Dynamics of Charge Transfer in Ordered and Chaotic Nucleotide Sequences

Abstract

Аннотация. Исследуется перенос заряда в системах, состоящих из донора, акцептора и мостиковых сайтов -(АТ) нуклеотидных пар. Для мостика из 180 (АТ) пар рассматриваются три случая: однородный, когда все нуклеотиды в каждой нити ДНК одинаковы; регулярный, когда через равное число (АТ) пар встречаются (ТА) пары, и нерегулярный -когда мостик состоит из случайно разбросанных (АТ) и (ТА) пар. Показано, что во всех случаях есть перенос с донора на акцептор. При одинаковых условиях перенос наиболее эффективен в случае однородного полинуклеотида, затем по убыванию -для регулярной и неупорядоченной цепочки. Результаты расчетов согласуются с экспериментальными данными по переносу заряда в ДНК на большие расстояния. Ключевые слова: ДНК, акцептор, донор, дырка, моделирование, уравнение Шредингера.Проблема переноса заряда в биомакромолекулах, в частности, в ДНК, в настоящее время входит в число наиболее важных задач молекулярной биофизики и биохимии, и ей посвящено множество как теоретических, так и экспериментальных работ [1−9].Идея о том, что ДНК обладает проводящими свойствами, была выдвинута давно. Вскоре после определения структуры ДНК -двойной спирали -было предположено, что, благодаря упорядоченному расположению нуклеотидов в стопке, ДНК может проводить заряд [10]. Две нити ДНК можно рассматривать как цепочки, состоящие из нуклеотидных оснований: аденина (А), гуанина (G), цитозина (C) и тимина (T), с разными энергиями ионизации и интегралами перекрытия соседних оснований.Сейчас считается уже установленным, что молекула ДНК в равновесном состоянии не имеет свободных переносчиков заряда. Избыточные электроны (анион-радикалы) или дырки (катион-радикалы) могут вноситься в ДНК либо в результате фотовозбуждения при облучении молекулы в ультрафиолетовой области, либо в результате химических реакций или введения специального типа примесей [1][2][3][6][7][8]. Рассматривается также возможность переноса протонов в ДНК [9]. Однако особый интерес для исследований представляет перенос электронов и дырок вдоль цепи пар оснований, потому что передвижение радикалов сквозь молекулу ДНК, возможно, играет решающую роль в процессах мутагенеза и канцерогенеза. Кроме того, понимание механизма переноса заряда необходимо для развития новой области -молекулярных компьютеров на основе ДНК.Возможность экспериментального изучения переноса заряда по фрагментам ДНК появилась сравнительно недавно, что связано, с одной стороны, с разработкой нано-и фемтосекундной техники, и с другой -с развитием биохимических методов * fialka@impb.psn.ru ** lak@impb.psn.ru