本论文的主要内容是运用副本交换分子动力学模拟(replica exchange molecular dynamics, REMD)研究蛋白质和多肽的折叠过程。蛋白质分子的折叠过程是指蛋白质分子从非折叠状态变化到折叠态的动态过程,它能使我们理解氨基酸序列是如何决定蛋白质分子的三维结构,并预测其结构所表现出来的蛋白质的热力学和动力学性质。蛋白质的错误折叠也会导致一些致命性疾病的发生,如朊蛋白prion疾病发生就是蛋白质的错误折叠造成的。这些问题非常有意义,它能够帮助我们更好地了解蛋白质的折叠问题。当前对蛋白质的理论研究主要有两个方面：蛋白质的结构和功能。应用的方法主要是分子动力学模拟(molecular dynamics simulation, MD)。这种方法可以让我们更加细致的对蛋白质复杂内部运动和构型变化的研究,而这对理解蛋白质功能是非常重要的。而且MD模拟能够提供独特的模拟过程信息,这有助于我们更好理解蛋白质折叠,尤其是与疾病相关的蛋白质错误折叠,如朊蛋白疾病发生就是蛋白质的错误折叠造成的,我们就可以通过MD模拟去研究朊蛋白错误折叠机制。所以精确全原子MD模拟一直都被广泛应用到蛋白质的结构和功能研究。MD的基本原理是应用力场(force field)所描述的分子内和分子间相互作用,根据牛顿运动力学计算蛋白在相空间中的轨迹,从而得到所需要的宏观物理量。对于分子动力学模拟的精确性主要依赖于两个方面：一是分子力场的精确性。分子的力场包含许多参数,这些参数主要有原子的电荷、原子之间相互作用势等。我们知道当两个原子相互靠近时会发生极化作用,极化会使得它们电荷重新分配,但目前广泛使用的标准力场,如AMBER03力场中原子的电荷是固定不变的,这就使得在分子动力学模拟过程中没有考虑到各向异性的极化作用。目前,对于分子动力学模拟,存在一些极化模型,例如Jay L.Banks等人发展的浮动点电荷模型(fluctuating point charge mode, FPCM),但这些模型都很复杂且精确性需要进一步验证,这都造成了没有一个极化模型得到大家广泛的应用。基于此,我们课题组主要是对蛋白质折叠研究发展了一个基于主链氢键的原子电荷极化模型(PHB模型),并取得一些进展。二是模拟时间长短和模拟尺度大小,为了减少有限尺寸效应,研究者对分子动力学模拟过程引入了周期性边界条件,而对于模拟时间限制则需要计算效率更快的计算机。当然有时我们也需要新的模拟方法去提高计算效率,对于分子折叠中最常用的方法是副本交换分子动力学模拟(replica exchange molecular dynamics, REMD),这相对于传统分子动力学模拟的计算效率大大提高。在国际上,对于蛋白质的折叠研究,主要是发展新的折叠方法提高计算效率和发展新的力场参数去优化原来力场以达到对分子模拟更精确的描述。本论文工作分三大部分,第一部分主要介绍分子内部氢键极化作用对短螺旋的热稳定性必要性；第二部分研究朊蛋白的螺旋部分在不同pH环境下的构型的趋向性：第三部分前景和展望。本论文主要研究内容和结果如下：一、蛋白内部氢键的极化作用对稳定小段螺旋体系的必要性。蛋白质折叠和非折叠模拟结果很大程度都依赖于所用力场的精确性。即使对最简单的蛋白质结构,如短的螺旋结构,用现有力场去模拟,也经常不能产生蛋白质正确结构和热力学性质。最近的研究表明力场中缺少极化作用或许能解释为什么短螺旋不能正确折叠。在这次研究工作中,基于(主链)内部氢键的极化作用,我们发展了一种简单基于主链氢键的原子电荷极化模型(polarizable hydrogen bond model, PHB模型),其中PHB模型的原理是：通过改变氢键中给体(donor)和受体(acceptor)之间距离,如图中O原子和N原子之间距离,但保持二肽(主要是二个ALA残基构成)构型不变,得到了随着键长在2.5A和6.5A变化时,给体和受体的RESP电荷值。