基于ox-DNA模型研究DNA hairpin结构的热力学和动力学性质
发布时间：2021-11-08 09:36
本文基于ox-DNA模型研究了DNA hairpin结构转变热力学和动力学的相关性质。使用朗之万动力学的方法来模拟DNA hairpin结构两态转变过程,主要从温度和拉力两个方面开展了以下工作:（1）DNA hairpin单分子热力学性质研究。利用分子动力学方法模拟,在ox-DNA的模型下研究短序列的DNA hairpin单分子在不同温度下的相转变行为。研究发现短序列的DNA hairpin单分子打开概率与体系的温度有关,在温度比较低时,DNA hairpin单分子几乎全部处于关闭状态,打开状态只会低概率的出现。随着温度的升高,由温度导致的打开状态出现的频率会增加。当温度增加到较高时,DNA hairpin单分子几乎全部处于打开状态。DNA hairpin单分子打开概率与温度有定量的关系,并且可以从二态模型角度出发进行解释。（2）DNA hairpin单分子动力力学性质研究。固定体系的温度不变,其模拟方法、模型和DNA hairpin单分子的序列都不变,仅在体系内的DNA hairpin单分子两端施加一个相反方向的恒定拉力,研究发现在不同温度下,DNA hairpin单分子处于打开状态...
【文章来源】：贵州师范大学贵州省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
DNA复制过程中DNAhairpin的形成
贵州师范大学硕士学位论文2补部分称为DNA发夹的茎部（stem）部分，而中间的单链部分称为环状（loop）部分[11,12]。在大量的单分子实验中，DNAhairpin是大多数研究热力学和动力学实验的对象[13-16]。这么多年来，对DNA和蛋白质的研究已经在逐渐的完善中。在现在的技术下，利用磁镊实验可以在外加一个拉力的作用下研究DNA和蛋白质的热力学性质。现在的磁镊操纵DNA单分子的技术已经非常的成熟了，如图1.2所示是磁镊操纵DNAhairpin装置模型示意图[17]。简单的说就是，将DNA分子的一端固定，另一端与磁珠绑定（直径在0.5-4.5μm），在磁珠的上方是一组可控制的小磁体，从而控制DNA分子的拉伸和弯曲。在磁镊实验中产生的拉力的精度可以控制在几飞牛（10-3pN）到几百皮牛之间[18]。在DNA发夹单分子磁镊实验中，力是可以得到了很好的控制，但对于茎部较短的序列（小于8bp），由于只几对的氢键能量存在，体系本身的热涨落就可以破坏它的结合，因此在没有拉力的作用下，DNA发夹到DNA单链转变时间只有微秒级，所以在实验中无法精准的测量。图1.2磁镊操纵DNAhairpin装置模型示意图在对DNA进行合理的模拟研究，需要一个可靠的DNA结构模型来准确地描述DNA生物物理学在分子水平上的关键特征。人们总是倾向于使用DNA分子的全原子（all-atom）的方式来进行模拟，以及周围的溶剂和反离子，以此观察DNA动力学的行为方式[19-23]。然而，当前计算机的计算功能是有限的，无数
理论模型及模拟方法72理论模型及模拟方法2.1ox-DNA模型在2010年由牛津大学的T.E.Ouldridge教授首次提出ox-DNA模型，它再现了DNA短链、DNA双链杂交、DNA单链堆积和DNAhairpin结构形成的基本热力学性质，模型包括了DNA的基本结构特性：螺距、驻留长度、双链分子的扭转刚度、柔性未堆积的单链[75-77]。在ox-DNA模型中，由一串刚性的核苷酸链组成，核苷酸主要由糖-磷酸盐主干连接点（Sugar-phosphateBackboneConnectivitySite）、堆积点（StackingSite）、氢键点（Hydrogen-bondingSite）三点组成（如图2.1所示）。用三点之间的相互作用很好的描述了核苷酸的氢键、堆积、链连接、排斥体积，这些相互作用能好的使DNA在低温的条件形成稳定的双螺旋结构，且使ox-DNA合理的包含了单链和双链DNA的热力学、力学和结构的物理特性。在过去的几年内ox-DNA已经实现了DNA双链杂交（DNADuplexHybridization）、含黏性末端的链替换（Toehold-mediatedDNAStrandDisplacement）、双链过度拉伸（DuplexOverstretching）等[78-80]。图2.1(a)ox-DNA模型的局部图，其基本单元是一个刚性的核苷酸，主要由主干区和碱基区组成；(b)一个短双链DNA的ox-DNA模型。在ox-DNA模型中，一个基本单元的刚性核苷酸上的三个坐标点的距离分别
