（物理化学专业论文）紧束缚方法及其在dna电荷转移中的应用.pdf

山东大学博士学位论文 中文摘要 d n a ( 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 ) 是染色体的主要成分，同时也是 基因的重要组成部分。近年来，d n a 中的电荷输运问题成为国际学术界研究的 热点。一方面，研究发现与生命体密切相关的d n a 损伤与修复过程伴随着d n a 链内电荷的转移；另一方面，具有d n a 结构的纳米电子元件等有重要的潜在应 用价值。因此，d n a 的电荷输运能力以及输运过程成为生理学、物理电子学和 材料科学等多学科共同关注的课题。 有关d n a 的导电性问题一直存在着诸多争论。在实验上，研究者得出了迥 然不同的结论：超导体、导体、半导体甚至是绝缘体。理论计算方面，由于采用 的方法不同，所得结果也存在较大差异。 自1 9 9 3 年b a r t o n 等人报道了d n a 分子光诱导电荷转移实验中空穴转移距 离大于4 m 以来，有关d n a 导电性的实验和理论研究引起人们极大的兴趣。 g - i c s c 实验小组发现在g r o g ( n = 4 时，在热扰动的作用下，空穴极化子跃迁到桥体碥上，在桥体 上相邻碱基间无衰减的跃迁，实验进一步证明极化子在穿过3 个( a ：d 碱基的时间 内，可以获得跳跃到( a ：d 桥体上需要的热能。b a r t o n 和s c h u s t e r 等人认为d n a 电荷的转移距离可以多于4 个( a ：d 碱基对，同时证明了d n a 链上的空穴是离域 的，并提出了声子辅助跃迁方式；在电离势相近的片段( a ：d n ( n 3 ) 上，电荷输运 是通过无衰减的极化子的漂移实现的。理论计算方面，c o n w e l l 小组利用紧束缚 模型方法，证明了d n a 链上的电荷是离域的，并基于极化子模型，很好地模拟 了g g 、g a 碱基之间的隧穿以及碱基桥上的输运过程。 实验工作者对d n a 分子链内的电荷转移机理提出了种种猜想，但是没有任 何一种猜想能够合理解释已有的实验事实，因此，d n a 电荷传输机制目前尚不 清楚。鉴于这种情况，有必要开展理论研究，以便弄清d n a 链中电荷的传输机 理，为d n a 的损伤与修复提供理论解释，同时为有关的疾病治疗、蛋白质药物 研究，以及新型d n a 纳米器件的设计等提供理论知识。因此，这项研究具有重 要的科学意义。 由于d n a 分子尺寸大、结构复杂，目前的量子化学计算方法( 从头算方法、 山东大学博士学位论文 密度泛函方法) 处理d n a 分子体系存在困难。因此，研究者发展了一系列的半 经验模型方法，其中紧束缚方法由于充分考虑了d n a 分子体系中电荷与格点问 的耦合性质，适合于描述无外场情形以及存在外场情形下电荷的输运行为。由于 紧束缚方法计算过程中用拟合参数替代复杂的从头算积分过程，从而使得该计算 方法在研究大尺度体系优势非常明显。计算结果表明在成熟的参数条件下，该方 法可以得到定性甚至定量的结果。 本文首先介绍了d n a 分子结构特征，以及常见的量子化学方法( 从头算方 法、密度泛函方法和半经验方法) ，并指出这些方法对于处理d n a 分子体系存 在的困难；接着简单介绍了紧束缚方法。本文在计算过程中采用了两种紧束缚方 法模型：一是紧束缚s u s c h r i e f f c r h c c g c r ( s s h ) 模型，二是紧束缚 p c y r a r d - b i s h o p h o l s t c i n ( p b h ) 模型。在上述两种模型中，将d n a 双螺旋结构简 化为两条平行链，并将每个碱基或碱基对简化为一个格点。由于d n a 四种碱基 或碱基对具有不同的电离势( 在位能) ，相对于电子或空穴而言，d n a 链可以看 作是由不同碱基组成的复杂的量子阱和势垒结构。在s s h 模型与p b h 模型中， 分别考察了相邻格点间晶格畸变、互补碱基间氢键伸缩与电荷分布的耦合作用。 具体研究内容与结果如下： 1 无外场情形下，d n a 链上电荷分布性质研究 无外场作用时，体系激发掉一个电子从而带有单位正电荷，利用s s h 模型考 察了这种体系的静态电荷的分布性质。计算中，考虑了电荷与相邻晶格畸变的耦 合作用。电荷分布与晶格畸变耦合在一起时，形成空穴极化子，净电荷定域在晶 格畸变最大位置：相应地，体系的能带结构也发生了变化，出现了极化子能级和 相应的低能级。通常极化子局域在在位能最低的碱基附近，但当初始的扰动比较 大时，极化子会出现在初始扰动位置处。另外，利用p b h 模型考察了电荷与互 补碱基氢键伸缩的耦合作用下，体系静态电荷分布与氢键涨落的关系。与s s h 模型得出的静态性质类似，电荷分布与氢键涨落耦合在一起，形成极化子。 2 在外电场作用下，d n a 链上电荷传输过程的研究 以静态时电荷分布与晶格畸变为初始状态，加入外电场作用，讨论外电场作 用下不同d n a 链上的电荷输运性质。 ( 1 ) 同种链或交替链在由同种碱基和交替碱基组成的d n a 链中，极化子近 山东大学博士学位论文 似保持原来的形状沿着电场方向运动，直至随着晶格涨落的加剧，最终弥散。 ( 2 ) 量子阱结构链当初始极化子束缚于量子阱中时，极化子在电场的作用 下，会随着时间逐渐弥散：加大电场，会加速极化子弥散的速度，而无法使极化 子摆脱量子阱的束缚继续沿着链向前运动。当极化子形成于d n a 链的其它位置， 而非束缚在量子阱中时，极化子在电场的作用下，会沿着电场的方向前进，直至 掉入量子阱中。