（凝聚态物理专业论文）准一维共聚物dna分子电荷转移性质研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 本文首先对d n a 分子的几何结构及电子结构的基本性质进行了研究，进一 步研究并分析了共聚物d n a 分子中电荷转移现象，对其物理机制进行了较为深 入地分析。 电荷的转移能够修复因辐射受损的d n a 双链机制，因此d n a 分子链中电荷 转移及电荷如何传输引起了人们的极大兴趣，这使得人们希望能够通过d n a 分 子中电荷转移的研究来解释生命现象中的许多悬而未决的问题。 大量的研究表明，在d n a 双螺旋结构中基对的堆积为电荷的转移提供了有 效的通道。d n a 分子可以被看作由碱基对堆积成的一维的线性链。早在三十多 年前，就有人预言了在d n a 双螺旋结构中可能有类似于一维线性聚合物中的电 子传输现象，也就是沿着基对p 轨道的隧穿。d n a 分子中电荷传输在细胞中起着 重要的作用，这方面已经有了大量的实验研究，近年来理论方面的研究也取得了 一定的进展。在d n a 超分子结构中，电荷转移是非常独特的，因为在d n a 分子 中的静堆积的基对可能成为电荷传输的中介，结果是可以破坏或者修复d n a 分子 链。 参照有机高分子中均聚物与共聚物的定义，可以把相同基对组成的d n a 分 子看作“均聚物”d n a 分子，在此基础上，把由不同基对组成的均聚物d n a 分 子通过共价键联结而成的d n a 分子看作“共聚物”d n a 分子。 本文采用扩展的准一维紧束缚模型讨论了两种d n a 分子及其通过共价键键 合后的几何结构及电子结构特性。研究发现，将具有不同在位能的两种d n a 分 子共聚后，会出现电荷在两种单体之间的自发转移现象，这种不需要光激发而自 发产生的电荷转移类似于半导体中的p - n 结，所以在理论和实用上都具有十分重 要的意义。进而分析了共聚物d n a 分子中出现电荷转移的原因，影响电荷转移 数且的因素。所得到的结果如下。 1 d n a 分子一( a t ) ，一( g ，c l 一的电子结构性质 d n a 分子的导电性取决于d n a 分子的结构、基对的排布、测量环境、测量 山东大学硕士学位论文 方法等因素。考虑到结构最简单的二嵌段共聚物d n a 分子一0 r l 一( g c ) 。一 的形式，取工= y ，也就是工：y = 1 ，分别得到了一0 r l 一，一( g c ) ，一及 一0 ，r l 一( g c l 一的能带结构。计算得出，一0 i r ) ，一的能带宽度为1 2 e v ， 带隙大小为1 1 3 e v ；一( g c ) ，一的能带宽度为带宽是1 2 e v ，带隙是0 3 6 e v 。 显然，由一0 r l 一组成的均聚物的带隙大于由均聚物一( g c ) ，一的带隙。 一0 r l 一( g c l 一的能带宽度为1 4 2e v ，带隙则为o 1 7e v ，因此，一0 r l 一 与一( g ，c ) ，一共聚组成二嵌段共聚物，其能带结构发生了改变，表现在能带变宽， 带隙变窄。 2 单体组份对共聚物一( a t ) ，一( g c ) ，一能带结构的影响 组成共聚物d n a 分子的两种均聚物一0 ，r l 一和一( g c ) ，一的配比对共聚 物一0 7 l 一( g c ) ，一d n a 分子的带隙有影响。计算发现，在共聚物d n a 分子 链尺度一定时，由于一0 r ) i 一的带隙大于一( g c ) ，一的带隙，所以当 一0 r l 一所占比例较大时，共聚物d n a 分子一0 ，r l 一( g c ) ，一的带隙也较 大；反之，当一( g c l 一所占比例较大时。共聚物d n a 分子一0 r ) 。一( g c l 一 的带隙就较小。一0 丁l 一相对一( g c ) ，一来说带隙大，共聚物d n a 分子的带 隙随着一0 丁l 一所占比例的减少而变小。 3 界面相互作用对共聚物一0 ，r l 一( g ，c ) ，一能带结构的影响 通过计算发现，体系的导带底能级( l u m o ) 随着界面相互作用的增强而升 高，而价带顶的能级( h o m o ) 则随着界面相互作用的增强而降低，所以，体系的 带隙随着界面相互作用的增强而增大。 4 界面相互作用对共聚物一0 丁l 一( g c l 一中电荷转移的影晌 山东大学硕士学位论文 当界面耦合强度小于0 8 时，虽然也出现电荷转移，但是体系的能量是增加 的，所以，这时体系是不稳定的。当界面耦合强度大于o 8 时，随着耦合强度的 增大，电荷转移量是减小的。这是因为，界面耦合强度越大，界面处就相当于一 个势阱，电荷越容易被束缚在界面处，电荷就不易于转移到另一种组份中。 5 两种单体尺度的配比对共聚物一0 ，丁l 一( g c ) ，一中电荷转移的影响 在我们的计算中发现，两种单体尺度( 一0 7 l 一和一( o c ) ，一) 的配对比对 共聚物一0 r ) ，一( g c ) ，一中的电荷转移有着比较重要的影响。在界面耦合强度 一定的情况下，对于不同的配比，电荷转移量所呈现的规律也是不同的。 