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第一篇 生物系统的基础知识 3

1 生物学定量模型 3

1.1 细胞的物理生物学 3

1.2 生命的要素 4

1.3 生物学建模 9

1.3.1 理想模型 9

1.3.2 卡通图和模型 14

1.4 定量模型及理想化方法 18

1.4.1 物质的类弹簧性质 18

1.4.2 基本物理模型 20

1.4.3 估算的作用 20

1.4.4 关于出错 22

1.4.5 生物学中的经验数据 23

1.5 总结 24

1.6 延伸阅读 25

1.7 参考文献 26

2 细胞和生物体的空间尺度和构造方案 27

2.1 剖析大肠杆菌 27

2.1.1 细菌标尺 28

2.1.2 胞内分子普查 30

2.1.3 考察细胞内部 35

2.1.4 大肠杆菌的尺度 36

2.2 细胞及其内部结构 38

2.2.1 细胞形态和功能的多样性 38

2.2.2 细胞器 44

2.2.3 高分子组装体 47

2.2.4 病毒组装体 50

2.2.5 细胞的分子构造 53

2.3 多细胞层次的结构和功能 57

2.3.1 多细胞群体 57

2.3.2 组织和神经网络的细胞结构 61

2.3.3 多细胞生物 64

2.4 总结 68

2.5 课后习题 68

2.6 延伸阅读 69

2.7 参考文献 70

3 生命系统的时间尺度 72

3.1 时间尺度的层级性 72

3.1.1 生物过程概述 73

3.1.2 进化的时间尺度 78

3.1.3 细胞周期与标准时钟 82

3.1.4 从三个角度看生物学时间 84

3.2 程序时间 85

3.2.1 执行中心法则的机器和时间过程 85

3.2.2 生物钟和振荡器 88

3.3 相对时间 93

3.3.1 检查点与细胞周期 93

3.3.2 度量相对时间 95

3.3.3 病毒的生命周期 97

3.3.4 发育过程 100

3.4 操控时间 102

3.4.1 化学动力学和酶翻转速率 102

3.4.2 突破扩散速度限制 103

3.4.3 突破复制极限 107

3.4.4 假死 108

3.5 总结 109

3.6 课后习题 109

3.7 延伸阅读 111

3.8 参考文献 111

4 模式系统 113

4.1 模式系统的选择 113

4.2 血红蛋白 117

4.2.1 受体-配体结合 117

4.2.2 结构生物学的起源 120

4.2.3 疾病的分子模型 121

4.2.4 协同性和别构效应 121

4.3 噬菌体 122

4.3.1 分子生物学的兴起 122

4.3.2 现代生物物理学的兴起 127

4.4 大肠杆菌 128

4.4.1 细菌和分子生物学 128

4.4.2 大肠杆菌和中心法则 129

4.4.3 乳糖操纵子和基因调控 131

4.4.4 细菌的趋化性 132

4.5 酵母 134

4.5.1 生物化学的崛起 134

4.5.2 细胞周期 135

4.5.3 酵母和极性 136

4.5.4 膜被结构的穿梭 137

4.5.5 基因组学和蛋白质组学 138

4.6 果蝇 141

4.6.1 现代遗传学的兴起 141

4.6.2 果蝇与发育 142

4.7 小鼠和人 144

4.8 特型系统 145

4.8.1 特型细胞 145

4.8.2 乌贼巨型轴突和生物电 146

4.8.3 特殊试剂 148

4.9 总结 149

4.10 课后习题 149

4.11 延伸阅读 151

4.12 参考文献 152

第二篇 从平衡态角度理解生命 152

5 活细胞中的力学和化学平衡 157

5.1 能量和细胞生命活动 157

5.1.1 确定性力和热运动力 158

5.1.2 细胞的物质和能量预算 160

5.2 从自由能极小化角度理解生物系统 168

5.2.1 平衡态模型用于偏离平衡的系统 168

5.2.2 “平衡态”蛋白质 169

5.2.3 “平衡态”细胞 171

5.2.4 从极小化的角度看待力学平衡 172

5.3 极值数学 175

5.3.1 函数和泛函 175

