目錄
第1章 生物化學(xué)反應(yīng)的數(shù)學(xué)描述 1
1.1 生物化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng) 2
1.2 化學(xué)主方程 4
1.2.1 方程的建立 4
1.2.2 化學(xué)主方程的性質(zhì) 6
1.2.3 吉萊斯皮算法 9
1.3 化學(xué)速率方程 11
1.3.1 方程的建立 11
1.3.2 漲落耗散定理 13
1.4 化學(xué)朗之萬(wàn)方程 16
1.4.1 方程的建立 16
1.4.2 隨機(jī)積分的簡(jiǎn)單討論 21
1.4.3 Tau-跳躍算法 22
1.5 �？藸�-普朗克方程 24
1.6 反應(yīng)速率隨時(shí)間變化的生化反應(yīng)系統(tǒng) 25
1.6.1 外部噪聲干擾下的反應(yīng)速率 26
1.6.2 推廣的化學(xué)朗之萬(wàn)方程 27
1.6.3 伊藤積分與斯特拉托諾維奇積分 28
1.6.4 有色噪聲 29
1.7 本章小結(jié) 30
補(bǔ)充閱讀材料 31
思考題 31
第2章 基因表達(dá)過(guò)程的隨機(jī)模擬 33
2.1 遺傳信息的傳遞與基因表達(dá) 33
2.2 基因表達(dá)的內(nèi)蘊(yùn)隨機(jī)性 36
2.2.1 模型的建立 37
2.2.2 統(tǒng)計(jì)平衡態(tài) 38
2.2.3 靜態(tài)漲落 39
2.2.4 內(nèi)蘊(yùn)隨機(jī)效應(yīng) 41
2.2.5 轉(zhuǎn)錄水平的分布 42
2.3 基因表達(dá)中的外部噪聲 46
2.3.1 模型的建立 46
2.3.2 統(tǒng)計(jì)平衡態(tài) 49
2.3.3 靜態(tài)漲落 50
2.3.4 外部噪聲對(duì)基因表達(dá)的影響 51
2.4 真核細(xì)胞基因表達(dá)的隨機(jī)性 53
2.4.1 隨機(jī)模擬模型 53
2.4.2 轉(zhuǎn)錄水平分布的解析表達(dá)式 55
2.5 本章小結(jié) 58
補(bǔ)充閱讀材料 59
思考題 59
第3章 基因調(diào)控的數(shù)學(xué)模型 61
3.1 數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 63
3.1.1 尺度分析 63
3.1.2 米氏函數(shù)和希爾函數(shù) 70
3.1.3 洛姆周期圖 74
3.2 正反饋調(diào)控與雙穩(wěn)態(tài) 76
3.2.1 乳糖操縱子 77
3.2.2 數(shù)學(xué)模型 78
3.2.3 平衡態(tài)分析 79
3.3 噪聲與細(xì)胞狀態(tài)的切換 82
3.3.1 乳糖操縱子基因的狀態(tài)切換 82
3.3.2 λ 噬菌體阻抑物基因的表達(dá)調(diào)控 83
3.3.3 內(nèi)部噪聲誘導(dǎo)的狀態(tài)切換 93
3.4 負(fù)反饋調(diào)控和生物振蕩 97
3.4.1 阿特金森振子 98
3.4.2 隨機(jī)激勵(lì)振子 102
3.4.3 帶時(shí)滯的負(fù)反饋調(diào)控 108
3.5 本章小結(jié) 113
補(bǔ)充閱讀材料 113
思考題 114
第4章 生物鐘的數(shù)學(xué)模型 115
4.1 分子調(diào)控機(jī)制 115
4.2 理解實(shí)驗(yàn)結(jié)果——小鼠跑輪實(shí)驗(yàn) 117
4.3 分子調(diào)控的生物鐘模型 119
4.3.1 古德溫振子 119
4.3.2 節(jié)律振蕩的時(shí)滯微分方程模型 119
4.3.3 戈貝特模型 124
4.3.4 生物鐘基因的二聚化與水解模型 126
4.4 基于順式作用元件的生物鐘模型 132
4.5 相位反應(yīng)*線 141
4.6 奇異性與失同步 143
4.7 本章小結(jié) 147
補(bǔ)充閱讀材料 147
思考題 148
第5章 鈣振蕩動(dòng)力學(xué)分析 149
5.1 鈣信號(hào)系統(tǒng) 149
5.2 鈣振蕩模型基本框架 150
5.2.1 鈣振蕩模型的通式 150
5.2.2 鈣信號(hào)系統(tǒng)各組分的表達(dá)式 151
5.2.3 鈣振蕩模型結(jié)果的解讀 152
5.3 具體的鈣振蕩模型 153
5.3.1 IP3-Ca2+ 互作-線粒體攝鈣模型 154
5.3.2 雙鈣庫(kù)模型 156
5.3.3 IP3R 動(dòng)力學(xué)模型 158
5.3.4 開(kāi)放細(xì)胞模型 160
5.3.5 I 型鈣振蕩模型 163
5.3.6 鈣微域模型 165
5.4 本章小結(jié) 169
