目錄
《新生物學(xué)叢書》叢書序
中譯本序
前言
致謝
第一篇生物系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識
1生物學(xué)定量模型 3
1.1細(xì)胞物理生物學(xué) 3
1.2生命的要素 4
1.3生物學(xué)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(cuò) 22
1.4.5生物學(xué)中的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù) 23
1.5總結(jié) 24
1.6延伸閱讀 25
1.7參考文獻(xiàn) 26
2細(xì)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(xì)菌標(biāo)尺 28
2.1.2胞內(nèi)分子普査 30
2.1.3考察細(xì)胞內(nèi)部 35
2.1.4大腸桿菌的尺度 36
2.2細(xì)胞及其內(nèi)部結(jié)構(gòu) 38
2.2.1細(xì)胞形態(tài)和功能的多樣性 38
2.2.2細(xì)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(xì)胞的分子構(gòu)造 53
2.3多細(xì)胞層次的結(jié)構(gòu)和功能 57
2.3.1多細(xì)胞群體 57
2.3.2組織和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的細(xì)胞結(jié)構(gòu) 61
2.3.3多細(xì)胞生物 64
2.4總結(jié) 68
2.5課后習(xí)題 68
2.6延伸閱讀 69
2.7參考文獻(xiàn) 70
3生命系統(tǒng)的時(shí)間尺度 72
3.1時(shí)間尺度的層級性 72
3.1.1生物過程概述 73
3.1.2進(jìn)化的時(shí)間尺度 78
3.1.3細(xì)胞周期與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘 82
3.1.4從三個(gè)角度看生物學(xué)時(shí)間 84
3.2程序時(shí)間 85
3.2.1執(zhí)行中心法則的機(jī)器和時(shí)間過程 85
3.2.2生物鐘和振蕩器 88
3.3相對時(shí)間 93
3.3.1檢查點(diǎn)與細(xì)胞周期 93
3.3.2度量相對時(shí)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(shí)間 102
3.4.1化學(xué)動(dòng)力學(xué)和酶翻轉(zhuǎn)速率 102
3.4.2突破擴(kuò)散速度限制 103
3.4.3突破復(fù)制極限 107
3.4.4假死 108
3.5總結(jié) 109
3.6課后習(xí)題 109
3.7延伸閱讀 111
3.8參考文獻(xiàn) 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(xué)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(yīng) 121
4.3噬菌體 122
4.3.1分子生物學(xué)的興起 122
4.3.2現(xiàn)代生物物理學(xué)的興起 127
4.4大腸桿菌 128
4.4.1細(xì)菌和分子生物學(xué) 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(xì)菌的趨化性 132
4.5酵母 134
4.5.1生物化學(xué)的崛起 134
4.5.2細(xì)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(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué) 138
4.6果蠅 141
4.6.1現(xiàn)代遺傳學(xué)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(xì)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(xí)題 149
4.11延伸閱讀 151
4.12參考文獻(xiàn) 152
第二篇從平衡態(tài)角度理解生命
5活細(xì)胞中的力學(xué)和化學(xué)平衡 157
5.1能量和細(xì)胞生命活動(dòng) 157
5.1.1確定性力和熱運(yùn)動(dòng)力 158
5.1.2細(xì)胞的物質(zhì)和能量預(yù)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(xì)胞 171
5.2.4從極小化的角度看待力學(xué)平衡 172
5.3極值數(shù)學(xué) 175
5.3.1函數(shù)和泛函 175
5.3.2極值計(jì)算 177
5.4構(gòu)型能 179
5.5自由能極小狀態(tài)對應(yīng)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(jì)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(xí)題 196
5.9延伸閱讀 198
5.10參考文獻(xiàn) 198
6統(tǒng)計(jì)力學(xué)基礎(chǔ)與簡單應(yīng)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(dá)的統(tǒng)計(jì)力學(xué) 207
6.1.3玻爾茲曼分布的經(jīng)典推導(dǎo) 211
6.1.4玻爾茲曼分布的計(jì)數(shù)推導(dǎo) 214
