（凝聚态物理专业论文）dna电子结构性质研究.pdf

山东人学硕 学位论文 摘要 文中先对d n a 分子的基本概念和分子结构做了基本的描述，同时介绍了国 内外对d n a 分子导电机理的研究结论及近况，提出了我们研究工作的实际意义。 d n a 是由两条多核苷酸链组成的，这两条核苷酸链通过碱基的互补配对相互缠 绕形成一种双螺旋结构。其中的任何一条链都是由两种嘌呤和两种嘧啶组成，并 且一个链上的嘌呤总是通过氢键与另一条链上的嘧啶相结合，而且嘌呤和嘧啶配 对的方式总是固定的，腺嘌呤a 与胸腺嘧啶t 配对，鸟嘌呤g 与胞嘧啶c 配对。 1 9 5 9 年，p u l l m a n 等人率先计算和测量了d n a 的电导率，拉开了对d n a 导电 性质研究的序幕。随后的4 0 多年中，人们在实验上对d n a 的电性质进行了大 量的研究，但并没有取得一致的结论。1 9 9 3 年，d u n l a p 等观测到d n a 是绝缘 体。1 9 9 8 年，b r a u n 等人制造纳米级镀银d n a 导线时，也提出了相同说法。2 0 0 0 年，p o r a t h 等指出d n a 可能成为一个半导体，同年，c a i 等也提出d n a 是良好 的半导体：而且导电性还与d n a 序列有关。1 9 9 9 年，瑞士巴塞尔大学的f i n k 的研究小组的试验表明d n a 可以作为导体。2 0 0 1 年，k a s u m o v 等通过试验， 观察到邻近碱基对的激发超导现象。实验测量得到的不同结论，使得人们试图从 理论中给出适当的解释。 众所周知，d n a 是一种软分子，因此巡游电子数目对其能带结构有不可忽 视的影响，它的变化可能直接导致d n a 导电性质的变化。在前期的调研过程中， 我们发现没有关于d n a 巡游电子数的确切的说法，因此在实际工作中，重点考 虑了巡游电子数变化对d n a 分子导电性的影响。 首先利用修正的准一维紧束缚模型研究了d n a 分子在巡游电子数目变化的 情况下能带结构中的能隙，分析了d n a 分子导电性质发生变化的可能的原因。 发现随着巡游电予数的变化，d n a 分子能带结构中费米能级上的能隙随之改变， 使得整个体系呈现不同的导电性质，分别倾向于导体，半导体，绝缘体性质。 其次，由于d n a 内部结构的复杂性，人们一直在寻找一个最为恰当的模型 来对它进行研究。文中采用了一个最近建立的二维研究模型，考虑关联效应，应 用单电子近似及微扰论，研究了d n a 的能带结构和态密度。结果中发现随着巡 游电子数的改变，d n a 分子能带结构中费米能级上的能隙发生了变化。得到的 山东大学碗j ：学位论文 结果与一维模型的结果进行对比和讨论，发现计算结果是相近似的，由此得到 d n a 分子在理论分析计算中确实可以看作一个准一维模型。 此外，任何一条d n a 链的排序可能都是不同的。计算结果表明不同序列的 d n a 分子导电性有很大的差异，有序的d n a 链导电性好于无序的d n a 链。并 且，组成有序d n a 链的碱基对越少，这条d n a 链的导电性就越好。对于无序 的d n a 链，随着系统中巡游电子数的变化，整个d n a 链能带结构中的能隙也 随之改变，导电性倾向于半导体或绝缘体，从而进一步解释了为什么不同的d n a 片段会展现不同的导电性质。 研究的结果都是关于原始状态下的d n a 的导电性质，同时对未来的工作提 出了展望，指出能通过物理化学方法处理d n a ，改进其导电性能，使其更适合 用于制作分子器件。 主题词：d n a ，巡游电子，能隙，态密度 儿 山东久学顺 + 学位 奁之 a b s t r a c t i nt h et h e s i s ，w ei n t r o d u c et h eb a s i c c o n c e p t i o na n dt h e s t r u c t u r eo fd n a m o l e c u l e s 、a n dd e s c r i b et h en e w e s tr e s e a r c hd e v e l o p m e n ta b o u tt h ec o n d u c t i v i t y p r i n c i p l e s o ft h ed n ai n t h ew h o l ew o r l d w h i c hs h o w s w h yw es t u d y t h e c o n d u c t i v i t yo f t h ed n a 。