生物医学工程学生科研训练 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:西安交通大学出版社

作者:李天钢

出品人:

页数:215

译者:

出版时间:2007-7

价格:19.00元

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isbn号码:9787560524726

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• 生物医学工程
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《前沿生命科学探索：理论、方法与实践》 第一卷：基因组学与蛋白质组学 第一章：基因组测序技术的发展与应用 基因组学，作为现代生命科学的核心领域之一，深刻地改变了我们对生命本质的理解。本章将带领读者穿越基因组测序技术的波澜壮阔的发展历程，从最初的桑格测序法，到如今已然成熟的高通量测序（NGS）技术，如Illumina、PacBio和Oxford Nanopore等。我们将详细解析各类测序技术的原理，包括其在DNA片段化、文库构建、扩增、测序以及数据分析等各个环节的关键步骤。 桑格测序法： 回顾其历史地位，阐述其基于链终止反应的原理，以及其在早期基因组项目中的贡献，同时也分析其在通量和成本上的局限性。 新一代测序（NGS）技术： 重点介绍Illumina平台，包括其边合成边测序（SBS）的机制，以及其在高通量、低成本和准确性方面的优势。探讨其在全基因组测序（WGS）、外显子组测序（WES）、转录组测序（RNA-Seq）等方面的广泛应用。 长读长测序技术： 深入解析PacBio和Oxford Nanopore的单分子实时测序（SMRT）和纳米孔测序原理。着重讨论其在解决复杂基因组结构变异（SV）、基因组组装、全长转录本测序等方面的独特优势，以及其在宏基因组学、表观遗传学研究中的潜力。 测序数据分析流程： 详细介绍从原始测序数据（FASTQ文件）到可解读的基因组信息的转化过程。包括质控（如FastQC）、比对（如BWA、Bowtie2）、变异检测（如GATK、FreeBayes）、基因注释（如Ensembl、NCBI RefSeq）以及下游的功能分析。 基因组学研究的重大突破与应用： 结合实例，展示基因组学如何推动疾病诊断与治疗（如癌症基因组学、遗传病基因筛查）、农业育种（如作物基因改良）、微生物组研究（如肠道菌群与健康）以及进化生物学研究。 第二章：蛋白质组学：揭示生命的分子机器 如果说基因组学描绘了生命的蓝图，那么蛋白质组学则是在动态地解析这张蓝图是如何被阅读、被执行，并最终构成生命活动的核心分子机器——蛋白质。本章将系统介绍蛋白质组学的研究策略、核心技术以及其在生命科学和医学领域的广泛应用。 蛋白质组学的研究目标与挑战： 阐述蛋白质组学研究的目标，如蛋白质鉴定、定量、翻译后修饰（PTMs）分析、蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）研究等。同时，分析蛋白质组学研究面临的挑战，如蛋白质的复杂性、动态变化、丰度差异巨大等。 蛋白质鉴定与定量技术： 质谱（MS）技术： 重点介绍基于质谱的蛋白质鉴定和定量方法，包括液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）的原理和流程。详细讲解不同类型的质谱仪（如Orbitrap、TOF）及其优缺点。 消化与标记策略： 介绍酶解（如胰蛋白酶）以及多种蛋白质标记方法，如SILAC（稳定同位素标记的氨基酸）、iTRAQ/TMT（异体定量标记）等，及其在定量蛋白质组学中的作用。 定量策略： 区分不同的定量模式，如相对定量和绝对定量，以及基于峰面积、同位素比率的定量方法。 翻译后修饰（PTMs）研究： 详细介绍磷酸化、糖基化、乙酰化、甲基化等常见的PTMs，以及它们在调控蛋白质功能、信号传导和细胞活动中的关键作用。