本书从物理生物学的角度将物理原理相似的生物学问题放在一起统一处理，探讨如何将物理和数学的工具和观念应用于分子和细胞生物学的研究，讲述如何针对细胞生物学中典型的实例和实验建立简单而实用的物理模型，从而表明由基本物理原理导出的定量模型可以深刻而直观地理解细胞生物学和生命现象的深层规律。
本书可作为物理系和生物系高年级本科生和研究生使用的现代定量生物物理学或物理生物学的教科书，也可作为相关领域研究人员的参考书。
样章试读
目录
- 《新生物学丛书》丛书序
中译本序
前言
致谢
第一篇 生物系统的基础知识
1 生物学定量模型
1.1 细胞的物理生物学
1.2 生命的要素
1.3 生物学建模
1.3.1 理想模型
1.3.2 卡通图和模型
1.4 定量模型及理想化方法
1.4.1 物质的类弹簧性质
1.4.2 基本物理模型
1.4.3 估算的作用
1.4.4 关于出错
1.4.5 生物学中的经验数据
1.5 总结
1.6 延伸阅读
1.7 参考文献
2 细胞和生物体的空间尺度和构造方案
2.1 剖析大肠杆菌
2.1.1 细菌标尺
2.1.2 胞内分子普查
2.1.3 考察细胞内部
2.1.4 大肠杆菌的尺度
2.2 细胞及其内部结构
2.2.1 细胞形态和功能的多样性
2.2.2 细胞器
2.2.3 高分子组装体
2.2.4 病毒组装体
2.2.5 细胞的分子构造
2.3 多细胞层次的结构和功能
2.3.1 多细胞群体
2.3.2 组织和神经网络的细胞结构
2.3.3 多细胞生物
2.4 总结
2.5 课后习题
2.6 延伸阅读
2.7 参考文献
3 生命系统的时间尺度
3.1 时间尺度的层级性
3.1.1 生物过程概述
3.1.2 进化的时间尺度
3.1.3 细胞周期与标准时钟
3.1.4 从三个角度看生物学时问
3.2 程序时间
3.2.1 执行中心法则的机器和时问过程
3.2.2 生物钟和振荡器
3.3 相对时间
3.3.1 检查点与细胞周期
3.3.2 度量相对时间
3.3.3 病毒的生命周期
3.3.4 发育过程
3.4 操控时间
3.4.1 化学动力学和酶翻转速率
3.4.2 突破扩散速度限制
3.4.3 突破复制极限
3.4.4 假死
3.5 总结
3.6 课后习题
3.7 延伸阅读
3.8 参考文献
4 模式系统
4.1 模式系统的选择
4.2 血红蛋白
4.2.1 受体-配体结合
4.2.2 结构生物学的起源
4.2.3 疾病的分子模型
4.2.4 协同性和别构效应
4.3 噬菌体
4.3.1 分子生物学的兴起
4.3.2 现代生物物理学的兴起
4.4 大肠杆菌
4.4.1 细菌和分子生物学
4.4.2 大肠杆菌和中心法则
4.4.3 乳糖操纵子和基因调控
4.4.4 细菌的趋化性
4.5 酵母
4.5.1 生物化学的崛起
4.5.2 细胞周期
4.5.3 酵母和极性
4.5.4 膜被结构的穿梭
4.5.5 基因组学和蛋白质组学
4.6 果蝇
4.6.1 现代遗传学的兴起
4.6.2 果蝇与发育
4.7 小鼠和人
4.8 特型系统
4.8.1 特型细胞
4.8.2 乌贼巨型轴突和生物电
4.8.3 特殊试剂
4.9 总结
4.10 课后习题
4.11 延伸阅读
4.12 参考文献
第二篇 从平衡态角度理解生命
5 活细胞中的力学和化学平衡
5.1 能量和细胞生命活动
5.1.1 确定性力和热运动力
5.1.2 细胞的物质和能量预算
5.2 从自由能极小化角度理解生物系统
5.2.1 平衡态模型用于偏离平衡的系统
5.2.2 “平衡态”蛋白质
5.2.3 “平衡态”细胞
5.2.4 从极小化的角度看待力学平衡
5.3 极值数学
5.3.1 函数和泛函
5.3.2 极值计算
5.4 构型能
5.5 自由能极小状态对应的结构
5.5.1 熵和疏水性
5.5.2 最大熵与平衡态计算
5.5.3 从竞争角度看结构
5.5.4 自由能反映了能量和熵之间的竞争
5.6 总结
5.7 附录:欧拉-拉格朗日方程
5.8 课后习题
5.9 延伸阅读
5.10 参考文献
6 统计力学基础与简单应用
6.1 玻尔兹曼分布
6.1.1 配体-受体结合初探
6.1.2 基因表达的统计力学
6.1.3 玻尔兹曼分布的经典推导
6.1.4 玻尔兹曼分布的计数推导
6.1.5 玻尔兹曼分布的最大熵推导
6.2 无相互作用的理想模型
6.2.1 气体分子的平均能量
6.2.2 稀溶液的自由能
