DNA復(fù)合及拉伸過程的分子動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、DNA分子是生物體中的遺傳物質(zhì)，它攜帶著生物體的所有遺傳信息。通過DNA的復(fù)制，生物體可以復(fù)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(zhuǎn)錄過程將遺傳信息表達(dá)出來。隨著DNA研究的進(jìn)一步深入，DNA作為一種新型的材料已經(jīng)越來越為人們所關(guān)注。科學(xué)家利用互補(bǔ)DNA單鏈會(huì)形成雙鏈結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，制成了DNA生物傳感器，納米機(jī)器和以DNA分子為引導(dǎo)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(lǐng)域，都利用了DNA的單鏈復(fù)合

2、成雙鏈的過程。因?yàn)镈NA復(fù)合過程是發(fā)生在原子尺度上DNA構(gòu)象的變化，而且不涉及電子轉(zhuǎn)移的問題，分子動(dòng)力學(xué)模擬是研究這個(gè)問題最合適的手段。03年開始科學(xué)家就開始利用分子動(dòng)力學(xué)研究單個(gè)堿基對(duì)打開的過程。最近，DNA/RNA發(fā)卡的折疊過程(其中包含堿基對(duì)的復(fù)合過程)引起了人們的廣泛關(guān)注，利用分子動(dòng)力學(xué)模擬的手段，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了在折疊過程中存在過渡態(tài)和疏水塌縮現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)上，DNA復(fù)合過程也已經(jīng)被廣泛的研究?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)DNA復(fù)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(shí)驗(yàn)證據(jù)。盡管DNA復(fù)合過程的研究已經(jīng)取得了如此豐富的結(jié)果，但是DNA復(fù)合過程的機(jī)制還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有被完全的理解。
　　 本文通過分子動(dòng)力學(xué)的方法主要研究了DNA逐個(gè)堿基復(fù)合的過程；以及在逐漸增加相對(duì)3’端和5’端的距離的情況下，一段含有22個(gè)堿基對(duì)的DNA分子的結(jié)構(gòu)變化。在逐個(gè)堿基對(duì)復(fù)合的研究中，我們發(fā)現(xiàn)打開的堿基對(duì)成功配對(duì)復(fù)合的概率依賴于初始的未形成堿基對(duì)

4、時(shí)DNA的結(jié)構(gòu)。即依賴于未配對(duì)的堿基對(duì)與其相鄰的已經(jīng)配對(duì)的堿基對(duì)的溶液可及表面積。溶液可及表面積描述這兩個(gè)堿基對(duì)與周圍水的接觸情況。溶液可及表面積越小，說明兩個(gè)堿基對(duì)周圍的水分子數(shù)越少。這將引起整個(gè)系統(tǒng)的焓減小，因?yàn)閴A基表面是疏水的不能與水分子形成氫鍵，有更多的水進(jìn)入體相水中可以減少水分子未配對(duì)的氫鍵數(shù)日。這是除堿基之間氫鍵相互作用之外，DNA復(fù)合的另一個(gè)驅(qū)動(dòng)力。重要的是，在A-T和G-C堿基對(duì)中我們都發(fā)現(xiàn)了亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。在A-T堿基對(duì)復(fù)

5、合過程中發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)都包含一個(gè)水分子，這個(gè)水分子連接起兩個(gè)堿基，起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用。這些亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)造成了在形成Watson-Crick堿基對(duì)過程中遇到的勢(shì)壘。我們的數(shù)值模擬結(jié)果顯示，大多數(shù)的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)在較高的溫度下都會(huì)成為Watson-Crick堿基對(duì)，這個(gè)結(jié)果表明這些由亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)造成的勢(shì)壘在較高的溫度下是可以被熱漲落克服的。據(jù)我們所知，這是第一次報(bào)道有關(guān)我們發(fā)現(xiàn)的Metal結(jié)構(gòu)。雖然我們發(fā)現(xiàn)的Meta2的結(jié)構(gòu)已經(jīng)在零溫下由第一

6、性原理計(jì)算給出，但是我們的模擬第一次揭示了這個(gè)結(jié)構(gòu)在室溫下也可以穩(wěn)定的存在。我們發(fā)現(xiàn)在G-C堿基對(duì)復(fù)合過程中也存在類似的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)變化。將3’端拉伸3.5nm需要142 kJ/mol的能量，拉力平臺(tái)的高度大約為80pN；相應(yīng)的將5’端拉伸同樣的長(zhǎng)度，需要190 kJ/mol的能量，拉力平臺(tái)的高度大約為100pN.拉伸3’端導(dǎo)致DNA分子雙

7、螺旋結(jié)構(gòu)更大的解旋和相鄰的堿基對(duì)向DNA分子的小溝方向翻轉(zhuǎn)。與之相反，拉伸5’端使得相鄰堿基對(duì)向DNA分子的大溝方向翻轉(zhuǎn)并且使得整個(gè)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(tái)區(qū)域，拉伸5’端導(dǎo)致DNA中堿基對(duì)的打開，這些打開的堿基對(duì)又會(huì)對(duì)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性帶來很大的影響。對(duì)于兩種拉伸方法，堿基的轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)自由度發(fā)生變化的位置都在拉力平臺(tái)開始的位置，也就是DNA的相對(duì)長(zhǎng)度l為1.2的位置。模擬結(jié)果對(duì)于理解D