t h ed n ai sm a d e u po f p , v op i e c e so fn u c l e o s i d ec h a i n s ， w h i c ha r em a d ef r o mb a s e p a i r st oak i n do f h e l i xs t r u c t u r e e v e r yc h a i ni sm a d eu po f t w ok i n d so f p u r i n e sa n dp y r i d i n e s ，a n dt h ep u r i n ei no n ec h a i na l w a y sc o n n e c t sw i t h t h e p y r i d i n e i nt h eo t h e rc h a i n b yt h eh y d r o g e nb o n d ，i t s m o r e i m p o r t a n tt h a t a d e n i n e ( a ) m u s tc o n n e c t w i t ht h y m i n e ( t ) a n dg u a n i n e ( g ) m u s tc o n n e c tw i t h c y t o s i n e ( c ) i n19 5 9 ，p u l l m a n e ta lm e a s u r e da n dc a l c u l a t e dt h ec o n d u c t i v i t yo ft h e d n a ，w h i c hw a st h eb e g i n n i n gt os t u d yt h ec o n d u c t i v ep r o p e g yo ft h ed n a s i n c e t h e n ，p e o p l eh a v ed o n em u c he x p e r i m e n t a lr e s e a r c hw o r ka b o u tt h ec o n d u c t i v i t yo f t h ed n af o rm o r et h a n4 0 y e a r s ，b u tt h e r eh a s h tb e e naw i d e l ya c c e p t e dc o n c l u s i o n b y n o w i n19 9 3 ，d u n l a pe ta it h o u g h tt h a tt h ed n aw a st h ei n s u l a t o r i n19 9 8 。b r a u n e ta lg o tt h es a m er e s u l t i n2 0 0 0 ，p o r a t ha n dc a ie ta lo b s e r v e dt h a tt h ed n a m a y b e t h es e m i c o n d u c t o ra tt h ea l m o s ts a m et i m e ，i n1 9 9 9 ，f i n ke ta tt h o u g h tt h ed n aw a s t h ec o n d u c t o r i n2 0 0 t ，k a s u m o ve ta lt h o u g h tt h ed n a m a yb et h es u p e r c o n d u c t o r b a s e do nt h ea b o v e r e s u l t s p e o p l et r yt oe x p l a i nt h e i rr e a s o n si nt h et h e o r y i nt h ep a p e r sp u b l i s h e d ，w ec a r l tk n o we x a c t l yh o w m a n yi t i n e r a n te l e c t r o n s t h e r ea r ei nt h ed n a a sw ek n o w , t h ed n ai s “s o f tm o l e c u l e ”s ot h en u m b e ro f i t i n e r a n te l e c t r o n sm a yi n d u c et h ec o n d u c t i v i t yo f t h ed n at oc h a n g e ，i no u rr e s e a r c h w o r k ，w ep u te m p h a s i so nt h en u m b e ro ft h ei t i n e r a n te l e c t r o n s ，t h a ti s ，i tc a nc h a n g e a tf i r s t ，w eu s eam o d i f i e ds s hm o d e lt os t u d yt h ee n e r g yb a n do ft h ed n a w h e nt h en u m b e ro fi t i n e r a n te l e c t r o n sc h a n g e s ，w e p a y a t t e n t i o nt ot h e g a p i ne n e r g y b a n d w ef i n dt h a tt h e g a pc h a n g e sf o