內容提要
本書從物理生物學的角度將物理原理相似的生物學問題放在一起統一處理，探討如何將物理和數學的工具和觀念套用於分子和細胞生物學的研究，講述如何針對細胞生物學中典型的實例和實驗建立簡單而實用的物理模型，從而表明由基本物理原理導出的定量模型可以深刻而直觀地理解細胞生物學和生命現象的深層規律。
目錄
《新生物學叢書》叢書序
中譯本序
前言
致謝
第一篇 生物系統的基礎知識
1 生物學定量模型
1.1 細胞的物理生物學
1.2 生命的要素
1.3 生物學建模
1.3.1 理想模型
1.3.2 卡通圖和模型
1.4 定量模型及理想化方法
1.4.1 物質的類彈簧性質
1.4.2 基本物理模型
1.4.3 估算的作用
1.4.4 關於出錯
1.4.5 生物學中的經驗數據
1.5 總結
1.6 延伸閱讀
1.7 參考文獻
2 細胞和生物體的空間尺度和構造方案
2.1 剖析大腸桿菌
2.1.1 細菌標尺
2.1.2 胞內分子普查
2.1.3 考察細胞內部
2.1.4 大腸桿菌的尺度
2.2 細胞及其內部結構
2.2.1 細胞形態和功能的多樣性
2.2.2 細胞器
2.2.3 高分子組裝體
2.2.4 病毒組裝體
2.2.5 細胞的分子構造
2.3 多細胞層次的結構和功能
2.3.1 多細胞群體
2.3.2 組織和神經網路的細胞結構
2.3.3 多細胞生物
2.4 總結
2.5 課後習題
2.6 延伸閱讀
2.7 參考文獻
3 生命系統的時間尺度
3.1 時間尺度的層級性
3.1.1 生物過程概述
3.1.2 進化的時間尺度
3.1.3 細胞周期與標準時鐘
3.1.4 從三個角度看生物學時問
3.2 程式時間
3.2.1 執行中心法則的機器和時問過程
3.2.2 生物鐘和振盪器
3.3 相對時間
3.3.1 檢查點與細胞周期
3.3.2 度量相對時間
3.3.3 病毒的生命周期
3.3.4 發育過程
3.4 操控時間
3.4.1 化學動力學和酶翻轉速率
3.4.2 突破擴散速度限制
3.4.3 突破複製極限
3.4.4 假死
3.5 總結
3.6 課後習題
3.7 延伸閱讀
3.8 參考文獻
4 模式系統
4.1 模式系統的選擇
4.2 血紅蛋白
4.2.1 受體-配體結合
4.2.2 結構生物學的起源
4.2.3 疾病的分子模型
4.2.4 協同性和別構效應
4.3 噬菌體
4.3.1 分子生物學的興起
4.3.2 現代生物物理學的興起
4.4 大腸桿菌
4.4.1 細菌和分子生物學
4.4.2 大腸桿菌和中心法則
4.4.3 乳糖操縱子和基因調控
4.4.4 細菌的趨化性
4.5 酵母
4.5.1 生物化學的崛起
4.5.2 細胞周期
4.5.3 酵母和極性
4.5.4 膜被結構的穿梭
4.5.5 基因組學和蛋白質組學
4.6 果蠅
4.6.1 現代遺傳學的興起
4.6.2 果蠅與發育
4.7 小鼠和人
4.8 特型系統
4.8.1 特型細胞
4.8.2 烏賊巨型軸突和生物電
4.8.3 特殊試劑
4.9 總結
4.10 課後習題
4.11 延伸閱讀
4.12 參考文獻
第二篇 從平衡態角度理解生命
5 活細胞中的力學和化學平衡
5.1 能量和細胞生命活動
5.1.1 確定性力和熱運動力
5.1.2 細胞的物質和能量預算
5.2 從自由能極小化角度理解生物系統
5.2.1 平衡態模型用於偏離平衡的系統
5.2.2 “平衡態”蛋白質
5.2.3 “平衡態”細胞
5.2.4 從極小化的角度看待力學平衡
5.3 極值數學
5.3.1 函式和泛函
5.3.2 極值計算
5.4 構型能
5.5 自由能極小狀態對應的結構
5.5.1 熵和疏水性
5.5.2 最大熵與平衡態計算
5.5.3 從競爭角度看結構
5.5.4 自由能反映了能量和熵之間的競爭
5.6 總結
5.7 附錄:歐拉-拉格朗日方程
5.8 課後習題
5.9 延伸閱讀
5.10 參考文獻
6 統計力學基礎與簡單套用
6.1 玻爾茲曼分布
6.1.1 配體-受體結合初探
6.1.2 基因表達的統計力學
6.1.3 玻爾茲曼分布的經典推導
6.1.4 玻爾茲曼分布的計數推導
6.1.5 玻爾茲曼分布的最大熵推導
6.2 無相互作用的理想模型
6.2.1 氣體分子的平均能量
6.2.2 稀溶液的自由能
6.2.3 滲透壓是熵彈性的一種表現形式
6.3 質量作用定律
