DNA復合及拉伸過程的分子動力學研究.pdf

1、DNA分子是生物體中的遺傳物質，它攜帶著生物體的所有遺傳信息。通過DNA的復制，生物體可以復制自身所攜帶的遺傳信息，并將自己的遺傳信息傳遞下去。通過DNA轉錄過程將遺傳信息表達出來。隨著DNA研究的進一步深入，DNA作為一種新型的材料已經越來越為人們所關注?？茖W家利用互補DNA單鏈會形成雙鏈結構的特點，制成了DNA生物傳感器，納米機器和以DNA分子為引導的自組裝材料。無論是在生物過程中，還是在新興的納米科技領域，都利用了DNA的單鏈復合

2、成雙鏈的過程。因為DNA復合過程是發(fā)生在原子尺度上DNA構象的變化，而且不涉及電子轉移的問題，分子動力學模擬是研究這個問題最合適的手段。03年開始科學家就開始利用分子動力學研究單個堿基對打開的過程。最近，DNA/RNA發(fā)卡的折疊過程(其中包含堿基對的復合過程)引起了人們的廣泛關注，利用分子動力學模擬的手段，科學家們發(fā)現了在折疊過程中存在過渡態(tài)和疏水塌縮現象。在實驗上，DNA復合過程也已經被廣泛的研究。科學家們發(fā)現DNA復合過程具有non

3、-Arrhenius的行為，在DNA/RNA發(fā)卡折疊過程中找到了過渡態(tài)存在的實驗證據。盡管DNA復合過程的研究已經取得了如此豐富的結果，但是DNA復合過程的機制還遠遠沒有被完全的理解。
　　 本文通過分子動力學的方法主要研究了DNA逐個堿基復合的過程；以及在逐漸增加相對3’端和5’端的距離的情況下，一段含有22個堿基對的DNA分子的結構變化。在逐個堿基對復合的研究中，我們發(fā)現打開的堿基對成功配對復合的概率依賴于初始的未形成堿基對

4、時DNA的結構。即依賴于未配對的堿基對與其相鄰的已經配對的堿基對的溶液可及表面積。溶液可及表面積描述這兩個堿基對與周圍水的接觸情況。溶液可及表面積越小，說明兩個堿基對周圍的水分子數越少。這將引起整個系統的焓減小，因為堿基表面是疏水的不能與水分子形成氫鍵，有更多的水進入體相水中可以減少水分子未配對的氫鍵數日。這是除堿基之間氫鍵相互作用之外，DNA復合的另一個驅動力。重要的是，在A-T和G-C堿基對中我們都發(fā)現了亞穩(wěn)態(tài)結構。在A-T堿基對復

5、合過程中發(fā)現的兩個亞穩(wěn)態(tài)結構都包含一個水分子，這個水分子連接起兩個堿基，起到穩(wěn)定結構的作用。這些亞穩(wěn)態(tài)結構造成了在形成Watson-Crick堿基對過程中遇到的勢壘。我們的數值模擬結果顯示，大多數的亞穩(wěn)態(tài)結構在較高的溫度下都會成為Watson-Crick堿基對，這個結果表明這些由亞穩(wěn)態(tài)結構造成的勢壘在較高的溫度下是可以被熱漲落克服的。據我們所知，這是第一次報道有關我們發(fā)現的Metal結構。雖然我們發(fā)現的Meta2的結構已經在零溫下由第一

6、性原理計算給出，但是我們的模擬第一次揭示了這個結構在室溫下也可以穩(wěn)定的存在。我們發(fā)現在G-C堿基對復合過程中也存在類似的亞穩(wěn)態(tài)結構。在拉伸DNA分子的模擬中，兩種拉伸方法(拉伸3'3'端和拉伸5'5'端)引起了DNA分子不同的結構變化。將3’端拉伸3.5nm需要142 kJ/mol的能量，拉力平臺的高度大約為80pN；相應的將5’端拉伸同樣的長度，需要190 kJ/mol的能量，拉力平臺的高度大約為100pN.拉伸3’端導致DNA分子雙

7、螺旋結構更大的解旋和相鄰的堿基對向DNA分子的小溝方向翻轉。與之相反，拉伸5’端使得相鄰堿基對向DNA分子的大溝方向翻轉并且使得整個DNA分子的直徑減小。拉伸3’端和拉伸5’端最大的不同在于拉力的平臺區(qū)域，拉伸5’端導致DNA中堿基對的打開，這些打開的堿基對又會對DNA雙螺旋結構的穩(wěn)定性帶來很大的影響。對于兩種拉伸方法，堿基的轉動和平動自由度發(fā)生變化的位置都在拉力平臺開始的位置，也就是DNA的相對長度l為1.2的位置。模擬結果對于理解D