Thermodynamics and Kinetics for the Biological Sciences pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Wiley-Interscience

作者:Gordon G. Hammes

出品人:

页数:192

译者:

出版时间:2000-6-16

价格:USD 84.95

装帧:Paperback

isbn号码:9780471374916

丛书系列:

图书标签:

• 生物能学
• 生物物理
• 热力学
• 动力学
• 生物科学
• 生物物理化学
• 生物化学
• 分子生物学
• 统计热力学
• 化学热力学
• 生命科学
• 能量转换

《生命科学中的热力学与动力学：原理、方法与应用》 书籍简介 本书深入探讨了热力学和反应动力学这两大核心物理化学分支在理解和阐释生命系统复杂性中所扮演的关键角色。本书旨在为生物学、生物化学、生物物理学以及相关工程学领域的学生、研究人员和专业人士提供一个全面、严谨且富有洞察力的理论框架与实践指南。 第一部分：生命系统的热力学基础 本部分聚焦于生物系统中的能量转化与平衡问题，这是理解所有生命过程（从分子组装到宏观代谢）的基石。 第一章：热力学定律在生物学中的应用 我们从热力学的基本概念入手，系统阐述热力学第一、第二和第三定律如何映射到生物体内。重点讨论孤立系统、封闭系统和开放系统（生物体）的差异。特别关注能量守恒在营养代谢和ATP驱动过程中的体现。深入分析吉布斯自由能（$Delta G$）作为判断生化反应方向和平衡状态的决定性参数的意义，包括标准状态下的自由能变化（$Delta G^{circ'}$）与实际生理条件下自由能变化（$Delta G$）的区别及其计算方法。 第二章：平衡态与非平衡态热力学 生物系统很少处于绝对热力学平衡状态，而是处于一种动态的、稳态的非平衡态。本章详细区分了平衡态和非平衡态热力学。讨论了化学平衡常数（$K_{eq}$）的推导及其与自由能的关系。随后，深入探讨了如何使用拉格朗日乘子法和最小化耗散函数等方法来描述远离平衡态的稳态系统。重点关注细胞膜两侧的电化学势梯度如何驱动非平衡过程（如离子泵和跨膜转运）。 第三章：分子间作用力与生物大分子构象稳定 本章将热力学原理应用于分子层面。详细分析了范德华力、氢键、离子相互作用以及疏水效应在蛋白质折叠、核酸结构稳定和膜脂双分子层形成中的贡献。通过统计力学视角，阐述了熵（构象熵和溶剂熵）和焓（相互作用能）在决定生物大分子三维结构稳定性中的竞争与合作关系。引入了配体结合热力学，探讨了结合亲和力的热力学来源，包括结合焓变和结合熵变。 第二部分：生命过程的反应动力学 本部分将视角从“是否发生”转向“如何发生”——即反应速率和机制。动力学是理解生命过程快慢和调控的关键。 第四章：化学反应速率论基础 本章建立标准的反应速率理论。详细阐述了反应级数、速率常数（$k$）和反应机理。重点介绍碰撞理论和过渡态理论（TST），通过计算活化能垒（$Delta G^{ddagger}$）来解释反应速率的温度依赖性。深入分析了阿伦尼乌斯方程及其在描述酶催化反应温度敏感性中的局限性。 第五章：酶催化动力学与调控 酶是生命活动的核心催化剂。本章全面覆盖经典的米氏-迈克尔斯方程及其推导，涵盖饱和效应、最大速率（$V_{max}$）和米氏常数（$K_m$）的生物学意义。深入讨论了底物浓度、pH值、离子强度和温度对酶活性的影响。随后，详细解析了酶抑制剂的类型（竞争性、非竞争性、混合型）及其对动力学参数的影响。更进一步，探讨了酶活性的协同调节、变构效应以及酶复合物的整体动力学行为。 第六章：酶催化中的动力学与热力学协同 本章是本书的亮点之一，探讨了酶如何通过降低反应的活化能来加速反应，而无需改变反应的平衡位置。详细分析了酶活性位点的催化机制，包括共价催化、酸碱催化和金属离子催化，并从动力学角度量化这些机制对速率的提升幅度。同时，引入“动力学陷阱”的概念，解释为什么一些热力学上允许的反应在无酶条件下进行得极其缓慢。 第七章：膜转运与离子通道动力学 本部分将动力学原理应用于跨膜过程。讨论了简单的扩散、促进性扩散和主动转运的速率方程。重点分析了基于势能面（Potential Energy Surface）的离子通道的开闭转换动力学，如何利用动力学常数描述电压门控和配体门控通道的状态跃迁。使用Bolzmann分布和非平衡态扩散方程来描述跨膜通量。 第三部分：复杂生物系统的集成与建模 本部分着眼于如何将热力学与动力学原理应用于描述宏观的、多步骤的生物网络。 第八章：代谢通路的稳态与控制分析 代谢网络是多酶催化反应的级联。本章介绍如何使用反应流和质量作用定律来构建代谢网络的动力学模型。详细解释了代谢控制分析（MCA）的核心概念，如通量控制系数和弹性系数，用于量化网络中特定酶对整体代谢物流的控制程度。讨论了代谢稳态的维持机制，以及如何利用热力学驱动力（“拉力”）和动力学限制（“推力”）来共同理解代谢流的分配。 第九章：能量转换与生物能学 本章将热力学和动力学结合起来，分析细胞内两大核心能量转换过程：氧化磷酸化和光合作用。对于氧化磷酸化，采用基于非平衡热力学的Chemiosmotic Theory，量化质子驱动力（$Delta mu_H^+$）在驱动ATP合酶工作中的热力学贡献，并分析ATP合酶作为分子马达的动力学效率。在光合作用部分，侧重于光捕获复合物中的能量转移效率（动力学限制）和电子传递链的热力学驱动力。 第十章：分子机器的随机性与噪声 生命系统受热噪声影响巨大。本章介绍随机过程在生物分子尺度上的重要性，包括布朗运动和扩散。引入化学反应的随机性（化学噪声），并讨论如何使用Fokker-Planck方程或Langevin方程来描述蛋白质合成、基因表达等过程中的统计涨落。这为理解生物系统中信号转导的精确性和可靠性提供了新的视角。 结论：跨尺度的生物物理视角 本书最后总结了热力学（决定可行性与方向）和动力学（决定速度与调控）在构建统一的生物物理学理论中的不可或缺性。强调了从分子运动到宏观生理反应，所有生命现象都深深植根于这些物理化学原理之中。 适用对象： 本书适合高年级本科生、研究生，以及从事生物物理、生物化学、系统生物学和生物工程的研究人员。它不仅提供了坚实的理论基础，更通过大量的实例和定量的分析方法，教会读者如何利用热力学和动力学的工具去解析和预测复杂的生命现象。

