物理・化学・数理から理解する生命科学
商品紹介
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
- 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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