分子动力学模拟在生物化学课程教学中的探索

王树栋，郑 璇

（1.贵州警察学院，贵州贵阳 550000；2.凯里学院，贵州凯里 556011）

生物化学是研究生命科学的基础学科，它不但是一门重要的理论学科，也是一门实验性很强的实验学科.然而在教学中，由于实验手段的限制，传统的教学手段大多只进行理论讲解，知识枯燥且学生不易理解.近年来，随着计算机技术的发展和各种软件（如材料模拟软件Materials Studio、量子化学计算软件Gaussian、分子对接软件Discovery studio 和AutoDock 等）的普及，计算机辅助教学成为越来越多教师的选择，这对突破教学难点、提高课堂教学效率以及激发学生的学习兴趣等方面发挥了积极的作用［1-5］.

分子动力学（molecular dynamics，MD）模拟以分子或分子体系的经典力学模型为基础，通过数值求解分子体系经典力学运动方程的方法得到体系的轨迹，并统计体系的结构特征与性质［6-7］.近年来，随着计算机的快速发展，分子动力学模拟依靠其在微观水平上精确的控制性以及操作性，在蛋白质、DNA 动态行为和生物分子发挥生理功能的作用机制、小分子与潜在靶点的识别、离子运输和酶催化反应机理等方面的研究发挥着越来越重要的作用.可以说分子动力学模拟已经广泛地应用到了生物、物理、化学和材料等领域［8-10］，这也给生物化学教学提供了新的思路.

本文选取生物化学课程中DNA 的二级结构部分内容作为对象，结合分子动力学模拟进行教学探究.

1 建立模型

双螺旋DNA 的初始结构从蛋白晶体结构数据库中获得（PDBID：8F2W，分辨率：1.30Å），放入大小为43×48×65 Å 的周期性长方体盒子中，然后向水盒子中添加22 个Na+中和磷酸基团的负电荷，最后向盒子添加0.15 M NaCl以模拟细胞内环境，每个体系的原子数约12 000个左右，DNA 与水盒子边缘之间的最小距离为10Å.

2 模拟步骤

在固定溶质分子的情况下，采用共轭梯度法首先对水分子进行1 000 步的能量最小化，然后再对整个系统进行1 000 步的能量最小化.接下来，在溶质固定的正则系综（NVT）中，从0 到298 K 进行500 ps 的加热过程后，进行了一系列谐波约束等温等压系综（NPT）模拟，以实现溶质自由度的受控释放.用于约束的标度分别为5.0、1.0 kcal mol-1·Å-2.在每个约束条件下，使用NPT系统进行500 ps MD 模拟.系统使用Langevin thermostat 方法保持系统恒温，Nosé-Hoover Langevin piston 方法保持系统的压力.然后对体系进行了10 ns 的产物模拟，对于非键相互作用，使用截断半径为12Å 的周期性边界条件，Ewald（PME）算法用于处理静电相互作用，氢原子的键通过shake算法进行约束，步长为2 fs.所有MD 模拟均使用NAMD 2.13 和Colvars 模块进行，结构显示使用VMD 1.9.3，整个模拟使用的是CHARMM36力场［11-12］.

3 实验教学效果

3.1 氢键作用

选取位于DNA 链中间部分的一对胸腺嘧啶-腺嘌呤（T7-A18，图1（a））和胞嘧啶-鸟嘌呤（C9-G16，图1（b）），计算其相互作用能随模拟时间的变化（图2）.通过曲线可以看出，胸腺嘧啶-腺嘌呤Watson-Crick 氢键的相互作用能约为-13.1±1.2kcalmol-1，其中静电相互作用为-12.8±1.9kcalmol-1，占总的相互作用能的97.7%，为绝对主导.胞嘧啶-鸟嘌呤Watson-Crick 氢键的相互作用能大约为-25.4±1.6kcalmol-1，明显高于胸腺嘧啶-腺嘌呤相互作用，其中静电相互作用为-25.1±2.3kcalmol-1占主导的同样为静电相互作用（约98.8%）.通过模拟，把DNA 中碱基对之间的氢键相互作用实现了量化，与已知的氢键对比（如O-H···O，N-H···O等），学生进一步理解了维持DNA 二级结构的重要非共价相互作用—互补碱基之间的氢键.同时，对于两种不同类型的Watson-Crick 氢键相互作用（A-T 和C-G）从能量的角度上进行区分：胸腺嘧啶-腺嘌呤形成双氢键，而胞嘧啶-鸟嘌呤形成三氢键，三氢键的相互作用明显大于双氢键，但是两种氢键的性质是完全一样的，即都是静电作用占绝对主导.通过相互作用能这一量化的概念，并进一步对相互作用能进行能量分解，学生对DNA 中氢键相互作用的类型、相互作用能的本质有了更加直观的认识.

