生物软物质研究的新进展

文章对近年来中科院物理研究所软物质物理实验室生物软物质研究的部分新进展做一简略介绍,包括DNA单分子研究,DNA与组蛋白的相互作用动力学研究,生物分子马达的运动机制研究,解旋酶与DNA的结合以及解旋DNA的动力学研究,朊病毒片段聚集的分子动力学研究,蛋白质折叠动力学的脉冲升温-时间分辨光谱研究,光合细菌外周捕光天线膜蛋白的拓扑结构研究等.     

DNA及基于DNA链替换反应的分子计算

DNA是生物遗传信息的载体,同时也是一种理想的生物相容材料.单链黏性末端(toehold)协助的链替换反应是DNA常温纳米技术的基础.利用DNA的碱基互补特性和碱基序列的可编程性,人们可以基于DNA链替换反应构建分子机器并对其运转进行精确调控,实现各种复杂分子计算.本文回顾了近年来DNA结构和力学性质方面的研究进展,探讨DNA链替换反应的微观理解,介绍DNA分子计算领域的最新成果,以及它在DNA恒温自组装等方面的应用.     

电偶极子在生命科学中的应用

电偶极子是电学中基本的概念,它是电介质理论和原子物理学的重要模型.随着电偶极子研究的不断深入,电偶极子模型的应用使很多理论有了更加科学合理的解释.特别是电偶极子在生物大分子中化学键的形成,维持DNA分子稳定的双螺旋结构,刺激改变蛋白质的结构和功能,决定物质的可溶性以及在心脏电活动等生命活动领域均起到重要的作用.为了更深...     

金属的介电常数

在电磁学和电动力学教科书中,关于金属的介电常数有如下说法:1.金属的相对介电常数8,“不大于10”(梁百先编《普通物理电学部分下册》P.539);2.当介质的相对介电常数“趋于∞时,其效果相当于导体”(阚伸元编《电动力学数程》 P.42);3.在高频极限下,金属的相对介电常数εr可以为负,并随频率增加而进人εr>0(杰克逊著《经典电动力学》P.319)。对以上说法究竟如何理解?本文用经典电子论对金属的介电常数进行较全面的讨论,以求对金属的介电常数有个较完整的理解。 一、电子极化与金属的介电常数 物质的介电常数取决于物质在外电场中的极化。极…     

丙酮CO键在溶剂中频移变化的几种理论模型比较

测量了丙酮在16种溶剂中CO键的伸缩振动拉曼光谱,并且在Gaussian03程序下采用自恰反应场方法(SCRF)对丙酮在各种溶剂中的拉曼光谱进行了理论计算。用三种溶剂模型的电子给体-受体模型、Kirkwood模型和自恰反应场模型对实验结果进行了分析比较,结果表明Gutmann提出的电子给体-受体模型与实验结果符合的最好,而自恰反应场理论结果要好于Kirkwood模型。通过对三种模型的机理进行分析,得出给体-受体模型在解释电负性比较强的分子键振动光谱比较好,自恰反应场模型不但考虑了介电常数ε,而且考虑了分子大小、构型等因素的影响,模型复杂,计算量比较大,但是因为考虑的因素比较多,所以与实验结果也符合的比较好,而Kirkwood模型的主要参数为ε,模型简单,计算简便,能大致反映频移的趋势,说明介电常数是影响频移的一个主要因素。     

丙酮CO键在溶剂中频移变化的几种理论模型比较

测量了丙酮在16种溶剂中CO键的伸缩振动拉曼光谱,并且在Gaussian03程序下采用自恰反应场方法(SCRF)对丙酮在各种溶剂中的拉曼光谱进行了理论计算。用三种溶剂模型的电子给体-受体模型、Kirkwood模型和自恰反应场模型对实验结果进行了分析比较,结果表明Gutmann提出的电子给体-受体模型与实验结果符合的最好,而自恰反应场理论结果要好于Kirkwood模型。通过对三种模型的机理进行分析,得出给体-受体模型在解释电负性比较强的分子键振动光谱比较好,自恰反应场模型不但考虑了介电常数ε,而且考虑了分子大小、构型等因素的影响,模型复杂,计算量比较大,但是因为考虑的因素比较多,所以与实验结果也符合的比较好,而Kirkwood模型的主要参数为ε,模型简单,计算简便,能大致反映频移的趋势,说明介电常数是影响频移的一个主要因素。     

