生物物理学

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出版者:高等教育出版社
作者:赵南明
出品人:
页数:450
译者:
出版时间:2000-7-1
价格:45.0
装帧:简裝本
isbn号码:9787040086157
丛书系列:
图书标签:
  • 生物物理
  • 生物物理学
  • 物理学
  • 生物学
  • 分子生物学
  • 生物化学
  • 结构生物学
  • 生物膜
  • 蛋白质
  • 生物能量学
  • 计算生物物理学
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具体描述

好的,这是一本名为《分子机器的精妙:从结构到功能的动态视角》的图书简介,它完全不涉及“生物物理学”这一主题,而是专注于生物大分子在原子和分子尺度上的结构、运动及其在生命过程中的功能实现。 --- 图书名称:《分子机器的精妙:从结构到功能的动态视角》 图书简介 核心理念: 本书旨在揭示生命体中最核心的驱动力——分子机器的运行机制。我们不再将蛋白质、核酸视为静态的结构,而是将其视为在三维空间中不断执行复杂计算和能量转换的微型工厂。通过结合最新的结构生物学、计算模拟和动力学研究成果,本书提供了一个深入理解这些纳米级复杂系统的全面视角。 目标读者: 化学、生物化学、计算生物学、生物工程以及对蛋白质工程和药物设计感兴趣的研究人员、博士生和高年级本科生。 全书结构与内容概述: 本书共分为五大部分,层层递进,从基础原理过渡到前沿应用。 --- 第一部分:分子机器的构造基础与环境耦合 本部分奠定了理解分子机器运作所需的物理化学基础,并强调了环境(溶剂、温度、力)对其动力学行为的决定性影响。 第一章:生物大分子组装的统计力学 详细探讨了折叠过程的能量景观(Folding Funnel)理论,重点分析了熵与焓在稳定高级结构中的相对贡献。引入了非平衡态统计力学在描述快速折叠过程中的应用。讨论了伴侣蛋白(Chaperones)如何通过调控能量壁垒来引导正确折叠,而非单纯提供一个模板。 第二章:水环境与分子间相互作用的精细调控 超越传统的静电、范德华力和氢键模型,深入研究了“冰壳”效应在蛋白质-配体结合界面中的角色。通过计算模拟的结果,阐述了疏水作用的熵驱动本质如何影响结合自由能的微小变化,以及离子强度如何精确调节酶的活性中心。 第三章:机械力在分子尺度上的传输与响应 本章聚焦于生命体中的“力学信号”。详细介绍了原子力显微镜(AFM)在单分子拉伸实验中的技术原理和局限性。探讨了肌腱蛋白、DNA解旋酶等分子如何将宏观拉力转化为局部的构象变化,实现对基因表达或细胞骨架重塑的控制。讨论了粘弹性效应在细胞外基质(ECM)分子中的重要性。 --- 第二部分:能量转换的引擎:酶促催化与耦合 本部分集中剖析分子机器如何高效地捕获、转化和传递能量,实现看似违反热力学平衡的反应速率。 第四章:动力学理论在酶促反应中的应用 系统阐述了过渡态理论(TST)的局限性,并引入了反应坐标映射和量子隧穿效应在轻原子转移(如质子或氢化物)中的具体案例。分析了酶活性位点对底物电子云分布的精确调控机制,解释了“酶催化剂”如何降低活化能而非改变反应平衡。 第五章:跨膜能量梯度的利用 以ATP合酶和光合作用反应中心为例,深入研究了化学势能(如质子梯度)如何耦合到构象变化中,驱动机械运动或分子泵的功能。详细解析了“旋转催化”机制,对比了F型和V型ATP酶在构象循环中的差异性,并着重分析了亚基间的动态协同性。 