l l o w i n g t h ev a r i o u sn u m b e r so fi t i n e r a n t e l e c t r o n s a sar e s u l t ，t h ew h o l e s y s t e mi si n c l i n e dt ot h ei n s u l a t o r , s e m i c o n d u c t o r ，o r c o n d u c t o n s e c o n d t nd u et o t h ec o m p l e x i t yo ft h ed n a ，p e o p l ea t w a y sl 拶t os e t u p ；l r t l l l 山东人学顾卜学位论义 a p p r o p r i a t em o d e lt os t u d yi t i n t h i st h e s i s w ec i t ean e wt w o - d i m e n s i o nm o d e l ， a p p r o x i m a t e l y c o n s i d e r t h er e l a t i o n a le f f e c t ，a n d a p p l y t h eo n e - e l e c t r o n a p p r o x i m a t i o na n dt h ed i s t u r b a n c et h e o r yt os t u d yt h ee n e r g yb a n da n dd e n s i t yo f s t a t e so ft h ed n aa ss a m ea st h er e s u l tf r o mt h eo n e d i m e n s i o nm o d e l ，t h eg a pi n e n e r g yb a n dc h a n g e sf o l l o w i n gt h e v a r i o u sn u m b e r so fi t i n e r a n te l e c t r o n s ，w h i c h m a k e su sb e l i e v et h a tt h ed n am a yb er e g a r da saq u a s i - o n e - d i m e n s i o ns y s t e m i na d d i t i o n ，t h eo r d e ro fa n yo n ed n ac h a i nm a yb ed i f f e r e n tf r o mt h eo t h e r s i n o u rr e s e a r c hw o r k ，w ef i n dt h a tt h ec o n d u c t i v i t yo ft h ed n ac h a i nd e p e n d so ni t s o r d e r i ft h ed n ac h a i ni sm o r eo r d e r e da n dt h ek i n d so fb a s ep a i r st h a tc o m p o s ei t a r es i m p l e r i t sc o n d u c t i v i t yi sb e t t e r m o s td i s o r d e r e dd n ac h a i n sa r ei n c l i n e dt ot h e s e m i c o n d u c t o ro rt h ei n s u l a t o r o u rr e s e a r c hr e s u l t ss h o ww h yd i f f e r e n td n ac h a i n s h a v ed i f f e r e n tc o n d u c t i v i t i e s w ed oa b o v er e s e a r c hw o r k st os t u d yt h eo r i g i n a ld n ai nf a c t ，i no r d e rt om a k e t h em o l e c u l ei n s t r u m e n t s ，w em a yu s ep h y s i c a lo rc h e m i c a lt e c h n i q u e st oi m p r o v et h e c o n d u c t i v i t yo ft h ed n a k e y w o r d s ：d n a ，i t i n e r a n te l e c t r o n ，g a p ，d 0 s v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：是整日期：2 2 1 丝坚生 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：圣塑导师签名： 山东大学硕士学位论文 第一章引言 自从1 9 5 3 年w a t s o n 和c r i c k 建立了d n a 的双螺旋模型，d n a 一瓢成为分 子生物学中的核心研究领域，并且渗透到物理，化学等学科的研究中。