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細(xì)胞力學(xué)及力學(xué)生物學(xué) 版權(quán)信息
- ISBN:9787030745835
- 條形碼:9787030745835 ; 978-7-03-074583-5
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數(shù):暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>
細(xì)胞力學(xué)及力學(xué)生物學(xué) 本書特色
適讀人群 :生物醫(yī)學(xué)工程、生命科學(xué)及相關(guān)專業(yè)高年級本科生和低年級研究生,對細(xì)胞力學(xué)生物學(xué)感興趣的研究人員細(xì)胞力學(xué)是一門交叉學(xué)科,也是微觀研究領(lǐng)域的熱點,本書是集大成國際視野的前沿作品
細(xì)胞力學(xué)及力學(xué)生物學(xué) 內(nèi)容簡介
《細(xì)胞力學(xué)與力學(xué)生物學(xué)》是國際優(yōu)秀圖書,介紹了從物理方面出發(fā)定量了解細(xì)胞對周圍環(huán)境的的測定、修飾及感知的過程。本書涵蓋了單分子聚合物、聚合物網(wǎng)絡(luò)、二維膜、全細(xì)胞的力學(xué)及力學(xué)生物學(xué)知識,同時包括固體、流體及統(tǒng)計力學(xué)的入門章節(jié)。本書在選讀部分給出了深入分析和數(shù)學(xué)推導(dǎo),并在正文中提供了求解示例,每一章的結(jié)尾有問題及注釋。本書可作為高年級本科生及研究生《細(xì)胞力學(xué)》課程的教材,也可供生物醫(yī)學(xué)工程、生物工程和力學(xué)工程的研究人員參考書。
細(xì)胞力學(xué)及力學(xué)生物學(xué) 目錄
譯者序
前言
第1部分 原理
第1章 細(xì)胞力學(xué)概述 3
1.1 細(xì)胞力學(xué)和人類疾病 3
1.2 細(xì)胞是應(yīng)用力學(xué)的重大挑戰(zhàn) 8
1.3 模型問題:微吸管吸吮技術(shù) 9
第2章 細(xì)胞生物學(xué)基礎(chǔ) 17
2.1 細(xì)胞分子生物學(xué)的基本原理 17
2.2 受體是細(xì)胞的初級化學(xué)傳感器 29
2.3 實驗生物學(xué) 36
2.4 生物學(xué)實驗設(shè)計 46
第3章 初級固體力學(xué) 54
3.1 剛體力學(xué)和受力圖 54
3.2 可變形體力學(xué) 57
3.3 大變形力學(xué) 81
3.4 結(jié)構(gòu)單元由它們的形狀和加載模式定義 87
第4章 初級流體力學(xué) 91
4.1 流體靜力學(xué) 91
4.2 牛頓流體 94
4.3 納維-斯托克斯方程 101
4.4 流變學(xué)分析 106
4.5 量綱分析 113
第5章 統(tǒng)計力學(xué)基礎(chǔ) 122
5.1 內(nèi)能 123
5.2 熵 127
5.3 自由能 132
5.4 微正則系綜 135
5.5 正則系綜 140
5.6 隨機游走 147
第6章 實驗細(xì)胞力學(xué) 155
6.1 通過細(xì)胞微操作技術(shù)研究細(xì)胞的力學(xué)行為 155
6.2 測量細(xì)胞產(chǎn)生的力 165
6.3 對細(xì)胞施加作用力 173
6.4 形變分析 180
6.5 盲法和對照 188
第2部分 應(yīng)用
第7章 細(xì)胞聚合物力學(xué) 197
7.1 生物聚合物的結(jié)構(gòu) 197
7.2 聚合動力學(xué) 203
7.3 持續(xù)長度 206
7.4 理想鏈 212
7.5 自由連接鏈 219
7.6 蠕蟲鏈 223
