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脱氧核糖核酸(DNA)是复杂多样的大分子体系,是生物体中储存和传递遗传信息的重要物质和分子器件材料。DNA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,而其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。
对DNA分子导电性的研究已经成为生物、物理、化学等学科以及其交叉学科的研究热点。电子工业的迅猛发展使得电子器件趋于小型化,在这种趋势下,分子电子学应运而生。DNA分子由于其独特的可识别性和自组装性成为分子器件的候选材料之一。另外,近年来的研究发现DNA分子的电荷输运性质对认识生命运动的规律,基因的损伤与治疗,信息的传递等许多方面都具有重要的意义。不论是在实验上还是理论计算中,DNA分子的导电性都呈现出多样性的结果,而电荷输运机制目前尚不清楚,甚至有些结论是相互矛盾的。DNA分子的电荷输运实验显示DNA分子呈现出导体、半导体、绝缘体等丰富的电学性质。所以如何从理论上解释这一现象,弄清电荷在DNA中的传输机理,为利用DNA分子设计分子器件提供理论基础,同时为DNA的突变和修复规律提供理论解释,阐明DNA结构中蕴藏的生命过程的各种信息,具有重要的科学意义。
DNA分子是复杂的生物大分子,具有软性,其电荷输运容易受到内部和外部多种因素的影响,其中分子构型对DNA分子电荷输运性质的影响是本论文中重点研究的对象。三种具有生物活性的DNA双螺旋结构的DNA分别为A-DNA,B-DNA,Z-DNA,其中B-DNA是最常见一种双螺旋结构DNA,实验表明,在不同的环境以及人为的作用下B-DNA有向A或Z-DNA转变的趋势,为了反映出分子构型对DNA电荷输运性质的影响,我们采用DNA分子的三维紧束缚模型,通过传递矩阵方法计算了不同的DNA分子结构对其输运性质的影响。具体内容和主要结果如下:
1.螺旋角对Poly(dG)-Poly(dC)DNA分子输运性质的影响
在三维紧束缚单自由度模型下计算了螺旋角对DNA分子导电性的影响,发现:随着螺旋角的增大,DNA分子电子态有扩展的趋势,开启电压变小,在相同电压下电流增大。
2.碱基对平面倾角对Poly(dG)-Poly(dC)DNA分子输运性质的影响
首先计算了不同碱基对水平面倾角下Poly(dG)-Poly(dC)分子的I-V曲线和电导率,结果表明随着倾角的增大,DNA分子的电导率先缓慢增大再迅速减小。最后比较了A-DNA、B-DNA、Z-DNA分子的电荷输运性质,B-DNA分子导电性要好于其它构型DNA分子,这点与实验和理论分析相符。
3.热涨落对不同分子构型Poly(dG)-Poly(dC)DNA分子的输运性质的影响
在三维紧束缚模型下,采用高斯分布模拟不同构型分子结构的热涨落对Poly(dG)-Poly(dC)DNA分子电荷输运性质的影响。发现无论哪种构型DNA分子,氢键键长热涨落对分子中电荷输运都有明显影响,但扭转角热涨落对电荷输运影响比较小,并且对不同构型DNA分子来说扭转角热涨落的影响程度也不同,其中Z-DNA受扭转角热涨落的影响程度最小。