在不同的 学科中，d n a 有不同的意义。从生物学角度来看，d n a 是生命之源，生命的基 本行为特征由d n a 控制。d n a 不仅是生物体遗传，变异的载体及其衰老和多种 疾病的起因，而且最近的研究结果表明即使生物的情绪，记忆等也与d n a 有密 切关系：从化学角度来看，d n a 是一种高分子共聚物，它可以被合成和降解； 从物理学角度看，d n a 是一种模型分子，可以用来作为一维分子导线；从数学 角度看，d n a 的四个碱基可以被看作四个基本单元符号，构成所谓的d n a 计算 机。 更为重要的是，d n a 能够清晰地表达蛋白质和核酸之间的有序非共价相互 作用u 。】，从而传递着子代和母代之间的遗传信息。因此，深入理解d n a 分子的 信息转移机理是十分必要的。物理上将这种信息的传递可理解为分子结构的变 迁，尤其是电荷的迁移。研究已初步发现，电荷转移反应产物能导致细胞突变引， 光诱导电荷转移氧化损伤d n a 分子或光诱导电荷转移修复d n a 分子可治疗肿 瘤或基因等m 】。 d n a 分子的电子传输被认为与d n a 损伤与修复有关，因此在生命活动中非 常重要，吸引了许多科学家参与了这一领域的研究。例如，当d n a 分子收到电 离辐射或紫外线照射时会产生电子，这个电子被别的原子捕获前可能沿着d n a 分子链运动n 因此有人认为d n a 分子有可能是快速的，不依赖于距离的电子 转移通道。d n a 的直径只有2 n m ，而其长度可以达到宏观的长度一跨越微观和 宏观的鸿沟。因此，如果d n a 具有导电性，将是纳米导线及分子器件的理想材 料。 从d n a 双螺旋结构发现不久，人们就开始对d n a 分子的导电性质进行研 究。1 9 6 2 年，e l l e y 等提出d n a 可能成为一维导体【7 l a 但6 0 年代到9 0 年代， d n a 导电性的研究一直处于停滞状态，在此期间，人们发现了基于r 电子导电 的有机导体伸l ，同时蛋白质的导电性也得到了充分研究，确认电子在蛋白质内不 能长程传输四l 。研究蛋白质导电性的概念和方法对后来的d n a 导电性研究提供 了有益的借鉴。 山东人学硕士学位论文 9 0 年代初期b a r t o n 和t u r r 口【1 0 , 1 1 1 的研究小组认为光诱导超快电荷在双链 d n a 分子中能传递很长的距离。1 9 9 3 年，d u n l a p 等 t 2 1 发表文章称其研究小组使 用隧道扫描显微镜技术，观测到d n a 是绝缘体。1 9 9 8 年，b r a u n 等人制造纳米 级镀银d n a 导线时，也提出了相同说法f 1 “。他们用相距1 2 p m 的两个金电极上 分别通过二硫键连接上两种分别与 一d n a 两端互补的寡聚核菅酸上，拿出电 极，干燥，即可用伏安法测出电阻，约为1 0 ”q ，这显示了d n a 是一个绝缘体。 但值得注意的是，在他们的实验中，d n a 是通过一个“接头”分子连在电极上， 因此，这个结果并不能说明d n a 链本身不导电，极大可能是由于d n a 与电极 之间的接触问题。k a s u m o v 等【4 】将d n a 搭在两个相距o 5 微米的铼一碳电极之 间，测得每个d n a 电阻约为1 0 5 q ，而且常温下随温度变化不大。当温度低于 1 k 时，可以观察到邻近碱基对的激发超导现象。同时他们提出在干燥的环境中， d n a 分子一样能导电，证明其导电性质与溶液无关。1 9 9 9 年，瑞士巴塞尔大学 f i n k 的研究小组首先测量了一束d n a 分子的i v 曲线和电阻【”l ，用更直接的方 法研究了d n a 分子的导电性。他们将名一d n a 分子用水稀释后，沉积在孔径约 2 蜊的多孔碳膜上，d n a 分子聚成束，有部分搭在孔上。在超高真空点源电子 显微镜中观察和测量。将碳膜作为一极，极细的导电针尖作为一极，移动针尖和 搭在孑l 上d n a 接触，即可用伏安法测电阻。他们发现d n a 有良好的导电性， 电导率盯高达1 0 3 ( q c 州) ，接近金属铅的电导率。这个结果表明d n a 的导电能 力相当好，可以作为一个分子导线。但是他们测量的是一束d n a 的导电性，同 一束d n a 分子之间存在接触问题，d n a 束与碳膜和针尖也不能充分接触，从早 期的测量我们知道，d n a 之间可能存在很大的接触电阻。在接触不充分的情况 下，仍然有如此大的电导率，十分奇怪。图1 1 展示了他们的实验装备和结果。 ( a ) 是点源电子显微镜的原理示意图。此显微镜直接利用从点源发射的电子投 影成像，安装了一个可移动的细针尖：( b ) 用多孔碳膜作为d n a 分子的支撑膜， d n a 分子搭在孔上，碳膜作为一极，细针尖作为一极，用伏安法研究电学性质； ( c ) 多孔碳膜的照片；( d ) d n a 分子的i v 曲线，显示良好的电性。