分子動力學模擬在生物化學課程教學中的探索

王樹棟，鄭 璇

（1.貴州警察學院，貴州貴陽 550000；2.凱里學院，貴州凱里 556011）

生物化學是研究生命科學的基礎學科，它不但是一門重要的理論學科，也是一門實驗性很強的實驗學科.然而在教學中，由于實驗手段的限制，傳統(tǒng)的教學手段大多只進行理論講解，知識枯燥且學生不易理解.近年來，隨著計算機技術的發(fā)展和各種軟件（如材料模擬軟件Materials Studio、量子化學計算軟件Gaussian、分子對接軟件Discovery studio 和AutoDock 等）的普及，計算機輔助教學成為越來越多教師的選擇，這對突破教學難點、提高課堂教學效率以及激發(fā)學生的學習興趣等方面發(fā)揮了積極的作用［1-5］.

分子動力學（molecular dynamics，MD）模擬以分子或分子體系的經(jīng)典力學模型為基礎，通過數(shù)值求解分子體系經(jīng)典力學運動方程的方法得到體系的軌跡，并統(tǒng)計體系的結構特征與性質［6-7］.近年來，隨著計算機的快速發(fā)展，分子動力學模擬依靠其在微觀水平上精確的控制性以及操作性，在蛋白質、DNA 動態(tài)行為和生物分子發(fā)揮生理功能的作用機制、小分子與潛在靶點的識別、離子運輸和酶催化反應機理等方面的研究發(fā)揮著越來越重要的作用.可以說分子動力學模擬已經(jīng)廣泛地應用到了生物、物理、化學和材料等領域［8-10］，這也給生物化學教學提供了新的思路.

本文選取生物化學課程中DNA 的二級結構部分內容作為對象，結合分子動力學模擬進行教學探究.

1 建立模型

雙螺旋DNA 的初始結構從蛋白晶體結構數(shù)據(jù)庫中獲得（PDBID：8F2W，分辨率：1.30?），放入大小為43×48×65 ? 的周期性長方體盒子中，然后向水盒子中添加22 個Na+中和磷酸基團的負電荷，最后向盒子添加0.15 M NaCl以模擬細胞內環(huán)境，每個體系的原子數(shù)約12 000個左右，DNA 與水盒子邊緣之間的最小距離為10?.

2 模擬步驟

在固定溶質分子的情況下，采用共軛梯度法首先對水分子進行1 000 步的能量最小化，然后再對整個系統(tǒng)進行1 000 步的能量最小化.接下來，在溶質固定的正則系綜（NVT）中，從0 到298 K 進行500 ps 的加熱過程后，進行了一系列諧波約束等溫等壓系綜（NPT）模擬，以實現(xiàn)溶質自由度的受控釋放.用于約束的標度分別為5.0、1.0 kcal mol-1·?-2.在每個約束條件下，使用NPT系統(tǒng)進行500 ps MD 模擬.系統(tǒng)使用Langevin thermostat 方法保持系統(tǒng)恒溫，Nosé-Hoover Langevin piston 方法保持系統(tǒng)的壓力.然后對體系進行了10 ns 的產(chǎn)物模擬，對于非鍵相互作用，使用截斷半徑為12? 的周期性邊界條件，Ewald（PME）算法用于處理靜電相互作用，氫原子的鍵通過shake算法進行約束，步長為2 fs.所有MD 模擬均使用NAMD 2.13 和Colvars 模塊進行，結構顯示使用VMD 1.9.3，整個模擬使用的是CHARMM36力場［11-12］.

