生物力学/物理绪论¶

机械力作为生物信号，在生命活动中至关重要。

单分子力学实验测量方法

AFM（Atomic Force Microscopy）
- 叫做原子力显微镜，但实则测量分子力...
- 分辨率：1 nN, 1 Å
光镊（Optical Tweezers）
- 用光阱捕获 bead，连接在bead上的DNA移动产生偏移，从而产生回复力
- 1 - 50 pN, < 1 nm
- 极其精密的仪器
磁镊
- 比光镊精度低

统计力学高光时刻

DNA 不仅有扭转刚度，也具有弯曲刚度

WLC model（Worm-Like Chain Model）完美拟合DNA的力学行为，统计力学在生物研究领域的地位 up up！

分子尺度下，“力”这个物理量还有意义吗？

细胞的物理生物学常用单位

生物大分子的尺度：\(\mathrm{nm}\)
细胞的典型尺寸：\(10 \, \mathrm{\mu m}\)
时间尺度
- 飞秒（femto-second, \(\mathrm{fs} = 10^{-15} \, \mathrm{s}\)）
  - 化学键断裂
- 皮秒（pico-second, \(\mathrm{ps} = 10^{-12} \, \mathrm{s}\)）
  - 水分子的取向（转动弛豫）
- 纳秒
  - 蛋白质的构象变化
- 微秒
  - 蛋白质的折叠（较小的蛋白质）
- 毫秒
力：皮牛（\(\mathrm{pN} = 10^{-12} \, \mathrm{N}\)）
能量：\(1 \, k_{\mathrm{B}} T = 0.6 \, \mathrm{kcal/mol} = 2.5 \, \mathrm{kJ/mol} = 4.1 \, \mathrm{pN \cdot nm}\)

能量通货¶

一轮糖酵解：2 ATP + 2 NADH

水解：ATP -> ADP + \(20 \, k_{\mathrm{B}} T\)

\[ \text{NADPH} \longrightarrow \text{NADP}^+ + \underset{\text{可合成约 2~3 个ATP}}{\text{Energy}} \]

Deterministic and thermal forces

在生物大分子尺度，热涨落变得不可忽略，物理图像需要转变到热力学统计力学！

自由能反映能量和熵之间的竞争

\[ G = \underset{\text{Gibbs}}{{\underbrace{\overset{\text{Helmholtz}}{\overbrace{E - TS}} + pV}}} \]

分子马达打包压缩DNA为染色体

Kinesin：inchworm 模式行走（hand-over-hand 模式行走？）

ATP 合成酶：利用质子的浓度梯度产生的熵力驱动 ATP 的合成

细胞中主要能量形式