在界面耦合强度p = o 5 5 的情况下：两种单体的配比r = l ：7 时，电荷的转 移量出现振荡式变化：当两种单体的配比，7 = 1 ：5 时，体系链长较短时，即 n = 4 8 1 1 4 ，电荷转移量n o = 2 0 ，而链长n 1 2 0 时，电荷转移量就会急剧增大； 当两种单体的配比r = l ：3 时，体系的链长较短时( n 6 4 ) ，电荷转移量n 。= 2 o ： 随着链长的增加，转移的电荷量也增加，当n - = 9 6 , - - 1 2 0 时，电荷转移量达到最大 值，n e = 4 0 ；链长再增大后，电荷的转移量又减小。两种单体的配比r = l ：2 时， 体系的链长较短( n 1 2 0 ，t h et r a n s f e r n u m b e ri n c r e a s e ss h a r p l y ； w h e nr = 1 ：3 ，a st h el e n g t ho ft h ec h a i ni sn 6 4 t h e n u m b e ro fc h a r g et r a n s f e ri sn c - 2 0 ；t h et r a n s f e rn u m b e ri n c r e a s e sa st h el e n g t ho f c h a i nb e c o m e sl a r g e r h o w e v e r , w h e nt h enc l i m b st o1 2 0 ，n er e a c h e st h em a x i m u m i f t h e n i n c r e a s e s ，t h e n c w i l ld r o p ；w h e n 玎= 1 ：2 ，a s t h e l e n g t ho f t h ec h a i n i s n 1 0 0 n m ) 空穴 传输的直接观察结果【4 铆。 2 0 0 5 年，e l a l b u q u e r q u e 等人报道了d n a 序列中的电子传输现象1 5 0 1 。 1 2 本文涉及的问题的研究 目前对d n a 导电性质的理论研究虽然涉及到了很多方面，如各种元激发， 电导率、电荷转移的机理等，但对d n a 分子中电荷转移的研究很少。d n a 分子 是由不同的碱基对组成的，相同的碱基对的几何结构及电子结构性质是相同的， 反之，不同的碱基对的几何结构与电子结构的性质存在着差异，有时还很显著。 为了研究问题的方便，在某些情况下，参照高分子共聚物的结构特点，我们也可 以把d n a 分子看作“嵌段共聚物”，也就是，一组若干个相同的碱基对通过共 价键连接，构成一个“嵌段”，而另一组若干个相同的碱基对通过共价键连接， 构成另一个“嵌段”，嵌段之间也由共价键连接，从而组成二嵌段，三嵌段，乃 至多嵌段共聚物形式。参照研究共聚物分子的理论方法来探讨由d n a 分子组成 的准一维二嵌段共聚物的电子结构性质以及电荷转移的特征是本论文的特色。本 山东大学硕士学位论文 文将涉及以下几个问题： ( 1 ) 由d n a 分子一0 r l 一与一( g c ) ，一组成的准一维两嵌段共聚物 一0 ，r l 一( g c ) ，一链中出现电荷自发地转移的机理。 ( 2 ) 两种单体的配比及界面耦合强度对共聚物电子能带结构的影响。 ( 3 ) 界面耦合强度，分子的链长、材料的配比对电荷的转移数会产生怎么的影响 1 3 拟展开的研究内容 d n a 分子的几何结构与电子结构性质远比准一维有机导电高分子聚合物复 杂，但从物理学的角度，也可以把它看作准一维的分子链【5 l l ，借鉴准一维导电 高分子均聚物或共聚物理论研究方法来研究d n a 分子的一些物理性质，如电子 结构，电荷转移，等等。在本章中，我们将d n a 分子物理图像模型化，拟建 立一个准一维的紧束缚物理模型( s s h ) ，利用单电子近似及微扰论来讨论其性 质。具体安排如下。 第一章：介绍了国内外对d n a 分子中电荷转移现象及机理的研究。 第二章：对d n a 分子的空间结构及其物理化学性质进行简要描述，介绍物理方 法在d n a 中的运用。 第三章：在扩展的s s h 模型的基础上，用单电子近似及扩展的微扰论来处理。 第四章：用扩展的s s h 模型对由- p o l y ( d a ) 一p o l y ( d t ) 一和p o l y ( d g ) - p o l y ( d c ) - 组成的 两嵌段共聚物的电子性质进行了讨论。 第五章：对二嵌段共聚物一0 ，r ) j 一( g c ) ，一中的电荷转移现象进行研究，进而 分析了导致电荷转移的原因及影响电荷转移的因素。 