DNA分子电荷输运的大极化机制探讨-论文.pdf

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1、第24卷第2期四川文理学院学报2014年3月Vo1．24No．2SichuanUniversityofArtsandScienceJournalMar,20l4DNA分子电荷输运的大极化机制探讨陈小波，张莉(四川文理学院物理与机电工程学院，四川达州635000)摘要：近年来研究发现，与生命体密切相关的DNA损伤与修复过程伴随着DNA链内电荷的转移．在DNA中，极化子是重要的元激发，是DNA中电荷传递可能的栽流子．为了更好的理解DNA的电荷输运的极化子机制，给出了能够准确估计电声耦合常数数值的理论方法．利用确定的电声耦合常数a，计算了极化子宽度和极化子束缚能．计算结果显示，DNA中的电荷输运

2、是通过大极化子的相干运动来实现的．关键词：I)NA；电荷输运；紧束缚模型；极化子中图分类号：0469文献标志码：A文章编号：1674—5248(2014)02—0041—05束缚能，并讨论了大极化子机制．0引言1SSH紧束缚模型下的极化子哈密顿众所周知，DNA分子是存放生物基因的大分子．Arkin等人的一个非常有趣的实验结果表明，DNA可以看作是由许多碱基对(A—T和G生物有机体的DNA损伤修复机制与DNA分子-C)构成的一维分子链．从现有的理论观点看，如的电荷输运特性有关．【一【_果往DNA的一维分子链中注入额外电子和空解释DNA分子的电荷输运机制的理论也并穴，可能会形成大极化子．能产生

3、极化子的哈密顿不唯一．其中，极化子跃迁机制可以很好的描述应包括的组成部分：(i)实现电荷传导的电子体DNA分子的软性质，并已得到很多相关实验的支系；(11)引起晶格畸变的电声耦合；(⋯)保持有限持和验证．Conwell等课题组认为DNA链上电荷的畸变所需的回复力．满足以上要求的SSt-!哈密的输运过程是极化子运动的结果，]即极化子是顿，u131通常可以写着：DNA电荷迁移的载流子．利用极化子模型，Con—H===∑d一t。∑(fr】十^f1)十well等人很好地解释了DNA链上碱基间的电子，?a∑(“一‰)(c_fJ州+c，c)+迁移实验．[39J极化子运动是DNA电荷输运的一种可能的机制

4、，文献E10]E]1]中的实验发现并支K∑(“一‰)z+∑Mi／2．(1)持了这一机制．"其中：c()是电子产生(湮灭)算符，表本文以人工构造的能够显示出快速电荷输运示在位能，“是第n个位点偏离热平衡位置的位特性且具有周期性序列的DNA分子为例，提出一种通过转移积分t。就能够计算耦合常数a的移(位点的平均间距等于格点常数以一3．4A)，K一种简明理论方法，计算了极化子宽度和极化子表示弹性常数，M是每个位点处的主体质量，t。收稿日期：2013—12—09作者简介：陈小波(1982)，男，重庆彭水人．讲师，硕士．主要从事理论材料物理研究412014年第2期陈小波，张莉：DNA分子电荷输运的大极

5、化机制探讨表示热平衡时的转移积分，a为电声耦合常数．在最近邻近似条件下，对于小位移‰H和‰假定在这个哈密顿中，转移积分t⋯+和两邻可以得到周期性DNA的SSH哈密顿：近位点的间距成线性关系，即H=：=一t。∑(c，+f+c工)4-a∑(“一t+l—t0一a(“1l一)．(2))(f+f+n1Cn)+K∑(+一“)z+我们选取的弹性常数K由声速实验值决,定[¨]：∑Mu~．／2，(9)K一0．85eVA一2(3)其中处理SSH哈密顿量的最主要的困难问题是如何选取参数，尤其是转移积分t。和电声耦合常)一一∑tkcos走以(10)数a的正确选择，对于极化子的特性以及极化子1⋯)的运动的数学描述是

6、极其重要的．至于转移积分a一t。在文献[12][15—17]中有各种不同的取值，这K一。~Vkcoska些取值主要取决于邻近碱基对的种类，由第一性原理计算获得，并且根据第一性原理的计算，电声和耦合常数：t一∑e如￡f；”一m．(13)a≈2tA一1(4)考虑上堆积的碱基之间力的性质，我们可以然而，由第一性原理得到t。和a的值的方法计算出t，然后再比较(10)式和(11)式，最后得太过于复杂，我们不再重述，而将提出一种较为简到：明的理论计算方法．to(14)a一一2耦合常数的简明理论计算方法由(14)式可知，通过转移积分t。就能够计算在本部分，将提出一种通过转移积分t就能耦合常数．够计算耦合

7、常数a的简明方法．这种能够显示出3结果与讨论快速电荷转移特性的周期性序列大分子可以通过人工构造．这时，可以认为d，一0，并以如下形式本文分析的出发点是基于上述的SSH哈密的哈密顿量开始计算：顿，然后再结合一维系统Holstein模型的哈密顿H一一∑t(u一)f+∑Mu~／24-量得到有如下形式的哈密顿量：H一一t。∑(c4+fc)4-去∑(V一V一+～)．(5)利用傅里叶变换Fqetqna(c州1Cn)(aq-a+-,)