NaCl晶体结构的εr计算

现有计算电介质介电常数的方法都是基于单位体积内电介质宏观的电极化强度P等于微观电极化总强度n0 ·p的方法 .本文结合自然界的能量守恒关系 ,利用电介质在电场作用下的宏观电储能等于微观偶极子的弹性位移能的方法 ,推导出一个通用公式来计算碱卤晶体 (包括NaCl晶体结构 ,CsCl晶体结构 )的εr,理论值和公式计算值对比十分吻合 .     

分子马达肌球蛋白VI研究进展

生命体的一切活动,从肌肉收缩、细胞内部的运输、遗传物质(DNA)的复制、一直到细胞的分裂等等,追踪到分子水平,都是源于具有马达功能的蛋白质大分子做功的结果,它们称为分子马达(molecularmotor)。具体到细胞内的物质运输,生物体主要依靠两种细胞骨架系统——微管和微丝,以及与     

有机单分子层膜的介电常数理论研究

采用取向序参数计算了考虑分子固有偶极矩负电荷中心与分子卯定端不一致以及在一定区域内电偶极子不能视为点偶极子情况下,基底表面上有机单层膜的介电常数.计算结果表明单层膜的介电常数大小依赖于其基底物质的介电常数和分子负电荷中心离基底的距离.     

直流偏置电场下BaTiO3基陶瓷介电常数非线性机理的研究

采用传统固相法制备了Ba0.6Sr0.4TiO3(BST)和BaZrxTi1-xO3(x=0.25,0.3,0.35,0.4)(BZT)陶瓷,并对其在直流偏置电场下的介电常数非线性行为进行了系统、详细的研究.结果表明,基于Devonshire的宏观相变理论(phenomenological theory)提出的公式εr(app)=1/[1+αε3τ(0)E2]1/3和ε(E)=ε1-ε2 E2+ε3E4,均可定量地解释BST体系顺电相的介电常数非线性行为,其中εr(app)表示材料在电场下的介电常数,ε(0)表示不加电场即静态下材料的介电常数,α是非谐性因子,E表示电场强度,ε(E)表示材料在电场下的介电常数,ε1,ε2,ε3分别表示线性、非线性和高阶介电常数.而对于处于铁电相和居里温度附近的BST体系,则需要考虑铁电畴对介电常数非线性的贡献,这种贡献随着外加直流偏置电场强度的增大逐步减小.对于弛豫铁电体BZT体系,即使处于顺电相,也必须考虑由极性微区的冻结与合并引起的介电常数的下降,极性微区对介电常数非线性的贡献随着电场强度和温度的上升而有所下降.     

小球状蛋白质的低频振动模式

蛋白质分子中原子振动的研究(包括理论计算和实验测量),对进一步弄清蛋白质功能的机制具有重要的意义.蛋白质的特征结构及其动力学性质是其执行生物功能所必须的.在一定温度下,蛋白质分子中的原子在其平衡位置发生振动.因此,研究蛋白质分子的空间结构及其活动性(尤其是蛋白质分子活性部分的活动性),对进一步了解蛋白质分子的结构、功能与动力学过程之间的联系具有重要的意义.大家知道.对于分子晶体,由于原子之间的键合情况和相互作用情况的不同,相应的振动光谱可分为内振动部分和外振动部分.内振动频率与相应的自由分子振动频率较接近,故振…     

