Helfrich手征彈性理論的推廣及高分子螺旋雙穩(wěn)態(tài)的理論解釋.pdf

1、湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文Helfrich手征彈性理論的推廣及高分子螺旋雙穩(wěn)態(tài)的理論解釋姓名：齊衛(wèi)宏申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：理論物理指導(dǎo)教師：劉全慧2001.4.1第一章引言生物大分子，如DNA、蛋白質(zhì)等對(duì)生物體具有非常重要的作用【1—3]，而大分子的空間構(gòu)形在某些方面決定了其生理功能。如蛋白質(zhì)的折疊方式不同，所完成的生理功能不同，瘋牛病就是由于某一種蛋白質(zhì)的錯(cuò)誤折疊引起【4】，這也說明，同一高分子，一種構(gòu)形可能對(duì)生物體非常重要，而另一種構(gòu)形

2、可能對(duì)生物體有害。因此研究高分子的空『自J構(gòu)形有很大的意義。高分子形成螺旋構(gòu)形是—種很普遍的現(xiàn)象，有機(jī)物高分子能夠形成螺旋[15】，無機(jī)物也能夠形成螺旋【6]，人們現(xiàn)在還能夠人工合成具有螺旋結(jié)構(gòu)的高分子陰。最常見的高分子如DNA，它是生命遺傳物質(zhì)的攜帶者。五十年代Watson和Crick發(fā)現(xiàn)了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)[8，9】，進(jìn)一步研究表明，雙螺旋的DNA能夠纏繞在蛋白質(zhì)上形成超螺旋【l，3]。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，～些纖維分子也在溶液中呈現(xiàn)螺旋狀【

3、5，10，II，12】。這些螺旋要么是左螺旋，要么都是右螺旋，但從自然界現(xiàn)有的高分子來看，絕大多數(shù)的是右螺旋【13】。這些有機(jī)高分子的一個(gè)共同特點(diǎn)就是它們都是由具有手征性的小分子構(gòu)成。隨著科學(xué)的進(jìn)步和實(shí)驗(yàn)手段的提高進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，一些高分子在離子溶液中能夠出現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)螺旋，即左螺旋與右螺旋在相同的條件下自夠同時(shí)存在[1422]。例如，細(xì)菌鞭毛絲的左螺旋和右螺旋能眵互相轉(zhuǎn)換[14，23】，而且，在一定的離子溶液中，這種左螺旋和右螺旋能夠同時(shí)存在

4、(如圖1—1所示)[14】，細(xì)菌纖維也能夠出現(xiàn)兩種手征性相反螺旋共存狀態(tài)(如圖12)[15，16]所示。近來也發(fā)現(xiàn)，DNA的左螺旋和右螺旋的在一定的環(huán)境中也能夠共存[17221。于是就出現(xiàn)了一個(gè)問題，怎么從物理機(jī)理上解釋這種現(xiàn)象呢研究發(fā)現(xiàn)，這種由具有手征性的分子構(gòu)成的高分子具有很高的彈性，其空間結(jié)構(gòu)在很大的程度上取決于鏈的彈性。一種很自然的做法就是發(fā)展一種彈性理論來解釋這種現(xiàn)象。事實(shí)上，已經(jīng)有了這樣的理論。經(jīng)典的高分子彈性理論是Kirc

5、bhoff的細(xì)桿理論【24]，經(jīng)很多人【25】f26】的發(fā)展，成為研究高分子的一種較好的理論。九十年代初，德國物理學(xué)家Helfrieh從第一原理出發(fā)，提出了一種純彈性理論[5】，他將高分子鏈看作—種彈性曲線，將鏈的能量密度以曲線的曲率和撓率展丌(根據(jù)微分幾何理論27，28】，如果曲線的曲率和撓率唯一的確定，那么，空間曲線就唯一的確定)。Helfnch的理論在研究生物高分子在空『自J構(gòu)形方面取得了很二一。。，一二～一jt!螺_，，廷薹要驂