補(bǔ)充閱讀材料 170
思考題 170
第6章 芽殖酵母細(xì)胞命運(yùn)抉擇動(dòng)力學(xué)模型 172
6.1 芽殖酵母細(xì)胞命運(yùn)抉擇的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò) 172
6.2 細(xì)胞命運(yùn)抉擇的動(dòng)力學(xué)模型 174
6.2.1 細(xì)胞命運(yùn)抉擇的確定性模型 174
6.2.2 啟動(dòng)臨界點(diǎn)與細(xì)胞命運(yùn)抉擇的動(dòng)力學(xué)機(jī)制 177
6.2.3 網(wǎng)絡(luò)熵及其與啟動(dòng)臨界點(diǎn)的關(guān)系 181
6.3 細(xì)胞命運(yùn)抉擇的隨機(jī)性模型 184
6.3.1 隨機(jī)性模型的建立 184
6.3.2 沖量與細(xì)胞命運(yùn)抉擇 187
6.3.3 噪聲對(duì)于細(xì)胞命運(yùn)抉擇精確性的影響 188
6.4 芽殖酵母細(xì)胞的 G1/S 切換點(diǎn)與一致前饋環(huán)分析 191
6.4.1 G1/S 切換點(diǎn) 191
6.4.2 一致前饋的功能重要性分析 193
6.5 本章小結(jié) 196
補(bǔ)充閱讀材料 196
思考題 196
第7章 信號(hào)分子濃度梯度形成的數(shù)學(xué)模型 198
7.1 反應(yīng)擴(kuò)散方程的建立和模擬 198
7.1.1 一維守恒律方程 198
7.1.2 流的不同形式 200
7.1.3 初邊值條件 201
7.1.4 高維守恒律方程 202
7.1.5 反應(yīng)擴(kuò)散方程的數(shù)值解 203
7.2 形態(tài)發(fā)生素與胚胎的發(fā)育 204
7.2.1 形態(tài)發(fā)生素 204
7.2.2 Decapentaplegic 與果蠅翅膀的發(fā)育 205
7.3 形態(tài)發(fā)生素的擴(kuò)散與數(shù)學(xué)模型的建立 206
7.3.1 模型 A：配體的自由擴(kuò)散和與受體的結(jié)合 207
7.3.2 模型 B：配體的自由擴(kuò)散、與受體結(jié)合、信號(hào)分子的降解 209
7.3.3 模型 C：配體與受體的結(jié)合和解離，通過(guò)復(fù)合體的擴(kuò)散 219
7.4 本章小結(jié) 221
補(bǔ)充閱讀材料 221
思考題 222
第8章 干細(xì)胞增殖與造血系統(tǒng)動(dòng)力學(xué) 224
8.1 干細(xì)胞增殖的數(shù)學(xué)模型 224
8.1.1 細(xì)胞周期 224
8.1.2 年齡結(jié)構(gòu)模型 225
8.1.3 時(shí)滯微分方程模型 226
8.1.4 細(xì)胞增殖率 228
8.1.5 參數(shù)估計(jì) 230
8.2 干細(xì)胞增殖模型的動(dòng)力學(xué)分析 233
8.2.1 無(wú)量綱化方程 233
8.2.2 平衡態(tài)分析 234
8.2.3 不受控增殖的發(fā)生條件 236
8.3 異質(zhì)性干細(xì)胞增殖的數(shù)學(xué)模型 237
8.3.1 異質(zhì)性干細(xì)胞增殖的時(shí)滯微分積分方程模型 237
8.3.2 細(xì)胞狀態(tài)繼承概率 240
8.3.3 模型討論 242
8.4 造血系統(tǒng)動(dòng)力學(xué) 243
8.4.1 一些數(shù)據(jù) 244
8.4.2 造血干細(xì)胞數(shù)量變化的數(shù)學(xué)模型 245
8.4.3 周期性中性粒細(xì)胞減少癥 247
8.4.4 造血系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型 255
8.5 本章小結(jié) 258
補(bǔ)充閱讀材料 259
思考題 259
第9章 復(fù)雜生物過(guò)程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)檢測(cè) 261
9.1 復(fù)雜生物過(guò)程和復(fù)雜疾病的臨界現(xiàn)象 261
9.2 復(fù)雜疾病發(fā)展過(guò)程中的三個(gè)狀態(tài) 262
9.3 傳統(tǒng)的生物標(biāo)志物 265
9.3.1 分子生物標(biāo)志物 265
9.3.2 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)志物 267
9.4 動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)志物 269