量子阱较深时，比如在a 如c a 上，极化子始终无法摆脱量子阱 的束缚，最终在阱中完全弥散；当量子阱较浅时，极化子会在短暂的弛豫之后， 摆脱量子阱的束缚继续沿着电场运动，如在a ，。t a 曲链上。 ( 3 ) 势垒结构链在外电场中势垒的高度与宽度对极化子传输具有非常明显 的影响。在弱电场下，空穴极化子无法穿越单势垒；而在强电场作用下，极化子 可以穿过单个势垒继续沿着电场的方向运动。对于存在双势垒的情况，会有部分 电荷隧穿过势垒，形成小极化子，原来的部分保持极化子形式，定域在势垒前， 直至最终弥散，而小极化子会在电场的作用下继续运动，直至最终弥散。对于三 个及三个以上的势垒，极化子几乎没有发生隧穿，最终弥散在势垒前；增加电场 隧穿效应仍然不明显，反而增快了极化子的弥散速度。 ( 4 ) 嘏n r ，m - r ；手三嵌段结构链在电场作用下极化子仍能通过“湮灭 与 “产生 的方式转移。在此过程中“湮灭”与“产生 过程是同时进行的，而 且在此过程中会有双极化子，多极化子的出现。并且极化子的这种传递过程是十 分迅速的，是在皮秒量级，甚至更短的时间完成的。根据电荷与晶格间的能量传 递与最终达到平衡状态，推测极化子的这种新的传输方式是由以下两种耦合作用 引起的：一是电荷与晶格之间的耦合作用，二是互补碱基间氢键的耦合作用。 3 环境因素对电荷传输的影响 理论计算忽略了环境因素的影响，为了更好地用数值方法模拟实验的结果， 在本文计算中采用s s h 模型，利用方形随机分布模拟了环境因素( 温度、溶剂化 效应等) 对于静态电荷分布与电荷传输的影响。结果表明，环境因素对于体系静 态电荷分布、能带结构以及电荷输运过程均产生了明显影响。 总之，本文利用两种紧束缚模型( s s h 模型和p b h 模型) 的静态和动态形式， 分别考察了d n a 带电体系的静态性质和在外电场作用下d n a 链上电荷传输的 山东大学博士学位论文 规律。静态时，基于上述两种模型，即考虑两种不同的电荷晶格耦合作用时，分 别得出了电荷分布与晶格畸变( 氢键涨落) 耦合在一起，形成静态极化子；加入外 电场，并取d n a 碱基的h o m o 能量作为在位能，将由不同碱基组成的d n a 链 视为量子阱和能量势垒的交替，分别讨论了在两种耦合作用下，在不同d n a 链 上极化子的传输规律。 本研究尚存在以下不足： 对于模型计算，参数对计算结果的影响特别明显。由于d n a 结构的复杂性， 加之易于受到环境因素的影响使得其结构变得更加复杂，因此无从得到特定构型 下的精确参数。求得良好的参数或者修改模型，使得模型具有更普遍的应用性是 我们下一步研究的重点。+ 上述研究过程中的极化子是定域电荷分布与晶格畸变耦合在一起，称为位 置极化子，忽略了环境因素的影响。而近年来，相关的研究表明，d n a 的溶剂 效应对于极化子的形成起着重要的作用。研究者发现在水溶液中的d n a 链存在 净电荷时，极化子的束缚能约为0 5 c v ，该极化子不同于位置极化子，称为溶剂 极化子；加之d n a 链上存在较大的位置涨落，从而使得极化子变得很不稳定。 在今后的研究中，对于在极性很强的水溶剂中d n a 链上溶剂极化子的传输的研 究也是未来工作的重要方面。 关键词：紧束缚方法；d n a ：极化子；s s h 模型；p b h 模型 山东大学博士学位论文 a b s t r a c t d n a p e o x y r i b o n u c l e i ca c i d ) ，t h em a i nc o m p o n e n to fc h r o m o s o m ea n dg e n e ，i sp a i d m o r ea t t e n t i o nf o ri t s p h y s i o l o g i c a lm e a n i n g sa n di t sp o t e n t i a la p p l i c a t i o ni n n a n o s c a l ee l e c t r o n i cd e v i c e s ，m a t e r i a l sa n d b i o l o g i c a ls y n t h e s i s i nr e c e n ty e a r s ，i ti s f o u n dt h a tt h ep r o c e s so fd a m a g ea n dr e p a i ri nd n ai sc o m p a n i e dw i t hc h a r g e t r a n s f e r a l s o ，t h ep o t e n t i a la p p l i c a t i o n si nt h en a n o s c a l ee l e c t r o n i cd e v i c e sa r er e l a t e d w i t l lc h a r g et r a n s p o r t s ot h et o p i co fc h a r g et r a n s f e ri nd n ab e c o m e st h er e s e a r c h c e n t r a li np h y s i o l o g y , p h y s i c a le l e c t r o n i c sa n dm a t e r i a ls c i e n c e t h e r ea r em a n yd e b a t e sa b o u tt h ec o n d u c t i v i t yo fd n af o rd i f