现代生物物理学

课程编码：180081070205P3015H 英文名称：Biological Physics 课时：50 学分：2.50 课程属性：专业课 主讲教师：史华林等

细胞是生命最基本的结构单元和功能单元。从物理学角度看，细胞是复杂的介观小系统，其内部的物理化学过程受到热涨落的显著影响和调控，导致其内部构成（例如生物大分子数量、分布等）以及动态行为呈现出程度不一的异质性，而这种异质性很可能是主导很多生物过程（例如发育）的关键因素。受观测手段所限，传统生物学只能研究大量细胞或大量分子的平均行为。随着新型物理学观测和操控技术的发展，对细胞及其内部过程的研究已经从系综水平逐步推进到单细胞乃至单分子水平，形成了现代生物物理学。本课程的目的就是阐述现代生物物理学的一些基本概念、实验技术和理论方法，并结合实例分析分子与细胞层次的重要生物物理过程，尤其是单分子过程及单细胞过程。课程的核心是运用平衡及非平衡统计物理学的概念和模型来定量理解分子水平的生物过程。本课程面向具备一定普通物理学基础（力学、热学、电磁学等）的学生。通过本课程的学习，学生将对现代生物物理学获得较全面的了解，并初步掌握运用物理概念和模型分析生物现象的基本能力。

普通物理

第一章 生物学基础 6学时 黎明
第1节 细胞及生物分子简介
第2节 单分子力学、光学技术简介
第二章 生物系统热力学 6学时 黎明
第1节 热力学定律
第2节 生物系统中的典型熵力
第3节 化学热力学及自由能耦合原则
第三章 生物大分子结构与动态 9学时 黎明
第1节 大分子熵弹性的单分子实验及统计物理建模
第2节 RNA发夹的单分子实验及动力学建模
第3节 蛋白分子helix-coil转变的实验及统计物理建模
第4节 血红蛋白别构效应的实验及建模
第四章 扩散现象 6学时 黎明
第1节 平动/转动扩散、扩散方程、爱因斯坦关系等
第2节 分子扩散相关的实验测量：FCS，FRAP等
第3节 细胞扩散及趋化运动
第五章 生物分子机器 9学时 黎明
第1节 力学-化学耦合：扩散、棘轮原理
第2节 线动分子马达：驱动马达、聚合马达等，相关单分子实验及理论
第3节 转动分子马达：ATP合酶、鞭毛马达等，相关单分子实验及理论
第4节 中心法则相关的分子机器：DNA/RNA聚合酶、核糖体等，动态校验学说
第5节 嵌膜分子机器：离子通道、转运蛋白、离子泵等，电化学平衡与跨膜电位
第六章 细胞中的基因调控 12学时 史华林
第1节 基因调控简介
第2节 蛋白质－DNA相互作用：特异性、热力学、作用位点的搜索
第3节 基因表达调控：转录调控、后转录调控，相关统计物理模型
第4节 基因调控回路：动力学及稳定性分析、噪声及其传递等
第七章 系统生物学简介 2学时 史华林
第1节 生物系统的结构、动力学与生物功能
第2节 系统生物学研究范式

史华林，1992年毕业于国防科大应用物理系，1995年获中国原子能研究院原子核物理硕士学位，1998年在中科院理论物理研究所获理学博士学位后，赴美国特拉华大学巴托研究所作博士后研究工作，2000年底到中科院理论物理研究所工作。主要工作及成果：先后从事相对论核多体，凝聚态及统计物理的研究，最近几年主要从事稀薄原子气的玻色－爱因斯坦凝聚和He3－He4混合物量子小液滴等方面的研究，这些研究已经取得了国际该领域专家的认可，论文被多次引用。研究领域：原子气玻色－爱因斯坦凝聚及相关问题以及生物系统中的物理问题。