图1 氢键作用结构图(a)：胸腺嘧啶(Thy)与腺嘌呤(Ade)；(b)：胞嘧啶(Cyt)与鸟嘌呤(Gua)）

图2 氢键相互作用能（(a)：胸腺嘧啶(Thy)与腺嘌呤(Ade)；(b)：胞嘧啶(Cyt)与鸟嘌呤(Gua)）

3.2 碱基堆积作用

碱基之间的堆积作用使得DNA内部形成一个强大的疏水作用区，与介质中的水分子隔开，这使得互补碱基之间的氢键更稳定，因此堆积作用对于维持DNA双螺旋的二级结构有重要意义.为了进一步让学生对碱基堆积作用的理解更加深刻，选取位于DNA双螺旋中间的胸腺嘧啶（T7）与其相邻的5′腺嘌呤（A6）和3′胸腺嘧啶（T8），以及腺嘌呤（A6）与其相邻的腺嘌呤（A5），计算了其相互作用能，得到相互作用能随模拟时间变化的曲线如图3.从图中可以看到，在所有的堆积作用中Vdw占明显主导，这与氢键相互作用明显不同，说明无论是嘧啶与嘧啶、嘧啶与嘌呤还是嘌呤与嘌呤，都是依靠其芳香性环与相邻的碱基产生π-π相互作用.但是不同类型的碱基之间作用也不一样，嘧啶与嘧啶的相互作用能（-3.9±0.8 kcalmol-1，图3（a））略低于嘧啶与嘌呤的相互作用能（-5.6±0.9 kcalmol-1，图3（b）），而嘌呤与嘌呤的相互作用能最高（-7.5±1.1 kcalmol-1，图3（c））.

图3 堆积作用（(a)胸腺嘧啶(Thy)与腺嘌呤(Ade)；(b)胸腺嘧啶(Thy)与胸腺嘧啶(Thy);(c)腺嘌呤(Ade)与腺嘌呤(Ade)）

继续让学生观察模拟得到的轨迹，可以看到，整个模拟过程中DNA 始终维持稳定的双螺旋结构，相邻碱基之间的距离没有明显变化.通过本部分的计算和展示，学生对抽象的π-π相互作用有了形象的认识，进一步理解了DNA 双螺旋中π-π 堆积的重要意义，通过对π-π 相互作用能的量化，学生能区分嘧啶-嘧啶、嘧啶-嘌呤以及嘌呤-嘌呤之间相互作用的异同.

3.3 π-π堆积的破坏

在整个模拟过程中，通过对轨迹的观察，学生们注意到DNA 始终维持稳定的双螺旋结构，相邻碱基之间的距离没有明显变化，DNA 分子周围布满了水分子，但是DNA 内部始终没有水分子进入，这说明碱基之间的堆积使得DNA 内部形成一个疏水腔.传统的教科书中只能展示标准的双螺旋DNA 的静态结构，为了进一步说明这种堆积作用对于维持DNA 二级结构的重要性，通过逆向思维，借助于meta-eABF 对其中的一个碱基（T19）拉伸，使其偏离正常的Watson-Crick 氢键，从而实现破坏其与相邻碱基的堆积作用的目的，然后再观察DNA，如图4（b）.可以看到当T19翻转出双螺旋后，水分子逐渐进入到DNA 双螺旋的腔内，并进一步与周围碱基形成氢键.其中一个H2O与T7的O2形成一个键长为1.86Å，键角为154°的氢键；与A7的N1形成一个键长为1.94Å，键角为140°的氢键；另一个H2O 与T20 的O4 形成一个键长为1.80Å，键角为159°的氢键.由于这些氢键相互作用都比较强，因此H2O 可能进一步破坏T19 周围的Watson-Crick 氢键相互作用（A6-T19，T7-A18），最终破坏DNA的双螺旋结构.

图4 堆积作用破坏前后DNA双链内部水分子的变化(a)破坏前；(b)破坏后

在本部分中，借助于meta-eABF 方法，采取破坏碱基堆积的方式，用逆向思维的方式让学生更加深刻认识到碱基堆积作用的重要性，相对书本上生硬的理论知识，这种教学方法给学生了留下了深刻印象，对知识点有了更深入的理解.

3.4 DNA双螺旋多态性的展示

Watson 和Crick 得到的B-DNA 是依据相对湿度为92%的DNA 钠盐所得到的X 射线衍射图提出的，在不同条件下，DNA 会呈现不同的二级结构类型，如A-DNA，Z-DNA，G-quadruplex等.DNA 的不同结构已被证明都可以在生物体内存在，并且有重要的意义，其中A-DNA 是当相对湿度为75%时的DNA 结构，越来越多的研究表明，当与蛋白质结合时，DNA 更可能趋向A-DNA.A-DNA 的碱基平面倾斜了20°，每螺旋有11 对碱基，碱基间垂直距离为0.26nm，与B-DNA相比，A-DNA的结构更紧密.但是DNA的这些复杂的二级结构对于初学者非常抽象，仅仅通过书中静态结构的展示，难以完全理解不同形态DNA的区别和联系.为此，使用可视化软件VMD把不同形态的DNA展示给学生.如图5是同一DNA序列（d（CGCGAATTCGCG）2），当DNA双螺旋分别为A型（图5（a））和B型（图5（b））时的结构图.通过Licorice形式结构图的展示，学生直观清晰地看到了A-DNA 的结构特点，对A-DNA 和B-DNA 的区别有了直观的认识.学生也可以利用VMD选择不同的绘图形式或者旋转等功能多形式、多角度认识B-DNA与A-DNA的区别.

图5 同一序列(d(CGCGAATTCGCG)2)双螺旋DNA不同形态的结构图（(a)B-DNA；(b)A-DNA）

4 结语

分子动力学模拟已被广泛的应用于蛋白质、DNA等生物大分子体系的研究中.DNA的二级结构是《生物化学》教学中的重点，探索性将分子动力学模拟结合可视化软件应用于DNA 二级结构的教学中，让DNA 的结构变得形象化和具体化，使学生对DNA 中碱基堆积作用、疏水作用、氢键相互作用和DNA 的多态性等也有了更加直观、深入的理解，提高了生物化学的教学质量.同时，还为感兴趣的学生提供了一种探索、认识和研究DNA的方法，激励学生进一步在相关领域深造.