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(tǒng)的基礎知識
1生物學定量模型 3
1.1細胞物理生物學 3
1.2生命的要素 4
1.3生物學建模 9
1.3.1理想模型 9
1.3.2卡通圖和模型 14
1.4定量模型及理想化方法 18
1.4.1物質(zhì)的類彈難質(zhì) 18
1.4.2基本物理模型 20
1.4.3估算的作用 20
1.4.4關(guān)于出錯 22
1.4.5生物學中的經(jīng)驗數(shù)據(jù) 23
1.5總結(jié) 24
1.6延伸閱讀 25
1.7參考文獻 26
2細胞和生物體的空間尺度和構(gòu)造方案 27
2.1剖析大腸桿菌 27
2.1.1細菌標尺 28
2.1.2胞內(nèi)分子普査 30
2.1.3考察細胞內(nèi)部 35
2.1.4大腸桿菌的尺度 36
2.2細胞及其內(nèi)部結(jié)構(gòu) 38
2.2.1細胞形態(tài)和功能的多樣性 38
2.2.2細胞器 44
2.2.3高分子組裝體 47
2.2.4病毒組裝體 50
2.2.5細胞的分子構(gòu)造 53
2.3多細胞層次的結(jié)構(gòu)和功能 57
2.3.1多細胞群體 57
2.3.2組織和神經(jīng)網(wǎng)絡的細胞結(jié)構(gòu) 61
2.3.3多細胞生物 64
2.4總結(jié) 68
2.5課后習題 68
2.6延伸閱讀 69
2.7參考文獻 70
3生命系統(tǒng)的時間尺度 72
3.1時間尺度的層級性 72
3.1.1生物過程概述 73
3.1.2進化的時間尺度 78
3.1.3細胞周期與標準時鐘 82
3.1.4從三個角度看生物學時間 84
3.2程序時間 85
3.2.1執(zhí)行中心法則的機器和時間過程 85
3.2.2生物鐘和振蕩器 88
3.3相對時間 93
3.3.1檢查點與細胞周期 93
3.3.2度量相對時間 95
3.3.3病毒的生命周期 97
3.3.4發(fā)育過程 100
3.4操控時間 102
3.4.1化學動力學和酶翻轉(zhuǎn)速率 102
3.4.2突破擴散速度限制 103
3.4.3突破復制極限 107
3.4.4假死 108
3.5總結(jié) 109
3.6課后習題 109
3.7延伸閱讀 111
3.8參考文獻 111
4模式系統(tǒng) 113
4.1模式系統(tǒng)的選擇 113
4.2血紅蛋白 117
4.2.1受體-配體結(jié)合 117
4.2.2結(jié)構(gòu)生物學的起源 120
4.2.3疾病的分子模型 121
4.2.4協(xié)同性和別構(gòu)效應 121
4.3噬菌體 122
4.3.1分子生物學的興起 122
4.3.2現(xiàn)代生物物理學的興起 127
4.4大腸桿菌 128
4.4.1細菌和分子生物學 128
4.4.2大腸桿菌和中心法則 129
4.4.3乳糖操縱子和基因調(diào)控 131
4.4.4細菌的趨化性 132
4.5酵母 134
4.5.1生物化學的崛起 134
4.5.2細胞周期 135
4.5.3酵母和極性 136
4.5.4膜被結(jié)構(gòu)的穿梭 137
4.5.5基因組學和蛋白質(zhì)組學 138
4.6果蠅 141
4.6.1現(xiàn)代遺傳學的興起 141
4.6.2果姆與發(fā)育 142
4.7小鼠和人 144
4.8特型綠 145
4.8.1特型細胞 145
4.8.2烏賊巨型軸突和生物電 146
4.8.3特殊試劑 148
4.9總結(jié) 149
4.10課后習題 149
4.11延伸閱讀 151
4.12參考文獻 152
第二篇從平衡態(tài)角度理解生命
5活細胞中的力學和化學平衡 157
5.1能量和細胞生命活動 157
5.1.1確定性力和熱運動力 158
5.1.2細胞的物質(zhì)和能量預算 160
5.2從自由能極小化角度理解生物系統(tǒng) 168
5.2.1平衡態(tài)模型用于偏離平衡的系統(tǒng) 168
5.2.2“平衡態(tài)”蛋白質(zhì) 169
5.2.3“平衡態(tài)”細胞 171
5.2.4從極小化的角度看待力學平衡 172
5.3極值數(shù)學 175
5.3.1函數(shù)和泛函 175