第六章:分子开关的控制与反馈机制 研究了信号转导通路中的关键分子开关,如GTP酶和激酶。阐述了磷酸化/去磷酸化循环如何作为高精度的时间和空间控制器。讨论了变构调节(Allostery)的物理基础,即远端位点的结合如何通过介导分子骨架的集体振动模式,实时调控催化效率。 --- 第三部分:纳米尺度的运动学:聚合与解聚 本部分关注那些负责构建和拆卸细胞结构的分子机器,特别是涉及长链组装和解聚的过程。 第七章:核酸聚合酶的行走与保真度 详细分析了DNA和RNA聚合酶在沿着模板链移动时的步进机制(Processivity)。重点讨论了校对(Proofreading)机制的动力学模型,解释了核酸外切酶如何“倒退”并移除错误配对的核苷酸。研究了聚合酶在受损DNA位点时的停顿与修复机制。 第八章:细胞骨架组装的拓扑学控制 以微管蛋白和肌动蛋白的动态不稳定性(Dynamic Instability)为核心,探讨了这些纤维蛋白如何通过GTP/ATP水解驱动的长短序列组装和解聚。引入了“速度匹配”模型,解释了细胞如何利用特定结合蛋白来精确控制纤维的生长速度和终点。 第九章:核糖体的翻译机器:时空同步的工程奇迹 将核糖体视为一个高度精确的装配线,重点解析了tRNA的进入、肽键的形成以及核糖体移位(Translocation)三个关键步骤的分子事件。讨论了EF-G等辅助因子如何通过其GTP水解来驱动结构重排,以实现mRNA的精确移动。 --- 第四部分:计算建模与结构解析的前沿技术 本部分介绍了研究分子机器动态行为所依赖的先进实验和计算工具。 第十章:冷冻电镜(Cryo-EM)的结构解析与动态重建 详细介绍了单颗粒分析(SPA)和螺旋体平均法(Helical Reconstruction)的技术进步。重点讨论了如何从多个静止构象中重构出分子机器的运动轨迹,包括相位恢复和运动分离算法的应用。 第十一章:分子动力学(MD)模拟的算法与应用 从基础的力场构建(如CHARMM, AMBER)到大规模并行计算(如GPU加速),系统梳理了MD模拟的流程。着重介绍增强采样方法(如Metadynamics, Replica Exchange)在跨越高能垒、模拟稀有构象事件中的关键作用。 第十二章:超快光谱学对反应中间态的捕获 探讨了飞秒激光技术如何用于观察分子机器在光激发或快速反应中瞬间形成的非稳态中间体。分析了二维电子光谱(2DES)在解析能量传递路径和振动耦合中的优势。 --- 第五部分:设计与工程:超越自然的分子机器 本书最后一部分展望了如何利用对分子机器工作原理的理解,去设计和构建具有全新功能的人造系统。 第十三章:基于折叠原理的定制化蛋白质设计 介绍了从头设计(De Novo Design)的算法框架,如骨架采样和侧链优化。探讨了如何利用预测工具来设计具有特定催化口袋或分子识别界面的新型酶。 第十四章:合成DNA纳米技术与分子逻辑门 深入研究了DNA折纸术(DNA Origami)在构建精确三维纳米结构中的应用。阐述了如何利用DNA链的序列特异性结合构建响应外部刺激的分子逻辑门(AND, OR, NOT),为未来的纳米器件奠定基础。 第十五章:药物发现中的动力学建模 讨论了如何将分子动力学模拟集成到高通量筛选中,以预测药物分子与靶点的长期稳定性和脱靶效应。重点分析了如何通过设计“诱导契合”的动态配体,来克服传统“锁与钥匙”模型的局限性。 --- 结语: 本书力求打破结构与功能之间的壁垒,引导读者以动态、系统的视角去理解生命活动的最基本执行单元,为未来合成生物学和精准医学的研究提供坚实的理论和技术基础。

