統(tǒng)計物理和蛋白質(zhì)折疊講義

前言

　　本書是由作者在清華大學(xué)周培源應(yīng)用數(shù)學(xué)中心，給包括統(tǒng)計物理知識在內(nèi)的不同學(xué)科背景的聽眾，介紹生物學(xué)研究，尤其是介紹蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的一系列講稿組成的。這本書出版很及時，因為給人的感覺是，通過應(yīng)用統(tǒng)計物理的原理，包括應(yīng)用統(tǒng)計力學(xué)、動力理論及隨機(jī)過程理論，生物學(xué)和生物物理學(xué)就經(jīng)歷了高速的發(fā)展?！　?—10章比較透徹地介紹了統(tǒng)計物理學(xué)。本書第二部分（11—16章）的講述逐步轉(zhuǎn)向生物學(xué)的應(yīng)用。本書的講述風(fēng)格是，一旦像自回避無規(guī)行走和湍流（15章）等數(shù)學(xué)/物理原理建立起來，便能講述生物物理的專題?！　　吧^程”從11章開始討論，這里包括一級、二級、三級結(jié)構(gòu)的基本課題。第16章作為結(jié)尾，提出了掌控二級、三級結(jié)構(gòu)的形式和相互作用的基本原理的有用假設(shè)。作者盡量回避對經(jīng)驗信息的詳細(xì)討論，代之以給出標(biāo)準(zhǔn)出版物的參考目錄。有興趣的讀者可以沿著文獻(xiàn)指引的方向深入探索，推薦他們讀讀由RogerH.Pain主編的Mechanisms ofProtein Folding（Oxford，2000）一書。傳統(tǒng)上講，從蛋白質(zhì)的氨基酸順序來預(yù)測它的結(jié)構(gòu)是研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵手段。不過近來側(cè)重點則開始向研究機(jī)制的方向傾斜了。如果讀者為了更好地理解這本書而對一般的背景信息感興趣的話，那就推薦你讀讀由Carl Branden和John Tooze的Introduction to Protein Structure（Garland，1999）一書。本書的另一特點是從上述兩本書中復(fù)制了大量關(guān)鍵性的圖。　　蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)問題很復(fù)雜，的確所有的問題都很復(fù)雜，對它的研究需要采用幾種不同的平行方法，這些方法彼此補(bǔ)充才行。因此可想而知，在很長一段時間里，更好地弄懂折疊的機(jī)制將有利于推動更好的預(yù)估方法的發(fā)展。我希望在不多的幾年里就能出版本書的　　第二版，那就可以把所有新的進(jìn)展，詳盡地充實到書中來。的確，上述提到的兩本很有影響的書，已是第二版了。我希望本書在生物物理學(xué)科的發(fā)展中，也會起到相似的作用。

內(nèi)容概要

　　本書是作者于2004年在清華大學(xué)周培源應(yīng)用數(shù)學(xué)中心，給多種學(xué)科背景的學(xué)者講述統(tǒng)計物理在生物學(xué)科的應(yīng)用的講義基礎(chǔ)上形成的。全書分16章和一個附錄。前10章簡潔地歸納了生命科學(xué)中用得著的核心概念，它們分別是熵、麥克斯韋ˉ玻爾茲曼分布、自由能、化學(xué)勢、相變、相變動力學(xué)、關(guān)聯(lián)函數(shù)、隨機(jī)過程和朗之萬方程。第11章開始，講述的側(cè)重點逐步轉(zhuǎn)移到生命科學(xué)。其中第11章講述蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)同生命過程的聯(lián)系。第12章講述自組裝的生物學(xué)過程，第13章介紹蛋白質(zhì)折疊的動力學(xué)機(jī)理，第14章講述蛋白質(zhì)折疊的指數(shù)律，第15章闡述自回避行走和湍流，第16章作為全書的結(jié)尾，提出了控制蛋白質(zhì)一級、二級、三級結(jié)構(gòu)的機(jī)制的假設(shè)，附錄中介紹蛋白質(zhì)分子中能量級聯(lián)機(jī)制的物理學(xué)模型?！　∪珪院啙嵉恼Z言，精辟地提出了可能的研究方向，對于從事生命科學(xué)研究的多學(xué)科讀者都具有指導(dǎo)意義。