参考文献： 【1 o l l i sd l ，w h i t esws 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 ca c i di n t e r a c t i o n s c h e m ，1 9 8 7 ，8 7 ( 5 ) ：9 8 1 - 9 9 5 2 】s c h l e i f r d n ab i n d i n gb yp r o t e i n s s c i e n c e ( j ) , 19 9 8 ，2 4 1 ( 4 8 7 0 0 ) ：l18 2 】18 7 【3 】d e m p l eb ，h a r r i s o nl r e p a i ro f o x i d a t i v ed a m a g et od n a ：e n z y m o l o g ya n d b i o l o g y a n n u r e v b i o e h e m ，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 rr e p a i ri nt h e d 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 njk 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 ld n a s c i e n c e ( j ) ，1 9 9 9 ，2 8 3 ：3 7 5 - 3 8 l 【6 】m o s e sd ，f e l d b l u ma ，d e n e n s t e i na ，e ta 1 p r e s s u r ed e p e n d e n c eo ft h ep h o t o a b s o r p t i o no f p o l u a c e t y l e n e p h y sr e vb ，1 9 8 2 ，2 6 ( 6 ) ：3 3 6 1 3 3 6 9 【7 】m e y e r sf h e e g e r a j ，b r e d a sjl f i n et u n i n go f t h eb a n dg a pi nc o n j u g a t e d p o l y m e r sv i ac o n t r o lo f b l o c kc o p o l y m e rs e q u e n c e jc h e m p h y s ，19 9 2 ，9 7 ( 4 ) ： 2 7 5 0 2 7 5 8 【8 】8j e n e k h esa ，c h e nw c l a 玛et l l i r d - o r d e ro p t i c a ln o n l i n e r i t i e si no r g a n i cp o l y m e r s u p e r - l a t t i c e s a p p l p h y sl e t t , 1 9 9 0 ，5 7 ( 2 ) ：1 2 6 - 1 2 8 9 】n o b u t o k ih ，k o e z u k ah m o l e c u l a ro r b i t a ls t u d yo ne l e c t r o nc o n f i n e m e n t c h a r a c t e r i s t i c si nh e t e r o a r o m a t i co l i g o m e r s jp h y sc h e m ，1 9 9 6 ，1 0 0 ：6 4 5 1 6 4 5 5 1 0 】d iv e n t r am a n dz w o l a km ，d n ae l e c t r o n i c si ne n c y c l o p e d i ao f n a n o s c i e n c e a n dn a n o t e c h n o l o g y ，e d i t e db yh s i n g h - n a l w a ( a m e r i c a ns c i e n t i f i c ，u s a ，2 0 0 4 ) 1 l 】r g e n d r e s ，d l ic o x ，a n dr r p s i n g kr e v m o d p h y s 7 6 ，1 9 5 ( 2 0 0 4 ) 【1 2 y o o k - h ，h a d h ，l e ej 0 ，p a r kj w ，k i mj ，k i mj j ，l e eh y ，k a w a i t ，a n d c h o ih y ，p h y s r e v l e t t 8 7 ，1 9 8 1 0 2 ( 2 0 0 1 ) 1 3 p o r a t hd ，b e z r y a d i na ，d e v r i e ss ，a n dd e k k e rc ，n a t u r el o n d o n4 0 3 ，6 3 5 ， 2 0 0 0 - 1 4 】d ep a b l op j ，m o r e n o - h e r e t oe c o l c h e r oj ，g 6 m e zh e r r e r oj ，h e r r e r op ，b a r 6 a m ，p a b l oo r d e j 