f e r e n te x p e r i m e n t a l r e s u l t sf o r ms u p e r c o n d u c t o r , c o n d u c t o r ，a n ds e m i c o n d u c t o rt oi n s u l a t o r h o w e v e r ，t h e t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sa b o u td n aa l ea l s od i f f e r e n tf o r a d o p t e dc o m p u t a t i o n a l m e t h o d s i n c e1 9 9 3 ，b a r t o ng r o u pr e p o r tt h a th o l et r a n s f e ri nd n ao v 6 1 rad i s t a n c e 4 m ，a l a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t sa n dt h e o r i e sh a v eb e e na d v a n c e di nt h ea t t e m p tt o c h a r a c t e r i z et h et r a n s p o r t , m a i n l yo far a d i c a lc a t i o no rh o l e p a r t i c u l a r l y ，af a m o u s e x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tb yg i e s eo nt h es e q u e n c eg a n g g g ，i nw h i c ht h eh o l e t u n n e l st h r o u g ht h ef i r s tt h r e ea s ，t h e nh o po n t ot h eb r i d g eo fa s ，w h e r et h e ya r e l o c a l i z e do nas i n g l eaa n dt r a v e lf u r t h e rb y h o p p i n gb e t w e e nn e i g h b o r i n ga s b a r t o n a n ds c h u s t e rg r o u p se x c l a i mt h a tc h a r g eo rh o l e sc a nt r a v e lt h r o u g hm o r et h a nf o u r ( a ：d s ，a n da l s oh o l e sd e l o c a l i z ei ns e v e r a lb a s e s m e a n w h i l et h e yp o i n to u tt h a th o l e t r a n s p o r tb yp o l o r a o nd r i f ti n ( a ：d n ( n 3 ) c o n w e l lt h e o r yg r o u pa l s op a ya t t e n t i o nt o c h a r g et r a n s p o r ti nd n aa n ds t u d yi t 、析t l lt i g h tb i n d i n gm e t h o d e x p e r i m e n t ss h o wt h a tc h a r g ew i l lt r a n s f e ra l o n gd n ah e l i x ；h o w e v e ri ti sn o tc l e a r t h a th o wt h ec h a r g et r a n s f e r sa n dw h a ti st h et r a n s p o r tm e c h a n i s m i n t h i sp a p e r , w e w i l lt r yt oe x p l a i nt h ea b o v eq u e s t i o n sf o ri t sm e a n i n g f u lt od n a r e p a i r , i l l n e s s t r e a t m e n t , p r o t e i nd r u gd e s i g n , a n dn a n od e v i c e t h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sa b o u td n aa r ed i f f i c u l tf o rt h e o r d i n a r yq u a n t u m c h e m i c a lm e t h o d s ( e g a bi n i t i om e t h o da n d d e n s i t yf u n c t i o nt h e o r y ) c a n td e a lw i t h s u c hl a r g es o a l es y s t e m s os e r i e so fs e m i e m p e r i c a lm e t h o d sr i ted e v e