5.3.2 极值计算 177

5.4 构型能 179

5.5 自由能极小状态对应的结构 184

5.5.1 熵和疏水性 187

5.5.2 最大熵与平衡态计算 189

5.5.3 从竞争角度看结构 192

5.5.4 自由能反映了能量和熵之间的竞争 193

5.6 总结 194

5.7 附录：欧拉-拉格朗日方程 194

5.8 课后习题 196

5.9 延伸阅读 198

5.10 参考文献 198

6 统计力学基础与简单应用 200

6.1 玻尔兹曼分布 200

6.1.1 配体-受体结合初探 204

6.1.2 基因表达的统计力学 207

6.1.3 玻尔兹曼分布的经典推导 211

6.1.4 玻尔兹曼分布的计数推导 214

6.1.5 玻尔兹曼分布的最大熵推导 216

6.2 无相互作用的理想模型 221

6.2.1 气体分子的平均能量 222

6.2.2 稀溶液的自由能 223

6.2.3 渗透压是熵弹性的一种表现形式 225

6.3 质量作用定律 229

6.4 平衡态演算的应用 232

6.4.1 配体-受体结合再探 232

6.4.2 配体-受体结合的测量 233

6.4.3 希尔函数 234

6.4.4 ATP水解自由能 235

6.5 总结 237

6.6 课后习题 237

6.7 延伸阅读 238

6.8 参考文献 239

7 二态系统 240

7.1 多态的高分子 240

7.1.1 内部态变量 240

7.1.2 离子通道 242

7.2 受体-配体结合的态变量描述 246

7.2.1 吉布斯分布 246

7.2.2 回顾简单的受体-配体结合问题 248

7.2.3 磷酸化 250

7.2.4 协同作用 252

7.3 总结 260

7.4 课后习题 261

7.5 延伸阅读 262

7.6 参考文献 262

8 无规行走和高分子结构 263

8.1 高分子结构的确定性和统计性描述 263

8.2 用无规行走描述高分子 264

8.2.1 数学处理 265

8.2.2 基因组的尺寸 271

8.2.3 染色体地理学 273

8.2.4 DNA成环 285

8.2.5 PCR、DNA解链和DNA泡 288

8.3 单分子力学的新世界 291

8.3.1 力-伸长曲线 293

8.3.2 解释力-伸长曲线的无规行走模型 293

8.4 通过无规行走理解蛋白质折叠 297

8.4.1 紧致无规行走和蛋白质的尺寸 298

8.4.2 疏水和亲水残基 299

8.4.3 蛋白质折叠的HP模型 301

8.5 总结 304

8.6 课后习题 304

8.7 延伸阅读 306

8.8 参考文献 307

9 盐溶液的静电学 308

9.1 水是生命的以太 308

9.2 水的化学 309

9.2.1 pH与平衡常数 309

9.2.2 DNA与蛋白质上的电荷 311

9.2.3 盐与分子结合 312

9.3 盐溶液的静电学 313

9.3.1 静电学入门 313

9.3.2 带电蛋白质 322

9.3.3 屏蔽效应 323

9.3.4 泊松-玻尔兹曼方程 326

9.3.5 将病毒视为带电球 329

9.4 总结 332

9.5 课后习题 332

9.6 延伸阅读 335

9.7 参考文献 336

10 弹性梁理论及其生物学应用 337

10.1 细胞中存在大量的梁结构 337

10.2 梁变形的几何和能量 338

10.2.1 拉伸、弯曲和扭转 338

10.2.2 驻留长度 342

10.2.3 虫链模型 345

10.3 转录调控的力学 346

10.3.1 乳糖操纵子和其他成环系统 347

10.3.2 DNA成环的能量 348

10.3.3 J因子 348

10.4 DNA的包装 350

10.4.1 病毒DNA的包装问题 352

10.4.2 核小体的构造 358

10.4.3 在平衡态下核小体DNA的可及性 360

10.5 细胞骨架与弹性梁理论 364

10.5.1 细胞骨架分类 365

10.5.2 细胞骨架纤丝的刚度 367

10.5.3 细胞骨架的屈曲 369