3 實驗教學效果

3.1 氫鍵作用

選取位于DNA 鏈中間部分的一對胸腺嘧啶-腺嘌呤（T7-A18，圖1（a））和胞嘧啶-鳥嘌呤（C9-G16，圖1（b）），計算其相互作用能隨模擬時間的變化（圖2）.通過曲線可以看出，胸腺嘧啶-腺嘌呤Watson-Crick 氫鍵的相互作用能約為-13.1±1.2kcalmol-1，其中靜電相互作用為-12.8±1.9kcalmol-1，占總的相互作用能的97.7%，為絕對主導.胞嘧啶-鳥嘌呤Watson-Crick 氫鍵的相互作用能大約為-25.4±1.6kcalmol-1，明顯高于胸腺嘧啶-腺嘌呤相互作用，其中靜電相互作用為-25.1±2.3kcalmol-1占主導的同樣為靜電相互作用（約98.8%）.通過模擬，把DNA 中堿基對之間的氫鍵相互作用實現(xiàn)了量化，與已知的氫鍵對比（如O-H···O，N-H···O等），學生進一步理解了維持DNA 二級結構的重要非共價相互作用—互補堿基之間的氫鍵.同時，對于兩種不同類型的Watson-Crick 氫鍵相互作用（A-T 和C-G）從能量的角度上進行區(qū)分：胸腺嘧啶-腺嘌呤形成雙氫鍵，而胞嘧啶-鳥嘌呤形成三氫鍵，三氫鍵的相互作用明顯大于雙氫鍵，但是兩種氫鍵的性質是完全一樣的，即都是靜電作用占絕對主導.通過相互作用能這一量化的概念，并進一步對相互作用能進行能量分解，學生對DNA 中氫鍵相互作用的類型、相互作用能的本質有了更加直觀的認識.

圖1 氫鍵作用結構圖(a)：胸腺嘧啶(Thy)與腺嘌呤(Ade)；(b)：胞嘧啶(Cyt)與鳥嘌呤(Gua)）

圖2 氫鍵相互作用能（(a)：胸腺嘧啶(Thy)與腺嘌呤(Ade)；(b)：胞嘧啶(Cyt)與鳥嘌呤(Gua)）

3.2 堿基堆積作用

堿基之間的堆積作用使得DNA內部形成一個強大的疏水作用區(qū)，與介質中的水分子隔開，這使得互補堿基之間的氫鍵更穩(wěn)定，因此堆積作用對于維持DNA雙螺旋的二級結構有重要意義.為了進一步讓學生對堿基堆積作用的理解更加深刻，選取位于DNA雙螺旋中間的胸腺嘧啶（T7）與其相鄰的5′腺嘌呤（A6）和3′胸腺嘧啶（T8），以及腺嘌呤（A6）與其相鄰的腺嘌呤（A5），計算了其相互作用能，得到相互作用能隨模擬時間變化的曲線如圖3.從圖中可以看到，在所有的堆積作用中Vdw占明顯主導，這與氫鍵相互作用明顯不同，說明無論是嘧啶與嘧啶、嘧啶與嘌呤還是嘌呤與嘌呤，都是依靠其芳香性環(huán)與相鄰的堿基產(chǎn)生π-π相互作用.但是不同類型的堿基之間作用也不一樣，嘧啶與嘧啶的相互作用能（-3.9±0.8 kcalmol-1，圖3（a））略低于嘧啶與嘌呤的相互作用能（-5.6±0.9 kcalmol-1，圖3（b）），而嘌呤與嘌呤的相互作用能最高（-7.5±1.1 kcalmol-1，圖3（c））.

圖3 堆積作用（(a)胸腺嘧啶(Thy)與腺嘌呤(Ade)；(b)胸腺嘧啶(Thy)與胸腺嘧啶(Thy);(c)腺嘌呤(Ade)與腺嘌呤(Ade)）

繼續(xù)讓學生觀察模擬得到的軌跡，可以看到，整個模擬過程中DNA 始終維持穩(wěn)定的雙螺旋結構，相鄰堿基之間的距離沒有明顯變化.通過本部分的計算和展示，學生對抽象的π-π相互作用有了形象的認識，進一步理解了DNA 雙螺旋中π-π 堆積的重要意義，通過對π-π 相互作用能的量化，學生能區(qū)分嘧啶-嘧啶、嘧啶-嘌呤以及嘌呤-嘌呤之間相互作用的異同.

