蛋白质作为生命活动的主要承担者,对于其结构与动力学的研究是当前物理、生物、化学交叉领域最具挑战性和现实意义的课题。随着理论与计算机的发展,分子动力学模拟被广泛用来研究蛋白质的折叠过程与机制,但是该方法目前仍存在许多问题。2016年诺贝尔物理学奖表明,将拓扑学用于研究纳米尺度物质的自组织状态,能够发现并解释许多新奇的现象。因此,以同样的角度研究纳米尺度蛋白质分子的拓扑孤子模型是非常具有启发意义的。该模型从α碳原子主链的局域SO(2)对称性推导出普适自由能函数;自由能的极小值是非线性薛定谔方程的暗孤子解,对应蛋白质的超二级结构,是构建蛋白质主链的自组织单元。本论文将拓扑孤子模型用于研究固有无序蛋白,对该方法进行了发展与探索。此外,为探究蛋白质中拓扑孤子的起源与演化,引入拓扑技术,分析了分子动力学模拟轨迹。主要工作如下:(1)基于拓扑孤子模型,研究了人胰岛淀粉样多肽(hIAPP)的构象热稳定性。根据实验结构建立了三孤子模型,并讨论了SDS微胶粒对hIAPP构象的影响。进行重复的加热――冷却循环,模拟hIAPP构象解折叠――折叠的过程。模拟结果发现,即使低温热扰动也会导致末态构象出现聚类分布。末态中出现的六个主要聚类可看作溶液中游离状态hIAPP的动力学瞬态构象,与其固有无序的特性一致。分析各个聚类的疏水侧链,发现了一个相对稳定的反平行螺旋结构聚类;并根据其结构特点,推测该聚类构象具有成核倾向。(2)研究了环境温度影响下解绑定状态的固有无序蛋白中出现拓扑孤子移动的现象。以淀粉样前蛋白细胞内域(AICD)与核多域受体蛋白Fe65形成的异质二聚体作为例子,得到了描述AICD的高精度两孤子模型。随后,进行了多个温度的非平衡模拟;并且考虑重原子的空间效应,对末态构象进行筛选。结果发现,随着温度上升,当热扰动的幅度足以克服势垒时,孤子开始沿主链格点跳跃,导致构象发生改变,并最终得到了七个与不同孤子移动模式对应的简并能级。(3)为探究折叠过程中自组织结构的出现与运动,引入拓扑工具对分子动力学模拟结果进行分析。首先,构建了描述主链与侧链结构特性的自旋变量,将蛋白质链同自旋链进行类比,发现拓扑孤子与Bloch畴壁的概念类似;并引入折叠指数定量描述孤子中心无规卷曲结构的拓扑特性。然后,采用三种不同的力场,分别对HIV包膜糖蛋白gp41的单个α-螺旋子单元进行了80纳秒的分子动力学模拟。发现游离状态下子单元的螺旋变得不稳定并发生变形;演化过程中出现了两个独立的Bloch畴壁,并通过孤子模型进行结构建模。此外,格点系统中常见的概念如Peierls-Nabarro势垒也出现在蛋白质结构中,并在折叠过程中起主要作用。从结果可以看出,折叠过程与孤子的产生及相互作用密切相关。