通过对这些分离的电荷值(红色的点)拟合成简单的二次函数,如图中的绿线所示。在这个模型中,残基之间电荷转移是不允许的,除了涉及到氢键的四个原子N、H、C和O电荷是可以变化的。所以得到H和C原子电荷转移量分别是N和O原子电荷转移量的负数。拟合函数的形式为：对于N和H原子△qN=-6.228×exp(0-.455×R)△qH=6.228×exp(-0.455×R)和N和C原子△qO=-1.847×exp(-0.466×R)△qC=1.847×exp(-0.466×R)通过上述拟合公式计算得到电荷电荷转移量,在加入到标准的力场下的分子动力学模拟中,来研究短螺旋219M的热稳定性。通过与用标准的AMBER03力场取得模拟结果相比,基于原子电荷的极化模型的模拟给出的溶解高于NMR实验的温度,定性是正确的。然而在基于标准AMBER03力场的模拟中我们发现螺旋219M在NMR实验的温度下是不稳定的,其溶解温度也在冰点以下,出现了定性错误。从上面的两个模拟我们观察到二者主要区别是,是否有分子内部主链氢键极化作用。所以我们得到的结果是主链氢键极化作用在螺旋或者更一般螺旋结构热稳定性都起着非常重要的作用。二、通过REMD的方法研究朊蛋白的螺旋部分在不同pH环境下螺旋的趋向性。传染性海绵状脑病(transmissible spongiform encephalopathy,TSE)是一类致死性的神经系统退行性疾病,在哺乳动物常见疯牛病、鹿慢性消耗病、猫海绵状脑病和羊瘙痒病等。在人类中发现了库鲁病、致死性家族失眠症、克雅氏病等。TSE发病机制与朊蛋白prion的异常构象有关,正常的细胞型朊蛋白PrPc没有致病性,但在一定的条件下可以转化成瘙痒型Prpsc这种异常构象,从而引起TSE疾病的发生。虽然PrPC和PrPsc有相同的一级序列,但构象上有很大的区别,PrPC是可溶的单体,以α螺旋为主,而PrPSc高度不溶,β折叠含量高,极易形成多聚体。迄今为止,prion致病的构象变化机制依然是一个未解之谜。由于PrPC以α螺旋为主而prpSc富含p折叠,这就提出了一种猜测就是在一定的条件(比如pH环境、温度诱导和化学诱导等)下prion的α螺旋有可能转化p构型。因此,本项工作主要通过中性pH和低pH坏境下的REMD,研究人类和叙利亚大鼠朊蛋白中三段α螺旋内在螺旋的倾向性。在两种pH环境下,叙利亚大鼠朊蛋白第一段α螺旋HA和人类朊蛋白第一段α螺旋HA都有很强的螺旋倾向性,因此我们推断朊蛋白错误折叠过程(主要是α螺旋到p转化过程)没有涉及到第一段α螺旋HA。叙利亚大鼠朊蛋白第二段α螺旋HB有很强的形成伸展结构(主要是β和ppⅡ结构)的倾向性,这可能是叙利亚大鼠感染朊蛋白疾病的原因所在。人类朊蛋白的第三段α螺旋HC,相比于人类朊蛋白其他两段α螺旋HA和HB有更大形成伸展结构的倾向性,这就导致一种猜测,HC很可能是人类朊蛋白错误折叠的参与者,同时我们也注意到盐桥的发生概率与螺旋倾向性没有相关性,也就是说盐桥不是稳定螺旋的主要贡献者。三、前景与展望第一部分中,运用了基于分子内部氢键的原子电荷极化模型(PHB模型)去研究2I9M体系的热稳定性,并成功给出了其溶解温度(略高于NMR实验温度)和其折叠是一个直接downhill折叠过程。我们相信PHB模型能够应用到其他蛋白折叠和多肽计算研究中。第二部分中,在对朊蛋白三段α螺旋研究中,我们分别把三段α螺旋单独进行REMD模拟,而没有考虑他们之间的相互作用对其构型的变化的影响,同时我们用的溶剂化模型是隐式GB模型和模拟时间不够,这些都有可能导致我们没有观测到很大的构型的变化原因所在。基于以上问题,在今后研究中,我们将运用粗粒分子动力学(coarse-grained molecular dynamics)去模拟整个朊蛋白体系在不同pH的环境下的动力学。