6.2.3 渗透压是熵弹性的一种表现形式
6.3 质量作用定律
6.4 平衡态演算的应用
6.4.1 配体-受体结合再探
6.4.2 配体-受体结合的测量
6.4.3 希尔函数
6.4.4 ATP水解自由能
6.5 总结
6.6 课后习题
6.7 延伸阅读
6.8 参考文献
7 二态系统
7.1 多态的高分子
7.1.1 内部态变量
7.1.2 离子通道
7.2 受体-配体结合的态变量描述
7.2.1 吉布斯分布
7.2.2 回顾简单的受体-配体结合问题
7.2.3 磷酸化
7.2.4 协同作用
7.3 总结
7.4 课后习题
7.5 延伸阅读
7.6 参考文献
8 无规行走和高分子结构
8.1 高分子结构的确定性和统计性描述
8.2 用无规行走描述高分子
8.2.1 数学处理
8.2.2 基因组的尺寸
8.2.3 染色体地理学
8.2.4 DNA成环
8.2.5 PCR、DNA解链和DNA泡
8.3 单分子力学的新世界
8.3.1 力伸长曲线
8.3.2 解释力伸长曲线的无规行走模型
8.4 通过无规行走理解蛋白质折叠
8.4.1 紧致无规行走和蛋白质的尺寸
8.4.2 疏水和亲水残基
8.4.3 蛋白质折叠的HP模型
8.5 总结
8.6 课后习题
8.7 延伸阅读
8.8 参考文献
9 盐溶液的静电学
9.1 水是生命的以太
9.2 水的化学
9.2.1 pH与平衡常数
9.2.2 DNA与蛋白质上的电荷
9.2.3 盐与分子结合
9.3 盐溶液的静电学
9.3.1 静电学入门
9.3.2 带电蛋白质
9.3.3 屏蔽效应
9.3.4 泊松玻尔兹曼方程
9.3.5 将病毒视为带电球
9.4 总结
9.5 课后习题
9.6 延伸阅读
9.7 参考文献
10 弹性梁理论及其生物学应用
10.1 细胞中存在大量的梁结构
10.2 梁变形的几何和能量
10.2.1 拉伸、弯曲和扭转
10.2.2 驻留长度
10.2.3 虫链模型
10.3 转录调控的力学
10.3.1 乳糖操纵子和其他成环系统
10.3.2 DNA成环的能量
10.3.3 J因子
10.4 DNA的包装
10.4.1 病毒DNA的包装问题
10.4.2 核小体的构造
10.4.3 在平衡态下核小体DNA的可及性
10.5 细胞骨架与弹性梁理论
10.5.1 细胞骨架分类
10.5.2 细胞骨架纤丝的刚度
10.5.3 细胞骨架的屈曲
10.5.4 屈曲力的估算
10.6 梁与生物技术
10.7 总结
10.8 附录:虫链模型的数学
10.9 课后习题
10.10 延伸阅读
10.11 参考文献
11 生物膜的弹性
11.1 生物膜的性质
11.1.1 细胞和膜
11.1.2 脂质分子的化学和形状
11.1.3 膜的活性
11.2 膜的弹性
11.2.1 膜的几何
11.2.2 膜的变形自由能
11.3 囊泡的结构、能量和功能
11.3.1 膜的刚度测量
11.3.2 膜管
11.3.3 细胞内的囊泡
11.3.4 融合和分裂
11.4 膜及其形状
11.4.1 细胞器的形状
11.4.2 细胞的形状
11.5 活性膜
11.5.1 力敏感性离子通道和膜的弹性
11.5.2 蛋白质导致膜的弹性变形
11.5.3 力敏感性离子通道的一维解
11.6 总结
11.7 课后习题
11.8 延伸阅读
11.9 参考文献
第三篇 从动力学角度理解生命
12 流体力学
12.1 水的地位
12.2 水和其他流体的动力学
12.2.1 水是连续介质
12.2.2 牛顿流体
12.2.3 流体中的牛顿第二定律
12.2.4 纳维斯托克斯方程
12.3 血液流体动力学
12.4 低雷诺数的世界
12.4.1 斯托克斯流
12.4.2 单分子实验中的斯托克斯阻力
12.4.3 耗散的时问尺度和雷诺数
12.4.4 细菌的游动
12.4.5 离心和沉降
12.5 总结
12.6 课后习题
12.7 延伸阅读
12.8 参考文献
13 扩散
13.1 胞内的扩散运动
13.1.1 主动与被动运输
13.1.2 以扩散时问度量生物距离
13.1.3 回顾无规行走
13.2 浓度场与扩散动力学
13.2.1 对微观轨迹求和导出扩散方程
13.2.2 扩散方程的解与性质
13.2.3 FRAP~FCS
13.2.4 斯莫鲁霍夫斯基方程
13.2.5 爱因斯坦关系
13.3 扩散理论的简单生物学应用
