蛋白质分子是生命体在分子层次上执行生物学功能的主要生物大分子,因此,理解蛋白质分子体系功能运动的微观物理机制是人们认识生命过程的关键,是近年来物理学与生命科学交叉领域人们普遍关注的核心问题之一。蛋白质分子行使其生物学功能的过程主要表现为多尺度的构象涨落运动与相互作用。例如,各种酶在行使催化功能的过程中,底物与蛋白质的局域相互作用往往导致蛋白质的全局大尺度构象运动,进而产生能满足催化反应的最优构象。这种局域相互作用与大尺度构象运动的耦合行为通常被称为“别构”运动,是酶和其他蛋白质分子机器实现生物学功能时普遍采用的机制。腺苷酸激酶(ADK)是最典型的酶分子机器,含有三个结构域(LID结构域、NMP结构域、以及CORE结构域),被人们广泛作为模型体系用来研究多结构域蛋白质的折叠以及蛋白质分子机器功能性别构运动的分子机制。ADK的主要功能是催化可逆反应AMP+ATP+Mg2+(?)2ADP+Mg2+，从而将细胞内ATP的浓度保持在适当水平。在没有与底物结合时,ADK的构象处于开态；结合了底物后,ADK的构象由开态转变为闭态；完成催化反应后,底物(两个ADP分子)由蛋白质的催化位点脱离,同时伴随着ADK由闭态转变为开态。大量实验数据表明,ADK的催化过程的限速步骤是底物的脱离以及所伴随的闭态到开态的蛋白质构象转变过程。然而,完成催化后的底物如何脱离催化位点,以及底物脱离与蛋白质构象运动如何耦合是人们很不清楚的问题。显然,对上述问题的回答是理解ADK催化反应高效性的关键。本论文中,我们基于分子动力学模拟的方法,针对上述问题,开展了如下三个方面的研究工作：(一)使用Metadynamics分子模拟方法,对催化后底物脱离过程以及与此耦合的蛋白质构象运动过程做了分子模拟,并构建了相应的别构自由能面。计算结果发现,底物脱离过程存在一个较高的自由能垒,这和实验上观察到的底物脱离为催化过程的限速步骤相符合。通过比较不同质子化状态下的底物脱离所克服的自由能垒高度,我们发现与NMP结构域相结合的ADP分子的质子化可以显著降低底物脱离所需克服的自由能垒高度,从而加速底物的脱离过程。通过比较ADK在底物结合态和底物脱离转变态的平均结构差别,我们鉴别出了对底物脱离过程最为关键的氨基酸位点。另外,模拟结果给出了底物脱离次序,发现LID结构域的ADP分子较NMP结构域的ADP分子较早脱离底物结合位点。特别是,我们发现底物脱离与蛋白质构象运动过程存在紧密耦合,其中底物的脱离需要LID结构域的完全打开和NMP结构域的部分打开。这些结果对理解底物脱离过程以及对ADK催化功能关键的动力学与相互作用因素至关重要。(二)在ADK的催化过程中,Mg2+不仅参与化学反应步骤,而且与ADK的构象运动和底物脱离过程相关。在催化过程中，Mg2+同时与两个底物ADP分子配位。在完成催化反应并准备脱离底物时,Mg2+需要转移到其中一个ADP分子。然而,人们不清楚在底物脱离过程中Mg2+与哪个ADP分子结合。这一信息对理解底物脱离过程以及酶催化效率具有重要意义。本论文中,我们基于Meta-dynamics分子模拟方法,研究了Mg2+在底物脱离过程中结合状态的选择倾向性。计算结果显示Mg2+倾向于与LID结构域的ADP结合。只有当LID结构域的ADP分子被质子化,同时NMP结构域的ADP分子未被质子化时,Mg2+才倾向于与NMP结构域的ADP分子相结合。另外,我们的计算结果揭示出Mg2+与ADP结合过程中存在配体交换行为。特别是Mg2+与ADP分子的结合同时伴随着部分水分子的脱离以及Mg2+附近水分子结构的变化。这种由Mg2+与ADP的选择性结合导致的活性位点水分子氢键网络的结构和动力学的变化会最终影响到底物的脱离过程和酶催化效率。(三)蛋白质分子机器在行使功能之前,需要折叠到特定的三维结构。作为多结构蛋白质的代表,ADK也被作为模型体系研究蛋白质的折叠问题。在以往关于ADK折叠的研究中,人们主要关注未结合底物的蛋白质的自发折叠机制。然而,底物的结合可能对蛋白质的折叠和稳定性具有调制作用。本论文中,我们基于Steered-MD分子模拟方法以及隐式溶剂模型,对机械力作用下ADK的解折叠过程做了初步研究。通过比较底物结合状态以及自由状态的ADK解折叠过程,我们发现ADP可以调整解折叠过程中连接数的断裂进程。这些结果表明,底物的结合能够增加激酶的稳定性。本工作结果有助于理解底物对蛋白质折叠以及稳定性的作用。通过本论文工作,我们期望对影响腺苷酸激酶催化相关的功能运动的关键相互作用和动力学因素以及底物对腺苷酸激酶功能结构稳定性的影响和微观物理机制有更深入的认识。本论文内容安排如下：第一章中,对蛋白质、酶与底物、以及分子动力学模拟等相关知识做了简单介绍；第二章中,对底物ADP脱离过程以及与此耦合的腺苷酸激酶构象运动过程做了研究和讨论；第三章中,对催化反应后底物脱离过程镁离子的转移过程以及与此耦合的活性位点水分子的结构和动力学行为做了研究和讨论；第四章中,对腺苷酸激酶的解折叠过程做了研究与分析；第五章对全文做了简要总结,并对未来工作做出展望。