碱基对在DNA双螺旋链上分离的自由能计算.pdf

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1、物理化学学~E(WuliHuaxueXuebao)1282Acta．一Chim．Sin．2016，32(5)，1282—1288May[Article]doi：10．3866／PKU．WHXB201602185www．whxb．pku．edu．cn碱基对在DNA双螺旋链上分离的自由能计算伍绍贵，冯丹’(四川i师范大学化学与材料科学学院，成都610068；中国科学院理论物理研究所，理论物理国家重点实验室，北京100190)摘要：DNA是大部分生物包括病毒的基因载体。DNA双螺旋链通过A=T和G-=C两种碱基对编码实现

2、对遗传信息的存储。碱基对中的相互作用对DNA双螺旋链的稳定性起到重要作用，直接关系到基因的复制和转录。当前研究中，我们构建了四组不同结构的DNA双螺旋链，进行了总共4．3ps的分子动力学模拟。通过伞形取样技术计算了DNA双螺旋链中碱基对分离的自由能曲线，并从分子尺度细节和相互作用能对自由能曲线进行解析。在碱基对G-=C的自由能曲线(PMF．PGC)F观察到三个峰，通过监测氢键数目的变化发现分别对应于G—C三个氢键的断裂；而在A=T的自由能曲线(PMF．PAT)上只出现一个峰，说明A=T的两个氢键在分离过程中几乎同时

3、断裂。PMF—PGC的总能垒比PMF．PAT高，主要是因为G=-C比A=T多一个氢键，更稳定。两条曲线的后段自由能仍然升高，而此时碱基对的氢键己断裂，这是DNA链骨架刚性所导致。我们还研究了碱基对稳定性受相邻碱基对的影响，发现邻近G=-C碱基对会增强A=T的稳定性，C=G会削弱A=T的稳定性，T=A对A=T的影响较小。关键词：平均力势；氢键；分子动力学模拟；伞形取样中图分类号：O641FreeEnergyCalculationforBasePairDissociationinaDNADuplexWuShao—Gui

4、’。，FENGDan’fCollegeofChemistryandMaterialScience,SichuanNormalUniversity,Chengdu610068,R．China；eStateKeyLaboratoryofTheoreticalPhysics,InstituteofTheoreticalPhysics．ChineseAcademyofSciencesBeijing100190,R．China)Abstract：DNAisthemaingeneticmateriaIforIivingorga

5、nismsincludingmanyviruses．DNAduplex．codedwithA=TandGECbasepairs。iswellsuitedforbiologicalinformationstorage．TheinteractionsbetweentwobasesinabasepaircontributetothestabilityofDNAduplex，andarefurtherrelatedtogenereplicationandtranscription．Inthisstudy,weuseall—

6、atomMoleculardynamics(MD)simulationscombinedwithUmbrellasampling(US)methodtodeterminethefreeenergyprofilesandexplorethemoleculardetailsforbasepairdissociations．FourgroupsofDNAduplexeswithdiferentsequenceshavebeenconstructedandatotaIof4．3IJsMDsimulationshavebee

7、ncarriedout．Inthepotentialofmeanforce(PMF)profileforGiCbasepairdissociation(denotedasPMF-PGC)，weobservedthreepeaks，whichcorrespondtothethreemomentsG-Cbasepairlosesitsthreehydrogenbondsrespectively．Diferently．A=TbasepairIosesitstwohydrogenbondswithinaveryshortt

8、ime．Asaresult．onlyonehydrogenbondrupturepeakwasobservedinitsPMFcurve(denotedasPMF-PAT)．ComparedwithPMF-PAT,theoverallfreeenergvbarrierinPMF．PGCishigher,whichisduetothebeRerstabilit