5.3.2極值計算 177
5.4構(gòu)型能 179
5.5自由能極小狀態(tài)對應的結(jié)構(gòu) 184
5.5.1熵和疏水性 187
5.5.2最大熵與平衡態(tài)計算 189
5.5.3從競爭角度看結(jié)構(gòu) 192
5.5.4自由能反映了能量和熵之間的競爭 193
5.6總結(jié) 194
5.7附錄：歐拉-拉格朗日方程 194
5.8課后習題 196
5.9延伸閱讀 198
5.10參考文獻 198
6統(tǒng)計力學基礎與簡單應用 200
6.1玻爾茲曼分布 200
6.1.1配體-受體結(jié)合初探 204
6.1.2基因表達的統(tǒng)計力學 207
6.1.3玻爾茲曼分布的經(jīng)典推導 211
6.1.4玻爾茲曼分布的計數(shù)推導 214
6.1.5玻爾茲曼分布的最大熵推導 216
6.2無相互作用的理想模型 221
6.2.1氣體分子的平均能量 222
6.2.2稀溶液的自由能 223
6.2.3滲透壓是熵彈性的一種表現(xiàn)形式 225
6.3質(zhì)量作用定律 229
6.4平衡態(tài)演算的應用 232
6.4.1配體-受體結(jié)合再探 232
6.4.2配體-受體結(jié)合的測量 233
6.4.3希爾函數(shù) 234
6.4.4ATP水解自由能 235
6.5總結(jié) 237
6.6課后習題 237
6.7延伸閱讀 238
6.8參考文獻 239
7二態(tài)系統(tǒng) 240
7.1多態(tài)的高分子 240
7.1.1內(nèi)部態(tài)變量 240
7.1.2離子通道 242
7.2受體-配體結(jié)合的態(tài)變量描述 246
7.2.1吉布斯分布 246
7.2.2回顧簡單的受體-配體結(jié)合問題 248
7.2.3磷酸化 250
7.2.4協(xié)同作用 252
7.3總結(jié) 260
7.4課后習題 261
7.5延伸閱讀 262
7.6參考文獻 262
8無規(guī)行走和高分子結(jié)構(gòu) 263
8.1高分子結(jié)構(gòu)的確定性和統(tǒng)計性描述 263
8.2用無規(guī)行走描述高分子 264
8.2.1數(shù)學處理 265
8.2.2基因組的尺寸 271
8.2.3染色體地理學 273
8.2.4DNA 成環(huán) 285
8.2.5PCR、DNA 解鏈和 DNA 泡 288
8.3單肝力學的新世界 291
8.3.1力-伸長曲線 293
8.3.2解釋力-伸長曲線的無規(guī)行走模型 293
8.4通過無規(guī)行走理解蛋白質(zhì)折疊 297
8.4.1緊致無規(guī)行走和蛋白質(zhì)的尺寸 298
8.4.2疏水和親水殘基 299
8.4.3蛋白質(zhì)折疊的HP模型 301
8.5總結(jié) 304
8.6課后習題 304
8.7延伸閱讀 306
8.8參考文獻 307
9鹽溶液的靜電學 308
9.1水是生命的以太 308
9.2水的化學 309
9.2.1pH與平衡常數(shù) 309
9.2.2DNA與蛋白質(zhì)上的電荷 311
9.2.3鹽與結(jié)合 312
9.3鹽溶液的靜電學 313
9.3.1靜電學人門 313
9.3.2帶電蛋白質(zhì) 322
9.3.3屏蔽效應 323
9.3.4泊松-玻爾茲曼方程 326
9.3.5將病毒視為帶電球 329
9.4總結(jié) 332
9.5課后習題 332
9.6延伸閱讀 335
9.7參考文獻 336
10彈性梁理論及其生物學應用 337
10.1細胞中存在大量的梁結(jié)構(gòu) 337
10.2梁變形的幾何和能量 338
10.2.1拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn) 338
10.2.2駐留長度 342
10.2.3蟲鏈模型 345
10.3轉(zhuǎn)錄調(diào)控的力學 346
10.3.1乳糖操縱子和其他成環(huán)系統(tǒng) 347
10.3.2DNA成環(huán)的能量 348
10.3.3J 因子 348
10.4DNA 的包裝 350
10.4.1病毒DNA的包裝問題 352
10.4.2核小體的構(gòu)造 358