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同力场对B-DNA到A-DNA构型转变的影响[J]. 张宏,蔡文生,邵学广. 高等学校化学学报. 2018(06)
[2]磁镊结合DNA发夹的方法在RecA蛋白介导的同源重组机制研究中的潜在应用[J]. 张宇微,颜燕,农大官,徐春华,李明. 物理学报. 2016(21)
[3]携带人生存素基因短发夹RNA表达载体重组腺病毒的构建及其生物学作用[J]. 谢富华,王润秀,覃燕梅,李莉萍,梁念慈. 中国药理学与毒理学杂志. 2008(06)
本文编号：3483477
【文章来源】：贵州师范大学贵州省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
DNA复制过程中DNAhairpin的形成
贵州师范大学硕士学位论文2补部分称为DNA发夹的茎部（stem）部分，而中间的单链部分称为环状（loop）部分[11,12]。在大量的单分子实验中，DNAhairpin是大多数研究热力学和动力学实验的对象[13-16]。这么多年来，对DNA和蛋白质的研究已经在逐渐的完善中。在现在的技术下，利用磁镊实验可以在外加一个拉力的作用下研究DNA和蛋白质的热力学性质。现在的磁镊操纵DNA单分子的技术已经非常的成熟了，如图1.2所示是磁镊操纵DNAhairpin装置模型示意图[17]。简单的说就是，将DNA分子的一端固定，另一端与磁珠绑定（直径在0.5-4.5μm），在磁珠的上方是一组可控制的小磁体，从而控制DNA分子的拉伸和弯曲。在磁镊实验中产生的拉力的精度可以控制在几飞牛（10-3pN）到几百皮牛之间[18]。在DNA发夹单分子磁镊实验中，力是可以得到了很好的控制，但对于茎部较短的序列（小于8bp），由于只几对的氢键能量存在，体系本身的热涨落就可以破坏它的结合，因此在没有拉力的作用下，DNA发夹到DNA单链转变时间只有微秒级，所以在实验中无法精准的测量。图1.2磁镊操纵DNAhairpin装置模型示意图在对DNA进行合理的模拟研究，需要一个可靠的DNA结构模型来准确地描述DNA生物物理学在分子水平上的关键特征。人们总是倾向于使用DNA分子的全原子（all-atom）的方式来进行模拟，以及周围的溶剂和反离子，以此观察DNA动力学的行为方式[19-23]。然而，当前计算机的计算功能是有限的，无数
理论模型及模拟方法72理论模型及模拟方法2.1ox-DNA模型在2010年由牛津大学的T.E.Ouldridge教授首次提出ox-DNA模型，它再现了DNA短链、DNA双链杂交、DNA单链堆积和DNAhairpin结构形成的基本热力学性质，模型包括了DNA的基本结构特性：螺距、驻留长度、双链分子的扭转刚度、柔性未堆积的单链[75-77]。在ox-DNA模型中，由一串刚性的核苷酸链组成，核苷酸主要由糖-磷酸盐主干连接点（Sugar-phosphateBackboneConnectivitySite）、堆积点（StackingSite）、氢键点（Hydrogen-bondingSite）三点组成（如图2.1所示）。用三点之间的相互作用很好的描述了核苷酸的氢键、堆积、链连接、排斥体积，这些相互作用能好的使DNA在低温的条件形成稳定的双螺旋结构，且使ox-DNA合理的包含了单链和双链DNA的热力学、力学和结构的物理特性。在过去的几年内ox-DNA已经实现了DNA双链杂交（DNADuplexHybridization）、含黏性末端的链替换（Toehold-mediatedDNAStrandDisplacement）、双链过度拉伸（DuplexOverstretching）等[78-80]。图2.1(a)ox-DNA模型的局部图，其基本单元是一个刚性的核苷酸，主要由主干区和碱基区组成；(b)一个短双链DNA的ox-DNA模型。在ox-DNA模型中，一个基本单元的刚性核苷酸上的三个坐标点的距离分别
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同力场对B-DNA到A-DNA构型转变的影响[J]. 张宏,蔡文生,邵学广. 高等学校化学学报. 2018(06)
[2]磁镊结合DNA发夹的方法在RecA蛋白介导的同源重组机制研究中的潜在应用[J]. 张宇微,颜燕,农大官,徐春华,李明. 物理学报. 2016(21)
[3]携带人生存素基因短发夹RNA表达载体重组腺病毒的构建及其生物学作用[J]. 谢富华,王润秀,覃燕梅,李莉萍,梁念慈. 中国药理学与毒理学杂志. 2008(06)
本文编号：3483477
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