l o p e d t h et i g h t v 山东大学博士学位论文 b i n d i n gm e t h o di so n eo ft h e s em e t h o d st h a tv a l u a b l eo n e st oc a l c u l a t ec o m p l i c a t e d n am o l e c u l e s t h ed n as t r u c t u r ea n du s u a lq u a n t u mc h e m i s t r y ( a bi n i t i om e t h o d , d e n s i t yf u n c t i o n t h e o r ya n ds e m i e m p e r i e a lm e t h o d ) m e t h o d sa l ei n t r o d u c e d , a n dt h e nt h ed i f f i c u l t i e s i nc a l c u l a t i o n sa r ea l s op o i n t e do u t t h et i g h tb i n d i n gm e t h o d ( t b m ) c a no v e r c o m e t h ea b o v el i m i t a t i o n si 1 1v i r t u eo ff i t t e dp a r a m e t e r sw h i c hp r e d i g e s tm u l t i p l ei n t e g r a l t h ec o u p l i n g sb e t w e e nl a t t i c ed i s p l a c e m e n t sa n dc h a r g ed i s t r i b u t i o na r ef o c u s e do ni i l s s hm o d e la n dt h em o d e la l s oe x p l a i n ss o m ec h a r g et r a n s p o r tp h e n o m e n aa l o n g d n ah e l i x a n o t h e ri m p o r t a n tt i g h tb i n d i n gm o d e li sp b hm o d e li nw h i c ht h e i n t e r a c t i o ni st h em a i no i l eb e t w e e nt h eh y d r o g e nb o n ds t r e t c h i n ga n dc h a r g e d i s t r i b u t i o n t h e s ek i n di n t e r a c t i o n sa l s oh a v ev i s i b l ee f f e c to nc h a r g em o t i o ni nd n a c h a i n 1 i ns t a t i cs t a t e ，t h eh o l ep o l a r o nw i l la p p e a rw h e no n ee l e c t r o ni se x c i t e df r o m t h ed n ac b a i n ，i nw h i c hc h a r g ed i s t r i b u t i o na n dl a t t i c ed i s p l a c e m e n t s 锄陀c o u p l e d t o g e t h e r a c c o r d i n g l y ，t h ep o l a r o ne n e r g yl e v e la n dt h ec o r r e s p o n d i n gl e v e lc o m e f o r t h i nu s u a lc a s e s ，p o l a r o n sl o c a l i z ei i lt h es e v e r a lb a s e s 、析t l ll o w e s to n s i t ee n e r g y a d d i t i o n a l l y ，p o l a r o nf o r m sa ts i t e s 谢廿li n i t i a ls t r u c t u r a lf l u c t u a t i o n s ，b u tn o to n e s w i 也l o w e s to n s i t ee n e r g y 2 p o l a r o nm o t i o nb e c o m e sc o m p l i c a t ew h e nad n ac h a i ni sp u ti i la ne l e c t r i c f i e l d t h ep o l a r o no ft h ed n ac h a i nc o m p o s e db yt h es a m eb a s e sa n dt h ea l t e r n a t e o n e sc a nm o v ea l o n gt h ec h a i nu n d e rt h es u i t a b l ee l e c t r i cf i e l du n t i lt h ep o l a r o n s m e a