物理・化学・数理から理解する生命科学

• 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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