10.5.4 屈曲力的估算 370

10.6 梁与生物技术 372

10.7 总结 375

10.8 附录：虫链模型的数学 375

10.9 课后习题 377

10.10 延伸阅读 380

10.11 参考文献 381

11 生物膜的弹性 382

11.1 生物膜的性质 382

11.1.1 细胞和膜 382

11.1.2 脂质分子的化学和形状 386

11.1.3 膜的活性 389

11.2 膜的弹性 392

11.2.1 膜的几何 393

11.2.2 膜的变形自由能 397

11.3 囊泡的结构、能量和功能 400

11.3.1 膜的刚度测量 400

11.3.2 膜管 402

11.3.3 细胞内的囊泡 405

11.3.4 融合和分裂 410

11.4 膜及其形状 410

11.4.1 细胞器的形状 411

11.4.2 细胞的形状 414

11.5 活性膜 415

11.5.1 力敏感性离子通道和膜的弹性 415

11.5.2 蛋白质导致膜的弹性变形 416

11.5.3 力敏感性离子通道的一维解 418

11.6 总结 423

11.7 课后习题 423

11.8 延伸阅读 426

11.9 参考文献 427

第三篇 从动力学角度理解生命 427

12 流体力学 431

12.1 水的地位 431

12.2 水和其他流体的动力学 431

12.2.1 水是连续介质 431

12.2.2 牛顿流体 432

12.2.3 流体中的牛顿第二定律 433

12.2.4 纳维-斯托克斯方程 437

12.3 血液流体动力学 437

12.4 低雷诺数的世界 441

12.4.1 斯托克斯流 441

12.4.2 单分子实验中的斯托克斯阻力 443

12.4.3 耗散的时间尺度和雷诺数 445

12.4.4 细菌的游动 446

12.4.5 离心和沉降 448

12.5 总结 450

12.6 课后习题 450

12.7 延伸阅读 452

12.8 参考文献 453

13 扩散 454

13.1 胞内的扩散运动 454

13.1.1 主动与被动运输 455

13.1.2 以扩散时间度量生物距离 456

13.1.3 回顾无规行走 459

13.2 浓度场与扩散动力学 459

13.2.1 对微观轨迹求和导出扩散方程 463

13.2.2 扩散方程的解与性质 467

13.2.3 FRAP和FCS 469

13.2.4 斯莫鲁霍夫斯基方程 472

13.2.5 爱因斯坦关系 473

13.3 扩散理论的简单生物学应用 474

13.3.1 信号分子俘获问题 476

13.3.2 扩散限速化学反应的“普适”速率 478

13.4 总结 479

13.5 课后习题 479

13.6 延伸阅读 480

13.7 参考文献 481

14 无序与拥挤环境中的生命 482

14.1 拥挤、连锁和纠缠 482

14.1.1 细胞内的拥挤程度 483

14.1.2 高分子网络 483

14.1.3 膜上的拥挤程度 485

14.1.4 拥挤导致的后果 485

14.2 拥挤环境中的平衡 488

14.2.1 拥挤与结合 488

14.2.2 拥挤溶液中的渗透压 492

14.2.3 排空力 493

14.2.4 聚合物的排斥体积效应 498

14.3 拥挤动力学 501

14.3.1 拥挤与反应速率 501

14.3.2 拥挤环境中的扩散 502

14.4 总结 504

14.5 课后习题 504

14.6 延伸阅读 506

14.7 参考文献 506

15 速率方程与胞内的动力学 508

15.1 生物统计动力学初探 508

15.1.1 细胞类似化工厂 508

15.1.2 细胞骨架动力学 509

15.2 生物动力学的化学图像 513

15.2.1 速率方程范例 513

15.2.2 降解反应 514

15.2.3 针对轨迹的统计力学 516

15.2.4 双分子反应 520

15.2.5 离子通道的动力学 523

15.2.6 快速平衡 526

15.2.7 米-曼酶动力学 531

15.3 细胞骨架的动态构建 533

