蛋白质是生物体重要的组成部分和生命活动的主要承担者,在各种代谢过程中发挥着至关重要的作用。了解蛋白质结构与功能的关系对于探索生命的起源,揭示生物的进化规律,促进蛋白质工程的发展等都具有十分重要的意义。随着科学技术的发展,单纯通过实验研究手段分析蛋白质的结构与功能关系已经无法满足人们的需求。近年来,计算机模拟技术日益成熟,在复杂生物大分子体系的应用不仅为实验研究提供了精准的理论分析和结果预测,还有力补充了实验研究很难涉及的研究领域,如酶的催化反应机理和通道蛋白的变构机制等。如今,计算机模拟技术已成为蛋白质结构与功能研究领域的重要研究手段。本论文主要采用多尺度模拟的手段,利用分子动力学模拟和量子力学/分子力学联用（QM/MM）方法,对几类重要酶（AGE酶家族、分支酸酶家族）的催化选择性机制及BM2通道的酸激活机制进行了系统的理论研究,具体研究内容如下:1.AGE酶家族底物特异性及反应选择性的理论研究AGE酶家族是一类糖异构酶,负责催化糖分子手性中心构型的转变,在糖类代谢和寡糖生产中起着非常重要的作用。在单一保守位点内,AGE酶家族成员CE酶催化二糖进行差向异构化反应,而YihS酶催化单糖进行醛酮异构化反应。为了阐明AGE酶家族中单一保守位点与两种催化活性之间的关系,我们利用分子动力学模拟和QM/MM计算方法在原子层面上研究了RaCE酶与SeYihS酶的底物特异性和催化反应性质。动力学模拟结果表明,两者底物进出通道和活性位点内色氨酸数量的差异,是导致RaCE酶和SeYihS酶具有不同底物特异性的原因。QM/MM计算结果显示,RaCE酶和SeYihS酶有着类似的催化反应过程,都可分为三个阶段:糖环打开,差向异构化/醛酮异构化,和糖环闭合。在第一阶段中,RaCE酶和SeYihS酶以相同的开环途径（路径1）进行开环,即His374-RaCE（His383-SeYihS）首先作为酸催化剂质子化底物的O5位置,之后再作为碱催化剂使底物的O原子位置去质子化。两者虽然有着相同的开环方式,但催化开环的方向却是不同的。非保守残基组（Leu183-RaCE/Met175-SeYihS）不同的空间位阻使得两者催化糖环打开的方向相反。这种微小的差异会在催化的第二阶段中被放大,导致RaCE酶和SeYihS酶在第二步反应中对底物的不同位点进行质子化。RaCE酶催化底物C2位置进行质子化而SeYihS酶催化底物O位置进行质子化。最终,RaCE酶选择进行差向异构化反应,而SeYihS酶选择进行醛酮异构化反应。该项研究结果在原子水平上阐明了AGE酶家族的底物特异性及反应选择性的机制,这将有助于基于（α/α）₆桶结构的新型糖异构酶催化剂的设计。2.分支酸酶家族产品选择性机制的理论研究分支酸代谢广泛存在于除动物外的其他生物中,对感染性微生物和植物的生存至关重要,分支酸代谢相关途径也成为抗菌药物和除草剂研发的重要靶标。分支酸酶家族催化分支酸裂解生成丙酮酸和不同的（二氢-）苯甲酸衍生物。在单一保守位点内,FkbO酶催化分支酸进行水解反应生成3,4-反式-二羟基-环己-1,5-二烯羧酸酯,而Hyg5酶催化分支酸进行分子内反应生成3-羟基苯酸盐。为了阐明分支酸酶家族中存在的产品调控机制,我们利用分子动力学模拟和QM/MM方法对FkbO酶和Hyg5酶的底物结合模式和催化反应性质进行了研究。动力学模拟结果显示,FkbO酶和Hyg5酶在酶-底物结合模式和水分子性质方面存在明显的差异,A/G残基组（A244-FkbO/G240-Hyg5）和V/Q残基组（V209-FkbO/Q201-Hyg5）是调控两者性质差异的主要因素。QM/MM计算结果表明,FkbO酶和Hyg5酶催化同一底物生成不同产物的原因是由于两者第二步反应机制的差异。在第二步反应过程中,FkbO酶中的催化残基E338激活水分子W2进行亲核反应,导致水解反应的发生;而在Hyg5酶中,E334激活底物4-位羟基（4-OH）进行亲核反应,形成芳烃氧化物中间体,导致分子内反应的发生。FkbO酶催化水解反应的能垒为20.9±0.6 kcal/mol,而Hyg5酶催化分子内反应的能垒为18.9±0.6 kcal/mol。此外,我们还研究了A/G残基组和V/Q残基组对催化反应过程的影响。计算结果表明,A/G残基组会引起底物结合状态和催化残基谷氨酸侧链取向的差异,但这些因素对分支酸酶家族产品选择性的影响是有限的;而远端非保守残基组V/Q通过调节活性位点水的性质对催化机制的选择具有显著的影响,残基组V/Q或许是影响分支酸酶家族产品选择性的关键因素。该项研究结果为分支酸酶家族产品选择性机制的研究提供了新的观点,这将有助于针对分支酸代谢相关途径的抗菌药物以及新型生物催化剂的研究和发展。3.BM2质子通道酸激活机制的理论研究流感病毒引起的急性呼吸道传染病严重威胁着人类健康并造成重大的经济损失。据世界卫生组织统计,季节性流感每年会造成300-500万的严重病例,并导致25-50万人的死亡。流感病毒包膜上的M2通道蛋白在酸性条件下被激活进行质子传递,在病毒的复制、出芽等过程中扮演着重要的角色,是研发抗流感病毒药物的热门靶点。在本论文中,我们使用多尺度模拟的方法系统表征了乙型流感病毒M2通道蛋白（BM2）的酸激活机制。首先,我们利用恒定pH值复制交换分子动力学模拟方法（pH-REMD）研究了BM2通道的酸激活过程,确定了His19和His27的酸碱滴定曲线,观测了BM2跨膜结构域由闭合构象到开合构象随pH转变的全过程。计算结果显示BM2通道的酸激活是由His19四分体进行调控的,通道的酸激活发生在+2状态（0.2 kcal/mol）到+3状态（-0.7 kcal/mol）之间。此外,我们还利用常规分子动力学模拟和QM/MM方法表征了His27在BM2通道酸激活和质子传递过程中的作用。计算结果表明,随着pH的降低,His19四分体逐渐被质子化,这使得His19的去质子化能垒降低,从而激活通道进行质子传递。在质子传递过程中,His27可进一步诱导通道构象的打开并加速质子从His19的解离,在BM2通道的质子传递过程中起到促进作用。基于以上结果,我们发现BM2质子通道存在一个独特的“激活-促进机制”。该项研究成果为BM2通道的酸激活机制提供了详细的理论解释,这将为流感病毒的相关实验探索和临床研究提供有益的理论支持和引导。