3.3 π-π堆積的破壞

在整個模擬過程中，通過對軌跡的觀察，學生們注意到DNA 始終維持穩(wěn)定的雙螺旋結構，相鄰堿基之間的距離沒有明顯變化，DNA 分子周圍布滿了水分子，但是DNA 內部始終沒有水分子進入，這說明堿基之間的堆積使得DNA 內部形成一個疏水腔.傳統(tǒng)的教科書中只能展示標準的雙螺旋DNA 的靜態(tài)結構，為了進一步說明這種堆積作用對于維持DNA 二級結構的重要性，通過逆向思維，借助于meta-eABF 對其中的一個堿基（T19）拉伸，使其偏離正常的Watson-Crick 氫鍵，從而實現(xiàn)破壞其與相鄰堿基的堆積作用的目的，然后再觀察DNA，如圖4（b）.可以看到當T19翻轉出雙螺旋后，水分子逐漸進入到DNA 雙螺旋的腔內，并進一步與周圍堿基形成氫鍵.其中一個H2O與T7的O2形成一個鍵長為1.86?，鍵角為154°的氫鍵；與A7的N1形成一個鍵長為1.94?，鍵角為140°的氫鍵；另一個H2O 與T20 的O4 形成一個鍵長為1.80?，鍵角為159°的氫鍵.由于這些氫鍵相互作用都比較強，因此H2O 可能進一步破壞T19 周圍的Watson-Crick 氫鍵相互作用（A6-T19，T7-A18），最終破壞DNA的雙螺旋結構.

圖4 堆積作用破壞前后DNA雙鏈內部水分子的變化(a)破壞前；(b)破壞后

在本部分中，借助于meta-eABF 方法，采取破壞堿基堆積的方式，用逆向思維的方式讓學生更加深刻認識到堿基堆積作用的重要性，相對書本上生硬的理論知識，這種教學方法給學生了留下了深刻印象，對知識點有了更深入的理解.

3.4 DNA雙螺旋多態(tài)性的展示

Watson 和Crick 得到的B-DNA 是依據(jù)相對濕度為92%的DNA 鈉鹽所得到的X 射線衍射圖提出的，在不同條件下，DNA 會呈現(xiàn)不同的二級結構類型，如A-DNA，Z-DNA，G-quadruplex等.DNA 的不同結構已被證明都可以在生物體內存在，并且有重要的意義，其中A-DNA 是當相對濕度為75%時的DNA 結構，越來越多的研究表明，當與蛋白質結合時，DNA 更可能趨向A-DNA.A-DNA 的堿基平面傾斜了20°，每螺旋有11 對堿基，堿基間垂直距離為0.26nm，與B-DNA相比，A-DNA的結構更緊密.但是DNA的這些復雜的二級結構對于初學者非常抽象，僅僅通過書中靜態(tài)結構的展示，難以完全理解不同形態(tài)DNA的區(qū)別和聯(lián)系.為此，使用可視化軟件VMD把不同形態(tài)的DNA展示給學生.如圖5是同一DNA序列（d（CGCGAATTCGCG）2），當DNA雙螺旋分別為A型（圖5（a））和B型（圖5（b））時的結構圖.通過Licorice形式結構圖的展示，學生直觀清晰地看到了A-DNA 的結構特點，對A-DNA 和B-DNA 的區(qū)別有了直觀的認識.學生也可以利用VMD選擇不同的繪圖形式或者旋轉等功能多形式、多角度認識B-DNA與A-DNA的區(qū)別.

圖5 同一序列(d(CGCGAATTCGCG)2)雙螺旋DNA不同形態(tài)的結構圖（(a)B-DNA；(b)A-DNA）

4 結語

分子動力學模擬已被廣泛的應用于蛋白質、DNA等生物大分子體系的研究中.DNA的二級結構是《生物化學》教學中的重點，探索性將分子動力學模擬結合可視化軟件應用于DNA 二級結構的教學中，讓DNA 的結構變得形象化和具體化，使學生對DNA 中堿基堆積作用、疏水作用、氫鍵相互作用和DNA 的多態(tài)性等也有了更加直觀、深入的理解，提高了生物化學的教學質量.同時，還為感興趣的學生提供了一種探索、認識和研究DNA的方法，激勵學生進一步在相關領域深造.