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Dissertation

Autor(en): Ming Yang
Titel: Ultrafast two-dimensional infrared spectroscopy of hydrogen-bonded base pairs and hydrated DNA
Gutachter: Thomas Elsaesser; Oliver Benson; Sundstrom
Erscheinungsdatum: 06.08.2012
Volltext: pdf (urn:nbn:de:kobv:11-100203608)
Fachgebiet(e): Physik
Schlagwörter (ger): Wasserstoffbrücken, 2D IR Spektroskopie, hydratisierte DNS, Basenpaare in Lösung
Schlagwörter (eng): hydrated DNA, hydrogen bonds, 2D IR spectroscopy, base pairs in solution
Einrichtung: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I
Lizenz: Namensnennung - Keine Bearbeitung (CC BY ND)
Zitationshinweis: Yang, Ming: Ultrafast two-dimensional infrared spectroscopy of hydrogen-bonded base pairs and hydrated DNA; Dissertation, Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I , publiziert am 06.08.2012, urn:nbn:de:kobv:11-100203608
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Abstract (ger):
Die Struktur von DNS Molekülen und ihre Wechselwirkung mit Wasser werden seit langer Zeit heiß diskutiert. In der vorliegenden Arbeit wird nichtlineare Spektroskopie zur Untersuchung dieser Systeme angewendet. Oligomere, die aus 23 alternierenden Adenin-Thymin-Basenpaaren bestehen und eine Doppelhelix bilden, wurden mit Hilfe von 2D IR Spektroskopie für verschiedene Hydratisierungsgrade untersucht. Für DNS-Filme bei 0% relativer Feuchte (r.F.) erlauben die transienten Spektren eine Unterscheidung der NH Streckschwingung von Thymin ((NH)), der symmetrischen und asymmetrischen NH2 Streckschwingung von Adenin (s(NH2) and a(NH2)) sowie die Bestimmung der jeweiligen Linienprofile. Die Spektren zeigen eine homogene Verbreiterung für die (NHT) wohingegen die s(NH2) and a(NH2) eine ausgeprägte und zeitunabhängige inhomogene Verbreiterung zeigen, welche auf Unordnungen in der DNS-Struktur hinweisen. Außerdem kann Energietransfer von der a(NH2) zur (NH) beobachtet werden. Bei Erhöhung der r.F. hat die erhöhte Anzahl von Wassermolekülen nur einen geringen Einfluss auf die Positionen und Linienprofile der NH Streckschwingungen. Dadurch wird nahegelegt, dass die spektrale Dynamik vom DNS Molekül selbst und nicht vom umgebenen Wasser bestimmt ist. Im Gegensatz dazu zeigt die OH Streckmode der Wasserhülle um die DNS spektrale Diffusion auf einer 500 fs Zeitskala. Guanosin-Cytidin(GC)-Basenpaare wurden in Chloroformlösung untersucht, um die Wechselwirkung zwischen Basenpaaren zu verstehen. Dabei wurden die NH Schwingungen in einer local mode Darstellung betrachtet, die zwei freie NH Gruppen von G und C und drei wasserstoffverbrückte NH Gruppen beeinhaltet. Die Kopplungen und Relaxationsdynamik der NH Streckanregungen wurden mit Femtosekunden-Pump-Probe und 2D IR Experimenten studiert. Die Ergebnisse zeigen eine Verringerung der Lebensdauer mit der Bildung von Wasserstoffbrücken sowie Energietransfer zwischen zwei wasserstoffverbrückten NH Streckschwingungen.
Abstract (eng):
The structure of DNA molecule and the interactions with its surrounding water is a hot topic for long time. In this thesis, we employ the nonlinear spectroscopy, including femtosecond pump-probe and two-dimensional infrared (2D IR) experiment, to study the vibrational dynamics of the systems. Double-stranded DNA short oligomers containing 23 alternating adenine-thymine base pairs were studied at different hydration levels by femtosecond 2D IR spectroscopy. For a DNA film at 0% relative humidity, the transient spectra enable a separation of the NH stretching mode of thymine from the symmetric and asymmetric NH2 stretching modes of adenine and determine the individual line shapes. For the NH stretch of thymine, the spectra demonstrate an essential homogeneous broadening, whereas for the symmetric and asymmetric NH2 stretches a pronounced and time-independent inhomogeneous broadening suggests a disorder in DNA structure. An energy transfer from the asymmetric NH2 stretch of adenine to the NH stretch of thymine is also observed. When the relative humidity increases, the increased water molecules have limited influence on the positions and line shapes of NH stretching frequencies, suggesting the spectral dynamics governed by DNA rather than water fluctuations. In contrast, the OH stretching mode of water shell around hydrated DNA undergoes a spectral diffusion on a 500 fs time scale, which is slower than the neat water. The guanosine-cytidine (GC) base pairs in chloroform solution were investigated to understand the interactions within base pairs. A local mode representationof NH stretching mode is adopted, consisting two free NH groups of G and C and three hydrogen bonded NH groups. The coupling and relaxation dynamics of the NH stretching excitations are studied by femtosecond pump-probe and 2D IR experiments. The results demonstrate a lifetime shortening upon the formation of hydrogen bonds, and an energy transfer between two hydrogen-bonded NH stretches.
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Generiert am 20.10.2014, 11:43:25