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

1、細胞核中的DNA以受限狀態(tài)存在。DNA受限于納米通道是對此進行描述的典型物理模型。相關(guān)研究加深了人們對受限狀態(tài)下大分子鏈構(gòu)象的了解，同時也揭示了在實驗上實現(xiàn)DNA的分離、檢測甚至測序的可能性。環(huán)形大分子是大分子一種重要的拓撲結(jié)構(gòu)。研究其受限不僅對于了解生物過程有重要意義，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)和動力學行為。
　　本文首先通過理論解析和Langev

2、in動力學模擬方法研究了環(huán)形大分子受限于圓柱形納米通道中的構(gòu)象性質(zhì)，并與線形大分子進行了對比。用標度理論、blob理論以及Flory理論三種方法得到的環(huán)形鏈與線形鏈在中度受限的納米通道中占據(jù)的長度與管徑及鏈長的標度關(guān)系相同?；赽lob理論，我們假定環(huán)形鏈以兩條blob團串存在，blob尺寸為通道直徑的一半。幾何分析表明兩條blob團串以螺旋形狀存在時最穩(wěn)定。此時環(huán)形與線形鏈在通道中所占據(jù)長度的比值R‖,r/R‖,l為0.575。Flo

3、ry理論的推導結(jié)果則得到比值R‖，r/R‖，l為0.630。這兩個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形高分子高16.8％，與DNA在納米通道中的實驗結(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)和強受限的Odijk區(qū)之間存在一個過渡區(qū)域，只是環(huán)形高分子受限的過渡區(qū)域不似線形高

4、分子的過渡區(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力學行為。當鏈長大于臨界鏈長N*時，逃逸過程僅僅通過熵驅(qū)動完成。由于環(huán)形高分子鏈在納米通道中的blob尺寸更小，相同鏈長的環(huán)形高分子較線形高分子鏈逃逸地更快。當N＜N*時，鏈首先需擴散至通道口，然后在熵驅(qū)動下完成逃逸過程。這表明環(huán)形鏈相比于線形鏈需要擴散更長的距離才能到達通道口。而擴散過程比熵驅(qū)動的逃逸過程慢許多，因此環(huán)形高分子

5、總逃逸時間更長。利用三維Langevin動力學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，并與線形大分子進行了對比。主要研究了吸附過程中的鏈構(gòu)象、臨界吸附轉(zhuǎn)變、吸附動力學等。我們的研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)形與線形高分子臨界轉(zhuǎn)變位置相同，即在熱力學極限下的臨界吸附強度εc(N→∞)=0.30。εc(N→∞)=0.30條件下，環(huán)形與線形高分子的平衡吸附鏈段數(shù)與鏈長有著相同的標度關(guān)系，標度指數(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

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

7、吸附的zipping機理，但其吸附過程卻較線形鏈復雜許多，描述線形鏈吸附的stem-flower模型在此并不適用。環(huán)形由于無鏈端特性導致其吸附態(tài)不存在tail狀態(tài)，只有l(wèi)oop和train兩種狀態(tài)。通過檢查loop和train兩種狀態(tài)的的分布，我們發(fā)現(xiàn)一開始loop的尺寸達到鏈長尺度，隨著吸附過程的進行，loop尺寸不斷減小直到最后消失。環(huán)形鏈始終較線形鏈更緊密、更趨近于球形，這可由吸附過程中的形狀因子以及鏈構(gòu)象投影到平面上的交叉點體現(xiàn)