9.4.1 臨界狀態(tài)的普適性質(zhì) 271
9.4.2 主導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)和關(guān)鍵因子 272
9.5 DNB 在生物學(xué)及醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 274
9.5.1 肺部急性損傷 274
9.5.2 肝癌 275
9.6 本章小結(jié) 276
補(bǔ)充閱讀材料 277
思考題 277
第10章 霍奇金–赫胥黎方程 279
10.1 離子通道與能斯特方程 279
10.2 細(xì)胞膜模型 281
10.3 離子通道的門(mén)控機(jī)制 283
10.3.1 門(mén)控機(jī)制的數(shù)學(xué)描述 283
10.3.2 莫里斯–萊卡爾模型 286
10.4 霍奇金–赫胥黎方程的建立 287
10.4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 287
10.4.2 離子通道的門(mén)控假設(shè) 288
10.4.3 方程的建立 289
10.5 電纜方程和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)方程 292
10.5.1 電纜方程 292
10.5.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)方程 293
10.6 本章小結(jié) 294
補(bǔ)充閱讀材料 295
思考題 295
第11章 能量函數(shù)與生物大分子識(shí)別 296
11.1 能量函數(shù) 296
11.1.1 基于物理的勢(shì)能函數(shù) 296
11.1.2 蛋白質(zhì)統(tǒng)計(jì)勢(shì)函數(shù) 297
11.2 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)中的能量函數(shù) 299
11.2.1 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及其預(yù)測(cè)簡(jiǎn)介 299
11.2.2 蛋白質(zhì)統(tǒng)計(jì)勢(shì) ANDIS 的設(shè)計(jì) 302
11.2.3 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中原子對(duì)方位角的定義 304
11.2.4 有效相互作用的定義 305
11.2.5 統(tǒng)計(jì)勢(shì) ANDIS 的計(jì)算 305
11.2.6 訓(xùn)練集和測(cè)試集數(shù)據(jù)的選取 306
11.2.7 統(tǒng)計(jì)勢(shì)函數(shù)性能評(píng)估的相關(guān)指標(biāo) 307
11.3 microRNA 預(yù)測(cè)的能量特征 310
11.3.1 microRNA 及其預(yù)測(cè)方法 310
11.3.2 真菌 microRNA 的能量特征提取 312
11.3.3 隨機(jī)森林算法與性能評(píng)估 314
11.3.4 數(shù)據(jù)集的選取 316
11.3.5 milRNApredictor 的構(gòu)建 316
11.4 本章小結(jié) 318
補(bǔ)充閱讀材料 319
思考題 319
附錄 A 常微分方程介紹 321
A.1 常微分方程模型 321
A.1.1 導(dǎo)數(shù) 321
A.1.2 細(xì)胞增殖模型 322
A.1.3 常微分方程基本理論 324
A.2 二階微分方程 326
A.3 二階常微分方程邊值問(wèn)題的數(shù)學(xué)基礎(chǔ) 328
A.3.1 上下解方法與解的存在性 328
A.3.2 比較定理和解的唯一性 332
附錄 B 隨機(jī)微分方程 335
B.1 隨機(jī)微分方程與隨機(jī)積分 335
B.2 伊藤公式 337
B.3 福克爾–普朗克方程 339
B.4 隨機(jī)微分方程數(shù)值方法 342
B.4.1 1.0 階差分格式 342
B.4.2 馬爾薩利亞隨機(jī)數(shù)發(fā)生器 343
附錄 C XPPAUT 軟件和 Oscill8 使用介紹 345
C.1 建立 ODE 文件 345
C.2 運(yùn)行和退出程序 348
C.3 保存結(jié)果 348
C.4 相平面分析 349
C.5 分岔分析 350
C.6 通過(guò)腳本語(yǔ)言運(yùn)行 XPPAUT 351
C.7 使用 Oscill8 進(jìn)行分岔分析 353
C.7.1 ODE 文件的編寫(xiě)