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《生物物理学》这本书,就像一本“生命的密码本”,让我能够以一种全新的视角去解读生命的运行机制。我之前可能更多地关注“是什么”,而这本书则让我更深入地探究“为什么”和“如何”。它不是简单地罗列生物现象,而是用物理学的语言和方法,去解释这些现象背后的根本原因。 我特别喜欢它对“平衡”的讨论。生命系统并不是静态的,而是在不断地动态平衡中维持着自身的稳定。比如,细胞内的pH值、离子浓度、温度等,都需要在一定的范围内波动,以保证生命活动的正常进行。书中就用一些物理化学的原理,比如缓冲体系、渗透压等,来解释这些平衡是如何被维持的。当我看到这些曾经被认为是“神秘”的生命现象,竟然可以用如此严谨的物理学原理来解释时,我感到一种莫名的兴奋和敬畏。

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《生物物理学》这本书,彻底改变了我对“波”的认知。我之前可能只知道声音是声波,光是电磁波,但这本书却让我看到,生命体内部充满了各种“波”。比如,神经信号的传递,我就从最初的模糊概念,理解了它其实是一种电化学信号的传播,在神经元上传导的“动作电位”,其本质就是一种跨膜电位的波。书中对这些电信号的传播速度、强度、以及如何被放大和调控的物理过程进行了详细的解释。 而且,这本书还让我了解到,除了电信号,还有其他类型的“波”在生物体内发挥作用。比如,声波在某些生物体内也有应用,像蝙蝠的回声定位,鲸鱼的声呐系统,都是利用声波来感知周围环境。书中还讨论了超声波在医学诊断中的应用,以及超声波是如何与生物组织相互作用,从而产生图像的。我之前可能只是知道超声波检查,但不知道其背后的物理原理,这本书让我填补了这个空白。甚至,书中还提到了细胞内物质的扩散,在某些情况下,也可以被看作是一种“概率波”的传播,虽然这个概念比较抽象,但却让我看到了物理学思维的强大之处。

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《生物物理学》这本书,真的让我对“运动”有了全新的认识。我一直以为运动就是指生物体的肢体移动,比如跑步、游泳之类的。但是,这本书却把我带入了微观世界的运动,比如分子在细胞内的扩散、蛋白质的构象变化、DNA的双螺旋解旋等等。这些都是肉眼看不见的运动,但它们却是生命活动不可或缺的一部分。书中对布朗运动的讲解,让我理解了为什么微小的颗粒会在液体中随机运动,而这种随机运动,恰恰是物质跨膜运输和细胞内物质传递的重要机制。 我特别印象深刻的是关于肌肉收缩的章节。我之前只知道肌肉收缩是肌动蛋白和肌球蛋白相互作用的结果,但具体是如何实现力的传递和位移的,我一直没有一个清晰的概念。这本书通过详尽的物理模型,解释了肌球蛋白头部如何与肌动蛋白结合、发生构象变化,从而“滑行”前进,拉动肌动蛋白纤维,最终导致肌肉收缩。这种分子马达的工作原理,简直太神奇了!而且,书中还引入了“功”、“能量”、“功率”等物理学概念来量化这个过程,让我看到了生命的运行也是在遵循能量守恒和效率最大化的原则。这让我不禁思考,我们人类的运动能力,其实也是在宏观层面展现了这些微观物理过程的协同结果。

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这本书让我深刻体会到,生命是一个高度复杂的系统,但这个系统并非杂乱无章,而是遵循着一套精巧的物理规则。我之前可能对“混沌”和“复杂性”这两个词有些模糊的认识,但《生物物理学》却通过一些模型和例子,让我看到了复杂系统中涌现出的有序性。比如,细胞内的各种分子相互作用,虽然看起来很随机,但却能协同工作,完成复杂的生命功能。 书中对“自组织”的讲解,尤其让我印象深刻。在没有外部指令的情况下,简单的组分如何能够自发地形成有序的结构和模式?比如,细胞膜的脂双层是如何自发形成的,以及细胞器是如何在细胞内进行有序排列的。这些都让我看到了生命系统内在的组织能力。而且,书中还讨论了群体行为,比如细菌的群体感应,鸟类的集群飞行,这些看似简单的群体行为背后,也隐藏着复杂的物理学原理。这让我不禁思考,我们人类社会是否也存在类似的“自组织”现象,只是我们还没有用生物物理学的视角去发现和解读。