第8章 高分子聚合物網(wǎng)絡(luò)和細(xì)胞骨架 231
8.1 高分子聚合物網(wǎng)絡(luò) 231
8.2 比例法 233
8.3 仿射網(wǎng)絡(luò) 237
8.4 細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)及其生物力學(xué)功能 244
第9章 細(xì)胞膜力學(xué) 258
9.1 細(xì)胞膜生物學(xué) 258
9.2 磷脂分子的自組裝 262
9.3 細(xì)胞膜的屏障功能 265
9.4 膜力學(xué)Ⅰ:平面內(nèi)剪切應(yīng)力及張力 270
9.5 膜力學(xué)Ⅱ:彎曲 279
9.6 抗彎剛度的測量 284
第10章 黏附、遷移和收縮 291
10.1 黏附 291
10.2 遷移 305
10.3 收縮 312
第11章 細(xì)胞力學(xué)轉(zhuǎn)導(dǎo) 327
11.1 力學(xué)信號 328
11.2 感知力學(xué)信號的細(xì)胞器和結(jié)構(gòu) 335
11.3 細(xì)胞內(nèi)信號的引發(fā) 342
11.4 細(xì)胞功能的改變 347
縮寫 355
變量及含義 358
細(xì)胞力學(xué)及力學(xué)生物學(xué) 節(jié)選
第1部分原理 第1章 細(xì)胞力學(xué)概述 細(xì)胞是生命體*小、*基本的結(jié)構(gòu)和功能單位。細(xì)胞生物學(xué)通過研究生理過程、細(xì)胞結(jié)構(gòu)、細(xì)胞與外環(huán)境的相互作用來闡明細(xì)胞功能,已成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究人類疾病的主要基礎(chǔ)科學(xué)。迄今,對細(xì)胞生物學(xué)中基本問題的研究幾乎都局限在生物化學(xué)范疇,主要通過分子和遺傳學(xué)方法進行。病理過程可被視為生化信號傳遞的中斷,分子與細(xì)胞表面受體的結(jié)合能實現(xiàn)細(xì)胞外信號對細(xì)胞功能的調(diào)節(jié),基本細(xì)胞進程如細(xì)胞分裂被認(rèn)為由多個生化事件驅(qū)使。因此,傳統(tǒng)細(xì)胞生物學(xué)的核心課程都非常重視生物化學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)的講授。 *近,在生物化學(xué)的分析背景下,人們對細(xì)胞功能和疾病的理解范式發(fā)生了轉(zhuǎn)變。特別是,通過理解機械力的作用,對不同細(xì)胞進程及病理變化有了更為獨到的見解。科學(xué)的快速發(fā)展表明,力學(xué)現(xiàn)象對一些基本細(xì)胞進程的正常運作至關(guān)重要,力學(xué)載荷可以作為胞外信號來調(diào)節(jié)細(xì)胞功能。此外,危及人類健康的幾種主要疾病,如骨質(zhì)疏松癥、動脈粥樣硬化和癌癥等,均與力學(xué)感知和(或)功能障礙有關(guān)。由此,一個把力學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)結(jié)合在一起的新學(xué)科出現(xiàn)了,即細(xì)胞力學(xué)生物學(xué),它涉及細(xì)胞生物學(xué)中力的產(chǎn)生、傳導(dǎo)、感知,并使細(xì)胞功能發(fā)生改變的方方面面。細(xì)胞力學(xué)生物學(xué)的研究將細(xì)胞生物學(xué)和生物化學(xué)與多個力學(xué)學(xué)科聯(lián)系起來了,包括固體力學(xué)、流體力學(xué)、統(tǒng)計力學(xué)、實驗力學(xué)和計算力學(xué)。 