15.3.1 真核生物的细胞骨架 533

15.3.2 细菌细胞骨架的奇妙案例 535

15.4 细胞骨架聚合生长的简单模型 537

15.4.1 平衡态的聚合物 538

15.4.2 细胞骨架聚合的速率方程描述 543

15.4.3 骨架聚合伴随核苷酸水解 548

15.4.4 动态不稳定性 550

15.5 总结 553

15.6 课后习题 554

15.7 延伸阅读 555

15.8 参考文献 556

16 分子马达动力学 557

16.1 分子马达简介 557

16.1.1 线动马达 559

16.1.2 转动马达 567

16.1.3 聚合马达 569

16.1.4 易位马达 570

16.2 整流的布朗运动 572

16.2.1 无规行走 573

16.2.2 单态模型 574

16.2.3 从自由能角度考虑马达步进 581

16.2.4 两态模型 584

16.2.5 更一般的马达模型 589

16.2.6 多马达的协调运动 591

16.2.7 转动马达 593

16.3 聚合和易位也是马达运动 595

16.3.1 聚合棘轮 595

16.3.2 聚合力 602

16.3.3 易位棘轮 605

16.4 总结 608

16.5 课后习题 608

16.6 延伸阅读 610

16.7 参考文献 611

17 生物电和霍奇金-赫胥黎模型 613

17.1 电在细胞中的角色 613

17.2 细胞的电荷状态 614

17.2 细胞及细胞膜的电荷状态 614

17.2.2 电化学平衡和能斯特方程 614

17.3 膜的通透性 616

17.3.1 离子通道和膜的通透性 618

17.3.2 维持非平衡电荷状态 621

17.4 动作电位 623

17.4.1 膜的去极化 623

17.4.2 电缆方程 632

17.4.3 去极化波 634

17.4.4 冲动 636

17.4.5 霍奇金-赫胥黎模型和跨膜输运 638

17.5 总结 640

17.6 课后习题 640

17.7 延伸阅读 641

17.8 参考文献 642

第四篇 从信息的角度理解生命 642

18 序列、特异性和进化 645

18.1 生物信息 645

18.1.1 为什么关注序列 646

18.1.2 基因组和序列的简单数量特征 647

18.2 序列联配和同源性 648

18.2.1 HP模型作为生物信息学的粗粒化模型 652

18.2.2 为联配打分 653

18.3 序列与进化 662

18.3.1 血红蛋白作为序列联配的研究实例 663

18.3.2 进化和抗药性 665

18.3.3 病毒的进化 668

18.3.4 进化树 669

18.4 保真度的分子基础 671

18.5 总结 677

18.6 课后习题 677

18.7 延伸阅读 680

18.8 参考文献 681

19 网络的时空组织 683

19.1 细胞中的化学和信息组织 683

19.2 基因网络 688

19.2.1 调控的分子实现 688

19.2.2 招募和驱逐的数学表达 691

19.2.3 转录调控中的结合能和平衡常数 697

19.2.4 正负双向调控的简单统计力学模型 698

19.2.5 乳糖操纵子 700

19.3 调控动力学 706

19.3.1 RNA聚合酶和启动子的动力学 706

19.3.2 基因开关 707

19 3.3 基因网络的振荡 712

19.3.4 反应—扩散模型 717

19.4 信号转导 718

19.4.1 细菌的趋化性 718

19.4.2 系链上的生物化学 722

19.5 总结 726

19.6 附录：基因开关的稳定性分析 727

19.7 课后习题 728

19.8 延伸阅读 730

19.9 参考文献 731

20 面向未来的物理生物学 733

20.1 定量数据需要定量模型 733

20.2 正确对待出错 735

20.3 量级生物学与计算模拟 736

20.4 理论上的困难 737

20.5 读者的任务 741

20.6 延伸阅读 741

20.7 参考文献 742

索引 743

译后记 764