脯氨酸（P）是组成蛋白质的20种天然氨基酸（AAs）之一,由于其特殊的吡咯环结构,往往会在成为蛋白质二级结构的末端。脯氨酸的特殊结构引起了学者的广泛兴趣,已有前人使用系统法完成了对脯氨酸结构的DFT计算。但对含脯氨酸小肽、含脯氨酸的多肽体系而言,DFT计算耗时非常大,系统法几乎无法实现。路径矩阵方法和拼接方法依靠压缩搜索空间极大程度减少了计算量,使精确计算多肽体系成为了可能。为了将脯氨酸纳入路径矩阵方法,我们研究了脯氨酸及其小肽的低能构型的结构特征,尤其是主链二面角的关联性规律。在此基础上,我们得到了脯氨酸体系简化系统法的转角设计方案,这将在精确计算含脯氨酸的大分子体系结构中起到很大作用。第一章整理了量子化学计算领域的重要方法和理论,按计算方法发展的时间顺序,依次回顾了从头算方法、半经验方法和密度泛函方法。在密度泛函理论的介绍中,我们展开说明了各种泛函和基组,并采用该方法作为脯氨酸及其小肽构象搜索中的能量计算和优化的主要方法。第二章阐述了氨基酸及其小肽常见的搜索方法,包括系统法、随机采样法和降维法。与计算方法不同,该章主要介绍的是搜索空间的采样方法,合适的采样方法可以在保持结果完备性的基础上减少搜索数量,对提高计算效率帮助很大,这在小肽乃至多肽体系的构象搜索中非常关键。本章的重点在于降维法中的路径矩阵法和拼接法,通过对氨基酸和小肽低能构型的结构分析,可以大大缩小多肽体系的搜索空间,这也正是本文的研究目的之一。第三章对天然脯氨酸进行了系统法的DFT计算,最终在5kcal/mol内找到23个低能构型,比前人多找到5个。对23个低能构型进行结构分析,得到了脯氨酸侧链四原子共面的规律,用该规律对系统法进行简化,可以提高约40倍计算效率。此外,我们还在脯氨酸低能构型振动频率的基础上计算出低能构型混合系综的理论红外光谱,且计算出的理论光谱与实验光谱非常接近。第四章用侧链规律简化的系统法对脯氨酸盖帽体系进行了构象搜索,得到7个低能构型,比前人多找到2个。在试探构型的设计中,本章在侧链四原子共面规律的基础上将肽平面对脯氨酸的限制和脯氨酸X-P肽平面的顺势结构也纳入考虑,最终使试探构型数量再减少了一半,得到脯氨酸在肽链中的简化系统法转角设计方案。构型优化后,我们计算了低能构型系综的理论红外光谱,并与天然脯氨酸的光谱进行比较,发现主要的振动峰并没有明显的红移或蓝移。本章还统计了低能构型里X-P肽平面和P-X肽平面顺式构型的占比情况,得到与实验相符的结果。第五章中,我们对含脯氨酸的1 1个二肽体系进行了研究。在构型优化后,我们统计了 11个二肽低能构型的主链二面角组合Xpsi-Pphi、Pphi-Ppsi、Ppsi-Xphi的角度分布。采用K-means方法进行聚类,得到基于主链二面角关联性的聚类中心。将该聚类中心纳入简化系统法中,进一步提高了计算速度,并为将脯氨酸加入路径矩阵方法做出铺垫。本章的最后,将聚类中心带入1 1个二肽进行优化验证,经过错误处理后,结果与原系统法的搜索结果一致。第六章将1 1个二肽体系中得到的脯氨酸及其近邻氨基酸主链二面角的关联规律在2个三肽和4个四肽中进行了验证。通过对6个脯氨酸小肽体系的构型优化和统计,我们得到了与二肽中相同的主链二面角聚类中心,根据聚类中心重新生成6个小肽试探构型,并在相同水平下重新优化,得到与系统法一样的结构。至此,我们完成了脯氨酸在侧链四原子共面规律、肽平面限制、近邻主链二面角关联规律共同作用下的简化系统法,极大提高了计算效率,使含脯氨酸多肽体系的DFT计算成为了可能。第七章,对本硕士学位论文的研究内容进行了简要的总结。