左上小图 为针尖的显微图片。 出象大学礤：e 学位论文 豳1 1 点源电子显微镄观察d n a 分子的电性 2 0 0 0 年，p o r a t h 等也测量了一段接在两个纳米金属电极上的1 0 4 n m 长的 d n a 分予的导电性，得猁了一个菲线性的i v 曲线，指出d n a 可能成为个半 母体，势晨这个实验在空气和真空，低温条件下褥到了撵静结鬃。几乎楚同时， c a i 等f 17 】人用导电a f m 测量了d n a 网络的导电性，也发现d n a 是良好的半导 蟀；纛量导惫牲还与d n a 痔到蠢关。p o l y ( d g ) - p o l y ( d c ) 导电梭磐予 p o l y ( d a ) * p o l y ( d t ) 。 锌辩上述闷题帮争论，本籍颧士论文将提出变电子遴论，从紧束缚模溅出发， 分析d n a 的分子结构、能带结构和电子态密度，由此对d n a 的导电性质给出 一个推断。整篇论文安排如下： 第二章，对d n a 的结构和性质做一个综合的阐述。本章将简述d n a 的概 念，结枣弩搓絮及分子缀盛，重患余绠运震物理学分褥窝骚究d n a 豹方法及重要 性。 第三章，阐述了本论文中采溺的诗算模墅及憨路。零牵将介绍计算中采爝静 两种模型，二者分别是建立在一维及二维体系中，弗且近似考虑关联效成，用凝 山东大学硕士学位论文 聚态理论中的单电子近似及量子力学方法中的微扰论来处理这两种模型。本章重 点是提出实际工作中的研究方法及物理思想。 第四章，展示了利用第三章中的物理模型计算所得到的结果，并且对其进行 分析。本章重点是通过物理模型，计算d n a 的能带结构，观察其态密度图像， 了解其电性质随巡游电子数及碱基对排序的不同而发生的变化，从而探求d n a 导电性质的变化原因。 第五章，总结和展望。通过对本论文所有工作的总结，对d n a 分子的导电 性做出判断。同时在此基础上，对未来的工作进行安排和展望。 论文的结构中，第三章和第四章是论文的主体。第二章是研究背景的简介， 问题的提出，实验结论和前人的理论研究，为第三章和第四章服务和做铺垫。第 三章和第四章分别提出了研究模型和计算结果分析，这样各章既相互关联，又自 成一体。 参考文献 1 o l l i sdl ，w h i t esw s t r u c t u r a lb a s i so f p r o t e i n n u c l e i c a c i d i n t e r a c t i o n s c h e m r e v ( j ) ，1 9 8 7 ，8 7 ( 5 ) ：9 8 1 9 9 5 2 s c h l e i f r d n a b i n d i n g b y p r o t e i n s s c i e n c e ( j ) ，1 9 8 8 。2 4 1 ( 4 8 7 0 0 ) ：1 1 8 2 1 1 8 7 3 d e m p l e b ，h a r r i s o n l r e p a i ro f o x i d a t i v ed a m a g e t od n a ：e n z y m o l o g ya n d b i o l o g y m n n u r e v b i o c h e m ( j 1 ，1 9 9 4 ，6 3 ：9 1 5 - 9 4 8 4 d a n d l i k e rpj ，h o l m l i nre ，b a r t o njk o x i d a t i v et h y m i n ed i m e r r e p a i r i n t h ed n a h e l i x s c i e n c e ( j ) ，1 9 9 7 ，2 7 5 ：1 4 6 5 - 1 4 6 8 5 k e l l yso ，b a r t o n jk e l e c t r o nt r a n s f e rb e t w e e nb a s e si nd o u b l eh e l i c a l d n a s c i e n c e ( j ) ，1 9 9 9 ，2 8 3 ：3 7 5 3 8 1 6 3me n u n e z ，dbh a l l ，jk b a r t o n l o n g - r a n g eo x i d a t i v ed a m a g et od n a ： e f f e c t so f d i s t a n c ea n d s e q u e n c e c h e m i s t r ya n db i o l o g y ( j ) ，1 9 9 9 ，6 ：8 5 9 7 7 e l l e y d d ，s p i v e yd i s e m i c o n d u e t i v i t yo f o r g a n i cs u b t a n c e s t r a n sf a r a d a y s o c ( j ) ，1 9 6 2 ，s 8 ：4 1l 4 1 5 8 m r b r y c e ，l c m u r p h y o r g a n i c m e t a l s ，n a t u r e ( j ) ，1 9 8 4 ，3 0 9 ：1 1 9 - 1 2 5 山东人学硕1 j 学位论文 9 beb o w l e r ，a l r a p h a e l ，hbg r a y l o n g r a n g e e l e c t r o n t r a n s f e ri nd o n o r a e c e p t o r m o l e c u l e sa n dp r o t e i n s p r o gi n o r gc h e m ( j ) ，1 9 9 0 ，3 8 ：2 5 9 - 3 2 2 1 0 m u r p h ycj ，a r k i nm r ，ndg h a t l i a ，e ta 1 l o n g - r a n g ep h o t o i n d u c e d e l e c t r o n t r a n s f e r t h r o u g ha d n a h e l i x s c i e n c e ( j 1 ，1 9 9 3 ，2 6 2 ( 5 1 3 6 ) ：1 0 2 5 一1 0 2 8 1 1 m u r p h yc j ，a r k i nmr ，ndg h a t l i a ，e ta 1 f a s tp h o t o i n d u c e de l e c t r o n t r a n s f e r t h r o u g h d n a i n t e r c a l a t i o n p n a s ( j 1 ，u s a ，1 9 9 4 ，9 1 ：5 3 1 5 - 5 3 1 9 1 2 d d u n l a p ，ro a r c i a ，es c h a b t a c h ，e ta t m a s k i n gg e n e r a t e sc o n t i g u o u s s e g m e n t so fm e t a l - c o a t e da n db a r ed n a f o rs c a n n i n gt u n n e l i n gm i c r o s c o p e i m a g i n g p n a s ( j ) ，u s a ，1 9 9 3 ，9 0 ：7 6 5 2 7 6 5 5 1 3 eb r a u n ，ye i c h ，us i v a n ，e ta 1 d n a t e m p l a t e da s s e m b l ya n de l e c t r o d e a t t a c h m e n to f a c o n d u c t i n gs i l v e rw i r e n a t u r e ( j ) ，1 9 9 8 ，3 9 1 ：7 7 5 7 7 8 1 4 ayk a s u m o v ，mk o c i a k ，sg u 6 r o n ，e t a 1 p r o x i m i t y - i n d u c e d s u p e r c o n d u c t i v i t yi nd n a s c i e n c e ( j ) ，2 0 0 1 ，2 9 1 ：2 8 0 2 8 2 15 hwf i n k ，c s c h o n e n b e r g e r e l e c t r i c a l c o n d u c t i o n t h r o u g h d n a m o l e c u l e s n a t u r e ( j ) ，1 9 9 9 ，3 9 8 ：4 0 7 4 1 0 1 6 dp o r a t h ，awg h o s h ，sd a t t a d i r e c tm e a s u r e m e n to f e l e c t r i c a lt r a i l s p o r t t h r o u g hd n a m o l e c u l e s n a t u r e ( j ) ，2 0 0 0 ，4 0 3 ：6 3 5 6 3 8 1 7 c a il ，ht a b a t a ，tk a w a i s e l f - a s s e m b l e dd n an e t w o r k sa n dt h e i re l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y a p p lp h y sl e a ( j ) ，2 0 0 0 ，7 7 ：3 10 5 310 6 山衷犬掌顺 学故论空 第二意d n a 结构及性质概述 举章介绍了d n a 的物质结构及化学上的分子构造及图像，对物理学在研究d n a 分子 中鹣藏爱进牙了瓣述，势箍出了黪持解决秘趣霆。 