6.4 平衡態演算的套用
6.4.1 配體-受體結合再探
6.4.2 配體-受體結合的測量
6.4.3 希爾函式
6.4.4 ATP水解自由能
6.5 總結
6.6 課後習題
6.7 延伸閱讀
6.8 參考文獻
7 二態系統
7.1 多態的高分子
7.1.1 內部態變數
7.1.2 離子通道
7.2 受體-配體結合的態變數描述
7.2.1 吉布斯分布
7.2.2 回顧簡單的受體-配體結合問題
7.2.3 磷酸化
7.2.4 協同作用
7.3 總結
7.4 課後習題
7.5 延伸閱讀
7.6 參考文獻
8 無規行走和高分子結構
8.1 高分子結構的確定性和統計性描述
8.2 用無規行走描述高分子
8.2.1 數學處理
8.2.2 基因組的尺寸
8.2.3 染色體地理學
8.2.4 DNA成環
8.2.5 PCR、DNA解鏈和DNA泡
8.3 單分子力學的新世界
8.3.1 力伸長曲線
8.3.2 解釋力伸長曲線的無規行走模型
8.4 通過無規行走理解蛋白質摺疊
8.4.1 緊緻無規行走和蛋白質的尺寸
8.4.2 疏水和親水殘基
8.4.3 蛋白質摺疊的HP模型
8.5 總結
8.6 課後習題
8.7 延伸閱讀
8.8 參考文獻
9 鹽溶液的靜電學
9.1 水是生命的以太
9.2 水的化學
9.2.1 pH與平衡常數
9.2.2 DNA與蛋白質上的電荷
9.2.3 鹽與分子結合
9.3 鹽溶液的靜電學
9.3.1 靜電學入門
9.3.2 帶電蛋白質
9.3.3 禁止效應
9.3.4 泊松玻爾茲曼方程
9.3.5 將病毒視為帶電球
9.4 總結
9.5 課後習題
9.6 延伸閱讀
9.7 參考文獻
10 彈性梁理論及其生物學套用
10.1 細胞中存在大量的梁結構
10.2 梁變形的幾何和能量
10.2.1 拉伸、彎曲和扭轉
10.2.2 駐留長度
10.2.3 蟲鏈模型
10.3 轉錄調控的力學
10.3.1 乳糖操縱子和其他成環系統
10.3.2 DNA成環的能量
10.3.3 J因子
10.4 DNA的包裝
10.4.1 病毒DNA的包裝問題
10.4.2 核小體的構造
10.4.3 在平衡態下核小體DNA的可及性
10.5 細胞骨架與彈性梁理論
10.5.1 細胞骨架分類
10.5.2 細胞骨架纖絲的剛度
10.5.3 細胞骨架的屈曲
10.5.4 屈曲力的估算
10.6 梁與生物技術
10.7 總結
10.8 附錄:蟲鏈模型的數學
10.9 課後習題
10.10 延伸閱讀
10.11 參考文獻
11 生物膜的彈性
11.1 生物膜的性質
11.1.1 細胞和膜
11.1.2 脂質分子的化學和形狀
11.1.3 膜的活性
11.2 膜的彈性
11.2.1 膜的幾何
11.2.2 膜的變形自由能
11.3 囊泡的結構、能量和功能
11.3.1 膜的剛度測量
11.3.2 膜管
11.3.3 細胞內的囊泡
11.3.4 融合和分裂
11.4 膜及其形狀
11.4.1 細胞器的形狀
11.4.2 細胞的形狀
11.5 活性膜
11.5.1 力敏感性離子通道和膜的彈性
11.5.2 蛋白質導致膜的彈性變形
11.5.3 力敏感性離子通道的一維解
11.6 總結
11.7 課後習題
11.8 延伸閱讀
11.9 參考文獻
第三篇 從動力學角度理解生命
12 流體力學
12.1 水的地位
12.2 水和其他流體的動力學
12.2.1 水是連續介質
12.2.2 牛頓流體
12.2.3 流體中的牛頓第二定律
12.2.4 納維斯托克斯方程
12.3 血液流體動力學
12.4 低雷諾數的世界
12.4.1 斯托克斯流
12.4.2 單分子實驗中的斯托克斯阻力
12.4.3 耗散的時問尺度和雷諾數
12.4.4 細菌的遊動
12.4.5 離心和沉降
12.5 總結
12.6 課後習題
12.7 延伸閱讀
12.8 參考文獻
13 擴散
13.1 胞內的擴散運動
13.1.1 主動與被動運輸
13.1.2 以擴散時問度量生物距離
13.1.3 回顧無規行走
13.2 濃度場與擴散動力學
13.2.1 對微觀軌跡求和導出擴散方程
13.2.2 擴散方程的解與性質
13.2.3 FRAP~FCS
13.2.4 斯莫魯霍夫斯基方程
13.2.5 愛因斯坦關係
13.3 擴散理論的簡單生物學套用
13.3.1 信號分子俘獲問題
