蛋白质是生命系统中重要的生物大分子,它在生物体的繁衍、新陈代谢、生长发育等生命活动中发挥着重要的生物学功能。而蛋白质特定的三维结构是行使其相应生物功能的基础。研究蛋白质结构的形成机制具有重要的理论和现实意义。三联密码的破译使人们认识了遗传信息从DNA到氨基酸序列的传递过程,然而,蛋白质的氨基酸序列如何决定其三维结构,即蛋白质折叠问题,至今还不清楚。此外,蛋白质在发挥生物功能时,常伴随一定的构象运动。细胞内的信号传递、物质输运、基因调控、酶的催化等许多生物化学过程都依赖于蛋白质的构象转变。蛋白质的构象运动中常常需要一些关键残基介导体系不同区域之间的信号传导。如何从蛋白质天然结构中识别这些重要的功能残基是理论和实验生物学家关心的重要问题。　　 分子动力学模拟是获得蛋白质微观运动细节的重要工具,它广泛应用于生物大分子动力学过程的研究。然而,由于计算机计算能力的限制,利用分子动力学来模拟蛋白质的整个折叠过程以及大幅度的功能运动还存在一定的困难。常用的做法是采用粗粒化模型,冻结残基的部分自由度,从而减小计算量。对于粗粒化模型的构建,如何获得适用于该模型的精确的、可移植性强的势能函数是最关键的部分。理论和实验研究表明,在长时间的生物进化过程中,蛋白质序列得到了优化,使其具有“极小的能量阻挫”特征,蛋白质的折叠过程在很大程度上由其天然拓扑结构所决定,同时,蛋白质的功能性运动也在很大程度上由其天然拓扑结构固有的动力学特性所决定。基于上述事实,很多粗粒化模型通过天然结构来构建势能函数,回避了力场优化这一难题。Gō模型和弹性网络模型就属于这种类型。　　 本论文对传统的Gō模型和弹性网络模型进行了改进,并在此基础上发展了一系列有效的理论方法,成功地用于蛋白质折叠/去折叠和蛋白质功能残基的识别研究。具体研究内容与创新点如下:　　 (1)对传统的Gō模型进行了改进,加入了静电相互作用势能项,研究了静电相互作用对嗜热蛋白cold shock protein的热稳定性和折叠动力学的影响　　 把静电相互作用势能项加入到传统Gō模型中,研究了嗜热的热溶芽孢杆菌中的冷激蛋白(Bc-Csp)及其三个突变体FA6A、R3E和R3E/L66E的热稳定性和折叠行为。模拟结果表明野生态Bc-Csp及其三个突变体的折叠均为两态转变过程。上述三个残基突变均导致体系热力学稳定性的降低,其中R3E突变的影响最大,三个突变体稳定性降低的原因是由于折叠态焓的增加和去折叠态熵的增加所导致的。通过对蛋白质折叠动力学的研究发现,R3E和EA6A残基的突变大大降低体系的折叠速率,而66号残基的突变仅导致折叠速率微小降低。模拟结果还显示上述三个突变对蛋白质的折叠过渡态和折叠路径没有太大影响,在折叠过程中,N-端β片先形成,C-端β片后形成。此外,还模拟获得了体系的去折叠路径,发现折叠过程和去折叠过程互为逆过程,验证了方法和结果的可靠性。　　 (2)用弹性网络模型,探讨了蛋白质天然拓扑结构固有动力学特性对蛋白质去折叠过程的影响　　 弹性网络模型广泛用于蛋白质大幅度的功能性运动模式研究。然而,该模型是否能够有效揭示蛋白质去折叠过程中的运动模式还不清楚。我们以一个小蛋白bamase为例,研究了蛋白质固有动力学特性与其去折叠运动之间的关系。结果表明,弹性网络模型计算得到的前几个慢运动模式就可以很好的描述蛋白质的去折叠运动。除了整体运动外,研究表明蛋白质内局部的氨基酸固有涨落与其去折叠过程中的涨落具有很高的关联性。进一步,我们还探讨了蛋白质固有柔性与去折叠过程的关系,发现蛋白质的柔性区倾向于先去折叠,通过蛋白质固有柔性的分析可以有效预测蛋白质的早期去折叠事件。上述结果表明,蛋白质结构固有的动力学特性对蛋白质去折叠过程具有重要影响。　　 (3)提出了迭代的弹性网络方法,成功地用于蛋白质去折叠过程的研究　　 在我们的方法中,根据残基间距离的涨落大小,通过依次打断残基间非共价接触的方法来模拟蛋白质去折叠过程。该方法假定蛋白质的去折叠过程是一个准静态过程,去折叠的每一步蛋白质都有足够多的时间寻找熵增最大的状态,该过程对应于体系的无限缓慢升温。采用该方法,我们研究了两个小蛋白C12和bamase的去折叠过程,其结果与实验和全原子分子动力学模拟结果一致。进一步,把迭代的弹性网络方法成功用于蛋白质折叠核的识别研究,与氢交换实验结果很好的吻合。　　 (4)发展了一个基于弹性网络模型的有效的热力学方法,成功地用于蛋白质构象变化中关键残基的识别　　 在该方法中,对蛋白质内的每个残基进行微扰,能够显著改变蛋白质构象转变前后自由能差的残基认为是构象转变中的关键残基。微扰所引起的自由能差的改变通过热力学循环方法来进行计算。以热激蛋白70核苷结合结构域(Nuclcotide binding domain of the heat shock protein70)和人/兔DNA聚合酶β为例(Human/Rat DNA polymeraseβ),利用我们的方法识别了其功能性构象转变中的关键残基。结果显示,这些关键残基主要分布于蛋白质结构的如下区域:①控制底物结合口袋开合的结构域之间的界面区；②不同结构域之间的铰链区,这些残基介导了结构域之间的信号传导；③底物结合位点。这两个蛋白质体系功能残基的位置很类似,表明它们可能具有类似的构象转变机制。该方法计算简单、快速,能够有效从蛋白质天然拓扑结构中识别蛋白质的功能位点。