酶是一类具有催化功能的复杂生物大分子,在生物体内扮演着不可或缺的角色。弄清楚自然界中生物体内的酶催化过程,不仅可以帮助我们揭开生物催化的神秘之处,也有助于新型高效仿酶催化剂的研究与设计。酶催化的全过程一般包含了底物输运进入活性区,底物在活性位的结合,催化反应的触发以及产物释放离开活性位这四个化学和非化学步骤。探明化学步的催化反应机理和非化学步的转运通道机制对酶催化过程十分重要。在本论文中,应用经典分子动力学模拟（MD）以及量子力学/分子力学组合模拟方法（QM/MM MD）,结合伞形采样,对酶催化过程中的化学反应机理以及转运通道机制进行了系统的研究,预测底物进出口袋过程中的热力学和动力学性质,揭示催化反应过程中的决速步骤以及关键残基的作用,在原子/分子水平上,为进一步的实验研究提供理论依据。本论文的主要研究内容和结果如下:（1）PTE酶可以催化降解神经毒剂,但效率很低。通过QM/MM MD和MM MD模拟,系统地研究了该酶催化降解G型神经毒剂沙林的整个过程,包括底物输运,催化反应和产物释放。计算模拟结果揭示,酶-底物活性区的两个二价锌离子均为稳定的六配位结构,配体包括羧酸盐基团（Lys169）、水分子和桥氢氧根等。底物通过离去口袋方向的优势通道进入活性区,结合之后可以释放能量16.8 kcal/mol。底物沙林的酶促反应遵循两步机制,首先是桥连的氢氧化物亲核攻击底物,导致P-F键裂解和P-Oμ键形成,该步的自由能垒为9.8 kcal/mol。然后质子从μ-OH转移到残基Asp301同时F-完全离去,整个过程的自由能跨度为12.3 kcal/mol。当F-释放后,降解的产物通过双齿配位的形式与双锌中心紧密结合,至少需要克服21.0kcal/mol的能垒才能完全从活性口袋解离释放,因此产物释放过程为该酶促反应的决速步骤。全程模拟获得的相关结果为全面认识PTE酶促降解沙林机制奠定了基础,对降解有毒有机磷化合物的酶工程实验研究具有重要意义。（2）来自大肠杆菌的嘧啶特异性核苷水解酶Yeik（CU-NH）催化尿苷和胞苷的N-糖苷键的水解速率比嘌呤核苷底物（如肌苷）快102-104倍,表现出高的底物特异性。通过QM/MM和MM MD模拟,我们研究了嘧啶特异性核苷水解酶的底物特异性,探讨了可能的底物输运通道和水解机制。计算模拟结果表明,与顺式构象相比,反式构象的底物在活性位具有更强的结合作用。反式构象作为有利的构型参与酶水解,一旦底物结合到活性位点,柔性的loop1和loop2以及蛋白质主链变得更加稳定有序,底物和来自loop1和loop2的侧链残基之间的氢键作用有助于酶识别底物,显著影响了底物的特异性。与肌苷相比,尿苷与活性位点的结合在热力学上更有利,且水解化学步的能量更低,呈现高的活性。CU-NH催化尿苷N-糖苷键水解反应采用了协同但非同步的机制,且底物质子化并不能提高反应活性,目前的研究丰富了对核苷水解酶催化机制的理解。（3）萘酰亚胺类化合物是潜在的小分子抗癌药物,但是由于它们不溶于水且存在一定的副作用,导致其应用受到了很大的限制。研究发现该化合物与多胺链接后可以很好地发挥双重药效的作用,并且降低了抗癌药物对正常细胞的副作用。通过广泛的理论计算模拟,我们一方面获得了牛血清白蛋白将萘酰亚胺-多胺化合物运输到DSI和DSII两个药物位点的可能途径,通道机制以及热力学和动力学性质。另一方面通过探索配体和牛血清白蛋白之间的相互作用,揭示了他们的结合模式,结合自由能和取代基效应。值得注意的是,这两个药物位点对于该化合物具有选择特异性。基于两个药物位点的选择特异性,构建了同时具有吸电子和供电子取代基的新型化合物,模拟计算结果表明,该新化合物与DSI和DSII都具有强的结合作用,相关研究有助于拓展该类药物发现的新途径。