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这本书,嗯,怎么说呢,简直就是一本让我彻底颠覆了对“生物”和“物理”这两个词理解的百科全书。我之前以为生物学就是研究细胞、基因、生物体的生长发育和遗传变异,物理学则是研究物质运动规律的,两者像是平行线,顶多在某些交叉点上打个招呼。但读了《生物物理学》之后,我才惊觉,原来它们早已深度融合,而且这种融合带来了如此令人震撼的视角! 我一直对生命的奥秘充满好奇,也对物理学的严谨和普适性深感着迷。当我在书店偶然翻到这本《生物物理学》时,它就像一座桥梁,瞬间将我脑海中模糊的概念勾勒清晰。我开始意识到,生命的各种现象,从微观的分子相互作用到宏观的生态系统动力学,都可以用物理学的原理来解释和建模。例如,书中对蛋白质折叠的阐述,我之前只知道蛋白质有特定的三维结构,但不知道这个结构是如何形成的,又为何如此重要。通过生物物理学的视角,我了解到分子间的静电吸引、范德华力、氢键等物理作用力是如何精确地“引导”一条氨基酸链折叠成功能性的三维蛋白质,这简直比任何科幻小说都要精彩!而且,书中还详细介绍了各种实验技术,比如X射线晶体学、核磁共振等,是如何帮助科学家们“看见”这些微观世界的精妙结构的,这让我对现代科学的强大能力有了更深的认识。

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这本书让我第一次意识到,光与生命之间有着如此深刻的联系。我一直以为光只是提供照明,让我们可以看见东西,或者植物进行光合作用。但《生物物理学》却让我看到了光的物理性质——波长、频率、能量——是如何被生物体巧妙地利用和感知的。书中对视觉过程的解读,就让我大开眼界。我之前只知道视网膜中有感光细胞,但不知道光子如何被视紫红质吸收,引起一系列的光化学反应,最终转化为电信号传递给大脑。 更让我着迷的是,书中还深入探讨了光在光合作用中的作用。我之前一直觉得光合作用是一个很“化学”的过程,但这本书则从光子的能量转移、电子传递链等物理过程的角度,详细阐述了植物如何将光能转化为化学能。它解释了叶绿素分子如何吸收特定波长的光,激发电子,然后这些电子在一系列的电子载体之间传递,最终驱动ATP和NADPH的合成。这种对能量转换过程的物理学分析,让我觉得整个过程都变得更加清晰和逻辑化。我不再仅仅是看到一个结果,而是理解了其背后的驱动力和机制。

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这本书让我对“力”的理解,从宏观的推、拉、拽,扩展到了微观的分子层面。我之前可能只知道肌肉用力可以让我们运动,但《生物物理学》却深入到分子间的相互作用力,以及这些力如何驱动生物体的各种过程。书中关于细胞骨架的讲解,让我看到了微观世界里的“杠杆”和“滑轮”。肌动蛋白丝、微管等细胞骨架是如何通过与运动蛋白(如肌球蛋白和驱动蛋白)的相互作用,实现细胞的形状变化、物质运输甚至细胞分裂。 让我印象深刻的是,书中引入了“力学传感”的概念。细胞是如何感知和响应外界的机械力的?例如,骨细胞在承受压力时会发生形变,从而调节骨骼的生长和修复。皮肤细胞在受到拉伸时,也会激活一系列的信号通路。这些都表明,力在细胞层面也扮演着重要的信息传递角色。书中还用一些具体的实验例子,比如原子力显微镜如何测量单个分子之间的作用力,以及如何通过测量细胞对力学刺激的响应来研究疾病,让我觉得这些抽象的力学概念,竟然与我们的健康息息相关。