6 n , j o 醋m s o l e r , a n de m i l i oa r t a c h o ，p h y s r e v l e t t 8 5 ，4 9 9 2 ( 2 0 0 0 ) 6 坐查盔兰堡主兰堡堡兰 【1 5 】f i n khw a n ds c h 6 n e n b e r g e rc ，n a t u r el o n d o n3 9 8 ，4 0 7 ( 1 9 9 9 ) 【1 6 】y u k a s u m o va ，k o c i a km ，1 2j a n u a r y2 0 0 1v o l2 9 1s c i e n c e 【1 7 】p o r a t kd ，b e z r y a d i na ，d ev r i e ss ，a n dd e k k e rc ，n a t u r el o n d o n4 0 3 ，6 3 5 ( 2 0 0 0 ) 【1 8 】a d e s s ic h ，w a l c hs ，a n da n a n t r a mm p ，p h y s r e v b6 7 ，0 8 1 4 0 5 r2 0 0 3 【1 9 】a d e s s ic h a n d a n a n t r a mm p ，a p p l p h y s l e t t 8 2 ，2 3 5 3 ，2 0 0 3 2 0 】m e h r e zh ，s p w a i c l l a n dm p a n a n t r a m ，p h y s r e v b ( t ob ep u b l i s h e d ) 2 1 】y o o k - h ，h a d h ，l e ej - o ，p a r kj w ，k i l nj ，k i mj j ，l e e h y 。k a w m t ，a n d c h o ih y ，p h y s r e v l e t t 8 7 ，1 9 8 1 0 2 ( 2 0 0 1 ) 2 2 c o n w e l le ma n d r a k h m a n o v as v ，p r o c n a t l a c a d s c i u s a 9 7 ，4 5 5 6 r 2 0 0 0 ) 【2 3 】y cy j ，c h e n ，m a r t i n e za ，o t t op ，a n dj l a d i k , s o l i ds t a t ec o m m u n 1l2 1 2 9 ( 1 9 9 9 ) f 2 4 】b r u i n i m ar ，g r i t n e rg ，d o r s o g n am r ，a n dr u d n i c kj ，p h y s r e v l e t t 8 5 ， 4 3 9 3 佗o o o ) 【2 5 】b e r l i ny a ，b u r i na l ，a n dr a t h e rm a ，j p h y s ：c h e m a1 0 4 ，4 4 3 ( 2 0 0 0 ) 【2 6 】v o i t y u ka a ，j o r t n e rj ，b i x o nm ，a n dr 0 s c hn ，j c h e m p h y s 11 4 ，5 6 1 4 ( 2 0 0 1 ) ；v o i t y u k a a ，r 6 s c h n ，b i x o n m ，a n dj o r t n e r j ，j p h y s c h e m b1 0 4 ， 9 7 4 0 ( 2 0 0 0 ) 2 7 】f i n kh w a n ds c h o n e n b e r g e rc ，n a t u r e ( l o n d o n ) 3 9 8 ，4 0 7 ( 1 9 9 9 ) 【2 8 】k e l l e ys o a n db a r t o nj k ，s c i e n c e2 8 3 ，3 7 5 ( 1 9 9 9 ) 【2 9 】b o o ne m a n db a r t o nj k c u r r o p i n s t r u c t b i 0 1 1 2 ，3 2 0 ( 2 0 0 2 ) 【3 0 】w a nc ，f i e b i gt s c h i e m a n no ，b a r t o nj k ，a n d z e w m la h ，f e m t o - s e c o n d d i r e c to b s e r v a t i o no f c h a r g et r a n s f e rb e t w e e nb a s e si nd n a ( 2 0 0 0 ) p n a s9 7 ： 1 4 0 5 2 - 1 4 0 5 5 【3l 】n i c o l a o u k ce ta 1 d n ap r o b e s ：a p p l i c a t i o n so f t h ep r i n c i