環(huán)形高分子在受限環(huán)境中的構(gòu)象及動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、細(xì)胞核中的DNA以受限狀態(tài)存在。DNA受限于納米通道是對(duì)此進(jìn)行描述的典型物理模型。相關(guān)研究加深了人們對(duì)受限狀態(tài)下大分子鏈構(gòu)象的了解，同時(shí)也揭示了在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)DNA的分離、檢測(cè)甚至測(cè)序的可能性。環(huán)形大分子是大分子一種重要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。研究其受限不僅對(duì)于了解生物過(guò)程有重要意義，也為高分子鏈在受限空間中的理論的發(fā)展提供了新的方向。本文的研究圍繞環(huán)形高分子鏈在納米通道和吸附平面的構(gòu)象性質(zhì)和動(dòng)力學(xué)行為。
　　本文首先通過(guò)理論解析和Langev

2、in動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了環(huán)形大分子受限于圓柱形納米通道中的構(gòu)象性質(zhì)，并與線(xiàn)形大分子進(jìn)行了對(duì)比。用標(biāo)度理論、blob理論以及Flory理論三種方法得到的環(huán)形鏈與線(xiàn)形鏈在中度受限的納米通道中占據(jù)的長(zhǎng)度與管徑及鏈長(zhǎng)的標(biāo)度關(guān)系相同?；赽lob理論，我們假定環(huán)形鏈以?xún)蓷lblob團(tuán)串存在，blob尺寸為通道直徑的一半。幾何分析表明兩條blob團(tuán)串以螺旋形狀存在時(shí)最穩(wěn)定。此時(shí)環(huán)形與線(xiàn)形鏈在通道中所占據(jù)長(zhǎng)度的比值R‖,r/R‖,l為0.575。Flo

3、ry理論的推導(dǎo)結(jié)果則得到比值R‖，r/R‖，l為0.630。這兩個(gè)比值與我們的模擬結(jié)果0.584非常接近。這意味著相同條件下受限于通道中的環(huán)形高分子的伸展率比線(xiàn)形高分子高16.8％，與DNA在納米通道中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合。這一推論也被R‖,r/R‖,l隨鏈剛性的變化關(guān)系驗(yàn)證。隨著鏈剛性增加，R‖,r/R‖,l逐漸變小至1/2。另外中度受限的de Gennes區(qū)和強(qiáng)受限的Odijk區(qū)之間存在一個(gè)過(guò)渡區(qū)域，只是環(huán)形高分子受限的過(guò)渡區(qū)域不似線(xiàn)形高

4、分子的過(guò)渡區(qū)域那么明顯。
　　本文基于受限于納米通道中的環(huán)形高分子的構(gòu)象性質(zhì)，研究了其從納米通道逃逸的動(dòng)力學(xué)行為。當(dāng)鏈長(zhǎng)大于臨界鏈長(zhǎng)N*時(shí)，逃逸過(guò)程僅僅通過(guò)熵驅(qū)動(dòng)完成。由于環(huán)形高分子鏈在納米通道中的blob尺寸更小，相同鏈長(zhǎng)的環(huán)形高分子較線(xiàn)形高分子鏈逃逸地更快。當(dāng)N＜N*時(shí)，鏈?zhǔn)紫刃钄U(kuò)散至通道口，然后在熵驅(qū)動(dòng)下完成逃逸過(guò)程。這表明環(huán)形鏈相比于線(xiàn)形鏈需要擴(kuò)散更長(zhǎng)的距離才能到達(dá)通道口。而擴(kuò)散過(guò)程比熵驅(qū)動(dòng)的逃逸過(guò)程慢許多，因此環(huán)形高分子

5、總逃逸時(shí)間更長(zhǎng)。利用三維Langevin動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了一端固定的環(huán)形高分子鏈在平面上的吸附，并與線(xiàn)形大分子進(jìn)行了對(duì)比。主要研究了吸附過(guò)程中的鏈構(gòu)象、臨界吸附轉(zhuǎn)變、吸附動(dòng)力學(xué)等。我們的研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)形與線(xiàn)形高分子臨界轉(zhuǎn)變位置相同，即在熱力學(xué)極限下的臨界吸附強(qiáng)度εc(N→∞)=0.30。εc(N→∞)=0.30條件下，環(huán)形與線(xiàn)形高分子的平衡吸附鏈段數(shù)與鏈長(zhǎng)有著相同的標(biāo)度關(guān)系，標(biāo)度指數(shù)都在0.50左右。然而，環(huán)形高分子的吸附鏈段數(shù)始終比線(xiàn)

6、形高分子多，二者比值在1.25-1.30區(qū)間。吸附強(qiáng)度較小時(shí)，相同鏈長(zhǎng)的環(huán)形鏈最終吸附到平面上的鏈段數(shù)大于線(xiàn)形高分子;吸附強(qiáng)度較大時(shí)，二者最終吸附到平面上的鏈段數(shù)相同。強(qiáng)吸附時(shí)，環(huán)形鏈的吸附鏈段數(shù)與時(shí)間之間存在標(biāo)度關(guān)系n(t)～tβ，標(biāo)度指數(shù)為β=0.62。由此得到高分子吸附時(shí)間與鏈長(zhǎng)間的標(biāo)度關(guān)系τ～N1/β。標(biāo)度指數(shù)1/β與模擬結(jié)果1.56和1.57十分符合，符合理論預(yù)測(cè)1+v3d=1.588。強(qiáng)吸附時(shí)，環(huán)形鏈的吸附也遵循適用于線(xiàn)形鏈

7、吸附的zipping機(jī)理，但其吸附過(guò)程卻較線(xiàn)形鏈復(fù)雜許多，描述線(xiàn)形鏈吸附的stem-flower模型在此并不適用。環(huán)形由于無(wú)鏈端特性導(dǎo)致其吸附態(tài)不存在tail狀態(tài)，只有l(wèi)oop和train兩種狀態(tài)。通過(guò)檢查loop和train兩種狀態(tài)的的分布，我們發(fā)現(xiàn)一開(kāi)始loop的尺寸達(dá)到鏈長(zhǎng)尺度，隨著吸附過(guò)程的進(jìn)行，loop尺寸不斷減小直到最后消失。環(huán)形鏈?zhǔn)冀K較線(xiàn)形鏈更緊密、更趨近于球形，這可由吸附過(guò)程中的形狀因子以及鏈構(gòu)象投影到平面上的交叉點(diǎn)體現(xiàn)