生物分子馬達的統(tǒng)計物理與復雜輸運

目錄
叢書序
前言
第1章 生命活動中的分子馬達 1
1.1 生物分子馬達概述 1
1.1.1 馬達蛋白 2
1.1.2 分子馬達類型及簡單的工作原理 3
1.1.3 分子馬達的結構 5
1.1.4 分子馬達的工作環(huán)境 6
1.2 分子馬達非平衡態(tài)能量的實驗研究進展 8
1.2.1 分子馬達的單分子觀測 8
1.2.2 馬達蛋白的微觀可逆性和非平衡驅動 11
1.2.3 生物分子馬達非平衡能量耗散的實驗研究 11
1.3 分子馬達研究的實際問題 15
1.3.1 分子細節(jié)的重要性 15
1.3.2 ATP 水解的分子基礎 16
1.3.3 馬達效率和優(yōu)化 16
1.3.4 生物分子馬達的復雜性與協(xié)調一致性 17
參考文獻 19
第2章 分子馬達的統(tǒng)計動力學理論 25
2.1 布朗運動理論的歷史評述 25
2.2 分子馬達的朗之萬方程描述 28
2.3 朗之萬方程的無量綱化方法 29
2.3.1 時間標度 30
2.3.2 運動方程的重新標度 31
2.3.3 驅動蛋白建模的估算與應用 33
2.4 朗之萬方程的數(shù)值計算 34
2.4.1 過阻尼朗之萬方程的數(shù)值計算方法.34
2.4.2 欠阻尼朗之萬方程的一般數(shù)值計算方法 36
2.4.3 其他形式欠阻尼朗之萬方程的數(shù)值計算方法 38
2.5 ?？藸枿C普朗克方程及其典型解 41
2.5.1 ?？藸枿C普朗克方程的解析求解實例 43
2.5.2 福克爾–普朗克方程的數(shù)值求解實例 49
2.6 漲落–響應關系及Harada-Sasa等式 52
2.6.1 平衡態(tài)情況：漲落–響應關系 53
2.6.2 非平衡態(tài)情況：Harada-Sasa等式 54
2.6.3 Harada-Sasa等式的數(shù)學證明 55
2.6.4 Harada-Sasa等式的進一步說明 59
參考文獻 60
第3章 布朗棘輪的非平衡態(tài)輸運理論 63
3.1 布朗棘輪的引入與相關理論發(fā)展 63
3.1.1 棘輪模型的引入 63
3.1.2 棘輪系統(tǒng)的數(shù)學物理建模 64
3.1.3 生物分子馬達、布朗馬達與布朗棘輪 65
3.1.4 棘輪效應 66
3.1.5 棘輪模型的發(fā)展 67
3.2 棘輪效應實例：熱噪聲控制棘輪的定向輸運 68
3.2.1 雙噪聲棘輪模型 69
3.2.2 噪聲誘導棘輪的定向輸運 72
3.3 幾種典型棘輪模型的解析方法 74
3.3.1 力熱棘輪的解析方法 75
3.3.2 熱驅動布朗熱機的解析方法 77
3.3.3 閃爍布朗棘輪的解析求解 79
3.4 持續(xù)蛋白馬達步進速度的優(yōu)化研究 82
3.4.1 驅動蛋白馬達模型 82
3.4.2 馬達蛋白的反向步進及速度優(yōu)化的統(tǒng)計力學分析 84
3.5 布朗棘輪的擴散與輸運品質的優(yōu)化策略 87
3.5.1 布朗棘輪擴散的計算方法 88
3.5.2 布朗棘輪的輸運品質 Peclet數(shù)的計算 90
3.5.3 小隨機性下輸運品質的優(yōu)化分析實例 91
3.6 布朗棘輪的隨機共振 95
3.6.1 隨機共振現(xiàn)象 95
3.6.2 布朗棘輪的隨機共振理論 96
3.7 熱平衡漲落誘導布朗棘輪的反常輸運 99
3.7.1 確定性慣性動力學的絕對負遷移率行為 100
3.7.2 噪聲誘導的絕對負遷移率行為 102
3.7.3 反常輸運的相關研究與進展 104
參考文獻 105
第4章 布朗棘輪的輸運效率理論 111
4.1 布朗熱機效率概述 111
4.1.1 **熱機效率概述 111
4.1.2 布朗熱機的發(fā)展概況 112
4.2 生物分子馬達的近平衡態(tài)效率.113
4.2.1 分子馬達效率的研究現(xiàn)狀 114
4.2.2 分子馬達效率的一般計算方法 114
4.3 分子馬達的斯托克斯效率理論 117
4.3.1 斯托克斯效率理論 117
4.3.2 分子馬達斯托克斯效率的物理意義 118
4.4 布朗熱機的廣義效率 119
4.4.1 分子馬達的廣義效率 119
4.4.2 熱驅動布朗熱機的廣義效率計算實例 120
4.5 布朗棘輪不同效率的計算方法.123
4.5.1 能量轉換效率、斯托克斯效率與廣義效率 123
4.5.2 布朗棘輪輸入能的理論計算 124
4.5.3 布朗棘輪效率的計算實例 126