l 葛g r a a 眦l yf o rt h el a t t i c e sf l u c t u a t i o n s i nt h ed n ac h a i nm a d eu po ft h es a m eb a s e so ra l t e r n a t eb a s e s ，t h ep o l a r o nc a nm o v e a l o n gt h ec h a i ni nt h ed i r e c t i o no ft h ee l e c t r i cf i e l du n t i ls m e a r i n gu n d e rt h ee l e c t r i c f i e l d w ed i s c u s st h ed n ac h a i n sc o m p o s e do fd i f f e r e n tq u a n t u mw e l l sa n dp o t e n t i a l b a r r i e r sd e t a i l e d l y w h e np o l a r o nl o c a l i z e sa tq u a n t u mw e l l s ，i tw i l ls m e a ru n d e ra l l e l e c t r i cf i e l d ；t h ep o l a r o nl o c a l i z i n ga to t h e rs i t e sw i l lm o v ef o r w a r du n t i li tl o c a l i z e s a tt h ew e l l s t h ew e l l sw i t l ld e e pp o t e n t i a le n e r g yc a nh o l dt h ep o l a r o nu n t i li ts m e a r s 山东大学博士学位论文 t h ep o l a r o na ts h a l l o w e rw e l l sw i l lm o v ef o r w a r df u r t h e r , s u c ha si na 3 0 t a 的 t h ed n ac h a i n si nw h i c hp o t e n t i a lb a r r i e r sa r ee x i s t e da r ea l s od i s c u s s e d t h er e s u l t s s h o wt h a th o l ep o l a r o n 啪tt u n n e lt h r o u g hs i n g l eb a r r i e ru n d e rw e a kf i e l d ，b u ti tc a n g ot h r o u g ht h eb a r r i e rw h e nt h ee l e c t r i cf i e l di se n l a r g e d i ti si n t e r e s t e dt h a tt h e p o l a r o nw i l ld i v i d e di n t ot w oh a l v e s o n ei ss m a l lp o l a r o na n d t h eo t h e ri st h er e m a i n o n e t h es m a l lo n ew i l lm o v ef o r w a r da n dt h er e m a i no n ew i i is m e a ru n d e rt h e e l e c t r i cf i e l d t ot h ec a s et h e r ea r e3o rm o r eb a r r i e r si nad n ac b a i n ，t h et u n n e l i n g c a n tb eo b s e r v e dt h o u g hl a r g e re l e c t r i cf i e l d ni si n t e r e s t e dt h a tp o l a r o nc a nt r a n s f e ri nt h ec h a i n so ft h r e es e g m e n t s 代n r m r ；争b ya n n i h i l a t i n g a n dc r e a t i n g p o l a r o nc a na n n i h i l a t e g r a d u a l l y , m e a n w h i l en e wp o l a r o nw i l lb ec r e a t e da to t h e rs i t e s 、 ，i t l ll o w e s to n s i t ee n e r g y t h e c h a r g et r a n s p o r tm e t h o dc a nb ef i n i s h e di ns e v e r a lp i c o s e c o n d s ，o rm o r er a p i d l y f r o mt h et r a n s p o r to fc h a r g ea n ds y s t e me n e r g y ，w es p e c u l a t et h er e s u l tc a nb e e x p l a i n