介绍富集PTMs的技术，以及使用质谱分析PTMs的方法。 蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）研究： 介绍 Yeast Two-Hybrid (Y2H)、Co-immunoprecipitation (Co-IP) 结合质谱，以及Proximity Ligation Assay (PLA) 等研究PPI的经典和新兴技术。 蛋白质组学在疾病研究中的应用： 结合案例，展示蛋白质组学在肿瘤标志物发现、疾病机制阐明、药物研发以及个性化医疗等方面的应用前景。例如，通过比较健康与疾病状态下的蛋白质表达谱，识别潜在的疾病诊断标志物和治疗靶点。 第二卷：细胞生物学与信号转导 第三章：细胞信号转导机制：从感知到响应 细胞是生命的基本单位，而信号转导则是细胞感知外界刺激、整合内部信息并作出精确响应的核心机制。本章将深入探讨各种细胞信号转导通路，理解其在维持细胞稳态、生长发育、免疫应答和疾病发生发展中的关键作用。 信号分子的类型与受体： 介绍内分泌、旁分泌、自分泌、突触信号以及细胞表面接触信号等多种信号传递方式。重点讲解激素、神经递质、生长因子、细胞因子等信号分子，以及G蛋白偶联受体（GPCRs）、酪氨酸激酶受体（RTKs）、核受体等多种受体家族的结构和激活机制。 核心信号转导通路： GPCRs信号通路： 详细解析GPCRs激活后，如何通过G蛋白介导，激活腺苷酸环化酶、磷脂酶C等效应分子，进而调控cAMP、IP3、DAG等第二信使的产生，并激活下游激酶（如PKA、PKC）的级联反应。 RTKs信号通路： 阐述RTKs的激活如何诱导自身磷酸化，并招募下游的衔接蛋白，激活MAPK通路、PI3K/Akt通路等，这些通路在细胞生长、分化、存活等方面发挥重要作用。 Wnt、Notch、Hedgehog等发育信号通路： 介绍这些在胚胎发育、组织再生中起关键作用的信号通路，以及它们在成人体内维持组织稳态和疾病（如癌症）发生中的复杂角色。 NF-κB信号通路： 重点分析其在免疫应答、炎症反应和细胞凋亡中的作用，以及其失调与多种疾病的关联。 第二信使的作用： 深入探讨cAMP、cGMP、Ca2+、IP3、DAG、ROS等多种第二信使在信号放大和传递中的作用，以及它们如何精细调控下游效应蛋白的活性。 信号整合与串扰： 分析不同信号通路之间如何相互交叉、整合信息，从而实现细胞对复杂刺激作出精确的、多层次的响应。 信号转导异常与疾病： 探讨多种疾病，如癌症、糖尿病、神经退行性疾病、自身免疫疾病等，与信号转导通路异常的紧密联系，以及靶向信号通路在药物研发中的策略。 第四章：细胞骨架与细胞运动 细胞骨架是赋予细胞形态、维持细胞结构稳定、介导细胞运动和物质运输的关键动态网络。本章将聚焦于细胞骨架的三大主要组成部分：微丝、微管和中间纤维，以及它们在细胞生物学中的重要功能。 微丝（Actin Filaments）： 结构与组装： 介绍肌动蛋白单体（G-actin）如何聚合形成双螺旋状的肌动蛋白丝（F-actin），以及其极性（正端和负端）和动力学特性（加速聚合和解聚）。 相关蛋白： 讲解肌动蛋白结合蛋白（如肌球蛋白、肌钙蛋白、肌凝蛋白）在肌肉收缩、细胞运动、细胞质流动以及细胞分裂中的作用。 细胞运动机制： 详细阐述细胞的伪足伸展、附着、收缩以及脱离等爬行运动机制，以及在伤口愈合、免疫细胞迁移等生理过程中的重要性。 微管（Microtubules）： 结构与动力学： 描述微管由α-微管蛋白和β-微管蛋白二聚体组成，以及其作为细胞内“轨道”的作用。讨论其动态不稳定性（dynamic instability）的特点，以及与微管相关蛋白（MAPs）的功能。 细胞器运输： 讲解驱动蛋白（kinesins）和动力蛋白（dyneins）如何利用微管进行囊泡、细胞器以及染色体在细胞内的长距离运输。 细胞分裂： 重点阐述微管在有丝分裂和减数分裂中形成纺锤体，并实现染色体分离的关键作用。 纤毛和鞭毛： 介绍由微管组成的纤毛和鞭毛的结构（9+2排列），以及其在细胞运动和液体流动中的功能。 