探索蛋白质折叠的机理对于治疗因蛋白质错误折叠导致的疾病以及蛋白质工程都有着非常重要的意义。这个领域在过去的几十年间取得了很大的进展。作为实验的补充,分子动力学在广泛的时间范围内给出了蛋白质在原子层面上的动力学性质和热力学性质描述,而这些通常是无法通过实验观察到的。分子动力学模拟已经研究了一些多肽和小蛋白,这得益于它们的体积小和折叠速率快。其中,一个由20个残基组成的小蛋白Trp-cage(氨基酸序列号：NLYIQ WLKDG GPSSG RPPPS)是研究的理想体系,它在实验和理论方面都己被广泛研究。Trp-cage由一段α螺旋(残基2-8)、一段短的310螺旋(残基11-14)和一段多脯氨酸Ⅱ螺旋结构组成。酪氨酸-3和四个脯氨酸(脯氨酸-12,17,18和19)的侧链形成疏水核,而色氨酸-6的吲哚环位于疏水核的中心。另外,天冬氨酸-9的羧基与精氨酸-16的胍基可以形成盐桥。有人认为盐桥有助于稳定蛋白质结构,但一些实验和理论研究表明当盐桥消除后,Trp-cage仍然能保持折叠状态。随着力场的不断改进,折叠这类小蛋白已经没什么困难,但要重现实验观测量,比如熔解温度,依然是一项挑战。关于Trp-cage的折叠机理,还有很多问题有待解决：(1)折叠过程中的决速步是哪一步?(2)Trp-cage的折叠是简单的两态模型还是更复杂的模型?(3)环境约束是如何影响折叠过程的?(4)二级结构和疏水核哪个先形成?人们做了大量的研究来探索这些问题的答案。NMR和CD实验表明Trp-cage的折叠机理是两态机理,而一些别的实验则倾向于一种更为复杂的折叠机理,且在折叠发生前会先出现中间体。Duan等人在分析了77个Trp-cage的分子动力学模拟后,提出折叠过程的决速步是色氨酸-6侧链的正确定位。Tian等人认为边界的大小、极性以及溶剂相互作用的影响决定了折叠路径。Zhou等人认为α螺旋在折叠的最后阶段形成。与之相反的是,一些实验结果显示在Trp-cage的非折叠态有螺旋结构的迹象,这表明α螺旋形成于折叠早期。所有的争论都是由实验和理论的局限性导致的。蛋白质折叠路径的理论预测依赖于相空间的遍历性和所使用力场的可靠性。近年来,由于计算技术的迅猛发展,对力场精确性的要求就显得越来越迫切。人们致力于力场的不断改进。Best等人优化了AMBER和CHARMM全原子力场。Li等人使用下坡单向最小值法优化了二面角扭转势,使其与NMR实验值更为符合。与力场AMBER99SB相比,新的力场AMBER99SBnmr结果更好。Lindorff-Larsen等人优化了某些残基的侧链二面角参数,使其与高阶量子力学计算相匹配。然而,我们认为当前力场的主要缺点在于主链二面角的函数形式过于简单。由于主链二面角(φ和Ψ)是不可分离的,所以对主链二面角采用耦合项是必须的,尤其是用来描述对大的构型变化至关重要的势能能垒时。针对这个问题,我们采用耦合的二维主链二面角项发展了一组新的主链二面角参数。蛋白质模拟的初试表明,与原始的AMBER力场相比,新力场能得到更加平衡的二级结构分布。本文中,我们利用新力场AMBER032D模拟研究Trp-cage的折叠。AMBER032D力场是在AMBER力场的基础上加入优化二维主链二面角项得到的,其它的项都是直接从AMBER03力场中提取的。AMBER032D模拟得到的天然态构型与NMR构型符合得很好,且预测的熔解温度与实验值也比较接近。同时,我们得到了Trp-cage的一个可能的折叠机理。