e db yt w oa s p e c t s ：o n ei st h ec o u p l i n gb e t 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lt h e o r y ，w ei n v e s t i g a t ec h a r g et r a n s f e r i nd i f f e r e n td n ac h a i n sw i ms s ha n dp b hm o d e l t h et w om o d e l sa r ef o c u s e do n a d j a c e n ts p a c ea n dh y d r o g e nb o n dc o u p l i n gw i t l le l e c t r o n sr e s p e c t i v e l y t h e ya l ea l l v a l u a b l em o d e l si no u rr e s e a r c ht o p i c a d d i t i o n a l l y ，t h es i m u l a t i o n so fe n v i r o n m e n t a l e f f e c to nc h a r g et r a n s p o r ta r ea l s oc o n s i d e r e dw i 廿ls s hm o d e l 1 1 舱n e x tr e s e a r c ht o p i c sa r es h o w e da sf o l l o w i n g ： m o d e lc a l c u l a t i o n sc a ng i v eaf e wv a l u a b l ei n f o r m a t i o n , b mr e s u l t sr e l y0 1 1m o d e l p a r a m e t e r sh e a v i l y a sw e a l lk n o w n , d n am o l e c u l e sa r ec o m p l i c a t ea n di t ss t r u c t u r e 山东大学博士学位论文 a r es u b t l ew h e ne n v i r o n m e n t a lf a c t o r sa r ec o n s i d e r e d s og o o dp a r a m e t e r sd e s c r i b i n g t h ea b o v ee f f e c ta r ee s s e n t i a li n 鼬e rr e s e a r c h t h er e s e a r c hi sa l s or e l i e do np o l a r o nm o d e lh e a v i l y w ec a n ti n v e s t i g a t ec h a r g e t r a n s f e rw h e np o l a r o ns m e a r su n d e ra ne l e c t r i cf i e l d i n0 1 1 1 r e s e a r c h , p o l a r o nc a nb en a m e da s s p a c ep o a l r o n ，b e c a u s ei tf o r m sb yt h e i n t e r a c t i o nb e t w e e ne l e c t r o n sa n dl a t t i c e s i nr e c e n ty e a r s ，s o m er e s e a r c hg r o u p s f o u n dt h a tt h et i g h tb i n d i n ge n e r g yo fap o l a r o ni sa b o u t0 5 e vi nw a t e r , d i f f e r e n t l y f o r m0 1 1 1 c a l c u l a t e dp o l a r o nm o d e l t h i sk i n do f p o l a r o ni sc a l l e d s o l v e n tp o l a r o n i n n e x tw o r k , t h es o l v e n tp o l a r o ns h o u l da l s ob ec o n s i d e r e d k e yw o r d s ：t i g h tb i n d i n gm e t h o d ；d n a ；p o l a r o n ；s s hm o d e l ；p b hm o d e l u 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：磋丝涵 日 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 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) 语文作者签名：幽导师签名：纪日 山东大学博士学位论文 第一章前言 2 0 世纪5 0 年代，w a t s o n 和c r i c k 提出了d n a ( d e o x y r i b o n u c l e i ca c i d ) 的双 螺旋结构模型，揭开了生命科学的新篇章，开创了科学技术的新时代。