分子间相互作用对核酸碱基中17O屏蔽张量与四极耦合常数影响的理论计算研究

通过高精度量子化学理论计算的方法研究了分子间弱的非键相互作用对胸腺嘧啶、尿嘧啶、胞嘧啶和鸟嘌呤四种核酸碱基中~(17)O核的屏蔽张量(σO)和四极耦合常数(QCC)的影响.计算结果表明分子间强的氢键作用以及弱的范德华(vd W)相互作用都对~(17)O核的化学位移(δO)具有较大的影响.随着分子间氢键作用的逐渐增强,δO逐渐减小,当采用包含所有弱相互作用的周期性模型进行计算时,理论结果与实验值吻合.进一步的电荷分析显示,~(17)O核化学位移的减小主要是由于分子间氢键作用强度增加导致~(17)O原子的负电荷密度逐渐增加.此外,计算结果表明碱基中分子间氢键网络和弱的范德华作用对碱基~(17)O QCC也具有显著的影响.周期性模型下,碱基上氧原子的局域结构环境得到平衡,~(17)O QCC达到最小值,与实验结果最为接近.以核酸碱基为例,说明了分子间的氢键网络以及分子间弱的相互作用对于准确计算生物样品的核磁共振(NMR)参数非常重要,以小的团簇模型来计算生物体系的核磁参数将会产生较大的偏差.     

特定和非特定溶剂化对BPTI在金表面吸附的分子动力学模拟

采用分子动力学方法研究了三种水溶剂环境(即介电常数模型、部分溶剂化模型和全溶剂化模型)中牛胰蛋白酶抑制剂(BPTI)在金表面上的吸附效应. 结果表明BPTI在介电常数模型中会发生快而强的吸附作用并导致蛋白质结构发生大的结构偏差、明显的沿金表面的平铺展开、二级结构的快速消失、更多的原子出现在与金表面强相互作用的区域. 与介电常数模型相比,部分溶剂化模型中蛋白质与金表面间的显含水分子削弱了金的吸附作用,使得吸附速度和结构的变化程度减弱,但金吸附导致的蛋白质紧密水化层的损失仍然使得它的结构发生明显的变化. 蛋白质在全溶剂化的体系中吸附速度和程度是最慢最弱的,结构变化最小并能发生一定程度的旋转来寻找合适的吸附     

中专物理教材中的介电常数的讨论

国家教委中等专业学校规划教材—工科各类专业通用《物理》下册(以下简称教材)第八章给出了介质中的库仑定律和电容公式:F=k((q_1q_2)/εr~2);C=(εS)/(4πkd) 笔者认为,上述公式中的ε实际上应是物质的相对介电常数ε_r,而非介电常数ε. 下面进行论征: 1785年,库仑从实验结果总结出点电荷之间的相互作用的基本规律,即库仑定律     

正介电各向异性液晶的定向排列与分子参数

对烷氧基苄叉对氨基苯晴(简称)液晶在低频下呈现较大的正介电各向异性△ε=ε_(11)-ε_⊥≈15-20[1](ε_(11)和ε_⊥是平行和垂直液晶光轴的介电常数)。因此,用电场可以有效地控制薄膜的双折射率[2],而这一点在实际应用上,对于实现光束相位调制[3],且不产生此时所不需要的动态散射效应是非常重要的。 本文的目的是研究有序度S和折射率(Π_(11)和Π_⊥)与温度的关系,根据这些数据计算了分子极化     

一维线性非共轭石墨烯基(CH2)n分子链的电子输运

一维非共轭烷烃链虽不具富电子或少电子特征,但常存在于单分子器件或多肽、蛋白质等生物分子中,对电子传输产生重要影响.为理解这类物质的电子输运特征,本研究设计了一维线性非共轭(CH2)n分子结模型,并利用密度泛函理论结合非平衡态格林函数的方法,对(CH2)n(n=1—12)线性分子链与两个石墨烯电极耦合而成的分子结进行了第...     

