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生物科学

细胞力学及力学生物学

作者：（美）克里斯托弗·雷·雅各布斯等著；孙联

出版社：科学出版社出版时间：2023-02-01

开本：其他页数： 372

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版权信息
本书特色
内容简介
目录
节选

细胞力学及力学生物学版权信息

ISBN：9787030745835
条形码：9787030745835 ; 978-7-03-074583-5
装帧：一般胶版纸
册数：暂无
重量：暂无
所属分类：
自然科学
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生物科学

细胞力学及力学生物学本书特色

适读人群：生物医学工程、生命科学及相关专业高年级本科生和低年级研究生，对细胞力学生物学感兴趣的研究人员细胞力学是一门交叉学科，也是微观研究领域的热点，本书是集大成国际视野的前沿作品

细胞力学及力学生物学内容简介

《细胞力学与力学生物学》是国际优秀图书，介绍了从物理方面出发定量了解细胞对周围环境的的测定、修饰及感知的过程。本书涵盖了单分子聚合物、聚合物网络、二维膜、全细胞的力学及力学生物学知识，同时包括固体、流体及统计力学的入门章节。本书在选读部分给出了深入分析和数学推导，并在正文中提供了求解示例，每一章的结尾有问题及注释。本书可作为高年级本科生及研究生《细胞力学》课程的教材，也可供生物医学工程、生物工程和力学工程的研究人员参考书。

细胞力学及力学生物学目录

目录
译者序
前言
第1部分　原理
第1章　细胞力学概述　3
1.1　细胞力学和人类疾病　3
1.2　细胞是应用力学的重大挑战　8
1.3　模型问题：微吸管吸吮技术　9
第2章　细胞生物学基础　17
2.1　细胞分子生物学的基本原理　17
2.2　受体是细胞的初级化学传感器　29
2.3　实验生物学　36
2.4　生物学实验设计　46
第3章　初级固体力学　54
3.1　刚体力学和受力图　54
3.2　可变形体力学　57
3.3　大变形力学　81
3.4　结构单元由它们的形状和加载模式定义　87
第4章　初级流体力学　91
4.1　流体静力学　91
4.2　牛顿流体　94
4.3　纳维-斯托克斯方程　101
4.4　流变学分析　106
4.5　量纲分析　113
第5章　统计力学基础　122
5.1　内能　123
5.2　熵　127
5.3　自由能　132
5.4　微正则系综　135
5.5　正则系综　140
5.6　随机游走　147
第6章　实验细胞力学　155
6.1　通过细胞微操作技术研究细胞的力学行为　155
6.2　测量细胞产生的力　165
6.3　对细胞施加作用力　173
6.4　形变分析　180
6.5　盲法和对照　188
第2部分　应用
第7章　细胞聚合物力学　197
7.1　生物聚合物的结构　197
7.2　聚合动力学　203
7.3　持续长度　206
7.4　理想链　212
7.5　自由连接链　219
7.6　蠕虫链　223
第8章　高分子聚合物网络和细胞骨架　231
8.1　高分子聚合物网络　231
8.2　比例法　233
8.3　仿射网络　237
8.4　细胞骨架结构及其生物力学功能　244
第9章　细胞膜力学　258
9.1　细胞膜生物学　258
9.2　磷脂分子的自组装　262
9.3　细胞膜的屏障功能　265
9.4　膜力学Ⅰ：平面内剪切应力及张力　270
9.5　膜力学Ⅱ：弯曲　279
9.6　抗弯刚度的测量　284
第10章　黏附、迁移和收缩　291
10.1　黏附　291
10.2　迁移　305
10.3　收缩　312
第11章　细胞力学转导　327
11.1　力学信号　328
11.2　感知力学信号的细胞器和结构　335
11.3　细胞内信号的引发　342
11.4　细胞功能的改变　347
缩写　355
变量及含义　358

