包含力和环区熵的均聚单链核酸二级结构形成：对 DNA 杂交的启示

环区是折叠 DNA 和 RNA 分子中基本的二级结构单元，并在熔融转变附近大量出现。利用一种考虑了长度为 m 的环区具有对数熵 c ln m 的核酸二级结构理论，我们研究了在外力和变化温度下的均聚单链核酸链。在长链的热力学极限下，该链展现出低温/低力下的紧凑（折叠）结构与高温/高力下的熔融（去折叠）结构之间的相变。我们解析推导了 c 对相图、临界指数、熔融以及力-延伸曲线的影响。在零拉力情况下，仅当环区指数范围满足 2 < c < 2.479 时，熔融转变才可能发生；当 c <= 2 时，链始终处于折叠相；当 2.479 < c 时，链始终处于去折叠相。对于所有环区指数 c < 2.479，力致熔融转变均可能表现出奇异行为，并可通过单分子力谱实验观测。这些发现对双链核酸的杂交或变性具有启示意义。描述核酸双链熔融的 Poland-Scheraga 模型不允许双链变性区域中同一条链上的核苷酸之间形成碱基配对。如果序列允许这些链内碱基对，我们证明，对于实际的环区指数 c ~ 2.1，单链内部会出现显著的二级结构。这导致双链的熔融温度低于 Poland-Scheraga 模型的预测值。此外，这些二级结构会重整化有效环区指数 c^，该指数表征双链变性区域的权重，从而影响双链熔融转变的普适性方面。