активности иммобилизованного фермента фазовым переходом носителя 357
11.5. Стабилизация ферментов при иммобилизации 359
Глава 12. МАКРОКИНЕТИКА РЕАКЦИЙ С ИММОБИЛИЗОВАННЫМИ ФЕРМЕНТАМИ
12.1. Внешнедиффузионные эффекты 363
12.2. Внутридиффузионные эффекты 379
Глава 13. РЕАКТОРЫ С ИММОБИЛИЗОВАННЫМИ ФЕРМЕНТАМИ
13.1. Особенности кинетики ферментативных реакций в открытых системах 392
13.2. Проточный реактор идеального вытеснения 395
13.3. Проточный реактор идеального перемешивания 400
13.4. Сравнение эффективности проточных реакторов 404
13.5. Множественность стационарных состояний открытых систем 407
Глава 14. ИНЖЕНЕРНАЯ ЭНЗИМОЛОГИЯ
14.1. Современные методы конструирования ферментов с необходимыми свойствами 411
14.2. Ферменты в нетрадиционных средах. Мицеллярная энзимология 414
14.3. Ферменты в органическом синтезе 418
14.4. Ферменты в аналитической химии 430
14.5. Ферменты как лекарственные препараты 444
14.6. Биокаталитические методы защиты окружающей среды 445
Словарь терминов 458
Список литературы 468