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细胞力学及力学生物学节选

第1部分原理　　第1章细胞力学概述　　细胞是生命体*小、*基本的结构和功能单位。细胞生物学通过研究生理过程、细胞结构、细胞与外环境的相互作用来阐明细胞功能，已成为生物医学领域研究人类疾病的主要基础科学。迄今，对细胞生物学中基本问题的研究几乎都局限在生物化学范畴，主要通过分子和遗传学方法进行。病理过程可被视为生化信号传递的中断，分子与细胞表面受体的结合能实现细胞外信号对细胞功能的调节，基本细胞进程如细胞分裂被认为由多个生化事件驱使。因此，传统细胞生物学的核心课程都非常重视生物化学和结构生物学的讲授。　　*近，在生物化学的分析背景下，人们对细胞功能和疾病的理解范式发生了转变。特别是，通过理解机械力的作用，对不同细胞进程及病理变化有了更为独到的见解。科学的快速发展表明，力学现象对一些基本细胞进程的正常运作至关重要，力学载荷可以作为胞外信号来调节细胞功能。此外，危及人类健康的几种主要疾病，如骨质疏松症、动脉粥样硬化和癌症等，均与力学感知和（或）功能障碍有关。由此，一个把力学和细胞生物学结合在一起的新学科出现了，即细胞力学生物学，它涉及细胞生物学中力的产生、传导、感知，并使细胞功能发生改变的方方面面。细胞力学生物学的研究将细胞生物学和生物化学与多个力学学科联系起来了，包括固体力学、流体力学、统计力学、实验力学和计算力学。　　本章作为入门章节，主要目的是通过以下两方面激发读者对细胞力学和细胞力学生物学的钻研：①证明力在细胞基本和病理过程中的作用；②阐述细胞力学是如何以一种综合方式糅合多门力学课程而提供一个理想框架的。首先，通过提供细胞力学介导的生理病理过程的调研，在人类疾病的背景下引入细胞力学，且通过力学分析更好地理解这些过程。而后，提出细胞力学是引入固体力学、流体力学、统计力学、实验力学甚至计算力学原理的理想基础，并提出“细胞力学可能是21世纪应用力学的重大挑战”这一论点。*后，提出一个简单的模型问题：微吸管吸吮技术，细胞通过真空负压被部分地“吸”入细管。这个例子将帮助读者了解如何研究细胞力学，并展示如何用一个相对简单的研究方法解释细胞力学行为（以及这种行为如何支配细胞功能）。　　1.1 细胞力学和人类疾病　　在健康和疾病这两方面，大部分人认为生物医学的本质是生物或生物化学。这里当然也有一些例外，比如骨折、软组织创伤或手术修复时，在组织或者整体水平要考虑力学因素。此外，涉及力学的感觉器官如听觉和触觉时，力学敏感细胞的存在也不足为奇。反之，通常不认为细胞力学与癌症、疟疾或病毒感染相关—然而它们的确是相关的。不仅如此，令人惊讶的是，很多人类疾患的原因在一定程度上都与细胞力学有关。　　例如，一些组织的正常功能，特别是骨（骨和软骨）和心血管系统（心脏和动脉），在很大程度上依赖于生理活动和环境（重力）所产生的力学负荷。需要明确的是，这里不单纯是指这些生理系统具有力学功能（如骨骼支撑身体和心脏泵血），还包括细胞水平上对机械力变化的主动响应，比如骨在某些特定区域的骨量增加而在另一些区域的骨量减少。在本章中，我们希望使读者相信，尽管力学因素的影响可能是微妙的或间接的，但其实际上已涉及生命活动的方方面面。　　要理解人类健康和疾病，常常需要在细胞水平上理解生物力学和力学生物学，例如：　　如果骨组织细胞没有受到适当的力学刺激，骨形成将停止，而骨吸收开始。因此，在长时间太空飞行失重下，即使采用严格的运动训练计划，航天员也面临着严重的骨丢失。　　在冠状动脉疾病中，作用于内皮细胞的流体剪切应力在空间和时间上的变化与动脉粥样硬化斑块的形成有关。　　骨关节炎的发病机制是力学载荷变化引起的软骨细胞力学信号改变。　　肺泡上皮细胞和气道平滑肌细胞在呼吸过程中受到周期性拉伸力的调节，而空气传播的病原体引起的超敏反应会产生持续的过度收缩，继而导致哮喘发作。　　感染可以由病毒传递外源性遗传物质机械性地破坏细胞膜而引起。这是一个重要的问题，如果我们可以像病毒一样轻易地传递基因，就可以通过使细胞表达正确的序列（突变基因）从而治愈许多遗传疾病。而细胞膜实际上是一个极好的力学屏障。　　转移性癌细胞必须能在组织中迁移并远距离附着以扩散。某些癌症似乎优先转移到特定部位的原因仍然是一个谜。　　力学刺激在伤口愈合期间调节成纤维细胞的行为。此外，“正常”伤口的愈合和瘢痕组织的愈合之间存在差异。　　现在已经知道，力是调节成体细胞和胚胎干细胞组织特异性分化的关键因素。例如，在子宫内，胚胎心脏并不需要泵血，因此认为某些哺乳动物胚胎心脏的跳动更多的是为了心肌的塑造，而不是用于功能性泵血。　　出生后，大脑发育和血管生成均涉及细胞与其周围动态力学环境的相互作用。　　心血管疾病，如高血压和心力衰竭，往往是由长期的力学因素引起的。事实上，心脏肥大是对力变化*常见的响应之一。正常心脏肥大（运动产生）与病理性肥大（疾病产生）之间的区别仍不清楚。　　