中间纤维（Intermediate Filaments）： 结构与多样性： 描述中间纤维具有高度的化学稳定性，其组成蛋白（如角蛋白、波形蛋白、神经胶质纤维酸性蛋白）在不同细胞类型和组织中具有多样性。 力学支持与细胞粘连： 阐述中间纤维如何提供细胞的机械强度，抵抗机械应力，以及在细胞与细胞、细胞与细胞外基质的粘附中发挥作用。 细胞骨架的相互作用与整合： 分析微丝、微管和中间纤维之间如何通过多种衔接蛋白相互连接，协同工作，共同维持细胞的结构和功能。 细胞骨架异常与疾病： 探讨与细胞骨架功能障碍相关的疾病，如肌萎缩侧索硬化症（ALS）、遗传性大疱性表皮松解症以及某些癌症的转移。 第三卷：免疫学与神经科学 第五章：免疫系统：守护健康的精密防线 免疫系统是一个极其复杂而精密的生物防御体系，它能够识别并清除外来病原体，同时区分自身与非己，维持机体稳态。本章将系统介绍免疫系统的组成、工作原理以及其在抵御疾病中的核心作用。 免疫系统的两大分支： 固有免疫（Innate Immunity）： 详细讲解巨噬细胞、中性粒细胞、树突状细胞等吞噬细胞，NK细胞，以及补体系统、细胞因子和趋化因子在快速、非特异性防御中的作用。阐述模式识别受体（PRRs）如何识别病原相关分子模式（PAMPs）和损伤相关分子模式（DAMPs）。 适应性免疫（Adaptive Immunity）： 深入阐述淋巴细胞（B细胞和T细胞）的产生、发育和激活过程。 B细胞与体液免疫： 介绍B细胞如何产生抗体，抗体的结构、功能以及其在中和毒素、阻止病原体入侵和激活补体系统中的作用。 T细胞与细胞免疫： 分类讲解辅助性T细胞（Th细胞）、细胞毒性T细胞（Tc细胞）以及调节性T细胞（Treg细胞）的功能。阐述MHC分子在呈递抗原给T细胞中的关键作用。 免疫应答的协调： 分析免疫细胞之间如何通过细胞因子和直接接触进行信号交流，协调启动和调节免疫应答。 免疫记忆： 解释适应性免疫产生免疫记忆的机制，以及其在疫苗接种和预防再感染中的重要性。 免疫失调与疾病： 免疫缺陷病： 介绍原发性和继发性免疫缺陷病，如艾滋病（AIDS）等。 自身免疫病： 阐述免疫系统错误攻击自身组织的机制，如类风湿关节炎、系统性红斑狼疮等。 过敏反应： 讲解免疫系统对无害物质产生过度反应的机制。 免疫与癌症： 探讨免疫监视在抑制肿瘤生长中的作用，以及免疫疗法（如免疫检查点抑制剂）的最新进展。 疫苗的原理与应用： 介绍不同类型疫苗（灭活疫苗、减毒活疫苗、亚单位疫苗、mRNA疫苗等）的设计原理，及其在预防传染病中的巨大贡献。 第六章：神经科学：探索大脑的奥秘 神经科学是研究神经系统结构、功能、发育、遗传、生物化学、生理学、药理学和病理学的科学。本章将带领读者走进神经系统的迷人世界，理解神经元的工作机制、信号传递方式以及大脑如何产生意识、学习、记忆和情感。 神经元的结构与功能： 基本结构： 介绍神经元的细胞体、树突、轴突、突触等基本结构，以及它们在接收、整合和传递神经冲动中的分工。 离子通道与静息电位： 解释细胞膜内外离子浓度差异如何维持静息电位，以及钠钾泵在维持这种稳态中的作用。 动作电位（Action Potential）： 详细阐述膜电位去极化、复极化、超极化等过程，以及电压门控离子通道在动作电位产生和传播中的关键作用。 突触传递： 化学突触： 重点介绍神经递质（如谷氨酸、GABA、乙酰胆碱、多巴胺、血清素）的释放、与突触后受体结合，以及如何引起突触后电位的变化（兴奋性突触后电位 EPSP 和抑制性突触后电位 IPSP）。 电突触： 简述电突触的结构和信号传递特点。 神经递质与神经调质： 介绍不同类型神经递质和神经调质的作用，以及它们在调节情绪、认知、运动和生理功能中的重要性。 神经可塑性（Neuroplasticity）： 阐述神经元之间的连接强度可以改变的现象，以及其在学习、记忆形成和脑损伤恢复中的关键作用。介绍长时程增强（LTP）和长时程抑制（LTD）等机制。 