分子动力学模拟中溶剂缓冲层对核酸的影响

核酸的分子动力学模拟通常采用这样的设置：溶质表面与模拟盒边界之间的溶剂缓冲距离为10 Å。尽管这种盒子尺寸已在蛋白质模拟中得到广泛研究，但其对核酸动力学的影响尚未得到充分理解。核酸是细长的、高电荷且柔性的结构，其水化和动力学性质不同于蛋白质，因此在模拟中可能需要采用不同的溶剂层设置。 在本研究中，我们通过使用3、5、10、15和20 Å的溶剂缓冲距离，对一个30碱基对双螺旋核酸结构及其两种单链形式进行模拟，考察了模拟盒尺寸对核酸动力学的影响。较小的模拟盒可能导致受限水化、分子拥挤以及周期性镜像相互作用。然而，较大的模拟盒可提供有利于构象弛豫的溶剂空间。总计进行了45 μs的分子动力学模拟（3种结构 × 5种盒尺寸 × 3次重复 × 1 μs）。我们的结果表明，尽管常用的10 Å缓冲距离可能足以维持双链核酸的稳定性，但要捕捉单链结构的构象动力学，则需要更大的模拟盒。对于两类结构而言，将盒尺寸增大至15或20 Å都能够实现更广泛的构象采样。第一水化层在20 Å模拟盒中表现出更低的拥挤程度，这与更为松弛的构象相一致。在较大的盒尺寸下，单链核酸会采取紧凑的、自缔合的构象以维持稳定性。总体而言，本研究为理解模拟盒尺寸与溶剂环境如何影响核酸动力学提供了物理层面的认识。

核酸的分子动力学模拟通常采用如下设置：溶质表面与模拟盒边界之间的溶剂缓冲距离为 10 Å。尽管这一晶胞尺寸已在蛋白质模拟中得到广泛研究，但其对核酸动力学的影响尚未得到充分理解。核酸是细长的、高带电且柔性的结构，其水合与动力学性质不同于蛋白质，因此在模拟中可能需要采用不同的溶剂层设置。在本研究中，我们通过对一个 30 碱基对双螺旋核酸结构及其两种单链形式进行模拟，考察了模拟晶胞尺寸对核酸动力学的影响；所采用的溶剂缓冲距离分别为 3、5、10、15 和 20 Å。较小的晶胞可能导致受限水合、分子拥挤以及周期性镜像相互作用。然而，较大的晶胞则提供了有利于构象弛豫的溶剂空间。共进行了 45 μs 的分子动力学模拟（3 种结构 × 5 种晶胞尺寸 × 3 次重复 × 1 μs）。我们的结果表明，尽管常用的 10 Å 缓冲距离可能足以维持双链核酸的稳定性，但要捕捉单链结构的构象动力学，则需要更大的晶胞。对于这两类体系，将晶胞尺寸增大至 15 或 20 Å 均可实现更广泛的构象采样。第一水合壳层在 20 Å 晶胞中表现出更低的拥挤程度，这与更为松弛的构象一致。在较大的晶胞尺寸下，单链核酸会采取紧凑的、自缔合的构象以维持稳定性。总体而言，本研究揭示了模拟晶胞尺寸和溶剂环境如何影响核酸动力学的物理机制。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.07.05.736650v1?rss=1

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