p l e so f n u c l e i ca c i d h y b r i d i z a t i o nc r i t i c a lr e v i e w si nb i o c h e m i s t r ya n dm o l e c u l a rb i o l o g y , v o l2 6 ，i s s u e 3 ，2 2 7 2 5 9 3 2 】m i l l e rjs ，w e n z e ljw e c o l o g i c a lc h a r a c t e r sa n dp h y l o g e n ya n n u a lr e n e w o f e n t o m o l o g y ，j a n u a r y1 9 9 5 ，v 0 1 4 0 ，p a g e s3 8 9 - 4 1 5 7 山东大学硕士学位论文 【3 3 】m u r p h y , c j 甜a 1 p r o c n a t n a c a d s c i u s a 9 1 ，5 3 1 5 - 5 3 1 9 ( 1 9 9 4 ) 【3 4 】d e m p l eb ，h a r r i s o nl r e p a i ro f o , d d a f i v ed a m a g et od n a ：e n z y m o l o g ya n d b i o l o g ya n n u a l r e v i e wo f b i o c h e m i s t r y , 6 3 ，9 1 5 - 9 4 8 ( 1 9 9 4 ) 【3 5 】d i e d e r i c h s e n c h a r g e t r a n s f e r i n d n a ：a c o n t r o v e r s y3 6 ，2 3 1 7 - 2 3 1 9 ( 1 9 9 7 ) i n t e rs c i e n c e 【3 6 】h a l l ，d b & b a r t o n , j k ( 1 9 9 7 ) j a m c h e m s o c 11 9 ，5 0 4 5 5 0 4 6 【3 7 】t a y l o rc e ta 1 j o t m a a io f t h en a t i o n a lc a n c e ri n s t i t u t e ，8 9 ，3 ( 1 9 9 7 ) 【3 8 】h e n d e r s o npt ，b i x o nm e ta 1 l o n g - d i s t a n c ec h a r g et r a n s p o r ti nd u p l e xd n a ： t h e p h o n o n - a s s i s t e dp o l a r o n - l i k eh o p p i n gm e c h a n i s m9 6 ，8 3 5 3 8 3 5 8 ，( 1 9 9 9 ) 【3 9 b r u i n s m ar g r u n e rg ，d o r s o g n am ，a n dr u d n i c kj f l u c t u a t i o n - f a c i l i t a t e d c h a r g em i g r a t i o nm o n gd n a p h y s r e v l e t t 8 5 ，4 3 9 3 ，( 2 0 0 0 ) 4 0 】b o o nm a n db a r t o nj k c h a 玛et r a n s p o r ti nd n a e c u r t o p i n s t r u c t b i 0 1 1 2 ， 3 2 0 ( 2 0 0 2 ) 【4 1 】徐i 四) l l 等人双链d n a 分子内电荷转移超交换机理物理化学学报1 8 ( 7 ) ： 6 4 0 6 4 3 ( 2 0 0 2 ) 【4 2 】h a ow a n ge ta 1 b a n d - g a pt u n n e l i n gs t a t e si nd n a p h y s r e v l e t t 9 3 ， 0 1 6 4 0 l ( 2 0 0 4 ) 【4 3 】a r k nm re ta 1 d n as e q u e n c e si d e n t i c a lt op n e u m o c y s t i sc a r i n i i s p c a r i n i i a n dp n e u m o e y s t i sc a r i n i i s p h o m i n i si ns a m p l e so f a i rs p o r a j o u r n a lo f c l i n i c a l m i c r o b i o l o g y , 1 7 5 4 - 1 7 5 9 ( 1 9 9 6 ) 【4 4 】h a n s - w e m e rf i n k e