10.4.3在平衡態(tài)下核小體DNA的可及性 360
10.5細胞骨架彈性梁理論 364
10.5.1細胞骨架分類 365
10.5.2細胞骨架纖絲的剛度 367
10.5.3細胞骨架的屈曲 369
10.5.4屈曲力的估算 370
10.6梁與生物技術(shù) 372
10.7總結(jié) 375
10.8附錄：蟲鏈模型的數(shù)學 375
10.9課后習題 377
10.10延伸閱讀 380
10.11參考文獻 381
11 生物膜的彈性 382
11.1生物膜的性質(zhì) 382
11.1.1細胞和膜 382
11.1.2脂質(zhì)分子的化學和形狀 386
11.1.3膜的活性 389
11.2膜的彈性 392
11.2.1膜的幾何 393
11.2.2膜的變形自由能 397
11.3囊泡的結(jié)構(gòu)、能量和功能 400
11.3.1膜的剛度測量 400
11.3.2膜管 402
11.3.3細胞內(nèi)的囊泡 405
11.3.4融合和分裂 410
11.4膜及其形狀 410
11.4.1細胞器的形狀 411
11.4.2細胞的形狀 414
11.5活性膜 415
11.5.1力敏感性離子通道和膜的彈性 415
11.5.2蛋白質(zhì)導致膜的彈性變形 416
11.5.3力敏感性離子通道的一維解 418
11.6總結(jié) 423
11.7課后習題 423
11.8延伸閱讀 426
11.9參考文獻 427
第三篇從動力學角度理解生命
12流體力學 431
12.1水的地位 431
12.2水和其他流體的動力學 431
12.2.1水是連續(xù)介質(zhì) 431
12.2.2牛頓流體 432
12.2.3流體中的牛頓第二定律 433
12.2.4納維者托克斯方程 437
12.3血液流體動力學 437
12.4低雷諾數(shù)的世界 441
12.4.1斯托克斯流 441
12.4.2單分子實驗中的斯托克斯阻力 443
12.4.3耗散的時間尺度和雷諾數(shù) 445
12.4.4細菌的游動 446
12.4.5離心和沉降 448
12.5總結(jié) 450
12.6課后習題 450
12.7延伸閱讀 452
12.8參考文獻 453
13擴散 454
13.1胞內(nèi)的擴散運動 454
13.1.1主動與被動運輸 455
13.1.2以擴散時間度量生物距離 456
13.1.3回顧無規(guī)行走 459
13.2濃度場與擴散動力學 459
13.2.1對微觀軌跡求和導出擴散方程 463
13.2.2擴散方程的解與性質(zhì) 467
13.2.3FRAP和FCS 469
13.2.4斯莫魯霍夫斯基方程 472
13.2.5愛因斯坦關(guān)系 473
13.3擴散理論的簡單生物學應用 474
13.3.1信號分子俘獲問題 476
13.3.2擴散限速化學反應的“普適”速率 478
13.4總結(jié) 479
13.5課后習題 479
13.6延伸閱讀 480
13.7參考文獻 481
14無序與擁擠環(huán)境中的生命 482
14.1擁擠、連鎖和糾纏 482
14.1.1細胞內(nèi)的擁擠程度 483
14.1.2高分子網(wǎng)絡 483
14.1.3膜上的擁擠程度 485
14.1.4擁擠導致的后果 485
14.2擁擠環(huán)境中的平衡 488
14.2.1擁擠與結(jié)合 488
14.2.2擁擠溶液中的滲透壓 492
14.2.3排空力 493
14.2.4聚合物的排斥體積效應 498
14.3擁擠動力學 501
14.3.1擁擠與反應速率 501
14.3.2擁擠環(huán)境中的擴散 502
14.4總結(jié) 504
14.5課后習題 504
14.6延伸閱讀 506
14.7參考文獻 506
15速率方程與胞內(nèi)的動力學 508
15.1生物統(tǒng)計動力學初探 508
15.1.1細胞類似化工廠 508
15.1.2細胞骨架動力學 509
15.2生物動力學的化學圖像 513
15.2.1速率方程范例 513
15.2.2降解反應 514
15.2.3針對軌跡的統(tǒng)計力學 516
15.2.4雙反應 520
15.2.5離子通道的動力學 523
15.2.6快速平衡 526
15.2.7米-曼酶動力學 531
15.3細胞骨架的動態(tài)構(gòu)建 533