6.1.5玻爾茲曼分布的最大熵推導(dǎo) 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(yīng)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(xí)題 237
6.7延伸閱讀 238
6.8參考文獻(xiàn) 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(xí)題 261
7.5延伸閱讀 262
7.6參考文獻(xiàn) 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(jì)性描述 263
8.2用無規(guī)行走描述高分子 264
8.2.1數(shù)學(xué)處理 265
8.2.2基因組的尺寸 271
8.2.3染色體地理學(xué) 273
8.2.4DNA 成環(huán) 285
8.2.5PCR、DNA 解鏈和 DNA 泡 288
8.3單肝力學(xué)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(xí)題 304
8.7延伸閱讀 306
8.8參考文獻(xiàn) 307
9鹽溶液的靜電學(xué) 308
9.1水是生命的以太 308
9.2水的化學(xué) 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(xué) 313
9.3.1靜電學(xué)人門 313
9.3.2帶電蛋白質(zhì) 322
9.3.3屏蔽效應(yīng) 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(xí)題 332
9.6延伸閱讀 335
9.7參考文獻(xiàn) 336
10彈性梁理論及其生物學(xué)應(yīng)用 337
10.1細(xì)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(xué) 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(xì)胞骨架彈性梁理論 364
10.5.1細(xì)胞骨架分類 365
10.5.2細(xì)胞骨架纖絲的剛度 367
10.5.3細(xì)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(xué) 375
10.9課后習(xí)題 377
10.10延伸閱讀 380
10.11參考文獻(xiàn) 381
11 生物膜的彈性 382
11.1生物膜的性質(zhì) 382
11.1.1細(xì)胞和膜 382
11.1.2脂質(zhì)分子的化學(xué)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(xì)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(xì)胞器的形狀 411
11.4.2細(xì)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(dǎo)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(xí)題 423
11.8延伸閱讀 426
11.9參考文獻(xiàn) 427
第三篇從動(dòng)力學(xué)角度理解生命
12流體力學(xué) 431
12.1水的地位 431
12.2水和其他流體的動(dòng)力學(xué) 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(dòng)力學(xué) 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(shí)驗(yàn)中的斯托克斯阻力 443
12.4.3耗散的時(shí)間尺度和雷諾數(shù) 445
12.4.4細(xì)菌的游動(dòng) 446
12.4.5離心和沉降 448
12.5總結(jié) 450
12.6課后習(xí)題 450
12.7延伸閱讀 452
12.8參考文獻(xiàn) 453
13擴(kuò)散 454
13.1胞內(nèi)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 454
13.1.1主動(dòng)與被動(dòng)運(yùn)輸 455
13.1.2以擴(kuò)散時(shí)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(kuò)散動(dòng)力學(xué) 459
13.2.1對微觀軌跡求和導(dǎo)出擴(kuò)散方程 463
13.2.2擴(kuò)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(kuò)散理論的簡單生物學(xué)應(yīng)用 474
13.3.1信號分子俘獲問題 476
13.3.2擴(kuò)散限速化學(xué)反應(yīng)的“普適”速率 478
13.4總結(jié) 479
13.5課后習(xí)題 479
13.6延伸閱讀 480
13.7參考文獻(xiàn) 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(xì)胞內(nèi)的擁擠程度 483
14.1.2高分子網(wǎng)絡(luò) 483
14.1.3膜上的擁擠程度 485
14.1.4擁擠導(dǎo)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(yīng) 498
14.3擁擠動(dòng)力學(xué) 501
14.3.1擁擠與反應(yīng)速率 501
14.3.2擁擠環(huán)境中的擴(kuò)散 502
14.4總結(jié) 504
14.5課后習(xí)題 504