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这本书的阅读体验，如同在广阔的海洋中航行，每翻开一页，都像是发现了一个新的岛屿，充满了未知的惊喜。它并没有预设读者已经拥有了深厚的物理化学背景，而是从生物学的角度出发，循序渐进地引入必要的理论。我记得在读到关于细胞膜运输的部分时，书中并没有简单地列举各种运输方式，而是从热力学势能的角度，解释了为什么某些物质能够自由跨膜，而另一些物质则需要能量或载体的帮助。它还详细分析了主动运输和被动运输背后的能量消耗和驱动力，让我对细胞维持内环境稳态的能力有了更深刻的理解。

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我是一个比较喜欢深入钻研细节的人，而这本书恰恰满足了我这一点。它在讲解复杂的生物过程时，总能回溯到最基本的热力学和动力学原理，并且层层递进，直至导出最终的结论。例如，在分析免疫系统的响应时，书中不仅描述了免疫细胞的识别和杀伤机制，还从动力学角度解释了信号分子的传递速度、受体的结合亲和力以及细胞增殖速率等因素如何影响免疫反应的强度和持续时间。它还引入了网络动力学和混沌理论的概念，用来解释生物系统复杂的反馈和调控机制，让我对生物体的鲁棒性和适应性有了更深的认识。

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这本书的封面设计本身就透着一种严谨又充满探索精神的气息，我当时在书店里就被它吸引住了。当翻开第一页，读到引言部分时，我就知道这绝对不是一本简单的科普读物，而是真正要带我深入生物科学核心的理论工具。它没有一开始就丢给我一堆复杂的公式，而是循序渐进地从基础的热力学概念讲起，并且巧妙地将这些概念与生物体内的各种现象联系起来。比如，它会解释为什么ATP的水解会释放能量，以及这个能量是如何驱动那些看似不可能发生的生化反应的。更让我惊喜的是，它并没有止步于理论的讲解，而是用大量实际的生物学例子来阐释。我记得有一章专门讲了蛋白质折叠，书中将热力学原理应用到解释蛋白质是如何从无序的氨基酸链变成具有特定三维结构的精密机器，这个过程涉及到熵、焓的平衡，以及自由能的最小化。这让我对细胞内那些分子的“行为”有了全新的认识，不再是枯燥的化学式，而是充满活力的、遵循物理规律的动态过程。

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这本书给我带来的改变，不仅仅是知识的增长，更是学习方法上的革新。它教会我如何用一种更系统、更深入的方式去分析生物学问题。例如，在学习基因突变和进化时，书中将突变的概率与动力学模型联系起来，解释了突变是如何发生的，以及这些突变在不同环境条件下是如何被自然选择的。它还讨论了群体遗传学中的动力学方程，让我能够理解基因频率在不同世代之间的变化规律。这种将数学和物理学工具应用于生物学研究的方法，让我觉得生物学不再是一个充满难以理解的复杂现象的学科，而是一个可以通过逻辑推理和定量分析来理解的科学体系。

