DNA动力学特性研究和DNA中孤子传递的计算机模拟

摘要

DNA是遗传信息的载体，具有特殊的空间构象，以执行各种生物功能。DNA及其合成材料的优良弹性使其成为制作刚性的分子手柄、操纵其他分子的理想材料。DNA的独特结构和优良性能在生物、医学、材料等学科有着巨大的应用潜力。DNA的分子结构和特性与环境因素密切相关，当环境条件改变时，碱基的堆积、氢键相互作用以及磷酸基团之间的斥力都将随之改变。
　　为了能够阐明DNA的一些特性，本论文研究了DNA结构的弹性系数以及转动惯量，同时对孤子能量在DNA中传递的模型做了计算机模拟，得到了一些研究结果。
　　第一，利用已有的光镊实验数据结果，即DNA延展曲线随链向拉力变化的规律，把B型DNA随外力变化的趋势看作线性变化，并且把碱基对键磷酸骨架的弹性系数看作是相同，即假设B型DNA链由无数相同的小弹簧串连在一起，运用物理学中的胡克定律，对B型DNA的弹性系数做了估算，计算结果显示B型DNA每个碱基对层之间的弹性系数约为1.47N/m。为DNA的动力学分析提供了一个参考数据。
　　第二，从蛋白数据银行获得编号为1LAS的B型DNA晶体数据，然后选取其中四个不同碱基的结构参数，即四种不同碱基的每个原子的空间坐标，利用数学中点到直线距离求出每个原子到转动轴的距离，同时规定相同的原子取同样的质量，然后利用物理学中转动惯量求法，获得了不同碱基绕与磷酸骨架相连键旋转的转动惯量。计算结果胞嘧啶的转动惯量约为1.1×10－44kg*m2，鸟嘌呤的转动惯量约为9.8×10－44kg*m2，腺嘌呤的转动惯量约为6.1×10－44kg*m2，胸腺嘧啶的转动惯量约为3.0×10－44kg*m2。该结果对分析DNA的碱基使用偏好，DNA不同序列的柔性具有一定的参考价值。
　　第三，选择了一种DNA的非线性孤子传递模型，通过选用不同相互作用常数，不同的弹性系数和不同的特征频率，利用龙格库塔法对该模型进行了计算机模拟，对孤子能量在DNA中的传递给予了直观的描述，并从理论上估计出孤子在DNA中传递的速度约为250m/s。为实验检测DNA中的孤子提供了理论参数。