13.3.2 擴散限速化學反應的“普適”速率
13.4 總結
13.5 課後習題
13.6 延伸閱讀
13.7 參考文獻
14 無序與擁擠環境中的生命
14.1 擁擠、連鎖和糾纏
14.1.1 細胞內的擁擠程度
14.1.2 高分子網路
14.1.3 膜上的擁擠程度
14.1.4 擁擠導致的後果
14.2 擁擠環境中的平衡
14.2.1 擁擠與結合
14.2.2 擁擠溶液中的滲透壓
14.2.3 排空力
14.2.4 聚合物的排斥體積效應
14.3 擁擠動力學
14.3.1 擁擠與反應速率
14.3.2 擁擠環境中的擴散
14.4 總結
14.5 課後習題
14.6 延伸閱讀
14.7 參考文獻
15 速率方程與胞內的動力學
15.1 生物統計動力學初探
15.1.1 細胞類似化工廠
15.1.2 細胞骨架動力學
15.2 生物動力學的化學圖像
15.2.1 速率方程範例
15.2.2 降解反應
15.2.3 針對軌跡的統計力學
15.2.4 雙分子反應
15.2.5 離子通道的動力學
15.2.6 快速平衡
15.2.7 米-曼酶動力學
15.3 細胞骨架的動態構建
15.3.1 真核生物的細胞骨架
15.3.2 細菌細胞骨架的奇妙案例
15.4 細胞骨架聚合生長的簡單模型
15.4.1 平衡態的聚合物
15.4.2 細胞骨架聚合的速率方程描述
15.4.3 骨架聚合伴隨核苷酸水解
15.4.4 動態不穩定性
15.5 總結
15.6 課後習題
15.7 延伸閱讀
15.8 參考文獻
16 分子馬達動力學
16.1 分子馬達簡介
16.1.1 線動馬達
16.1.2 轉動馬達
16.1.3 聚合馬達
16.1.4 易位馬達
16.2 整流的布朗運動
16.2.1 無規行走
16.2.2 單態模型
16.2.3 從自由能角度考慮馬達步進
16.2.4 兩態模型
16.2.5 更一般的馬達模型
16.2.6 多馬達的協調運動
16.2.7 轉動馬達
16.3 聚合和易位也是馬達運動
16.3.1 聚合棘輪
16.3.2 聚合力
16.3.3 易位棘輪
16.4 總結
16.5 課後習題
16.6 延伸閱讀
16.7 參考文獻
17 生物電和霍奇金-赫胥黎模型
17.1 電在細胞中的角色
17.2 細胞的電荷狀態
17.2.1 細胞及細胞膜的電荷狀態
17.2.2 電化學平衡和能斯特方程
17.3 膜的通透性
17.3.1 離子通道和膜的通透性
17.3.2 維持非平衡電荷狀態
17.4 動作電位
17.4.1 膜的去極化
17.4.2 電纜方程
17.4.3 去極化波
17.4.4 衝動
17.4.5 霍奇金-赫胥黎模型和跨膜輸運
17.5 總結
17.6 課後習題
17.7 延伸閱讀
17.8 參考文獻
第四篇 從信息的角度理解生命
18 序列、特異性和進化
18.1 生物信息
18.1.1 為什麼關注序列
18.1.2 基因組和序列的簡單數量特徵
18.2 序列聯配和同源性
18.2.1 HP模型作為生物信息學的粗粒化模型
18.2.2 為聯配打分
18.3 序列與進化
18.3.1 血紅蛋白作為序列聯配的研究實例
18.3.2 進化和抗藥性
18.3.3 病毒的進化
18.3.4 進化樹
18.4 保真度的分子基礎
18.5 總結
18.6 課後習題
18.7 延伸閱讀
18.8 參考文獻
19 網路的時空組織
19.1 細胞中的化學和信息組織
19.2 基因網路
19.2.1 調控的分子實現
19.2.2 招募和驅逐的數學表達
19.2.3 轉錄調控中的結合能和平衡常數
19.2.4 正負雙向調控的簡單統計力學模型
19.2.5 乳糖操縱子
19.3 調控動力學
19.3.1 RNA聚合酶和啟動子的動力學
19.3.2 基因開關
19.3.3 基因網路的振盪
19.3.4 反應-擴散模型
19.4 信號轉導
19.4.1 細菌的趨化性
19.4.2 系鏈上的生物化學
19.5 總結
19.6 附錄:基因開關的穩定性分析
19.7 課後習題
19.8 延伸閱讀
19.9 參考文獻
20 面向未來的物理生物學
20.1 定量數據需要定量模型
20.2 正確對待出錯
20.3 量級生物學與計算模擬
20.4 理論上的困難
20.5 讀者的任務
20.6 延伸閱讀
20.7 參考文獻
索引
譯後記