感觉、运动与认知： 感觉处理： 简要介绍感觉信息（视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉）如何被转化为神经信号，并传递到大脑进行处理。 运动控制： 阐述大脑如何规划、执行和协调肌肉运动。 认知功能： 探讨大脑如何产生意识、进行思考、决策、记忆和语言。 神经系统疾病： 介绍阿尔茨海默病、帕金森病、抑郁症、精神分裂症等神经系统疾病的发病机制和治疗策略。 第四卷：生物信息学与计算生物学 第七章：生物信息学基础：海量数据的挖掘与解析 随着高通量生物技术的发展，生命科学领域产生了海量的基因组、转录组、蛋白质组等数据。生物信息学作为连接生物学与计算机科学的桥梁，为这些数据的存储、管理、分析和解释提供了强大的工具和方法。本章将介绍生物信息学的基本概念、常用数据库以及核心分析工具。 生物信息学概述： 定义生物信息学，阐述其在生命科学研究中的重要性，以及其与计算生物学的关系。 生物数据库： 序列数据库： 介绍NCBI GenBank、EBI ENA、DDBJ等核酸序列数据库，以及UniProt、PDB等蛋白质序列和结构数据库。 基因组数据库： 介绍UCSC Genome Browser、Ensembl等基因组浏览器，以及特定物种的基因组数据库。 文献数据库： 介绍PubMed、Google Scholar等，以及其与生物信息学分析的关联。 序列比对： 局部比对与全局比对： 讲解BLAST、FASTA等算法的原理，以及其在搜索同源序列、基因家族鉴定中的应用。 多序列比对： 介绍Clustal Omega、MUSCLE等工具，以及其在构建系统发育树、研究序列保守性中的作用。 基因预测与功能注释： 讲解基因预测软件（如Glimmer, Augustus）的基本原理，以及如何利用数据库信息对基因进行功能注释。 蛋白质结构预测与分析： 介绍蛋白质二级结构、三级结构预测的方法，以及PDB数据库在解析蛋白质三维结构中的作用。 进化分析： 系统发育树构建： 介绍Neighbor-Joining、Maximum Likelihood等方法，以及其在揭示物种进化关系、基因进化历程中的应用。 分子钟理论： 简述分子钟理论及其在估算物种分化时间中的应用。 生物信息学在实际研究中的应用： 疾病基因定位： 如何利用GWAS数据和生物信息学工具寻找与疾病相关的基因。 药物设计与筛选： 如何利用数据库和预测工具加速新药的研发。 宏基因组学分析： 如何分析微生物群落的组成和功能。 第八章：计算生物学前沿：建模与模拟 计算生物学在生物信息学的基础上，更进一步利用数学模型和计算方法来模拟生物过程，探索复杂的生物系统，并对实验结果进行预测和验证。本章将介绍计算生物学中的一些核心方法和应用。 生物系统的建模： 数学模型： 介绍基于常微分方程（ODEs）和偏微分方程（PDEs）的动力学模型，用于描述细胞信号通路、代谢网络等。 统计模型： 介绍在基因表达分析、疾病风险预测等领域使用的统计模型。 基于主体的模型（Agent-Based Models, ABMs）： 讲解如何模拟大量个体（如细胞、生物体）的集体行为。 计算模拟技术： 分子动力学模拟（Molecular Dynamics, MD）： 详细介绍MD模拟如何模拟原子和分子的运动，研究蛋白质折叠、药物-靶点相互作用等。 蒙特卡洛模拟（Monte Carlo, MC）： 介绍MC模拟在优化问题、统计物理学以及生物系统的随机过程模拟中的应用。 系统生物学： 阐述系统生物学的目标，即通过整合多组学数据和计算模型，对生命系统进行整体理解。介绍网络分析（如基因调控网络、蛋白质相互作用网络）在系统生物学中的作用。 计算建模在药物研发中的应用： 虚拟筛选： 如何利用计算方法快速筛选大量化合物，预测其与靶点的结合能力。 药物动力学/药效学（PK/PD）建模： 如何模拟药物在体内的吸收、分布、代谢和排泄过程，预测药物的疗效和毒性。 计算生物学在进化和生态学中的应用： 群体遗传学模拟： 如何模拟基因频率的改变、遗传漂变等，研究物种的进化历史。 生态系统建模： 如何模拟物种间的相互作用、能量流动等，预测生态系统的动态变化。 