15.3.1真核生物的細胞骨架 533
15.3.2細菌細胞骨架的奇妙案例 535
15.4細胞骨架聚合生長的簡單模型 537
15.4.1平衡態(tài)的聚合物 538
15.4.2細胞骨架聚合的速率方程描述 543
15.4.3骨架聚合伴隨核苷酸水解 548
15.4.4動態(tài)不穩(wěn)定性 550
15.5總結(jié) 553
15.6課后習題 554
15.7延伸閱讀 555
15.8參考文獻 556
16分子馬達動力學 557
16.1分子馬達簡介 557
16.1.1線動馬達 559
16.1.2轉(zhuǎn)動馬達 567
16.1.3聚合馬達 569
16.1.4易位馬達 570
16.2整流的布朗運動 572
16.2.1無規(guī)行走 573
16.2.2單態(tài)模型 574
16.2.3從自由能角度考慮馬達步進 581
16.2.4兩態(tài)模型 584
16.2.5更一般的馬達模型 589
16.2.6多馬達的協(xié)調(diào)運動 591
16.2.7轉(zhuǎn)動馬達 593
16.3聚合和易位也是馬達運動 595
16.3.1聚合棘輪 595
16.3.2聚合力 602
16.3.3易位棘輪 605
16.4總結(jié) 608
16.5課后習題 608
16.6延伸閱讀 610
16.7參考文獻 611
17生物電和霍奇金-赫胥黎模型 613
17.1電在細胞中的角色 613
17.2細胞的電荷狀態(tài) 614
17.2.1細胞及細胞膜的電荷狀態(tài) 614
17.2.2電化學平衡和能斯特方程 614
17.3膜的通透性 616
17.3.1離子通道和膜的通透性 618
17.3.2維持非平衡電荷狀態(tài) 621
17.4動作電位 623
17.4.1膜的去極化 623
17.4.2電纜方程 632
17.4.3去極化波 634
17.4.4沖動 636
17.4.5霍奇金-赫胥黎模型和跨膜輸運 638
17.5總結(jié) 640
17.6課后習題 640
17.7延伸閱讀 641
17.8參考文獻 642
第四篇從信息的角度理解生命
18序列、特異性和進化 645
18.1生物信息 645
18.1.1為什么關(guān)注序列 646
18.1.2基因組和序列的簡單數(shù)量特征 647
18.2序列聯(lián)配和同源性 648
18.2.1 HP模型作為生物信息學的粗�；�模型 652
18.2.2為聯(lián)配打分 653
18.3序列與進化 662
18.3.1血紅蛋白作為序列聯(lián)配的研究實例 663
18.3.2進化和抗藥性 665
18.3.3病毒的進化 668
18.3.4進化樹 669
18.4保真度酸子基礎 671
18.5總結(jié) 677
18.6課后習題 677
18.7延伸閱讀 680
18.8參考文獻 681
19 網(wǎng)絡的時空組織 683
19.1細胞中的化學和信息組織 683
19.2基因網(wǎng)絡 688
19.2.1調(diào)控的分子實現(xiàn) 688
19.2.2招募和驅(qū)逐的數(shù)學表達 691
19.2.3轉(zhuǎn)錄調(diào)控中的結(jié)合能和平衡常數(shù) 697
19.2.4正負雙向調(diào)控的簡單統(tǒng)計力學模型 698
19.2.5乳糖操縱子 700
19.3調(diào)控動力 706
19.3.1RNA聚合酶和啟動子的動力學 706
19.3.2基因開關(guān) 707
19.3.3基因網(wǎng)絡的振蕩 712
19.3.4反應一擴散模型 717
19.4信號轉(zhuǎn)導 718
19.4.1細菌的趨化性 718
19.4.2系鏈上的生物化學 722
19.5總結(jié) 726
19.6附錄：基因開關(guān)的穩(wěn)定性分析 727
19.7課后習題 728
19.8延伸閱讀 730
19.9參考文獻 731
20面向未來的物理生物學 733
20.1定量數(shù)據(jù)需要定量模型 733
20.2正確對待出錯 735
20.3量級生物學與計算模擬 736
20.4理論上的困難 737
20.5讀者的任務 741
20.6延伸閱讀 741
20.7參考文獻 742
索引 743
譯后記 764