本章作為入門章節(jié),主要目的是通過以下兩方面激發(fā)讀者對細(xì)胞力學(xué)和細(xì)胞力學(xué)生物學(xué)的鉆研:①證明力在細(xì)胞基本和病理過程中的作用;②闡述細(xì)胞力學(xué)是如何以一種綜合方式糅合多門力學(xué)課程而提供一個理想框架的。首先,通過提供細(xì)胞力學(xué)介導(dǎo)的生理病理過程的調(diào)研,在人類疾病的背景下引入細(xì)胞力學(xué),且通過力學(xué)分析更好地理解這些過程。而后,提出細(xì)胞力學(xué)是引入固體力學(xué)、流體力學(xué)、統(tǒng)計力學(xué)、實驗力學(xué)甚至計算力學(xué)原理的理想基礎(chǔ),并提出“細(xì)胞力學(xué)可能是21世紀(jì)應(yīng)用力學(xué)的重大挑戰(zhàn)”這一論點。*后,提出一個簡單的模型問題:微吸管吸吮技術(shù),細(xì)胞通過真空負(fù)壓被部分地“吸”入細(xì)管。這個例子將幫助讀者了解如何研究細(xì)胞力學(xué),并展示如何用一個相對簡單的研究方法解釋細(xì)胞力學(xué)行為(以及這種行為如何支配細(xì)胞功能)。 1.1 細(xì)胞力學(xué)和人類疾病 在健康和疾病這兩方面,大部分人認(rèn)為生物醫(yī)學(xué)的本質(zhì)是生物或生物化學(xué)。這里當(dāng)然也有一些例外,比如骨折、軟組織創(chuàng)傷或手術(shù)修復(fù)時,在組織或者整體水平要考慮力學(xué)因素。此外,涉及力學(xué)的感覺器官如聽覺和觸覺時,力學(xué)敏感細(xì)胞的存在也不足為奇。反之,通常不認(rèn)為細(xì)胞力學(xué)與癌癥、瘧疾或病毒感染相關(guān)—然而它們的確是相關(guān)的。不僅如此,令人驚訝的是,很多人類疾患的原因在一定程度上都與細(xì)胞力學(xué)有關(guān)。 例如,一些組織的正常功能,特別是骨(骨和軟骨)和心血管系統(tǒng)(心臟和動脈),在很大程度上依賴于生理活動和環(huán)境(重力)所產(chǎn)生的力學(xué)負(fù)荷。需要明確的是,這里不單純是指這些生理系統(tǒng)具有力學(xué)功能(如骨骼支撐身體和心臟泵血),還包括細(xì)胞水平上對機械力變化的主動響應(yīng),比如骨在某些特定區(qū)域的骨量增加而在另一些區(qū)域的骨量減少。在本章中,我們希望使讀者相信,盡管力學(xué)因素的影響可能是微妙的或間接的,但其實際上已涉及生命活動的方方面面。 要理解人類健康和疾病,常常需要在細(xì)胞水平上理解生物力學(xué)和力學(xué)生物學(xué),例如: 如果骨組織細(xì)胞沒有受到適當(dāng)?shù)牧W(xué)刺激,骨形成將停止,而骨吸收開始。因此,在長時間太空飛行失重下,即使采用嚴(yán)格的運動訓(xùn)練計劃,航天員也面臨著嚴(yán)重的骨丟失。 在冠狀動脈疾病中,作用于內(nèi)皮細(xì)胞的流體剪切應(yīng)力在空間和時間上的變化與動脈粥樣硬化斑塊的形成有關(guān)。 骨關(guān)節(jié)炎的發(fā)病機制是力學(xué)載荷變化引起的軟骨細(xì)胞力學(xué)信號改變。 肺泡上皮細(xì)胞和氣道平滑肌細(xì)胞在呼吸過程中受到周期性拉伸力的調(diào)節(jié),而空氣傳播的病原體引起的超敏反應(yīng)會產(chǎn)生持續(xù)的過度收縮,繼而導(dǎo)致哮喘發(fā)作。 感染可以由病毒傳遞外源性遺傳物質(zhì)機械性地破壞細(xì)胞膜而引起。這是一個重要的問題,如果我們可以像病毒一樣輕易地傳遞基因,就可以通過使細(xì)胞表達正確的序列(突變基因)從而治愈許多遺傳疾病。而細(xì)胞膜實際上是一個極好的力學(xué)屏障。 轉(zhuǎn)移性癌細(xì)胞必須能在組織中遷移并遠距離附著以擴散。某些癌癥似乎優(yōu)先轉(zhuǎn)移到特定部位的原因仍然是一個謎。 力學(xué)刺激在傷口愈合期間調(diào)節(jié)成纖維細(xì)胞的行為。