以生物大分子(包括多肽、蛋白质、抗体、聚糖和核酸)尤其是蛋白质和核酸为靶点的药物设计与合成在一些重大疾病如肿瘤、艾滋病、糖尿病、心脑血管疾病等的治疗方面取得了很大的成功,被认为是药物研究中最有前景的领域之一。生物大分子和药物分子的相互作用研究是药物设计的基础,但是仅仅依靠实验手段还不能完全解决它们之间的相互机制和药物分子的构效关系,借助于理论化学和分子模拟方法对生物大分子和药物分子的相互作用进行研究不仅对于计算化学方法的发展和应用具有重要意义,对于理解药物的作用机理、设计新的药物分子也具有理论指导意义。近年来人们发现核糖开关和细胞凋亡抑制蛋白也是两类重要的药物靶点。许多课题组得到了一些核糖开关和小分子代谢物的晶体结构,以及凋亡抑制蛋白与线粒体蛋白相互作用的晶体结构,并根据代谢物小分子的结构设计和合成了许多类似物分子。但是,药物分子的结构与靶分子的相互作用机制仍不明确,本文应用分子对接和动力学模拟方法对鸟嘌呤核糖开关和凋亡抑制蛋白与多种代谢物分子的相互作用进行了系统的理论研究,主要内容如下：(1)修饰嘧啶和嘌呤与突变的鸟嘌呤核糖开关的作用机制研究：Gilbert等人通过实验证明核糖开关GR(C74U)除了特异性结合鸟嘌呤以外,还能结合氨基嘧啶配体,但是并没有详细解释配体结构变化如何影响其与核糖开关的结合能力和结合方式。我们从理论上考察了突变的鸟嘌呤核糖开关GR(C74U)与氨基嘌呤、嘧啶和咪唑衍生物三种类似物之间的相互作用,以及氨基对结合方式和结合能力的影响。计算结果表明：(1)所有的氨基嘌呤和氨基嘧啶配体都能结合到由U22、U47、U51和U74等四个核甘酸组成的结合口袋中,但是两个咪唑衍生物(组胺和L.组胺醇)却采用不同的结合方式；(2)嘌呤配体都位于三向结合点的结合口袋中,但是大部分嘧啶配体只与核糖开关形成两向结合点：(3)配体中氨基取代基的数目对于配体骨架的位置和取向没有显著影响,取代基数目的减少只能引起结合能的微弱减小,但是配体中氨基位置的变化会引起结合能力的显著变化；(4)嘌呤的五元环对分子识别是次要的,配体通过六元环与碱基U51和U74形成Watson-Crick碱基配对相互作用,从而形成稳定的配合物,从理论上揭示了核糖开关分子识别的本质。(2)鸟嘌呤类似物与鸟嘌呤核糖开关的相互作用：鸟嘌呤核糖开关能特异性结合鸟嘌呤类似物,但是结构不同的类似物与核糖开关的结合能力具有明显的差别。为了研究核糖开关对小分子配体特异性识别的本质,并对嘌呤类似物的结合能力进行定量评估,我们对二十个鸟嘌呤类似物与鸟嘌呤核糖开关的相互作用进行了系统的研究。研究发现：(1)大多数鸟嘌呤类似物在结合口袋中的取向是相同的,受官能团位置的变化影响很小。但是配体结构的微小变化会引起结合能的显著变化,这种变化主要是由于配体与周围碱基之间氢键的变化引起的；(2)黄嘌呤配体采用烯醇式结构与核糖开关结合,其结合能力和结合方式与次黄嘌呤相似,与实验结果完全一致；(3)鸟嘌呤类似物主要是通过氢键与碱基U51和C74结合形成稳定的配合物,尽管C74号碱基决定了核糖开关识别的特异性,但是U51碱基对于配合物的稳定性起着非常重要的作用。这些发现不仅有助于理解配体上官能团的变化对结合能力和结合方式的影响,而且为深入理解鸟嘌呤核糖开关对小分子配体的识别作用提供了理论基础。(3)含有七元环的Smac类似物与XIAP-BIR3的作用机制：细胞凋亡在维持细胞繁殖和死亡平衡中起着非常重要的作用,根据线粒体蛋白Smac/DIABLO与XIAP-BIR3配合物的晶体结构,人们设计和合成了一系列多肽和非肽类小分子。