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)宏申請學(xué)位級別：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)的錯誤折疊引起【4】，這也說明，同一高分子，一種構(gòu)形可能對生物體非常重要，而另一種構(gòu)形

2、可能對生物體有害。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，有機物高分子能夠形成螺旋[15】，無機物也能夠形成螺旋【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]。實驗還發(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】。這些有機高分子的一個共同特點就是它們都是由具有手征性的小分子構(gòu)成。隨著科學(xué)的進步和實驗手段的提高進一步發(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存在[1422]。例如，細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存在

4、(如圖1—1所示)[14】，細菌纖維也能夠出現(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)了一個問題，怎么從物理機理上解釋這種現(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