此外,“正常”傷口的愈合和瘢痕組織的愈合之間存在差異。 現(xiàn)在已經(jīng)知道,力是調(diào)節(jié)成體細(xì)胞和胚胎干細(xì)胞組織特異性分化的關(guān)鍵因素。例如,在子宮內(nèi),胚胎心臟并不需要泵血,因此認(rèn)為某些哺乳動物胚胎心臟的跳動更多的是為了心肌的塑造,而不是用于功能性泵血。 出生后,大腦發(fā)育和血管生成均涉及細(xì)胞與其周圍動態(tài)力學(xué)環(huán)境的相互作用。 心血管疾病,如高血壓和心力衰竭,往往是由長期的力學(xué)因素引起的。事實上,心臟肥大是對力變化*常見的響應(yīng)之一。正常心臟肥大(運動產(chǎn)生)與病理性肥大(疾病產(chǎn)生)之間的區(qū)別仍不清楚。 基本的細(xì)胞進程,如膜運輸、胞吞和胞吐(細(xì)胞吞噬或釋放物質(zhì)的方式)、微管組裝和解聚、肌動蛋白聚合和解聚、細(xì)胞-基質(zhì)和細(xì)胞間黏附的動力學(xué)、染色體分離、著絲粒動力學(xué)(如細(xì)胞分裂過程中DNA的運動)、胞質(zhì)蛋白和囊泡分類與轉(zhuǎn)運、細(xì)胞運動、細(xì)胞凋亡(細(xì)胞程序性死亡)、侵入(細(xì)胞運動到非正常位置)和分化(細(xì)胞分化成為具有特定功能的表型),都至少部分地受到力學(xué)調(diào)控。 接下來,我們將更詳細(xì)地描述其中的一些實例。 耳中的特化細(xì)胞使你產(chǎn)生聽覺 究其本質(zhì),聽覺是一個轉(zhuǎn)導(dǎo)的過程(一個信號從一種類型轉(zhuǎn)換成另一種類型即轉(zhuǎn)導(dǎo)),聲(壓力)波形式的物理信號被轉(zhuǎn)換成沿神經(jīng)的電脈沖。耳內(nèi)的力轉(zhuǎn)導(dǎo)(輸入信號是以力學(xué)為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)導(dǎo))是通過一種叫毛細(xì)胞(hair cell)的特化細(xì)胞完成的。這種細(xì)胞具有被稱為纖毛(cilia,單數(shù)形式為cilium)的細(xì)小毛結(jié)構(gòu),纖毛從細(xì)胞頂端(頂部)的表面延伸到耳蝸腔內(nèi)。內(nèi)耳聽骨振動產(chǎn)生的壓力波形式的聲音通過耳蝸中液體進行傳播。 研究人員*近推論出了毛細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要機制。現(xiàn)已確認(rèn)細(xì)胞骨架肌動蛋白纖維將纖毛的頂端與鄰近纖毛的側(cè)面相連接(圖1.1)。肌動蛋白絲錨定在跨膜蛋白上,后者形成被稱為通道的小孔。這些通道通常是關(guān)閉的,但一旦打開,會允許小離子(在毛細(xì)胞是鈣離子)順濃度梯度通過。在靜息狀態(tài)下,細(xì)胞內(nèi)的鈣離子濃度(<1mmol/L)相對于細(xì)胞外極低。當(dāng)聲音傳遞到內(nèi)耳時,振動會引起纖毛偏轉(zhuǎn),進而牽拉肌動蛋白絲,這種拉伸產(chǎn)生的張力傳遞到離子通道使通道開放。因此,當(dāng)通道開放時,鈣離子順濃度梯度流入,胞內(nèi)鈣離子濃度增加。鈣離子濃度的變化引起胞內(nèi)信號蛋白分子的動力學(xué)改變,引發(fā)一系列的生化事件,*終導(dǎo)致細(xì)胞去極化和神經(jīng)沖動。 可以想到,力學(xué)在這一過程中非常重要。纖毛需要具有適當(dāng)?shù)牧W(xué)特性來維持直立,同時要具有足夠的柔韌性以在聲波中發(fā)生偏轉(zhuǎn)。肌動蛋白頂端連接需要足夠堅固以打開離子通道,并具有適當(dāng)?shù)木酆衔锪W(xué)行為,以便能被纖毛的偏轉(zhuǎn)所牽拉而不受熱噪聲影響(要注意的是,這是一些非常小的物體,懸浮于周圍液體的分子會定期與它們相撞,由此所產(chǎn)生的一些力需要忽略)。