13.3.1 信号分子俘获问题
13.3.2 扩散限速化学反应的“普适”速率
13.4 总结
13.5 课后习题
13.6 延伸阅读
13.7 参考文献
14 无序与拥挤环境中的生命
14.1 拥挤、连锁和纠缠
14.1.1 细胞内的拥挤程度
14.1.2 高分子网络
14.1.3 膜上的拥挤程度
14.1.4 拥挤导致的后果
14.2 拥挤环境中的平衡
14.2.1 拥挤与结合
14.2.2 拥挤溶液中的渗透压
14.2.3 排空力
14.2.4 聚合物的排斥体积效应
14.3 拥挤动力学
14.3.1 拥挤与反应速率
14.3.2 拥挤环境中的扩散
14.4 总结
14.5 课后习题
14.6 延伸阅读
14.7 参考文献
15 速率方程与胞内的动力学
15.1 生物统计动力学初探
15.1.1 细胞类似化工厂
15.1.2 细胞骨架动力学
15.2 生物动力学的化学图像
15.2.1 速率方程范例
15.2.2 降解反应
15.2.3 针对轨迹的统计力学
15.2.4 双分子反应
15.2.5 离子通道的动力学
15.2.6 快速平衡
15.2.7 米-曼酶动力学
15.3 细胞骨架的动态构建
15.3.1 真核生物的细胞骨架
15.3.2 细菌细胞骨架的奇妙案例
15.4 细胞骨架聚合生长的简单模型
15.4.1 平衡态的聚合物
15.4.2 细胞骨架聚合的速率方程描述
15.4.3 骨架聚合伴随核苷酸水解
15.4.4 动态不稳定性
15.5 总结
15.6 课后习题
15.7 延伸阅读
15.8 参考文献
16 分子马达动力学
16.1 分子马达简介
16.1.1 线动马达
16.1.2 转动马达
16.1.3 聚合马达
16.1.4 易位马达
16.2 整流的布朗运动
16.2.1 无规行走
16.2.2 单态模型
16.2.3 从自由能角度考虑马达步进
16.2.4 两态模型
16.2.5 更一般的马达模型
16.2.6 多马达的协调运动
16.2.7 转动马达
16.3 聚合和易位也是马达运动
16.3.1 聚合棘轮
16.3.2 聚合力
16.3.3 易位棘轮
16.4 总结
16.5 课后习题
16.6 延伸阅读
16.7 参考文献
17 生物电和霍奇金-赫胥黎模型
17.1 电在细胞中的角色
17.2 细胞的电荷状态
17.2.1 细胞及细胞膜的电荷状态
17.2.2 电化学平衡和能斯特方程
17.3 膜的通透性
17.3.1 离子通道和膜的通透性
17.3.2 维持非平衡电荷状态
17.4 动作电位
17.4.1 膜的去极化
17.4.2 电缆方程
17.4.3 去极化波
17.4.4 冲动
17.4.5 霍奇金-赫胥黎模型和跨膜输运
17.5 总结
17.6 课后习题
17.7 延伸阅读
17.8 参考文献
第四篇 从信息的角度理解生命
18 序列、特异性和进化
18.1 生物信息
18.1.1 为什么关注序列
18.1.2 基因组和序列的简单数量特征
18.2 序列联配和同源性
18.2.1 HP模型作为生物信息学的粗粒化模型
18.2.2 为联配打分
18.3 序列与进化
18.3.1 血红蛋白作为序列联配的研究实例
18.3.2 进化和抗药性
18.3.3 病毒的进化
18.3.4 进化树
18.4 保真度的分子基础
18.5 总结
18.6 课后习题
18.7 延伸阅读
18.8 参考文献
19 网络的时空组织
19.1 细胞中的化学和信息组织
19.2 基因网络
19.2.1 调控的分子实现
19.2.2 招募和驱逐的数学表达
19.2.3 转录调控中的结合能和平衡常数
19.2.4 正负双向调控的简单统计力学模型
19.2.5 乳糖操纵子
19.3 调控动力学
19.3.1 RNA聚合酶和启动子的动力学
19.3.2 基因开关
19.3.3 基因网络的振荡
19.3.4 反应-扩散模型
19.4 信号转导
19.4.1 细菌的趋化性
19.4.2 系链上的生物化学
19.5 总结
19.6 附录:基因开关的稳定性分析
19.7 课后习题
19.8 延伸阅读
19.9 参考文献
20 面向未来的物理生物学
20.1 定量数据需要定量模型
20.2 正确对待出错
20.3 量级生物学与计算模拟
20.4 理论上的困难
20.5 读者的任务
20.6 延伸阅读
20.7 参考文献
索引
译后记
京公网安备 11010102004214号