随后，作 为生命遗传物质重要组成部分的d n a 以其重要的生理学意义和广阔的应用前景 引起了物理学家、化学家和生物学家的广泛关注。近年来，随着实验手段的改进 和计算机技术的发展，与之相关的实验和理论研究都取得了很大的进步。d n a 在生命体中的重要作用正逐步为人们所认识，同时，其在分子电子学、纳米器件、 生物合成和生物纳米材料等方面的巨大潜在应用价值也正逐步成为现实。 本章首先介绍d n a 的化学组成及结构，进而介绍近年来量子化学计算的几 种基本方法，并指出在处理d n a 体系时遇到的困难；接着引出紧束缚方法的基 本思想，并详细讨论了紧束缚方法的理论基础及其发展。 1 1d n a 的组成与化学结构 1 1 1d n a 的组成 d n a ( d e o x y n 【b o n u c l e i ca c i d ) ，又称为脱氧核糖核酸，是染色体的主要化学成 分，同时也是基因的重要组成部分，以其重要的生理学意义，被称为遗传微粒 【1 ，2 】。d n a 是一种长链聚合物，其单体称为核苷酸；每个核苷酸单体由磷酸分 子、糖环和含氮碱基三部分组成。其中含氮碱基分为四种：腺嘌呤( a d e n i n e ，简写 为a ) ，鸟嘌呤( g u a n i n e ，简写为g ) ，胞嘧啶( c y t o s i n e ，简写为c ) ，胸腺嘧啶( t h y m i n e ， 简写为t ) 。见f i 9 1 1 和f i 9 1 2 。 i h o h z c 0 = = p o h j o h ( a ) 磷酸分子 f i 9 1 1 磷酸分子与糖环 ( b ) 戊糖分子 o h 山东大学博士学位论文 二文 ( a ) 腺嘌岭( a d c n i n c ) ( b ) 鸟m l 孥( g u a n i n e )( c ) 胞嘧啶( q 阳s i n e ) ( d ) m i , t 冁( t h y m i n e ) f i 9 1 2d n a 四种碱基 1 1 2d n a 的化学结构 1 9 5 3 年，w a t s o n 和c r i c k 提出了著名的d n a 双螺旋模型，为合理解释遗 传物质的各种生物功能、生物的遗传和变异、自然界千变万化的生命现象奠定了 理论基础。w a t s o n 和c r i c k 提出的d n a 双螺旋结构属于b 型双螺旋；该结构是 在生理盐溶液中抽出的d n a 纤维，在9 2 相对湿度下进行x 射线衍射图谱为依 据进行推测得出的，同时该结构在水性环境和生理条件下是最稳定的。后续研究 证明d n a 的结构是动态的。一般说来，d n a 的结构可以分为以下几类：a 型 d n a ( a - d n a ) 、b 型d n a ( b - d n a ) 和z 型d n a ( z - d n a ) 。在相对湿度为7 5 时 所获得的d n a 纤维的x 光衍射实验表明d n a 的构型与b d n a 不同，属于a 构象。a d n a 中每个螺旋含有1 1 个碱基对，而且与b d n a 相比，大沟变窄、 变深，小沟变宽、变浅。1 9 7 9 年w a n g 和硒c h 等人在研究人工合成的c g c g c g 单晶的x 射线图谱时，发现了z d n a 。z d n a 属于左手螺旋，与右手螺旋不同 的是螺距延长( 4 5 r i m 左右) ，直径变小( 1 8 r i m ) ，每个螺旋含有1 2 个碱基对，分 子长链中的磷原子不是平滑延伸，而是成锯齿状排列。在三种构型的d n a 中， b d n a 活性最高，a d n a 是b d n a 的重要变构形式，仍有活性；z - d n a ，是 b d n a 的另外一种变构形式，但活性明显降低。本文主要讨论b d n a ，因为生 物体内的d n a 几乎都是以b d n a 的形式存在的，见f i 9 1 3 。 d n a 结构特点是( 以b d n a 为例) ： ( i ) d n a 分子是由两条反向平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成的；两条链均为右手 螺旋，双螺旋结构上有两条螺旋凹沟，一条较深，一条较浅。较深的称为大沟 ( m a j o rg r o o v e ) ，较浅的称为小沟( m i n o rg r o o v e ) 。大沟的宽度是1 2 n m ，深度是 0 8 5 n m ；小沟的宽度是0 6 n m ，深度是0 7 5 n m 。 2 m 末大学博学位论文 鬈霉 ，毛= ! = 薹= ) _ 一。o 写；亏蚕乏 ) c = ：声兰= 三 萼：趸、r “c j 、 f i g l3d n a 双螺旋结构示意田 ( 2 ) 双螺旋的平均直径是2 n m ，两个相邻的碱基对之间垂直高度即碱基堆积的距 离是0 3 4 n m ，螺旋距是3 4 1 t i n ，两个核苷酸的夹角为3 6 。 ( 3 ) 由醑键相连的糖类分子和磷酸分子捧在外侧，构成基本骨架：每个糖类分子 都与四种碱基里的一种相连，碱基捧列在内侧碱基平面与纵轴垂直，糖环的平 面则与纵轴平行 ( 4 ) 两条链上的碱基通过氢键相结合，形成碱基对，即碱基互补配对原则。印嘌 崎与嘧啶配对，而且藏嘌呤( a ) 只能与胸腺嘧啶( t ) 配对。鸟嘌呤( g ) 只能与胞嘧 啶( c ) 配对。 1 _ 2d n a 电荷转移的研究现状 i2 1d n a 电荷转移的实验研究 对d n a 导电性的实验研究通常有如下两种方法：一