氨基酸是一大类生物分子的基本单元。由于生物分子的功能和其结构关系紧密,因此研究氨基酸分子结构与氨基酸分子与环境中的离子以及溶剂的相互作用是计算生物学的基本课题。同时,氨基酸又是一类多氢键多构象以及强电荷转移体系,这类体系是当前计算化学研究的重点难点。本文系统性地回顾了这一领域常用的量子化学计算方法,并针对三类不同的子体系,用不同的方法研究了其结构和对应性质。在第一章中,我们简要介绍了工作中用到的基本计算方法以及相关的量子化学概念。在第二章中,我们介绍了我们对研究谷氨酰胺的结果。我们使用系统搜索法研究了三种形态的谷氨酰胺分子的结构。并用不同的理论方法计算了对应的分布、垂直电离能、转动常数、偶极矩等物理量。我们系统总结了前人对谷氨酰胺气相酸/碱性以及质子亲和/解离势的实验和理论数据,并根据我们的结果考察了各个数据的可信度以及其中可能的误差来源,并评论了各种理论方法在这种体系中的优劣。在第三章中,我们尝试了一种针对氨基酸-金属离子络合物的特点而设计的系统搜索法,并将其应用到研究ⅠⅡ主族离子与谷氨酰胺络合物的结构研究上。我们对比了已有的对结构的理论研究并报道了新发现的若干结构。我们计算了这些络合物对应的红外光谱与离子结合能,并对比了已发表的实验,针对其中的差异给出了分析。其中,我们发现B3LYP有高估离子结合能和双电性结构稳定性的趋势,而MP2的结果和实验符合得很好。我们认为这一现象可以用所谓的离域化误差来解释。而红外光谱在强度上的差异可能归结于多光子解离谱未能达到平衡。在第四章中,我们介绍了一种搜索氨基酸小尺寸水合团簇的低能结构的策略。这种方法对经验势的细节不敏感,因此适用于电荷转移较强的体系。我们将其应用到甘氨酸的八水合团簇的研究中,得到了比以往的模拟退火算法好得多的结果。通过分析水分子沿谷氨酰胺极性基团的径向分布函数,我们认为八水合团簇对于双电性和质子化结构来说已经能够胜任描述其溶液短程作用。我们我们用严格的热分布加权的做法计算了八水合甘氨酸双电性、质子化和去质子化团簇的红外谱以及近边X射线谱,通过对比对应的气相谱和溶液谱,验证了这一推断。这一工作为从头计算预测生物分子溶液效应奠定了基础。在第五章中,我们总结了前人发表的20种自然氨基酸的质子亲和势以及质子解离能。我们重新重新用系统搜索法研究了这些分子的结构,并用七种不同的量化方法计算了这些量。我们分析了各种实验结果,发现传统的SKM方法在不如EKM方法准确。而在所有使用到的量化方法中,G4MP2和实验符合的最好,B2PLYPD在阳离子以及电中性体系中和结果比较可信,在阴离子体系中则有低估结合能的倾向。B3LYP是速度和准确性比较均衡的方法。在第六章中,我们对本文的研究做了简要的总结。