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