物理・化学・数理から理解する生命科学

物理・化学・数理から理解する生命科学

  • 東京大学生命科学教科書編集委員会/編
  • 2024年02月21日発行
  • B5判
  • 175ページ
  • 付録:サポートページ(Pythonスクリプト、Web版テキスト)
  • ISBN 9784758121712
  • 定価:3,850円(本体3,500円+税)
  • 発行済
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基本トピックを7章にわけ,法則・理論を重視したミニマムな解説と,具体的な問いから構成.厳選された45の問いと生物学的な意義を「少しずつ学ぶ」ことを通して,可能性や広がりに気づく教養としての生命科学

目次

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序章 物理・化学・数理的な生命のみかた

1章 生体分子:細胞をつくりあげる物質群

1.1 細胞を構成する有機化合物

1.2 タンパク質

タンパク質は複雑な立体構造を形成して機能を発揮する
例題1-1:タンパク質の分子量と等電点
[Biological Insights] なぜ分子量や等電点に注目するのか
電気泳動という実験方法
例題1-2:タンパク質の電気泳動パターンと分子量

1.3 脂質

例題1-3:生体膜を構成する脂質分子の個数
[Biological Insights] 生体膜とリポソーム

1.4 糖

1.5 核酸

演習 生体分子が情報を伝達する

演習1:情報伝達物質と受容体の結合定数

1章 まとめ

課題 タンパク質の構造表示

課題1:プリオンの構造をウェブ上で観察する
立体構造ビューア
[Biological Insights] タンパク質の立体構造の変化と線維化

2章 生命活動の駆動力:代謝と自由エネルギー

2.1 生命活動と自由エネルギー

例題2-1:ATPの自由エネルギー
[Biological Insights] 生体内におけるATP
例題2-2:代謝反応の自由エネルギーと平衡定数
[Biological Insights] 解糖系・糖新生・光合成で機能するGAPDH反応

2.2 自由エネルギーの保持物質としてのATPとNAD(P)H

例題2-3:酸化還元電位
[Biological Insights] 代謝のエネルギー効率は非常によい

2.3 基本的な代謝系

解糖系
クエン酸回路
光合成の炭素固定回路(カルビン-ベンソン回路)

2.4 酵素

酵素は2種類の特異性をもつ
酵素反応の特徴

2.5 酵素活性の調節

アロステリック制御
リン酸化による酵素活性の調節

演習 酵素反応のキネティクス

演習2-1:ミカエリス-メンテンの式の導出と実験データへの適用
[Biological Insights] 地球上で最も多い酵素RubisCO

演習 代謝系のキネティクス

演習2-2:一定の基質供給がある酵素反応

2章 まとめ

課題 酵素反応のシミュレーション

課題2:一定の基質供給がある酵素反応のシミュレーション

3章 遺伝情報

3.1 情報分子としての核酸

遺伝情報を担うDNAの特性

3.2 遺伝子

ゲノムと染色体と遺伝子
遺伝子型と表現型を区別して考える

3.3 DNAの複製

複製には鋳型とプライマーが必要である
複製とポリメラーゼ連鎖反応(PCR)
例題3-1:複製のしくみ―PCRを例に
[Biological Insights]遺伝子解析に欠かせない実験技術
複製はきわめて正確
例題3-2:DNAの情報量と複製のエラー率
[Biological Insights]ゲノム情報は最適化されているか

3.4 RNAへの転写

セントラルドグマ
DNA上には、転写の始まりと終わりの位置を指定する領域がある

3.5 真核生物のmRNAプロセシング

スプライシングの意義

3.6 リボソームはタンパク質合成(翻訳)の場

例題3-3:遺伝子とタンパク質の関係

演習 細胞分裂の回数

演習3-1:細胞分裂とテロメア
[Biological Insights]直鎖状DNAか環状DNAか?

