单分子双链DNA的弹性性质：理论研究与实验比较

本文旨在全面理解最近通过单分子操纵技术发现的双链DNA（dsDNA）的新颖弹性性质。提出了一个适用于双链生物聚合物的通用弹性模型，并引入了一个新的结构参数，称为折叠角$\phi$，用以表征其形变。在此基础上，研究了长dsDNA分子的力学性质，其中考虑了DNA相邻核苷酸碱基对之间的碱基堆积相互作用、碱基对的空间位阻效应以及DNA骨架上的静电相互作用。通过路径积分方法获得了定量结果，理论与五个主要实验小组报告的观测结果取得了极好的一致性。碱基堆积相互作用的强强度确保了DNA的结构稳定性，而这种相互作用的短程性质使得外部刺激引起的大结构涨落成为可能。DNA的熵弹性、高可扩展性和超螺旋性质都与这一机制密切相关。本工作还提出了负扭矩可以诱导高度延伸的DNA从右手B型构象转变为类似于Z型构象的左手构象的结构转变的可能性。附录中列出了一些与路径积分方法在聚合物体系中应用相关的公式。