14.6延伸閱讀 506
14.7參考文獻(xiàn) 506
15速率方程與胞內(nèi)的動(dòng)力學(xué) 508
15.1生物統(tǒng)計(jì)動(dòng)力學(xué)初探 508
15.1.1細(xì)胞類似化工廠 508
15.1.2細(xì)胞骨架動(dòng)力學(xué) 509
15.2生物動(dòng)力學(xué)的化學(xué)圖像 513
15.2.1速率方程范例 513
15.2.2降解反應(yīng) 514
15.2.3針對軌跡的統(tǒng)計(jì)力學(xué) 516
15.2.4雙反應(yīng) 520
15.2.5離子通道的動(dòng)力學(xué) 523
15.2.6快速平衡 526
15.2.7米-曼酶動(dòng)力學(xué) 531
15.3細(xì)胞骨架的動(dòng)態(tài)構(gòu)建 533
15.3.1真核生物的細(xì)胞骨架 533
15.3.2細(xì)菌細(xì)胞骨架的奇妙案例 535
15.4細(xì)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(xì)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(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性 550
15.5總結(jié) 553
15.6課后習(xí)題 554
15.7延伸閱讀 555
15.8參考文獻(xiàn) 556
16分子馬達(dá)動(dòng)力學(xué) 557
16.1分子馬達(dá)簡介 557
16.1.1線動(dòng)馬達(dá) 559
16.1.2轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá) 567
16.1.3聚合馬達(dá) 569
16.1.4易位馬達(dá) 570
16.2整流的布朗運(yùn)動(dòng) 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(dá)步進(jìn) 581
16.2.4兩態(tài)模型 584
16.2.5更一般的馬達(dá)模型 589
16.2.6多馬達(dá)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng) 591
16.2.7轉(zhuǎn)動(dòng)馬達(dá) 593
16.3聚合和易位也是馬達(dá)運(yùn)動(dòng) 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(xí)題 608
16.6延伸閱讀 610
16.7參考文獻(xiàn) 611
17生物電和霍奇金-赫胥黎模型 613
17.1電在細(xì)胞中的角色 613
17.2細(xì)胞的電荷狀態(tài) 614
17.2.1細(xì)胞及細(xì)胞膜的電荷狀態(tài) 614
17.2.2電化學(xué)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(dòng)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(dòng) 636
17.4.5霍奇金-赫胥黎模型和跨膜輸運(yùn) 638
17.5總結(jié) 640
17.6課后習(xí)題 640
17.7延伸閱讀 641
17.8參考文獻(xiàn) 642
第四篇從信息的角度理解生命
18序列、特異性和進(jìn)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(xué)的粗粒化模型 652
18.2.2為聯(lián)配打分 653
18.3序列與進(jìn)化 662
18.3.1血紅蛋白作為序列聯(lián)配的研究實(shí)例 663
18.3.2進(jìn)化和抗藥性 665
18.3.3病毒的進(jìn)化 668
18.3.4進(jìn)化樹 669
18.4保真度酸子基礎(chǔ) 671
18.5總結(jié) 677
18.6課后習(xí)題 677
18.7延伸閱讀 680
18.8參考文獻(xiàn) 681
19 網(wǎng)絡(luò)的時(shí)空組織 683
19.1細(xì)胞中的化學(xué)和信息組織 683
19.2基因網(wǎng)絡(luò) 688
19.2.1調(diào)控的分子實(shí)現(xiàn) 688
19.2.2招募和驅(qū)逐的數(shù)學(xué)表達(dá) 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(fù)雙向調(diào)控的簡單統(tǒng)計(jì)力學(xué)模型 698
19.2.5乳糖操縱子 700
19.3調(diào)控動(dòng)力 706
19.3.1RNA聚合酶和啟動(dòng)子的動(dòng)力學(xué) 706
19.3.2基因開關(guān) 707
19.3.3基因網(wǎng)絡(luò)的振蕩 712
19.3.4反應(yīng)一擴(kuò)散模型 717
19.4信號轉(zhuǎn)導(dǎo) 718
19.4.1細(xì)菌的趨化性 718
19.4.2系鏈上的生物化學(xué) 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(xí)題 728
19.8延伸閱讀 730
19.9參考文獻(xiàn) 731
20面向未來的物理生物學(xué) 733
20.1定量數(shù)據(jù)需要定量模型 733
20.2正確對待出錯(cuò) 735
20.3量級生物學(xué)與計(jì)算模擬 736
20.4理論上的困難 737
20.5讀者的任務(wù) 741
20.6延伸閱讀 741
20.7參考文獻(xiàn) 742
索引 743
譯后記 764