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这本书让我对生命体的“设计”有了全新的敬畏。它不仅仅是一堆蛋白质和核酸的集合，而是一个高度精密的、遵循物理化学规律的动态系统。书中在讲解信号转导通路时，利用了反馈控制理论，解释了正反馈和负反馈如何调节信号的放大和终止，以及这些机制对于细胞功能的精确调控至关重要。它还分析了信号分子在细胞内的扩散动力学，以及这些动力学参数如何影响细胞对空间和时间信息的感知。这种将工程学和物理学的原理应用于生物学研究的方法，让我看到了生命体在进化过程中所展现出的非凡智慧。

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对我来说，这本书最大的价值在于它提供了一种全新的思维方式来理解生命。过去，我可能更多地关注生物体的结构和功能，而这本书让我看到了支撑这些结构和功能背后的力量和规律。它详细阐述了化学平衡的概念，并将其应用到解释细胞内各种可逆反应的动态平衡，以及细胞如何通过调节反应物和产物的浓度来维持这种平衡。在讲到生物大分子的相互作用时，书中也深入分析了这些作用背后的热力学驱动力，比如氢键、范德华力等如何影响分子的结合强度和特异性。我印象最深的是关于基因表达调控的部分，书中利用动力学原理解释了信号转导通路中各个环节的响应速度和放大效应，以及这些效应如何决定细胞对外界刺激的响应模式。

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读完这本书，我对“生命”这两个字的理解，从原本模糊的感性认知，升华到了一个更具理性分析的层面。它让我明白，即使是看似微小的生物分子，其行为也遵循着宇宙间最基本的物理化学法则。书中关于熵增原理在生物系统中的应用，让我理解了为什么生命体需要不断地从环境中获取能量来维持自身的有序性，以及这个过程是如何在局部降低熵，但整体上仍然符合宇宙的总熵增趋势。在讨论生物钟和节律性现象时，它也巧妙地运用了动力学反馈环的概念，解释了这些周期性活动的内在机制。这本书不仅仅是理论的堆砌，它还鼓励读者主动去思考，去将书中的原理应用于解决实际的生物学问题，这种启发性的教学方式让我受益匪浅。

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我一直对生物体内的能量转换过程非常着迷，而这本书在这方面给了我极大的满足。它不仅解释了ATP作为能量货币的形成和消耗，还深入探讨了各种能量形式在生物体内的转化，比如光合作用中的光能转化为化学能，以及细胞呼吸中化学能转化为热能和ATP。书中对生物能量学方程的推导和应用，让我能够定量地分析能量的得失，从而更准确地预测生物过程的效率和方向。我尤其喜欢它在分析生物体如何抵抗热力学定律中“一切趋向混乱”这一趋势时所做的讲解。它清晰地展示了生命体如何通过消耗能量来维持自身高度有序的状态，并将废弃物排出体外，从而维持“局部有序”。

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这本书的独特之处在于，它不是简单地将热力学和动力学知识“嫁接”到生物学上，而是真正地将两者有机地融合在一起，揭示了生物过程的本质。举个例子，在讲到能量代谢时，它并没有孤立地讨论糖酵解或三羧酸循环，而是将其置于整个生物体的能量流动框架下进行分析。它会解释为什么这些代谢途径会以这样的方式进化，以及它们如何有效地将化学能转化为ATP，从而驱动生命活动。书中对生物膜的电势分析也是让我印象深刻的一部分。它不仅仅是讨论离子通道，更是从电化学势的角度，解释了膜两侧离子浓度差和电位差如何驱动物质跨膜运输，以及这种电化学势如何被用来产生ATP。这让我对神经信号传递、肌肉收缩等过程有了更宏观和更深刻的理解。

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读这本书的过程，就像是拥有了一双透视生物世界内在运行机制的眼睛。很多时候，我们学习生物学，看到的都是表面的现象，比如细胞如何分裂，DNA如何复制，但这本书却在深入探究这些现象背后的“为什么”。它让我明白，生命并非是神秘的魔法，而是遵循着严谨的物理化学定律。比如，书中对渗透压的解释，不仅仅是简单的水分子跨膜运动，而是将其与吉布斯自由能的变化联系起来，解释了为什么水会从高水势区域流向低水势区域，以及这对植物吸水、动物细胞维持体积的重要性。我尤其喜欢它在讲解酶催化反应动力学的部分。它没有停留在“酶可以加速反应”的层面，而是详细地分析了活化能的概念，以及酶如何通过降低活化能来提高反应速率。它还介绍了各种酶动力学模型，比如Michaelis-Menten方程，并解释了这些模型在分析酶活性、抑制剂作用方面的应用。这让我对药物设计、代谢调控等领域有了更深的理解。

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太基础了，适合生物背景的读者

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