蛋白质是生物体活动的主要承担者,在生命生长、发育和进化中发挥关键作用。在许多情况下,蛋白质分子需要与配体相互作用以发挥相应的功能。研究蛋白质与配体的相互作用以及配体结合对蛋白质的影响,不仅有助于加深对蛋白质功能和调控机制的理解,也能极大的促进药物的开发,具有重要的研究意义。作为一种载体蛋白,脂肪酸结合蛋白(fatty acid-binding protein,FABP)在细胞内与脂肪酸结合,并发挥运输脂肪酸的功能。脂肪酸是机体的主要能量来源,能够调节免疫应答和炎症反应,促进细胞分化和凋亡并抑制肿瘤的生长。认识脂肪酸与FABP的结合分子机制对于理解FABP功能行使机制具有重要意义,也有助于获得配体和药物在细胞中的输运机理。脂肪酸结合口袋位于FABP的内部。配体结合的FABP(holo-FABP)与非结合态FABP(apo-FABP)的晶体结构十分相近,因此难以通过比较静态结构阐明FABP中配体脂肪酸的结合及解离分子机制。分子动力学(Molecular dynamics,MD)模拟方法可有效得出蛋白质结构动态变化过程及配体调控的分子机制。本论文采用传统MD模拟方法以及增强采样技术,在原子尺度上对心脏脂肪酸结合蛋白(Heart Fatty Acid Binding Protein,H-FABP)的结构及其与长链脂肪酸硬脂酸(Stearic acid,SA)相互作用的动力学和热力学变化进行了研究。重点研究了配体硬脂酸结合对FABP结构的影响以及FABP中配体硬脂酸的反应路径、自由能和速率常数。主要内容如下:第一章主要介绍了蛋白质—配体相互作用的研究背景,概述了分子动力学模拟特别是增强采样方法在蛋白质-配体结合研究中的现状及进展,并对FABP的相关研究进行了介绍。第二章为脂肪酸对FABP近天然中间态结构影响的计算模拟。本章采用传统分子动力学模拟和马尔科夫态模型(Markov State Model,MSM)方法研究H-FABP中与配体结合和解离相关的中间态及其动力学性质。通过计算模拟得到与配体解离和结合相关的中间态。对比脂肪酸结合与未结合态的H-FABP构象差异,发现配体结合有助于使蛋白质稳定的处于“闭合”态。此外,配体结合时H-FABP主要存在两类“打开”态,显示配体解离存在不同的通道。第三章通过计算模拟方法研究了脂肪酸结合蛋白中配体解离通道及解离过程。首先通过传统分子动力学模拟研究硬脂酸从H-FABP中解离的可能路径。进一步采用偏置交换的多元动力学模拟的方法获得配体解离/结合过程的自由能面,找到了与配体解离/结合相关的结构。研究结果表明硬脂酸从H-FABP中解离存在两条路径,并且从不同通道解离蛋白质与配体相互作用存在显著差异。第四章计算了心脏脂肪酸结合蛋白中配体最优解离路径及解离常数等动力学特征。结合传统分子动力学模拟方法及路径元动力学模拟方法,研究了人类H-FABP中配体硬脂酸解离的动力学信息,并获得最优解离路径。配体从不同通道解离需要克服的相互作用力存在显著差异。此外,两条通道的koff值差异较大。如图1所示,配体从蛋白质α-Ⅱ的碳端和βC-βD loop解离(通道一)的koff值更大,说明H-FABP中配体硬脂酸更快速的经此通道解离。这些研究为FABP相关药物的设计提供了帮助。图1 H-FABP中配体解离路径示意图。动态门户区域用黄色标记,βD和βE用蓝色标记,配体解离路径用红色箭头标出。A:通道一;B:通道二。第五章为总结与展望。对本论文的研究内容进行总结,并展望了进一步可探索的问题及研究方向。