现代模拟技术不仅可以确认分子体系的实验结果,而且还能呈现其中的结构变化细节。与实验技术相比,模拟技术在预测生物体系行为现象,以及深入研究现象背后所蕴含的机理方面更具优势。当然,在此基础上,模拟技术还可以帮助人们探索氨基酸在这些现象和机理中所发挥的重要作用。为了研究pH影响和小分子诱导(蛋白质与小分子之间的相互作用和蛋白质与小分子之间形成共价键)下的蛋白质的构象转变,我们应用了多种模拟技术,例如,经典分子动力学(Classical Molecular dynamics),靶向分子动力学(Targeted Molecular dynamics),拉伸分子动力学(Sfeered Molecualr dynamics),分子对接(Molecular docking)和混合量子力学／分子力学方法(Hybrid Quantum Mechanical and Molecular Mechanical method QM/MM)方法等。虽然这些模拟技术容易获得,但是由于在本工作中,我们需要对不同的研究体系进行比较研究,对同一体系进行不同类型的计算(例如：分子对接,能量评估,以及自由能分布计算等),对数据进行交叉验证,并且对结果进行仔细分析以便从这些结果中获得有意义且可靠的信息,所以,计算成本较高。首先,我们研究了一个备受广泛关注的问题,即,KcsA钾离子通道是如何打开的?虽然,最近有很多的研究报道称该通道的细胞质区域承担了检测通道所处环境pH值的工作,但是,尚无针对KcsA钾离子通道全长结构的分子模拟研究。我们第一次利用TMD方法模拟了全长KcsA钾离子通道的开放过程,并且特别关注了其细胞质区域在通道开放过程中的变化。通过对不同的KcsA钾离子通道模拟体系分别在pH=4和pH=7条件下进行模拟研究,我们发现在pH=7条件下,KcsA全长结构保持稳定,并且位于细胞质区域的一些特定氨基酸的质子化为通道的开放提供了帮助。同时,我们呈现了它们中的一些在这个过程中所发挥的作用,例如：His124, His128, His145, Glu130, Glu134, Glu135, Asp156, Asp157,以_及Glu146和Asp149。但是,在很多研究报道中讨论的His25的作用依然不明确。研究结果表明在模拟的起始阶段,位于跨膜区域的可电离氨基酸残基便开始快速运动,毫无疑问,正是这些氨基酸残基触发了离子通道的开放进程。接着,细胞质区域的氨基酸残基也开始运动。这些结构变化其序列排布逐渐传播,最终帮助KcsA钾离子通道完全开放。这些现象证明KcsA全长结构中承担pH检测任务的有两部分：即,位于双分子膜内部边界处的区域和细胞质区域。虽然为了更完全的描述和理解这个复杂的研究体系,还有很多的工作需要做,但是我们为氨基酸残基质子化诱导下的细胞质区域的构象改变在通道开放过程中的作用提供了新的见解。同时,也鉴定出了参与通道开放的一些特定的氨基酸,并描述了发生在这些氨基酸残基之间的并且导致通道的开放的相互作用。此外,我们又研究了FGFR3蛋白质酶与抑制剂的相互作用模式上,因为FGFR3蛋白激酶参与了一些骨骼病变,所以研发高效的抑制剂就意味着寻找到了有效的治疗方法。在本论文的第三章中,我们介绍了蛋白激酶可以在以Asp-Phe-Gly(DFG)结构域构象变化为特征的活化(DFG-in)和非活化(DFG-out)状态之间转变。据我们所知,我们第一次利用TMD方法模拟了FGFR3激酶从其活化状态转变到非活化状态的过程。同时,由于生物学实验已经验证出几个有效的FGFR3抑制剂,因此,结合经典的分子动力学,靶向分子动力学和分子对接方法的研究表明在FGFR3激酶的活化和非活化状态转变过程中存在几个中间态构象,并且以直接可以与这些构象相互作用。以其中的Ⅱ型抑制剂为例,我们发现它们可以与激酶的DFG-out空穴(DFGout’)结合。这些抑制剂不会阻止激酶的失活过程,但是可以通过与激酶的相互作用参与它的构象转变。由此,我们认为激酶的这种DFG-in/out转变是抑制剂的诱导契合作用所致。此外,研究所获的另外一个结论是在研发新的蛋白激酶Ⅱ型抑制剂时,不仅要考虑其与激酶终极DFG-out结构的结合能力,而且还要考虑到激酶的中间态构象的结合能力。但是,在生物学实验中,还获得了针对另一种蛋白激酶FGFR1的不可逆抑制剂,这是一种与FGFR3高度同源的蛋白激酶。这些不可逆抑制剂通过与位于蛋白质激酶ATP结合位点的氨基酸残基Csy488发生化学反应,以至在其和FGFR1之间形成了共价键连接。基于这个原因,为了研究不可逆抑制剂与激酶之间的化学反应机理,我们选用合适的方法(例如,混合量子力学和分子力学方法),对FGFR1蛋白激酶和FRIIN抑制剂体系进行了分子模拟研究。本论文研究结果第一次表明共价键形成并没有诱导蛋白激酶发生构象改变,而是仅仅与蛋白质激酶形成了蛋白质-配体复合物。基于以上结果,我们认为不可逆抑制剂与蛋白激酶的结合过程中,抑制剂首先进入到结合位点,并与蛋白质激酶形成复合物,接着,与蛋白质激酶形成共价键。这个结论建议未来在不可逆抑制剂的设计中,应首先考虑分子是否可与靶标蛋白形成一个正确的识别模式。因此,这种不可以抑制剂应该基于一个有效力的竞争抑制剂的结构来设计。这样,在分子模拟技术的帮助下,我们提出了关于发生在不可逆抑制剂(FRIIN)与FGFR1蛋白激酶之间的化学反应的反应机理。在这个唯一的反应机理中,加成反应和质子转移是结合进行的,随后发生了酮-烯醇互变异构。自由能分布的计算结果表明这个反应在热力学上的确是不可逆的。以上有关FGFR1的研究结果,对于未来研发与其高度同源的FGFR3的不可逆抑制剂具有重要的意义。