4.6 布朗棘輪效率的隨機能量學理論與應用 127
4.6.1 隨機能量學理論 127
4.6.2 不同外部條件下總能量消耗 R的計算方法 128
4.6.3 布朗棘輪隨機能量學的效率計算方法 131
參考文獻 131
第5章 不同勢場中布朗棘輪的復雜輸運 135
5.1 兩態(tài)閃爍布朗棘輪的概率流特性 135
5.1.1 兩態(tài)閃爍布朗棘輪模型 136
5.1.2 概率流的解析求解 137
5.1.3 躍遷率之比μ=1時概率流的特性*線 140
5.1.4 躍遷率之比μ的影響.143
5.2 粗糙棘輪中耦合布朗粒子的定向輸運 145
5.2.1 粗糙棘輪模型 145
5.2.2 擾動振幅ε的影響 148
5.2.3 耦合強度k的影響 149
5.2.4 擾動波數(shù)H的影響 150
5.2.5 粗糙棘輪的流反轉 152
5.3 行波棘輪中布朗粒子的輸運性能 153
5.3.1 行波棘輪模型 153
5.3.2 速度–驅動速度行為 156
5.3.3 平均速度*大值、解鎖速度與形狀參數(shù).157
5.3.4 能量轉換效率與外力 158
5.3.5 斯托克斯效率與行波速度 160
參考文獻 160
第6章 溫度驅動棘輪的非平衡態(tài)性能 164
6.1 熱驅動布朗棘輪的非平衡態(tài)熱力學分析 164
6.1.1 不可逆熱驅動布朗棘輪模型 164
6.1.2 熱驅動布朗棘輪的昂薩格系數(shù) 166
6.1.3 熱驅動布朗棘輪*大輸出功率時的效率 169
6.2 熱驅動布朗棘輪的廣義效率 170
6.2.1 熱驅動布朗棘輪模型 170
6.2.2 熱驅動布朗棘輪廣義效率的計算 173
6.2.3 廣義效率的進一步討論 176
6.3 雙溫棘輪中耦合布朗馬達的流反轉 179
6.3.1 耦合雙溫棘輪模型 180
6.3.2 耦合強度誘導流反轉 183
6.3.3 耦合自由長度誘導流反轉 184
6.3.4 勢非對稱系數(shù)誘導流反轉 187
參考文獻 190
第7章 反饋控制棘輪的復雜輸運 194
7.1 布朗棘輪的反饋控制理論 194
7.1.1 瞬時速度*大化策略 194
7.1.2 *大凈位移策略 195
7.1.3 有限信息下的反饋控制 196
7.2 瞬時速度*大化策略下反饋耦合棘輪的輸運品質 198
7.2.1 反饋耦合棘輪模型 198
7.2.2 反饋耦合棘輪的定向輸運 202
7.2.3 反饋耦合棘輪的能量轉換效率 206
7.2.4 反饋耦合棘輪的流反轉現(xiàn)象 209
7.3 延遲反饋控制下耦合布朗棘輪的定向輸運性能 212
7.3.1 延遲反饋控制棘輪 212
7.3.2 延遲反饋棘輪的流與效率 214
7.3.3 外偏置力作用下的流與擴散 215
7.3.4 延遲時間作用下的流與擴散 217
7.3.5 定向輸運效率 218
7.4 延遲反饋控制下耦合慣性布朗粒子的共振流 220
7.4.1 延遲反饋控制下的步行者模型 221
7.4.2 延遲反饋棘輪的絕對負遷移率 222
7.4.3 延遲效應 224
7.4.4 延遲反饋棘輪中的共振流與同步 224
7.4.5 共振流的理論預測與數(shù)值驗證 227
參考文獻 229
第8章 摩擦棘輪的復雜輸運 233
8.1 過阻尼摩擦不對稱耦合棘輪的定向輸運 233
8.1.1 過阻尼摩擦棘輪模型 234
8.1.2 彈簧自由長度l的影響 236
8.1.3 耦合強度k的影響 237
8.1.4 外力振幅A的影響 238
8.1.5 摩擦系數(shù)比α的影響 239
8.2 慣性摩擦棘輪中二聚體的定向輸運特性 239
8.2.1 慣性摩擦棘輪模型 240
8.2.2 耦合強度k的影響 242
8.2.3 摩擦系數(shù)比α的影響 243
8.2.4 慣性摩擦棘輪的反常輸運與流反轉 246
8.2.5 慣性摩擦棘輪的共振流 247
參考文獻 248
第9章 生物分子馬達研究的應用與展望 251
9.1 聚焦小系統(tǒng)的隨機熱力學 251
9.1.1 小系統(tǒng)隨機熱機 251
9.1.2 分子馬達 252
9.1.3 漲落定理 252
9.1.4 信息熱機 252
9.1.5 涌現(xiàn)動力學 253
9.1.6 基礎概念的探索 253
9.2 生物分子馬達的應用研究與挑戰(zhàn) 254
9.2.1 線性生物分子馬達的應用 255
9.2.2 旋轉生物分子馬達的應用 260
9.2.3 集體效應及應用 260
9.2.4 生物分子馬達研究的限制與挑戰(zhàn) 264
參考文獻 267
后記 274