作者簡介

　　Kerson Huang（黃克遜），作者系美國麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology）榮譽(yù)退休教授。美籍華裔科學(xué)家。1928年出生于中國南寧市，先后于1950年和1953年獲得麻省理工學(xué)院物理學(xué)學(xué)士和物理學(xué)博士學(xué)位，之后在普林斯頓大學(xué)（Princeton University）作短

書籍目錄

ContentsForeword Introduction 1. Entropy 　1.1 Statistical Ensembles 　1.2 Microcanonical Ensemble and Entropy 　1.3 Thermodynamics 　1.4 Principle of Maximum Entropy 　1.5 Example: Defects in Solid 2. Maxwell-Boltzmann Distribution 　2.1 Classical Gas of Atoms 　2.2 The Most Probable Distribution 　2.3 The Distribution Function 　2.4 Thermodynamic Properties 3. Free Energy 　3.1 Canonical Ensemble 　3.2 Energy Fluctuations 　3.3 The Free Energy 　3.4 Maxwell's Relations 　3.5 Example: Unwinding of DNA 4. Chemical Potential 　4.1 Changing the Particle Number　4.2 Grand Canonical Ensemble 　4.3 Thermodynamics 　4.4 Critical Fluctuations 　4.5 Example: Ideal Gas 5. Phase Transitions 　5.1 First-Order Phase Transitions 　5.2 Second-Order Phase Transitions 　5.3 Van der Waals Equation of State　5.4 Maxwell Construction 6. Kinetics of Phase Transitions 　6.1 Nucleation and Spinodal Decomposition 　6.2 The Freezing of Water 7. The Order Parameter 　7 1 Ginsburg-Landau Theory 　7.2 Second-Order Phase Transition 　7.3 First-Order Phase Transition 　7.4 Cahn-Hilliard Equation 8. Correlation Function 　8.1 Correlation Length 　8.2 Large-Distance Correlations 　8.3 Universality Classes 　8.4 Compactness Index 　8.5 Scaling Properties 9. Stochastic Processes 　9.1 Brownian Motion 　9.2 Random Walk 　9.3 Diffusion 　9.4 Central Limit Theorem 　9.5 Diffusion Equation 10. Langevin Equation 　10.1 The Equation 　10.2 Solution 　10.3 Fluctuation-Dissipation Theorem 　10.4 Power Spectrum and Correlation 　10.5 Causality 　10.6 Energy Balance 11. The Life Process 　11.1 Life 　11.2 Cell Structure 　11.3 Molecular Interactions 　11.4 Primary Protein Structure 　11.5 Secondary Protein Structure　11.6 Tertiary Protein Structure 　11.7 Denatured State of Protein 12. Self-Assembly 　12.1 Hydrophobic Effect 　12.2 Micelles and Bilayers 　12.3 Cell Membrane 　12.4 Kinetics of Self-Assembly 　12.5 Kinetic Arrest 13. Kinetics of Protein Folding 　13.1 The Statistical View 　13.2 Denatured State 　13.3 Molten Globule 　13.4 Folding Funnel 　13.5 Convergent Evolution 14. Power Laws in Protein Folding 　14.1 The Universal Range 　14.2 Collapse and Annealing 　14.3 Self-Avoiding Walk (SAW)15. Self-Avoiding Walk and Turbulence 　15.1 Kolmogorov's Law 　15.2 Vortex Model 　15.3 Quantum Turbulence 　15.4 Convergent Evolution in Turbulence 16. Convergent Evolution in Protein Folding 　16.1 Mechanism of Convergent Evolution 　16.2 Energy Cascade in Turbulence 　16.3 Energy Cascade in the Polymer Chain 　16.4 Energy Cascade in the Molten Globule 　16.5 Secondary and Tertiary Structures A. Model of Energy Cascade in a Protein Molecule 　A.1 Brownian Motion of a Forced Harmonic Oscillator 　A.2 Coupled Oscillators 　　A.2.1 Equations of Motion 　　A.2.2 Energy Balance 　　A.2.3 Fluctuation-Dissipation Theorem 　　A.2.4 Perturbation Theory 　　A.2.5 Weak-Damping Approximation 　A.3 Model of Protein Dynamics 　A.4 Fluctuation-Dissipation Theorem 　A.5 The Cascade Time 　A.6 Numerical Example Index

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