摘要

迷你蛋白Trp-cage仅有二十个氨基酸残基组成，是结构复杂典型用来广泛研究的模拟多肽模型。由于现有众多力场参数对其蛋白残基间相互作用描述不准确的影响，导致目前对其折叠结构模型与形成机理都存在广泛争议。本实验以该迷你蛋白为研究模型，在OPLSAA/L和OPLSAA/C力场下，采用MD软件进行模拟其折叠变化过程。在MD轨迹分析中，以天然接触和均方根偏差变化量为描述结构序参数进而分析比较蛋白体系结构在折叠动力学轨迹中的变化。结果表明：该模型蛋白体系结构折叠在OPLSAA/L力场下无法折叠，而是进行了解折叠过程，而在OPLSAA/C力场下能够快速准确折叠，通过已构建的能曲面分析，该蛋白折叠起始模拟初始构象，该起始构象并不稳定，在MD过程中结构迅速进行了大幅度调整与变化，结构序参数RMSD和天然接触率都随之发生显著波动变化，结构波动过程中，出现了三个亚稳定的中间态结构（I1，I2，I3），经历这三个中间态后，该蛋白能快速准确折叠形成天然折叠态F1。

1  引  言

1.1蛋白质结构的研究

蛋白质是生物体内的一类重要的生物大分子，蛋白质是由20种不同的氨基酸构成的，自然界中成千上万的蛋白质，结构和功能上的多样性最终都是由20种常见的氨基酸所决定的，氨基酸通过脱水缩合形成肽键连接在一起形成肽链，肽链再以各种相互作用力构成了有生物活性的蛋白质。多肽链形成二级结构或者更高级的结构，是由非共价键如离子键、氢键、范德华力和疏水作用所决定的，也就是说大多数情况下蛋白质不是以肽链的完全展开存在的，而是由多肽链之间的紧密折叠形成的结构而存在的。蛋白质是否能够折叠到所需要的自然状态对于蛋白质的是否有活性至为重要。如果蛋白质未能折叠到自然状态下，则会导致蛋白质的生物活性失常或者丧失，如疯牛病、阿尔茨海默病、帕金森病、家族性高胆固醇病、囊性纤维病变、家族性淀粉样蛋白症等，因此很多生物制药开始研发新药物，使蛋白质配体与蛋白质结合从而使得蛋白质能够达到想要的折叠效果。此时，研究蛋白质分子在不同力场下的折叠和运动规律，也成为了探索蛋白质在不同生物环境下运动规律的理论基础。这对找出药物更好的靶点位置有着重要的作用，从而生产出更好的针对病症的药物[1-6]。

1.2研究目的与意义

随着计算机的发展迅速，分子动力学模拟也渐渐地得到了广泛的应用，为研究蛋白的折叠提供重要理论指导。MD可以精确计算出生物大分子体系在原子水平上细微结构变化的细节，还可以知道蛋白质的结构变化以及蛋白质所处的位置的改变，对于理解蛋白质的折叠动力学有着重大意义，对于能否折叠形成具有生物功能的天然蛋白质大分子也有着重要的现实意义，此外，该工具的广泛应用对于医学和制药方面有着重大的意义。而且蛋白质的生物功能不是简单的由其静态三维结构所决定的，其动态结构也占着很大一方面的因素，因此分子动力学就能够将蛋白质的动态和静态的结构之间的关系体呈现出来，并且能够很清楚地观察到此时蛋白质变化的过程，有利于我们去从分子的水平上理解蛋白质的结构以及其产生的生物功能。目前关于蛋白质的动力学研究模拟计算中，所采用的力场涵盖了现有的力场有OPPLS-AA/L、AMBER、CHARMM、GROMOCS96、CVFF等以及相关课程组优化开发的分子力场（PACE、PFF01、parm03.rl、ECEPP/3等）。即便这些分子力场已经能够运用于各种分子体系的研究，可是在描述原子之间的相互作用还是不够精确，特别是对于复杂的共价作用的蛋白质而言，复杂的原子计算所产生的误差积累，会导致模拟计算出来的成果错误[7-20]。

蛋白质Trp-cage是由Neidigh等人设计的小蛋白，该蛋白仅有20个氨基酸组成，但是该蛋白中各个残基间相互作用十分复杂而且侧链位置类型多样。因为该蛋白小并且不易改变，折叠速度也很快，所以该蛋白成为了蛋白质模型的首选。实验主要研究Trp-cage在不同力场下的折叠过程以及折叠中的过渡态、中间态，和在实验和理论模拟基础上分析残基间氢键、盐桥、疏水等作用类型，比较不同力场和不同构象取样方法下Trp-cage的折叠转变过程。通过进一步的研究蛋白的折叠机制和解折叠机制可以发现，肽链折叠过程中要经过很多的中间态、过渡态，折叠的中间态对于研究蛋白质的折叠是至关重要的，所以有效分解蛋白质结构内部复杂的相互作用网络，采用客观准确描述原子之间相互作用的分子力场精确计算其结构上多肽链之间的相互作用，为理解蛋白质折叠机制提供直接、可靠的依据。