机器学习与深度学习在生物学中的应用： 介绍机器学习算法（如支持向量机SVM、随机森林）和深度学习模型（如卷积神经网络CNN、循环神经网络RNN）在图像识别、序列预测、基因功能预测等方面的最新进展。 第五卷：前沿交叉领域与未来展望 第九章：合成生物学：设计与构建人工生命系统 合成生物学是一个新兴的交叉学科，旨在理解、重构和创造生物系统，以实现特定的功能。本章将介绍合成生物学的基本理念、关键技术以及其在生物医药、能源、材料等领域的应用潜力。 合成生物学的基本原则： 标准化、模块化、抽象化等设计理念。 DNA合成与基因编辑技术： 介绍DNA化学合成技术的发展，以及CRISPR-Cas9等基因编辑工具如何实现精确的基因改造。 基因回路的设计与构建： 讲解如何设计和构建能够执行逻辑功能的基因线路，如开关、振荡器、滤波器等。 人工基因组与最小基因组： 介绍人工合成全基因组的挑战与进展，以及最小基因组的概念。 合成生物学在生物医药领域的应用： 工程菌与药物生产： 如何改造微生物生产天然产物、疫苗、诊断试剂等。 基因治疗与细胞治疗： 如何利用合成生物学原理设计和优化基因疗法和CAR-T细胞疗法。 生物传感器： 如何设计能够检测特定物质的生物传感器。 合成生物学在能源与环境领域的应用： 生物燃料生产： 如何改造微生物提高生物燃料的产量和效率。 生物修复： 如何利用工程微生物降解污染物。 生物材料的开发： 如何设计和合成具有特殊功能的生物材料。 合成生物学面临的伦理与安全挑战： 探讨合成生物学研究可能带来的伦理、安全和社会影响，以及相应的监管和规范。 第十章：纳米生物学与生物医学成像 纳米技术在生物学和医学领域的融合催生了纳米生物学。本章将探讨纳米材料如何用于疾病诊断、药物递送以及生物成像，以及纳米技术在微观层面洞察生命活动的新方法。 纳米材料的生物学应用： 纳米颗粒在药物递送中的应用： 介绍脂质体、聚合物纳米粒、金纳米粒等如何用于靶向药物递送，提高药物疗效，降低毒副作用。 纳米探针与生物传感： 讲解纳米材料如何作为荧光探针、磁共振造影剂等，用于体外和体内的生物检测。 纳米材料在组织工程中的应用： 介绍纳米支架如何促进细胞生长和组织再生。 生物医学成像技术： 光学成像： 介绍荧光显微镜、共聚焦显微镜、超分辨率显微镜等技术，以及其在观察细胞结构、分子动态过程中的应用。 磁共振成像（MRI）： 讲解MRI的原理及其在软组织成像、功能成像中的应用。 计算机断层扫描（CT）： 介绍CT成像的原理和在骨骼、器官成像中的应用。 PET/SPECT成像： 讲解核医学成像技术如何用于示踪和功能研究。 纳米技术在生物成像中的作用： 探讨如何利用纳米材料提高成像分辨率、对比度和特异性。 纳米技术在疾病诊断中的应用： 早期诊断： 如何利用纳米传感器检测极低浓度的生物标志物，实现疾病的早期诊断。 分子成像： 如何在分子水平上可视化疾病过程。 纳米技术与基因治疗： 介绍如何利用纳米载体递送基因，实现基因治疗。 纳米生物学面临的挑战与未来展望： 探讨纳米材料的生物相容性、毒性评估以及大规模生产等问题，并展望纳米生物学在精准医疗、再生医学等领域的广阔前景。 附录：科研方法论与伦理考量 本部分将探讨生命科学研究的通用方法论，以及在进行科研活动时必须遵循的伦理准则。 科研问题的提出与设计： 如何从观察中发现问题，如何设计合理的实验方案来验证假设。 实验数据的收集与分析： 强调数据记录的规范性、实验的可重复性，以及统计学在数据分析中的应用。 科研论文的撰写与发表： 介绍科研论文的结构、写作要点以及学术发表的流程。 生物安全与伦理规范： 详细阐述在涉及基因工程、转基因生物、动物实验等研究中的安全操作规程和伦理审查要求，强调科学研究的社会责任。 本书旨在为有志于探索生命奥秘的研究者提供一个全面而深入的视角，涵盖生命科学前沿的多个重要领域。通过理论与实践的结合，读者将能够掌握研究生命现象所必需的核心知识和技术方法，为未来的科学探索奠定坚实的基础。

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