同聚dna分子polydapolyd主链振动谱线的构建

同聚dna分子polydapolyd主链振动谱线的构建

poli（da）poly（dt）是指双螺旋链中只有一条病毒（a）链的特殊序列中的dna分子。由于该种DNA分子具有许多独特的结构和物理性质,它在基因转录和DNA分子在核小体中形成扭转的三级结构具有重要意义。然而它的二级结构特殊,不同于普通序列的DNA分子,人们对其结构进行了大量研究。S.Arnott根据纤维DNA的X-衍射先后给出了两个结构模型,即改良的B型和异规模型。H.C.Nelson和M.Coll根据DNA分子的单晶衍射给出一种具有强烈的碱基扭转的B型模型,poly(dA)·poly(dT)的结构一直未能彻底确定下来。线二色光谱是分析分子结构的有力工具,特别是在各种宏观定向系统中确定分子空间取向方面应用广泛。我们利用晶格动力学方法,计算了DNA分子poly(dA)·poly(dT)的振动模式,探讨了振动位移矢量和线二色光谱的关系。这为poly(dA)·poly(dT)线二色光谱的研究提供了理论依据。1结构模型的建立由于poly(dA)·poly(dT)分子可以由两个核苷酸组成的核苷酸对沿着螺旋轴旋转一定角度,再沿该轴平移而成,所以整个分子可看成是一个具有螺旋对称性、无限长的一维晶格,那么在质权笛卡尔坐标下的久期方程可写为∶|D+(θ)F(θ)D(θ)-λ(θ)I│=0-π<θ≤π(1)其中,Bn是共价内坐标向笛卡尔坐标演化的过渡矩阵,R为旋转矩阵,n表示内坐标所关联的原胞序号。F为共价力常数。θ为色散角,本征值λ(θ)等于振动频率ω的平方,I为单位矩阵。无论是实验还是理论分析都表明,碱基对主链的振动影响很小,因而我们可以建立一个只包括主链上原子的模型。考虑到氢原子质量小,同其相连原子之间作用强,我们近似地把它看成是刚性地附着在它所连接的原子上,这样每个原胞包括22个原子。共价力常数由K.C.Lu给出,其中包括键伸缩内坐标、变角内坐标和非键内坐标。这套力常数适合各种构型的DNA分子,所观察到构型的DNA分子频率漂移仅仅是由于分子结构的变化引起的,由于几何结构不同所引起的力常数的二阶变化可以忽略不计。poly(dA)·poly(dT)结构模型的直角坐标取自Arnott对纤维状poly(dA)·poly(dT)进行X衍射测量而得到的异规模型。由于我们感兴趣的频率范围800cm-1～1300cm-1的振动模式色散很小,所以可以只需求解θ=0时的久期方程。利用这种近似方法对多种核酸的主链振动模式进行了计算,其结果同实验相符,这表明这样的处理方法是合理的。2磷酸根的对称和反对称振动当光被分子吸收的时候,一个重要的物理量就是同电磁辐射的电场作用的分子偶极矩。线二色光谱就是利用了偶极矩的方向性来探测在有序的宏观系统中的分子的取向。这种光谱技术也被用来侦测大分子中基团的取向,因而能够帮助确定大分子结构。对于沿着核酸分子螺旋轴取向的有序核酸纤维,分子中的基团的取向也是一致的,因而它们振动模式的取向也是一致的,相应的红外吸收带的吸收系数也有方向性的。所以可以通过测量不同取向的线偏振光穿过样品的吸收谱来计算振动模式的取向。反过来,如果得到了分子的振动模式,也就是说知道了分子中原子的振动位移,结合原子的非平衡电荷数据,就可以得到分子的跃迁偶极矩。跃迁偶极矩同线二色光谱的比较,能够为我们带来分子内部结构的信息。对于DNA分子线二色光谱,由于有关磷酸根的谱线呈现出很强的二色性,因而倍受关注。这些谱线对应着磷酸双氧(dioxy)的对称和反对称振动,磷酸二脂键(diester)的对称和反对称振动。我们知道,对于具有Cv对称性的模型化合物次磷酸阴离子H2PO2-,PO2-的双氧具有严格意义上的对称和反对称振动,按照对称的观点,反对称振动模式的跃迁偶极矩的方向就应该沿着双氧的连线,对称振动模式的跃迁偶极矩的方向就应该沿着两个氧磷键所成夹角的角平分线,因此通过测量次磷酸阴离子H2PO2-跃迁偶极矩,就可以得到磷酸根在空间中的取向。但是在poly(dA)·poly(dT)中,磷酸根以磷酸二脂键同C3和C5相连,显然破坏了Cv对称性。另外,从PED来看,磷酸根的对称和反对称振动模式的局域性也没有得到严格保持,其它原子也会参与振动,势必对核酸的跃迁偶极矩作出贡献,那么在这种情况下,分子的跃迁偶极矩是否还同磷酸根的取向有直接的联系?表1列出了poly(dA)·poly(dT)主链大于800cm-1的简正的频率、势能分布函数(PED)超过10%的内坐标。从表1中不能找到poly(dA)·poly(dT)的严格意义上的磷酸二脂键的对称和反对称振动动模式;815.8cm-1和792.3cm-1的振动模式被分别指定为A链和T链的磷酸脂的对称振动,这里的对称实际上是指磷酸根的两个脂键的振动方向是对称的,而从两个键的PED来看,两个键的振动幅度相差很大,是不对称的。A链的843cm-1振动模式中,磷酸二脂键的PED分别是22%和20%,比较接近,但它们的PED之和较小,而其它原子的振动对该模式贡献更大,所以这个模式不能指定为反对称的磷酸二脂键振动模式,利用该模式的偶极矩来确定磷酸根的空间取向也是不可行的。在表1中只有分属于A链、T链的1210.1cm-1和1208.9cm-1具有强烈的磷酸双氧(dioxy)反对称振动特征,而1102.7cm-1和1110.0cm-1两个模式则具有明显的磷酸双氧(dioxy)对称振动特征。表2给出了这些模式的各原子的极大位移。需要说明的是对于红外范围的线二色光谱,核酸的晶格波长很大,所以不同原胞内原子的振动都是同相位的,所以在表2中我们只列出了poly(dA)·poly(dT)一个原胞内原子的位移。根据poly(dA)·poly(dT)的磷酸双氧振动的对称和反对称模式的本振矢,结合核酸的非平衡电荷,计算了跃迁偶极矩方向同螺旋轴也就是Z轴的夹角,和磷酸根的取向角一起列入了表3中。可见,核酸的双氧反对称振动模式的跃迁偶极矩同螺旋对称轴的夹角与X衍射给出的O2、O3两氧原子的连线很接近,相差都小于1度。这说明双氧反对称振动模式具有较高的局域性,核酸分子中的其它原子由于只具有很小的位移,对整个分子的偶极矩贡献非常有限,所以我们可以利用核酸poly(dA)·poly(dT)的双氧反对称振动的特征线二色谱线来直接确定磷酸根的取向,理论上来讲,其精度小于1度。比较磷酸双氧对称振动模式的跃迁偶极矩同两个非脂键磷氧键所成夹角的角平分线,可以发现它们同螺旋轴所形成的角也较为一致,但其准确程度要比磷酸双氧的反对称振动要差一些,相差最大的超过了5度。只有60%势能分布,表明磷酸双氧对称振动模式已经