本書中,我們的目標(biāo)是構(gòu)建一個基礎(chǔ)并提出一個框架,以便有效地思考這些問題。 血流動力調(diào)控內(nèi)皮細(xì)胞 血管不是被動輸送血液的管道。它們反應(yīng)靈敏,可以不斷地改變其半徑(在血管張力或血管擴張劑和血管收縮劑的影響下)和滲漏。血管內(nèi)襯的細(xì)胞被稱為內(nèi)皮細(xì)胞。內(nèi)皮細(xì)胞對循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生的力非常敏感,包括流體剪切應(yīng)力、(大)血管擴張產(chǎn)生的牽拉和跨壁壓力差(血管內(nèi)、外壓力差)。內(nèi)皮細(xì)胞的響應(yīng)是多種多樣的,它們可以改變形狀以使其長軸與流動方向一致,改變自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(細(xì)胞骨架和黏著斑),以及釋放多種信號分子。這些反應(yīng)有助于維持血流量和穩(wěn)態(tài)(維持基本的生理環(huán)境)。有足夠的證據(jù)表明血管的病理生理變化(如動脈粥樣硬化)發(fā)生在力學(xué)信號中斷的區(qū)域。 骨細(xì)胞需要力刺激來維持骨骼健康 負(fù)荷對骨骼健康至關(guān)重要。事實上,維持骨骼健康的重要因素之一是接受正常的力學(xué)刺激。當(dāng)骨不負(fù)載時,骨將處于半廢用(如久坐)或完全廢用(如臥床或長期空間飛行)狀態(tài)。已證實,在這些極端的情況下,骨丟失每月可高達總骨量的1%~2%。即使不存在創(chuàng)傷或創(chuàng)傷可能較小時,骨折風(fēng)險也會提高。這些脆性骨折或骨質(zhì)疏松性骨折不僅會對個人造成傷害,也會引起公共健康問題,美國每年因此要花費數(shù)十億美元。事實上,50歲以上人群中,近一半的女性和超過四分之一的男性都發(fā)生過骨質(zhì)疏松性骨折。髖部骨折是骨量減少*嚴(yán)重的后果,對于大多數(shù)患者而言,這是病情從失去行動能力、喪失獨立性、住進醫(yī)院到繼發(fā)性疾病發(fā)病直至死亡的螺旋式惡化的**步。令人震驚的是,在髖部骨折后1年內(nèi),50%的患者將無法獨立行走,25%將被送進醫(yī)院,20%將會死亡。 好消息是,物理負(fù)荷將會減少骨質(zhì)流失,而某些運動效果比其他運動更好,芭蕾之所以比游泳好,可能是因為其涉及沖擊負(fù)荷。事實上,有研究已經(jīng)表明高水平運動員的骨形成往往發(fā)生在運動時受負(fù)荷*大的區(qū)域。作為對人類健康至關(guān)重要,同時也是令人關(guān)切的科學(xué)問題,骨組織細(xì)胞(主要是骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞)通過協(xié)調(diào)細(xì)胞反應(yīng)來感知和響應(yīng)負(fù)荷的機制尚不清楚。有人提出,其感知機制可能涉及細(xì)胞骨架、黏著斑、黏著連接和膜通道,甚至膜本身的生物物理行為,確實有證據(jù)支持這些結(jié)構(gòu)及許多其他結(jié)構(gòu)都能感知力學(xué)信號,這樣一來,似乎存在多個細(xì)胞感受器,可能構(gòu)成一個冗余的系統(tǒng)。 肺部細(xì)胞感知牽張 在呼吸過程中,肺部組織會受到由基底膜膨脹和收縮引起的恒定振蕩應(yīng)力。這些力學(xué)信號被認(rèn)為在維持肺功能和形態(tài)中起著重要作用。牽張可調(diào)控肺上皮細(xì)胞的生長、細(xì)胞骨架的重塑,以及信號分子和磷脂的分泌。當(dāng)對患者實施肺部機械通氣時,肺部所受的力學(xué)載荷會增加,這種力學(xué)負(fù)荷變化引起的細(xì)胞功能改變所導(dǎo)致的生理后果尚不清楚。
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