2 1d n a 基本辩识 d n a 是脱氧棱壤核酸d e o x y r i b o n u c l e i ca c i d 的筑写，它存在于生物细胞的 细胞梭中，慰携带生物遗传信息的分予，也是生命得以延续的蘑要物聩。我们知 莲蛋鑫矮兹终擒是出d n a 携豢懿遗佟魏震黪捷定熬，逯遥d n a 戆壤码产生麓 成蛋白质的綦本单饿一氨熬酸。而这种编码需要另一种核糖核黢一r n a ( r i b o n u c l e i ca c i d ) 彳篝为介貘，r n a 既存在予绥瑰辕中，又存在于缀胞蒺中。 在蛋囱质合成中，d n a 首先转录成r n a ，辩由r n a 转译成骚白质。d n a 和 r n a 都是由许多核替酸按照一定的方式个一个连接起来的，每个梭营酸由一 个磷羧基团，一个核糠和一个碱基( 嗓呤或嚏嚏) 构成。d n a 葶韪r n a 的区别在 于d n a 含有的核糖怒脱氧核糖。在d n a 分子中存程两种嘌岭和两种嘧啶，即 骤瞟岭( a - - a d e n i n e ) ，鸟嗓泠( g - - g u a n i n e ) ，魏豫跨捷( t - t h y m i n e ) ，跪浆 啶f c - c y t o s i n e ) ，如图2 1 所示。 6 蟛豫? 譬 霪簟。j 勺，。 h “i 黔。j _i j j o 器0 、i 禹i “：挣+ 嚣 h 雠韵铀蝴辆蝴 圈2 1d n a 分子中四种碱基的分子结构图 山求人学砸i ：学旺论文 d n a 是由两条多核替艘链组成的，这两条核箭酸链通过碱基龅互补酎对相 互缠绕形成一种澈螺旋结构，一个链上的嗓呤总是通过氢键与另一条链上的嘧碇 相结合，蕊且嘌呤和噻嚏醚对的方式总是固定的，a 与t 配对，g 与c 配对。 这凰的氢键就是在某些情、倪下，氢总能与两个其它原子结合，而非个，那个附 掇泌比正嚣共份键骤鲍多蛉毽。它跫盘于矮子与慕照诸如n ，o ，f 那样懿艨子 体积小的电负性元豢之间的静电吸引形成的。正因为多核静酸链的互补性，d n a 露舞可醴更矮一条按蓄酸链上熬霆耱碱基( a ，c ，g ，t ) 鼹形成麓线往廖弼来 表示，以詹文中所指的d n a 序列都是线性序列，a ，c ，g ，t 也畿示含有对应 碱蒸翡核替酸。 图2 2 微观状态下观察到的p o l y ( d a ) - p o l y ( d t ) d n a 的一级结构：如前，d n a 是脱氧核糖核酸的大分子。其链的方向总是 山东夫学坝1 学位论义 理解为从5 - - p 端到3 - - o h 端，它的一级结构实际上就是d n a 分子内碱基的 排列顺序。附图2 3 为3 c t a g 5 。 图2 3d n a 分子的一级结构示意图( 3 c t a g 5 ) 2 2 物理学中的d n a 2 2 1 力学中的d n a d n a 从一个长长的线性分子经过逐步的折叠最后成为染色体，及其作为模 板进行转录和复制，在这些及其重要的生命活动过程中，它的弹性起了重要的作 用。用物理方法对这种大分子的弹性进行研究对d n a 的功能和行为有了更深刻 的认识。随着a f m ，激光镊子和磁感应微球技术的应用，单分子水平的d n a 弹 性测量成为了可能。 s m i t h 等人用磁感应微球技术，将d n a 一段连在载玻片上，另一段接一个 磁球，在外加磁场和水流的作用下，d n a 将伸长，然后用荧光显微镜测量这个 伸长从而对单个d n a 进行了力- - d n a 链伸长测量。b e n s i m o n 等通过对d n a 表 面的拉直操纵及对d n a 分子拉伸程度的直接测量，对b 一型d n a 的弹性也做 山东大学礤： ：学垃沦文 了讨论f 2 。其它研究表明，d n a 分子用越过6 5 p n 的力拉伸时i 引，d n a 将被拉 伸7 0 以上，并有个突变，即由正常的b 一塑d n a 分子变为个新的d n a 结橡：s 一瞧d n a 4 , s i ，并且在外力撤销时这种结构的d n a 能稳定存在。同时， b e n s i m o n 游人还对双链d n a 发生断裂的力进行了测量，得到的结果为9 6 0 p n ， 聪短片段d n a 爱a f m 锋失挝凝震要1 7 0 0 p n 诤l 。 ， 在理论模型上，d n a 的弹性也引起了广泛的兴趣 7 1 。最近的域论模拟表明， 短肆段d n a 的弹性与其缀蒸摩襄骞关强】。这个结聚给久们戮重要豹瘫示：生耪 大分子例如蛋白质对d n a 序列的专一陛是不是与此有关呢? 对d n a 弹性有关的薪究有一部分涉及d n a 餐表面豹教伸操级，其实这种 d n a 操纵研究并不仅仅局限于d n a 弹性，其最终的目的是在基因研究方砸的作 用，另外它在基予d n a 的分子器件等领域也有很大作用。 2 2 2 材料学中的d n a 纳米科技是指在l 一1 0 0 r i m 尺度内研究物质运渤蕊律和性质的科学和技术， 其最终晷栝是人类按照皇已l 的意志囊接操纵单个原予或分予，制造出具有特定功 能的产品：分子器件。 生物分子就是楚在缀涨尺度，象鑫载怒续岽承平懿分予运魂。