[Ru(bpy)2L]2+、 [Ru(phen)2L]2+(L=pytp,pztp)电子结构与抗癌活性研究

对配合物[Ru(bpy)2L]2+、[Ru(phen)2L]2+(L=pytp,pztp),用密度泛函(DFT)法,在B3LYP/LanL2DZ水平上进行理论计算研究.探讨了配合物的电子结构与其抗癌活性的关系,主配体上N原子的增加有利于配合物与DNA的作用,增加配合物的抗癌活性.计算结果显示,对于配合物I～IV,其LUMO轨道能量次序为εI>εII和εIII>εIV;其LUMO的电子云主要分布在主配体上,且分布的含量有I相似文献   

二维函数光子晶体

光子晶体是由两种或两种以上不同介电常数材料所构成的周期性光学纳米结构.光子晶体结构可分为一维、二维和三维,其中二维光子晶体已成为研究的热点.可调带隙的二维光子晶体可以设计出新型的光学器件,因此,对它的研究具有重要的理论意义和应用价值.本文提出的二维新型函数光子晶体可以实现光子晶体带隙的可调性.所谓二维函数光子晶体,即组成它的介质柱的介电常数是空间坐标的函数,它不同于介电常数为常数的二维常规光子晶体.二维函数光子晶体是通过光折变非线性光学效应或电光效应使介质柱的介电常数成为空间坐标的函数.运用平面波展开法给出了TE和TM波的本征方程,由傅里叶变换得到二维函数光子晶体介电常数ε(r)的傅里叶变换ε(G),其傅里叶变换比常规二维光子晶体的复杂.计算发现当介质柱介电常数为常数时,其傅里叶变换与常规二维光子晶体的相同,因此二维常规光子晶体是二维函数光子晶体的特例.在此基础上具体研究了二维函数光子晶体TE波和TM波的带隙结构,其介质柱介电常数函数形式取为ε(r)=k·r+b,其中k,b为可调的参数.并与二维常规光子晶体TE波和TM波的带隙结构进行了比较,发现二维函数光子晶体与二维常规光子晶体TE波和TM波的带隙结构有明显的区别,二维函数光子晶体的带隙数目、位置以及宽度随参数k的变化而发生改变.从而实现了二维函数光子晶体带隙结构的可调性,为基于二维光子晶体的光学器件的设计提供了新的设计方法和重要的理论依据.     

左旋物质

最近在美国波士顿召开的“电磁学研究进展年会”上最为热门的话题是“左旋物质 (Ｌｅｆｔ-ＨａｎｄｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ ,简称ＬＨＭ) .左旋物质是指其介电常数和导磁率都是负值的物质 ,在世界上对电场或磁场中的任一种具有负响应系数的材料已经是极其稀少 ,更不用说对两个场都具有负响应效应的材料了 .当光线入射到左旋物质的样品时 ,它具有负的折射率 ,即光的折射方向是与一般材料的折射方向相反 .由于这种特性 ,左旋物质就成为固态滤波器以及各种天线的首选材料 .左旋物质一般都是金属材料 ,它们由Ｃ -型金属环 (即半环谐振器ｓｐｌｉ…     

DNA单分子弹性理论

随着单分子操纵技术的发明与发展，人们已经可以对单个生物大分子施以力或力矩，并测量它们的物理性质，DNA单分子的力学实验表明，在分子尺度上理解生物大分子的生化过程，力与能量是同等重要的结构与功能参数。一个梯子模型被用来描述双链DNA的外力拉伸曲线，在这个模型中，DNA是由许多碱基对(梯子的横杆，横杆之间存在吸引势)连接两条聚核苷酸虫链(梯子的两侧)形成的高分子，利用路径积分法得出的理论曲线与实验曲线吻合得很好，对于单链DNA，用分立的杂化高分子链统计理论的母函数方法来计算其弹性行为，得出与实验相符合的外力引起的解链相变结果。此外，对于抑瘤蛋白p53识别序列DNA微环弹性进行分析，发现其弹性模量只是通常随机序列的三分之一。