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。
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《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 3
1.1细胞物理生物学 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物质的类弹難质 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胞内分子普査 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果姆与发育 142
4.7小鼠和人 144
4.8特型綠 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
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
6.4.4ATP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
8.2.4DNA 成环 285
8.2.5PCR、DNA 解链和 DNA 泡 288
8.3单肝力学的新世界 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
9.2.1pH与平衡常数 309
9.2.2DNA与蛋白质上的电荷 311
9.2.3盐与结合 312
9.3盐溶液的静电学 313
9.3.1静电学人门 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
10.3.2DNA成环的能量 348
10.3.3J 因子 348
10.4DNA 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
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纳维者托克斯方程 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
13.2.3FRAP和FCS 469
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
17.2.1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
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保真度酸子基础 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 706
19.3.1RNA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反应一扩散模型 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
京公网安备 11010102004214号