镄米生携学寿 两个特点：1 利用新兴的纳米技术来研究和解决生物学问题，主臻的研究手段 慧s p m 亨薹撬攘锋霞激镜) 潍，另终澈竞矮子等英它耘技术氇参与荬中；2 它 对生物学的研究深入到单分子水平。从而隧别于传统生物学的宏观体系的研究， 并便信息的平均亿得以避免。 由于线性的d 峨a 很好分别，所以在s p m 发展的早期它被广泛的用来检验 冀分别能力，甚至有人希望用s t m ( 扫描隧道显微镜【1 1 一最早的种s p m ) 进 雩予蹇接魏d n a 测寒。虽然这个想法瑗在来戆实现，毽s t m 确实霹默对d n a 送 行商分辨翠的成像d i i 。 生查查堂堡! 兰些造墨一 p i e z ov o l t a g e ；1 t 士 整2 4s t m ( 搀攘隧遂显徽镜) 缭梭示意罄 a f m ( 漂子力嚣徽镜) 吲与s t m 耜篦，主要酌麓鄹是蠲力学魏针尖代替了 隧道针尖，并以探测懋臂的微小偏转代替探测微小的隧道电流。 0 l a s e rb e a m 二一l s 鹭2 5 a f m 鞭子力显锾镜) 结稳示意躅 出衷丈学颖士学袋论文 a f m 靖d n a 静成像槠鬻蒸本采溺接触模式，疰l 予韬彝力较大，褥到好强豫 不楚缀容擤，轻赦摸式豹a f m 则方便多了f 1 4 】。 图2 6 质粒d n a 沉积予云母袭面的轻巧模式a f m 图像 随着a f m 技术的发展。通过实验发瑶十字黧d n a 在不同的环境下有不弼 翁搦豫l 珏1 ，发臻三逶豹d n a 接头不是平逛鹣瑟爨锥形鹩 1 融。 在实验设餐日益精确龅翦提- f ，a l i v i s a t o s 等人提出了均建“纳米晶 本分予” 的想法【i ”，可以将一定量的纳米金颗粒组建成特定排列的结构，实验中利用了 d n a 碱繁配对的特性：首先将特定序列和长度的单链d n a 逡在纳米金颗粒上， 然詹，将它连程另一条有一部分序剜它互补的革链d n a 横板上，用同祥酶方 法霹汉连接更多筠金颗粒( 图2 。7 瘊示) ，图中深色部分表示逶过攀镶d n a 之蚓 相互配对短连接起来麴纳米金颗粒。 糖拳盎鬻粒 一工应工 工3 = f 碱基爵对 圈2 7d n a 纳采晶体分予的结构示意翻 m i r k i n 等人基于和构建“纳米晶体分子”类似的想法，以d n a 和纳米金颞 山东大学硕士学饿论文 粒为原料，构建了一个宏观的纳米众颗粒网络搏】。他们将一端分别带互补的粘 性束端的两幂孛d n a 通过h s - - 连奁1 3 r i m 大的金颗粒上，然看混合这两稀成分， 就形成了一种网络，如图2 8 所示，其中线祭表示d n a 分子：通过单链d n a 之 间的配对将两种携带不同单链d n a 分子的众颗粒( 以色度表示区别) 连接成网 络。 嚣2 8d n a 分子每镶寒叠颗粒形袋煞礴络冢懑蛰 这种网络在光学，电学和结构上均与单独结合d n a 的纳米金颗粒有很大区 剐，因此在医学上w 以诊断疾病 1 9 j ，甚至作为基因芯片的检测方法f 2 0 】。当然， 毪可以作为基于d n a 的分子器俸懿缝戚帮分f 2 n 。 2 。2 3 毫学中酶，d n a d n a 救螺旋结构发现以质，人们就有了d n a 咆子传输能力的思考【2 2 l ，因 为在双螺旋结构中，碱基对平面相强平行，沿着d n a 分子的轴向堆垛排列，碱 基对之闽翡平均距离0 3 4 r i m ，襄磊墨冀震之闼鳇蹬离提远。五墨片瑟圭豹帮毫 子可以在层问跃迁。因而石骚沿着片层方向可以导电。d n a 碱基对平面上同样 寿硝毫予，入髋鑫然会慧：泡予莛露氇毙奁d n a 分子麓碱蒸霹之阖运动，帮电 子能否沿d n a 分子的长轴传输呢? 1 9 9 3 年，b a r t o n 领导豹课题缱发表了运用光纯学方法磷究d n a 导电性的文 章，报道了激动人心的实验数据，结果表嘴电子可鼹沿着d n a 分子轴起转移。 他们将作为电子施主( d o n o r ) 和受主( a c c e p t o r ) 的两种络含物分别插入d n a 癸子救不燕帮健懿碱基对之闻，在巍照慧下，蘧主惫予扶基态跃迂剽激发叁，若 山东大学硕士学位论文 该电子重新回到基态，则发出一个光子，若d n a 分子导电，激发电子还可能沿 d n a 传输到电子受主，与受主结合，完成一个氧化还原反应。激发电子跃迁回 到基态和与受主结合这两种结果相互竞争，使得d n a 的荧光强度减弱，减弱程 度与激发态电子寿命及氧化还原反应速度有关。利用时间分辨荧光淬灭技术可以 测量这个氧化还原发应的反应速度k 。在此处，反应速度可以理解为电子沿d n a 分子的转移率，k 越大，说明激发电子越容易与受主结合电子越易沿d n a 传 输。图2 9 展示了用荧光淬灭方法研究电子在d n a 分子长轴方向的传输，右上 是电子施主分子，右下是电子受主分子。左边的图像是施主分子和受主分子插在 d n a 分子碱基对平面之间，在激发光照射下，施主分子被激发出电子。激发电 子很快跃迁到基态，发出荧光。如果电子能沿着d n a 分子传输到受主，则荧光 强度减弱。利用荧光强度与施主受主间距的关系，推