l e c t r i c a lc o n d u c t i o nt h r o u g hd n a m o l e c u l e sn a t u r e3 9 8 ， 4 0 7 - 4 1 0 ( 1 9 9 9 ) 【4 5 】w a nc ，f i e b i gt f e m t o - s e c o n dd i r e c to b s e r v m i o no f c h a r g et r a n s f e rb e t w e e n b a s e si nd n ap n a s9 7 ，1 4 0 5 2 1 4 0 5 5 ( 2 0 0 0 ) 【4 6 】p o m t hd a n n y e ta 1 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 n s p o r tt h r o u g hd n a m o l e c u l e sn a t u r e4 0 3 ，6 3 5 - 6 3 8 ( 2 0 0 0 ) 【4 7 】b a s k od m a n dc o n w e l le m s e l f - t r a p p i n gv e r s u st r a p p i n g ：a p p l i c a t i o nt o h o l et r a n s p o r ti nd n a p h y s r e v e6 5 ，0 6 1 9 0 2 ( 2 0 0 2 ) 【4 8 】s t e p h a nr o c h ee ta l ，l o n gr a n g ec o r r e l m i o r l si nd n a ：s c a l i n gp r o p e r t i e sa n d c h a r g et r a n s f e re f f i c i e n c y p h y s r e v l e t t 9 1 ，2 2 8 1 0 1 ( 2 0 0 3 ) 8 山东大学硕士学位论文 【4 9 】t m l a ot a k a d a c ta 1 d i r e c to b s e r v a t i o no f h o l et r a n s f e rt h r o u g hd o u b l e h e l i c a l d n a o v e r1 0 0a p n a s1 0 1 ，1 4 0 0 2 1 4 0 0 6 ( 2 0 0 4 ) j 【5 0 】a l b u q u e r q u ee l e ta 1 n u c l e o t i d ec o r r e l a t i o n sa n d e l e c t r o n i ct r a n s p o 吐o f d n a s e q u e n c e sp h y s i c a lr e v i e we7 1 ，0 2 1 9 1 0 ( 2 0 0 5 ) 【5 1 】c o n w e l le s t h e rm e ta lp n a s9 74 5 5 6 - 4 5 6 0 ( 2 0 0 0 ) 9 山东大学颐士学位论文 第二章d n a 分子的性质 2 1d n a 分子简介 d n a 是脱氧核糖核酸( d e o x y r i b o n u c l e i ca c i d ) 的缩写，它存在于生物细胞的 细胞核中，是携带生物遗传信息的分子，也是生命得以延续的重要物质。我们知 道蛋白质的结构是由d n a 携带的遗传物质所决定的，通过d n a 的编码产生构 成蛋白质的基本单位一氨基酸。而这种编码需要另一种核糖核酸一r n a ( r i b o n u c l e i ca c i d ) 作为介质，r n a 既存在于细胞核中，又存在于细胞质中。 在蛋白质合成中，d n a 首先转录成r n a ，再由r n a 转译成蛋白质。d n a 和 r n a 都是由许多核苷酸按照一定的方式一个一个连接起来的，每个核苷酸由一 个磷酸基团，一个核糖和一个碱基( 嘌呤或嘧啶) 构成。d n a 和r n a 的区别在 于d n a 含有的核糖是脱氧核糖。在d n a 分子中存在两种嘌呤和两种嘧啶，即 腺嘌呤( a - - a d e n i n e ) ，鸟嘌呤( g - - g u a n i n e ) ，胸腺嘧啶( t - t h y m i n e ) 胞嘧 啶( c c y t o s i n e ) 。d n a 就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，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，a 与t 配对，g 与c 配对。这里的氢键就是在某些情况下，氢总能与两个其它原子结合。它是 由于质子与某些诸如n ，0 ，f 那样的原子体积小的电负性元素之间的静电吸引 形成的。