由于蛋白质体系非常大,一般含有几千个原子以上,关于生物大分子的研究方法一般采用建立在原子-原子成对相互作用势基础上的经典力场方法。目前常用的分子力学方法有:AMBER, CHARMM, OPLS, GROMOS等等,分子力学方法将复杂的作用势用键伸缩势能,键角弯曲势能,二面角扭转势能,库仑静电势能和范德华作用势的模型来描述,其中的各项参数是根据量子力学或者实验数据拟合而来的。由于分子力场简易性,它可以直接和快速的计算分子之间的相互作用,已成功的应用于各类分子体系的研究。但是,这些力场方法存在重大的缺陷,由于生物分子一般处于溶液环境,在水溶液中极化的效应是非常显著的。在分子力学计算中将电子运动忽略,将系统的能量视为原子核位置的函数,自然不能处理有很强电子效应的体系,比如不能描述键的断裂和形成,重要的是它一般不包括极化的影响。只有量子化学理论能够克服传统分子力场的缺陷。然而由于计算条件的限制,处理像蛋白质这样的生物大分子,直接运用量子化学方法是不可能的。为了把量子化学方法运用到蛋白质或其他的生物大分子中,在过去的几十年里发展了多种线性标度的量子化学方法,主要有分而治之方法(D&C),调整密度矩阵近似方法(ADMA),分块的分子轨道方法(FMO),以及本文使用的分子碎片共轭帽方法(MFCC)。MFCC方法是一套基于电子结构局域性的分子切割方法。这个方法是把蛋白质体系分为以氨基酸为基础的片段,然后在断开的地方接上适当的小分子基团,即共轭帽。引入帽子满足如下条件:第一是保持原来切开前共价键的性质,第二是能够模仿被切掉的原来片段的电子结构的性质。这样对大分子的计算拆分成若干对分子片段的计算,通过简单的加减法还原大分子的性质。MFCC方法是完全线性标度的,可以用量子化学从头算来计算各个片段的物理量,整个蛋白质的物理量由各个片段的物理量组合而得到。MFCC方法计算量与系统的大小严格的成正比,其数值计算可以很容易地并行化,大大提高计算效率。现已成功地应用于蛋白质电荷密度、蛋白质能量、配体在蛋白质靶点的位置优化、蛋白质和药物的相互作用以及导体模型的蛋白质溶剂化和药物设计等的计算。本论文工作分为六大部分:第一部分用MFCC方法研究了HIV-1蛋白酶与桥梁水分子(W301)之间的相互作用能;第二部分用MFCC和导体极化连续模型(MFCC-CPCM)方法研究了W301水分子对HIV-1蛋白酶与配体复合体自由能的贡献;第三部分将MFCC和泊松-波尔兹曼溶剂化模型(PB Model)结合起来,拟合蛋白质的原子电荷(Polarized protein-specific charge--PPC),使每一个原子都处于真实的环境中。通过对六个蛋白系统的研究证明了用该方法进行分子动力学模拟比用传统的AMBER分子力场模拟蛋白质的结构更加稳定;第四部分:极化的蛋白质专一性电荷(PPC)稳定模拟中蛋白质天然态结构;第五部分:用副本交换分子动力学(REMD)方法研究色氨酸笼(Trp-cage)蛋白折叠。第六部分:实时拟合PPC加速蛋白质折叠。本论文的主要研究内容和结果如下:一. MFCC方法研究HIV-1蛋白酶与水分子的相互作用能我们用MFCC方法将HIV-1蛋白酶在肽键位置切开,在每一个切断点插入一对共轭帽(CH3CO-CH3NH-)得到了198个加了帽子的氨基酸片段和196个共轭帽分子。分别用HF, B3LYP和MP2方法在6-31+G*基组下进行计算,我们的结果显示:(1)W301和B链中50号异亮氨酸形成的氢键强于和A链中50号异亮氨酸形成的氢键。(2)W301也和A链中的25号去质子化的天冬氨酸有相互作用,此相互作用是长程的偶极离子间的相互作用,然而W301和B链中的25号质子化的天冬氨酸没有如此的相互作用。(3)W301与药物(ABT-538)形成的氢键强于和50号异亮氨酸形成的氢键。