基本的细胞进程，如膜运输、胞吞和胞吐（细胞吞噬或释放物质的方式）、微管组装和解聚、肌动蛋白聚合和解聚、细胞-基质和细胞间黏附的动力学、染色体分离、着丝粒动力学（如细胞分裂过程中DNA的运动）、胞质蛋白和囊泡分类与转运、细胞运动、细胞凋亡（细胞程序性死亡）、侵入（细胞运动到非正常位置）和分化（细胞分化成为具有特定功能的表型），都至少部分地受到力学调控。　　接下来，我们将更详细地描述其中的一些实例。　　耳中的特化细胞使你产生听觉　　究其本质，听觉是一个转导的过程（一个信号从一种类型转换成另一种类型即转导），声（压力）波形式的物理信号被转换成沿神经的电脉冲。耳内的力转导（输入信号是以力学为基础的转导）是通过一种叫毛细胞（hair cell）的特化细胞完成的。这种细胞具有被称为纤毛（cilia，单数形式为cilium）的细小毛结构，纤毛从细胞顶端（顶部）的表面延伸到耳蜗腔内。内耳听骨振动产生的压力波形式的声音通过耳蜗中液体进行传播。　　研究人员*近推论出了毛细胞内信号转导的重要机制。现已确认细胞骨架肌动蛋白纤维将纤毛的顶端与邻近纤毛的侧面相连接（图1.1）。肌动蛋白丝锚定在跨膜蛋白上，后者形成被称为通道的小孔。这些通道通常是关闭的，但一旦打开，会允许小离子（在毛细胞是钙离子）顺浓度梯度通过。在静息状态下，细胞内的钙离子浓度（＜1mmol/L）相对于细胞外极低。当声音传递到内耳时，振动会引起纤毛偏转，进而牵拉肌动蛋白丝，这种拉伸产生的张力传递到离子通道使通道开放。因此，当通道开放时，钙离子顺浓度梯度流入，胞内钙离子浓度增加。钙离子浓度的变化引起胞内信号蛋白分子的动力学改变，引发一系列的生化事件，*终导致细胞去极化和神经冲动。　　可以想到，力学在这一过程中非常重要。纤毛需要具有适当的力学特性来维持直立，同时要具有足够的柔韧性以在声波中发生偏转。肌动蛋白顶端连接需要足够坚固以打开离子通道，并具有适当的聚合物力学行为，以便能被纤毛的偏转所牵拉而不受热噪声影响（要注意的是，这是一些非常小的物体，悬浮于周围液体的分子会定期与它们相撞，由此所产生的一些力需要忽略）。本书中，我们的目标是构建一个基础并提出一个框架，以便有效地思考这些问题。　　血流动力调控内皮细胞　　血管不是被动输送血液的管道。它们反应灵敏，可以不断地改变其半径（在血管张力或血管扩张剂和血管收缩剂的影响下）和渗漏。血管内衬的细胞被称为内皮细胞。内皮细胞对循环系统产生的力非常敏感，包括流体剪切应力、（大）血管扩张产生的牵拉和跨壁压力差（血管内、外压力差）。内皮细胞的响应是多种多样的，它们可以改变形状以使其长轴与流动方向一致，改变自身的内部结构（细胞骨架和黏着斑），以及释放多种信号分子。这些反应有助于维持血流量和稳态（维持基本的生理环境）。有足够的证据表明血管的病理生理变化（如动脉粥样硬化）发生在力学信号中断的区域。　　骨细胞需要力刺激来维持骨骼健康　　负荷对骨骼健康至关重要。事实上，维持骨骼健康的重要因素之一是接受正常的力学刺激。当骨不负载时，骨将处于半废用（如久坐）或完全废用（如卧床或长期空间飞行）状态。已证实，在这些极端的情况下，骨丢失每月可高达总骨量的1%～2%。即使不存在创伤或创伤可能较小时，骨折风险也会提高。这些脆性骨折或骨质疏松性骨折不仅会对个人造成伤害，也会引起公共健康问题，美国每年因此要花费数十亿美元。事实上，50岁以上人群中，近一半的女性和超过四分之一的男性都发生过骨质疏松性骨折。髋部骨折是骨量减少*严重的后果，对于大多数患者而言，这是病情从失去行动能力、丧失独立性、住进医院到继发性疾病发病直至死亡的螺旋式恶化的**步。令人震惊的是，在髋部骨折后1年内，50%的患者将无法独立行走，25%将被送进医院，20%将会死亡。　　好消息是，物理负荷将会减少骨质流失，而某些运动效果比其他运动更好，芭蕾之所以比游泳好，可能是因为其涉及冲击负荷。事实上，有研究已经表明高水平运动员的骨形成往往发生在运动时受负荷*大的区域。作为对人类健康至关重要，同时也是令人关切的科学问题，骨组织细胞（主要是骨细胞和成骨细胞）通过协调细胞反应来感知和响应负荷的机制尚不清楚。有人提出，其感知机制可能涉及细胞骨架、黏着斑、黏着连接和膜通道，甚至膜本身的生物物理行为，确实有证据支持这些结构及许多其他结构都能感知力学信号，这样一来，似乎存在多个细胞感受器，可能构成一个冗余的系统。　　肺部细胞感知牵张　　在呼吸过程中，肺部组织会受到由基底膜膨胀和收缩引起的恒定振荡应力。这些力学信号被认为在维持肺功能和形态中起着重要作用。牵张可调控肺上皮细胞的生长、细胞骨架的重塑，以及信号分子和磷脂的分泌。当对患者实施肺部机械通气时，肺部所受的力学载荷会增加，这种力学负荷变化引起的细胞功能改变所导致的生理后果尚不清楚。

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