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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FCS469

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