(4)W301与HIV-1蛋白酶中A链和B链形成的相互作用能是非常接近的。二. MFCC-CPCM方法研究了W301水分子对HIV-1蛋白酶与配体复合体自由能的贡献我们用分子碎片共轭帽(MFCC)和导体极化连续介质模型(CPCM)结合起来研究蛋白质溶剂化能。在本文中,MFCC-CPCM方法研究了W301水分子对HIV-1蛋白酶和ABT-538复合体自由能的贡献。MFCC方法用来计算气象中水分子和HIV-1蛋白酶的相互作用能,MFCC-CPCM方法用来计算静电相的溶剂化能,非静电相溶剂化能通过用表面积方法(SA)来计算,并且熵变通过正则模态分析(Normal mode analysis)获得。与传统的MM-PBSA方法相比,我们方法显式的包含了极化作用并且我们的结果和先前用热力学积分方法计算的自由能符合的很好,证明了301水分子在HIV-1蛋白酶和药物的作用中起了非常重要的作用。三.极化的蛋白质专一性电荷(PPC)稳定模拟中的蛋白质内部氢键由于在传统的分子力场中每个氨基酸中的各原子电荷是固定的,很难正确描述极化的影响。我们将MFCC和泊松-波尔兹曼溶剂化模型(PB Model)结合起来,拟合蛋白质的原子电荷(PPC),PPC能够正确代表蛋白质的静电极化状态并且可以对天然态附近的结构提供精确的静电相互作用。当进行动力学模拟时候,PPC只是简单替换掉AMBER电荷,其它参数保存不变。我们用PPC替换AMBER电荷对6个蛋白质体系进行动力学模拟发现,在整个动力学模拟过程中PPC计算出的氢键的占有率和氢键的数目比AMBER计算出的高,并且在AMEBR力场下一些蛋白质内部的氢键被破坏,这些破坏的氢键引起了一些二级结构的变性,但是用PPC氢键和二级结构很好的保留,蛋白质的结构更加稳定。四. PPC稳定模拟中蛋白质天然态结构先前的工作发现,用PPC计算decoy(假的天然态)能量比天然态能量要高,也就是天然态能量是最低的,但是用AMBER力场发现天然态能量不是最低的。所以我们对那些蛋白质进行分子动力学模拟,我们发现,从天然态结构出发,AMBER会使结构走向decoy结构,而PPC则不会。主要原因是用AMBER进行动力学模拟过程中,氢键的打断引起了局部蛋白结构大的改变,从而引起了整体蛋白结构的变化。但是PPC进行动力学模拟蛋白质内部氢键保存非常好。五.副本交换方法研究Trp-cage蛋白折叠和去折叠热力学行为我们分别用AMEBR96和AMBER03力场和普适的波恩模型(igb1和igb5)来研究Trp-cage的折叠和去折叠过程。蛋白质的热力学行为对溶剂模型和分子力场是非常敏感的。我们发现当用FF96/igb5,从去折叠模拟中计算的熔解温度和实验值(315K)非常接近,但是在折叠模拟中却不能收敛。当用FF03/igb5时,无论从折叠还是去折叠模拟,给出了过分稳定的动力学结果,计算的熔解温度是345K,并且在两种模拟过程中显示了相似的自由能面。当用FF96/igb1,FF03/igb1在我们50ns的模拟时间内结果很难收敛。六.实时拟合PPC加速蛋白质折叠目前的PPC是从固定的结构中计算获得的,更确切的说是从天然态结构,它仅仅反映相空间中很小部分的电荷分布。对于大规模运动,比如蛋白质折叠,它也许并不合适了。所以我们发展了一套实时拟合电荷的方法用来研究2I9M小蛋白的折叠。我们分别用AMBER电荷和实时拟合PPC对2I9M(PDB entry)蛋白进行了30ns的动力学模拟,从线状结构开始,用实时拟合PPC方法,蛋白质在6.3ns成功的折叠到天然态结构,然而AMBER在30ns的动力学模拟中没有任何折叠态出现。随着MFCC方法不断完善,我们相信我们的MFCC方法和其他线性标度的量子化学方法在研究生物体系中扮演越来越重要的角色,并且我们将线性标度的量子化学方法推广到对动态性质的研究,对α螺旋的折叠给出了理想的结果。