演習 逆転写酵素をつかった検査法

演習3-2:遺伝子発現量の測定
[Biological Insights]新型コロナウイルスの検出方法(RT-PCR検査)

演習 ORFと制御にかかわる配列の関係

演習3-3:塩基配列の情報量
[Biological Insights]遺伝子と発現制御配列の並びは偶然(ランダム)ではない

3章 まとめ

課題 ゲノム情報の表示

課題3:遺伝情報データベースの利用

4章 細胞の構造と増殖

4.1 細胞の構造と細胞小器官

細胞小器官が存在する
例題4-1:細胞小器官の形態と物理的性質
[Biological Insights]膜系から関連を推定する
細胞骨格とモータータンパク質

4.2 細胞の分裂と増殖

細胞分裂の準備には4段階ある
細胞周期はサイクリンとCDKが制御する
細胞周期を進めてよいかのチェックポイント機構がある
細胞増殖は個体群成長などにもつながる概念である
例題4-2:細胞の増殖と競合
[Biological Insights]培養細胞集団の増殖におけるふるまい

4.3 細胞内小胞輸送

演習 空間・時間・エネルギーの階層性

演習4-1:生命の階層性
[Biological Insights]さまざまな階層、スケールを超えて共通する法則がある

演習 細胞内の反応と試験管内の反応は異なる

演習4-2:細胞内の混み合い
[Biological Insights]水溶液中とは異なる反応がみられる

演習 細胞内における生体分子の拡散と輸送

演習4-3:細胞内における生体分子の拡散と輸送
[Biological Insights]さまざまな伝達速度を使い分けている

4章 まとめ

課題 細胞内反応のモデル化

課題4:細胞周期のシミュレーション
考え方:細胞内反応を微分方程式で表す

5章 システムとしての生命の特性

5.1 生命のシステムにおけるネットワーク

5.2 遺伝子発現制御が形作るネットワークの基本形

例題5-1:転写の自己制御
例題5-2:2遺伝子の相互制御
[Biological Insights]バクテリオファージの溶原サイクルと溶菌サイクル
[Biological Insights]合成生物学

5.3 代謝制御とホメオスタシス

考え方:ネットワークモチーフ
例題5-3:転写ネットワークのモチーフ

演習 転写ネットワークとフィードバック回路

演習5-1 正と負のフィードバック回路

演習 分解を考慮した転写制御

演習5-2:転写制御のモデル
[Biological Insights]生体分子の分解

演習 分解を考慮した転写のフィードバック制御

演習5-3:転写のフィードバック制御
[Biological Insights]大腸菌は40個の自己制御の転写ネットワークをもつ
連続的な濃度効果を記述するためのヒル関数

5章 まとめ

課題 応答が早まる制御回路

課題5:インコヒーレントフィードフォワード回路による制御

6章 生命のダイナミクスとパターン形成

6.1 正のフィードバック回路を含むシステム

例題6-1:相互促進と相互抑制がつくる定常状態
考え方:アイソクライン分析
例題6-2:正のフィードバック回路のアイソクライン分析
[Biological Insights]隣接細胞間で相互抑制がみられるとどうなるか

6.2 要素の空間内移動を伴うシステム

6.3 反応拡散系

[Biological Insights]体表模様

6.4 高次の形態パターンの形成

[Biological Insights]モルフォゲンによる形態形成

演習 相互抑制の正のフォードバック回路例

演習6-1:Notch-Delta系による側方抑制
[Biological Insights]Notch-Delta系による側方抑制

演習 細胞における反応拡散系

演習6-2:2細胞のチューリングモデル

演習 初期発生におけるパターニング

演習6-3:胚のパターン形成
[Biological Insights]ショウジョウバエの体節形成原理

演習 植物ホルモンと発生・成長の調節

演習6-4:オーキシンの極性輸送と形態形成
[Biological Insights]葉や花の位置はどう決まるか

6章 まとめ

課題 ダイナミクスをシミュレーションする

課題6:チューリングパターン形成のシミュレーション

7章 マクロスケールのダイナミクス

7.1 生物間相互作用と生物群集

個体群の成長
ロトカ・ボルテラの競争系
例題7-1:競争関係の結末
[Biological Insights]共存できる条件
ロトカ・ボルテラの捕食系
現実的な捕食系

7.2 進化と系統

自然選択と適応進化
例題7-2:最適成長スケジュール
[Biological Insights]最適成長スケジュールの進化
発展:事前知識なしでの最適解探索
自然選択によらない進化:遺伝的浮動
例題7-3:ハーディ・ワインベルグ則の導出
[Biological Insights]お酒に弱い体質が証明する血縁関係
分子進化の中立説
分子系統樹

演習 変異の固定・消失

演習7:遺伝的浮動のシミュレーション

7章 まとめ

課題 数理モデルや最適化計算と生物学のさまざまな接点

課題7-1:海洋で見られるバイオマスの逆転
課題7-2:ポントリャーギンの最大化原理や動的計画法について調べてみよう
課題7-3:配列アラインメントと系統樹の作成
[Biological Insights]さまざまな系統樹作成法
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