人工合成的这些小分子(称为Smac类似物)能模拟线粒体蛋白(Smac)N端的四个残基Alal-Val2-Pro3-Ile4 (AVPI),与caspase-9竞争性地结合XIAP-BIR3结构域,解除XIAP对caspase-9的抑制而诱导细胞凋亡。为了研究XIAP-BIR3结构域对Smac类似物的识别作用本质,我们研究了四个具有代表性的含有七元环的Smac类似物与XIAP-BIR3的相互作用。对接结果表明,这些配体的分子骨架在结合口袋中的取向与Smac中的AVPI四肽序列完全相同,每个配体在口袋中都对应两种竞争性的结合构象,分别称为伸展和弯曲构象,这两种构象是由类似物末端的二苯甲基的取向决定的。当类似物的氨基部分为亚氨基时,类似物与XIAP-BIR3的结合能力最大,而分子动力学的研究结果进一步表明伸展构象与XIAP-BIR3的结合更稳定,弯曲构象在动力学模拟过程中逐渐转化为伸展构象。能量分解的结果表明Thr308是对结合自由能贡献最大的残基,Asp309, Glu314和Trp323等残基是XIAP-BIR3结构域结合Smac类似物必不可少的残基。(4)双环和三环核心的一价Smac类似物与XIAP-BIR3的作用研究：人工合成的一系列含有不同官能团的Smic类似物模拟SmacN-端的四个残基与XIAP-BIR3结合,但是表现出不同的结合能力和结合方式。我们考察了三类结构不同的Smac类似物与XIAP-BIR3结合时,结构变化对结合能力和结合方式的影响。研究发现,这些Smac类似物都以伸展构象对接到XIAP-BIR3的表面沟槽中,分子骨架与SmacN端的AVPI序列重叠。由于受空间位阻影响,双环核心中七元环结构的变化对结合能力没有显著贡献,但是五元环对配体结合是非常重要的,尤其是在五元环上引入苯甲基取代基更有利于配体的结合。Smac类似物末端的R-型四氢萘基更靠近疏水残基Leu292,因此更有利于配体的结合。分子动力学结果还表明,配体与XIAP-BIR3的结合比较稳定,分子骨架基本不变,只是类似物SMb6和SMc3的取代基取向在动力学过程中发生变化。双环核心部分和Thr308之间的氢键作用对于维持配合物的稳定性是非常重要的。MM_PBSA方法计算得到的结合自由能与实验结果基本一致,变化趋势完全相同。我们的理论研究为进一步设计和合成Smac类似物提供有用的信息。本文的创新点主要表现在以下三个方面：1.系统地研究了鸟嘌呤核糖开关能特异性识别嘧啶和嘌呤配体的本质,通过考察核糖开关与一系列配体的相互作用得出：核糖开关的特异性识别功能主要由其结合口袋中碱基的位置和种类决定,其周围碱基对分子识别也有较大的影响,只有当配体与结合口袋中的重要碱基如C74(或U74)和U51能形成较强的Watson-Crick碱基配对作用时,核糖开关才能对嘧啶和嘌呤衍生物进行特异性识别。2.系统地研究了不同配体的结构对特异性识别的影响规律。对于氨基取代的嘧啶衍生物来说,氨基取代基的数目对其在结合口袋中的取向没有显著影响,但其位置的变化对核糖开关与配体的结合能力有严重影响。而对于含有空间位阻作用较小的取代基的嘌呤衍生物,当在嘌呤环的1-、2-、6-和8-号位分别引入空间效应较小的基团时,配体在结合口袋中的取向不会发生变化,但是结合能力随取代基的种类和位置的变化而显著不同。3.系统地研究了凋亡抑制蛋白与双环和三环核心的一价Smac类似物的作用机制。类似物采用更稳定的伸展构象与凋亡抑制蛋白结合,其双环核心部分对于配体的结合是非常重要的,但是对其中的七元环进行修饰不会显著增强结合能力,而在五元环上引入苯甲基更有利于配体的结合。凋亡抑制蛋白的Thr308、Asp309、Glu314和Trp323残基对识别和结合类似物起非常重要的作用,尤其是Thr308残基对结合的贡献最大。