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这本书让我第一次认真思考“信息”在生物体内的物理载体和传递方式。我一直以为信息就是指数据,是抽象的概念。但《生物物理学》却让我看到,在生物体里,信息是以非常“实在”的物理形式存在的。比如,DNA的双螺旋结构,它本身就承载着遗传信息,而这种信息的读取和复制,则涉及到物理化学过程,比如碱基之间的氢键作用,DNA聚合酶的催化作用。 更让我着迷的是,书中对“信号传导”的讲解。细胞是如何感知外界信号,并将信息传递到细胞内部,从而引起一系列的生理反应?这其中就涉及到大量的物理化学过程,比如受体与配体的结合,构象变化,以及由此引起的分子链式的激活。书中还用一些模型来描述这些信号传导的动力学过程,比如信号的放大、整合和衰减,让我看到了信息在细胞内传递的复杂性和精妙性。甚至,书中还讨论了生物体如何利用电信号、化学信号甚至机械信号来传递信息,这让我意识到,信息在生物体内无处不在,而且其传递方式多种多样,都遵循着一定的物理规律。

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《生物物理学》这本书,让我对“流体”的认识上升到了一个全新的维度。我之前对流体的概念,可能更多地停留在水、空气等我们日常接触到的物质。但这本书却将流体力学的原理,巧妙地应用于生物系统。我最先被吸引的是关于血液循环的章节。我一直知道血液在血管中流动,但这本书却从流体力学的角度,解释了血液的粘度、流速、血管的弹性以及心脏的泵血功能如何共同维持着整个循环系统的稳定运行。 我特别喜欢它对“层流”和“湍流”的讲解,以及它们在生物体内的意义。例如,血液在细小的毛细血管中流动的“层流”状态,以及在大动脉中的“湍流”现象,都不仅仅是简单的流动,而是关系到物质交换效率和能量损耗的关键。书中还用流体力学的公式来计算血管的阻力,以及心脏需要做多少功来克服这些阻力,这让我对人体的精妙设计有了更深层次的理解。而且,书中还讨论了植物的蒸腾作用,以及液体如何在植物体内向上运输,这也涉及到毛细血管作用和水的表面张力等流体力学原理,让我惊叹于生命体内部的复杂流动现象。

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这本书让我第一次真正理解了“熵”在生命活动中的意义。我一直以为熵是混乱的代名词,是事物走向无序的趋势,似乎和生命这种高度有序的系统格格不入。然而,《生物物理学》却深刻地揭示了,生命并非抗拒熵增,而是巧妙地利用能量的流动和转化来维持自身的低熵状态,同时将熵以热量的形式排放出去,从而遵循了热力学第二定律。书中对细胞膜的离子通道的讲解,让我明白了细胞如何通过主动运输和被动运输来精确调控离子浓度梯度,维持跨膜电位,这不仅是生命活动的基础,也是生物电信号产生的关键。我之前对“动作电位”的理解仅停留在“神经信号传递”层面,而这本书则从离子流动的物理动力学角度,让我看到了一个动态的、遵循物理定律的电子信号产生和传播过程。这种从宏观到微观,从现象到本质的解读,让我对生命的顽强和精巧赞叹不已。 而且,它还不仅仅局限于描述,而是提供了严谨的数学模型和推导。虽然我不是物理学专业的,但书中通过清晰的图示和循序渐进的讲解,即使是一些复杂的公式,也变得易于理解。例如,关于膜电位的Nernst方程和Goldman-Hodgkin-Katz方程,书中通过解析其物理意义,解释了不同离子的渗透压和通透性如何共同决定了细胞膜的静息电位和动作电位。这让我意识到,生物体的很多功能,其实都可以用经典的物理学方程来描述,生命活动的“不可思议”背后,隐藏着深刻的物理规律。这种跨学科的融合,真的打开了我的思维。

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