正因为多核苷酸链的互补性，d n a 序列可以只用一条核苷酸链上的四 种碱基( a ，c ，g ，t ) 所形成的线性序列来表示，以后文中所指的d n a 序列 都是线性序列，a ，c ，g ，t 也表示含有对应碱基的核苷酸。 2 1 1d n a 的空间结构 用光散射方法测量，是一个细长的刚性结构，分子量约1 0 6 1 0 7 密度 1 6 9 c m 3 ，说明嘌呤和嘧啶堆积很紧密；化学方法得出腺嘌岭和胸嘧啶之比为1 ， 鸟嘌呤和胞嘧啶之比为1 的结论。偏振红外吸收说明碱基上的n h 和c = o 形 成的氢键和主轴垂直，紫外吸收说明碱基本身的取向也垂直于主轴。x 射线衍射 图出现螺旋结构的衍射图样；层线间距相当于3 4 a ，第十层线有一子午反射相当 于轴向重复间距为3 4 a ，说明每周螺旋有十个重复的结构单元：由赤道反射得 0 山东大学硕士学位论文 出的侧向间距为2 0 a ，反映了分子间的排列。d n a 分子的双螺旋结构如图2 1 所示。 、 图2 1d n a 分子的双螺旋结构 2 1 2d n a 的组成成分 核酸是由化学上相互连接的核苷酸序列所组成。每一个核苷酸都含有一个由 碳和氮原子组成的杂环( 含氮碱m 仃o g e n o u sb a s e ) ，一个环形的五碳糖( 戊糖 p e n t o s e ) 和一个磷酸( p h o s p h a t e ) 基团。两种类型的含氮碱：嘧啶( p y r i m i d i n e s ) 和嘌呤( p u r i n e s ) 。嘧啶为六元环，嘌呤为并合五元和六元。碱基一般以它们的第 一个字母表示；d n a 含有a ，g ，t ，c 。d n a 中的戊糖是2 一脱氧核糖。连接糖 的碱基叫核苷，加上磷酸后，碱基戊糖一磷酸称作核苷酸。核苷酸为核酸的构建 提供构件。由一系列交替的糖和磷酸残基组成的主链将核苷酸连接在一起形成多 核苷酸链( p o l y n u c l e o t i d e c h a i n ) 。从图看出一个戊糖环的5 位通过磷酸基与相邻 的戊糖环3 位相连。因此，这种磷酸二酯糖骨架被认为是由5 - 3 磷酸酯键构成 的。碱基从糖磷酸骨架上伸出。 四个碱基的结构如下： 山东大学硕士学位论文 腺嘌岭a 鸟嘌呤g 胸腺嘧啶t 胞嘧啶c 图2 2d n a 分子中四种碱基的分子结构 2 1 3d n a 的一级结构 如前，d n a 是脱氧核糖核酸的大分子。其链的方向总是理解为从5 一p 端到 3 - - o h 端，d n a 的一级结构是指d n a 分子中核苷酸的排列顺序。由于核菅酸的差 异主要表现在碱基上，因此也叫做碱基序列。 图2 3d n a 分子的一级结构 ，蓼 r 砖 山东大学硕士学位论文 1 c h a r g a f f 规贝l j d n a 分子中腺嘌呤与胸腺嘧啶的含量相等，鸟嘌呤与胞嘧啶的含量相等 因此d n a 中嘌呤与嘧啶的总数相等：即a + g = c + t 2 双螺旋结构模型 1 9 5 3 年w a g o n 和c d c k 正式提出了关于d n a 二级结构的右手双螺旋结构 模型，主要内容有： ( 1 ) d n a 分子由两条反向平行的多聚核菅酸链围绕同一中心轴盘曲而成，两 条链均为右手螺旋，链呈反平行走向，一条走向是5 一3 ，另一条是3 一5 。 ( 2 ) d n a 链的骨架由交替出现的亲水的脱氧核糖基和磷酸基构成，位于双螺 旋的外侧，碱基配对位于双螺旋的内侧。 ( 3 ) 两条多聚核苷酸链以碱基之间形成氢键配对而相连，即a 与t 配对，形 成两个氢键，g 与c 配对，形成三个氢键。碱基相互配对又叫碱基互补。r n a 中若也有配对区，a 是与u 以两个氢键配对互补。 ( 4 ) 碱基对平面与螺旋轴几乎垂直，相邻碱基对沿轴转3 6 0 ，上升0 3 4 r i m 。 每个螺旋结构含1 0 对碱基，螺旋的距为3 4 r i m ，直径是2 o n m 。d n a 两股链 之间的螺旋形成凹槽：一条浅的，叫小沟：一条深的，叫大沟。大沟是蛋白质识 别d n a 的碱基序列发生相互作用的基础，使蛋白质和d n a 可结合而发生作用。 d n a 双螺旋结构要与p r 的相区别：d n a 是两条核苷酸链通过碱基之间氢键相 连而成，而蛋白质的a 一螺旋是一条肽链自身盘曲而成，其氢键是其内部第一位肽 键的n h 与第四个肽键的羰基氧形成的。 ( 5 ) d n a 双螺旋结构的稳定主要由互补碱基对之间的氢键和碱基堆积力来维 持。碱基堆积力是碱基对之间在垂直方向上的相互作用，可以使d n a 分子层层 堆积，分子内部形成疏水核心，这对d n a 结构的稳定是很有利的，碱基堆积力 对维持d n a 的二级结构起主要作用。 3 d n a 结构的多样性 d n a 右手双螺旋结构是d n a 分子在水性环境和生理条件下最稳定的结构 但并不是不变的，当改变溶液的离子强度或相对湿度时，d n a 结构会发生改变 山东大学硕士学位论文 除了w a s t o n ：- - c r i c k 模型( b - - d n a ) 外，还存在z - - d n a 和a d n a 。 2 2d n a 的物理性质 2 2 1 物理学理论对生命科学的影响 物理学处理宏观体系的理论( 如热力学、统计力学、耗散结构理论、信息论 等) ，使人们可以从系统的宏观角度研究生物体系的物质、能量和信息转换的关 系； 物理学的微观理论( 如分子和原子物理、量子力学、粒子物理等) ，使人们 可以从微观角度研究生物大分子和分子聚集体( 膜、细胞、组织等) 的结构；运动 与动能、非线性理论、混沌理论则为脑科学的研究提供了理论指导，并预示了新 的更伟大的科学革命的到来，而生物物理学的创立则是人类用物理学知识去揭示 生命之谜的一个极其重要的里程碑，它为生命科学、生物工程展现出一个无限美 好的前景。 英国物理学家汤姆逊发现电子和1 9 0 1 年普朗克量子论的建立，标志着从经 典物理学现象的宏观描述跨入了微观世界的分析，这一跨跃在物理学中激起的巨 大浪潮，极大地影响了2 0 世纪的物理学思想，即大的物质由小的物质组成，小 的由更小的组成，找到最基本的粒子就知道了最大的构造，这个思想不仅影响了 物理学的发展，而且影响了2 0 世纪生物学的发展，即要了解生命就应研究它的 基因，了解了基因就可能会了解生命，因此，生命科学的一些前沿学科，如细胞 生物学、分子生物学、量子生物学、遗传基因工程等相继兴起，并加速发展，另 一方面，生命系统又是宏观的，是有机体的最高存在形式，是一个开放的复杂的 巨系统，它最具有整体性，所以，研究生命现象，仅采用那种机械的无限分割的 方法已不适用，还需要用整体的方法，以系统论、控制论、信息论为理论基础。 物理学中的模型、方法和计算能力，在生物系统中得到广泛的应用，用分子 涨落的方式对d n a 与r n a 的结构和动力学特征所做的量子力学计算，其精确 度已达到令人满意的程度，在细胞生理学和神经生物学中，物理学方法对于了解 生物分子的传输，膜的结构以及在脑、神经和肌肉中的信号过程始终是关键的， 通过单跨膜分子通道对离子流进行最新的物理测量，为了解单跨膜分子通道离子 流的机理，提供了最重要的直接途径；由于这种机理支配着脑和神经的信号处理 过程，所以这种物理测量有可能是揭开大脑之谜的关键途径。 山东大学硕士学位论文 2 2 2 研究d n a 分子的电子结构性质常用的物理方法 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。 1 d n a 分子的力学性质 s m i t h 等人用磁感应微球技术【l 】，对单个d n a 进行了力一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 的弹性也做了讨论 2 1 。其它研究表明，d n a 分子用超过6 5 p n 的 力拉伸时，d n a 将被拉伸7 0 以上，并有一个突变，即由正常的b 一型d n a 分子变为一个新的d n a 结构：s 一型d n a ，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 等人还对双链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 ，而短片段d n a 用a f m 针尖拉断需要1 7 0 0 p n f 3 j 。 在理论模型上，d n a 的弹性也引起了广泛的兴趣【”。最近的理论模拟表明， 短片段d n a 的弹性与其碱基序列有关【5 】。 对d n a 弹性有关的研究有一部分涉及d n a 在表面的拉伸操纵，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面的作 用，另外它在基于d n a 的分子器件等领域也有很大作用。 2 d n a 分子的尺度效应 纳米科技是指在l 一1 0 0 n m 尺度内研究物质运动规律和性质的科学和技术， 其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子或分子，制造出具有特定功 能的产品：分子器件。 生物分子就是处在纳米尺度，生命就是纳米水平的分子运动。纳米生物学有 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，主要的研究手段是 s p m ( 扫描探针显微镜) 6 1 ，另外激光镊子等其它新技术也参与其中【7 】：2 它对 生物学的研究深入到单分子水平，从而区别于传统生物学的宏观体系的研究，并 使信息的平均化得以避免。 由于线性的d n a 很好分别，所以在s p m 发展的早期别广泛的用来检验其 分别能力，甚至有人希望用s t m ( 扫描隧道显微镜f 8 l 最早的一种s p m ) 进行 山东大学硕士学位论文 直接的d n a 测序。虽然这个想法现在未能实现，但s t m 确实可以对d n a 进行 高分辨率的成像【9 】。 a f m ( 原子力显微镜) 【i o 】与s t i v i 相比，主要的差别是用力学的针尖代替了 隧道针尖，并以探测悬臂的微小偏转代替探测微小的隧道电流。a f m 对d n a 的 成像初期基本采用接触模式，由于切向力较大，得到好图像不是很容易，轻敲模 式的a f