跨膜信息传递是生物体的一项基本生命过程。位于细胞膜上的膜蛋白,在跨膜信号传递过程中扮演着不可或缺的角色,它可以感受外界刺激并将此刺激向细胞内部传递,起到承上启下的作用。因此,膜蛋白可以调控多种重要生命进程,例如认知过程,免疫响应,血压调节和血管生长等。也正因为其无可替代的作用,膜蛋白吸引了许多科研工作者的关注。在本论文里,我们用分子动力学模拟的方法研究了两个膜蛋白（分属G蛋白偶联受体和机械力敏感离子通道家族）在进行跨膜信息传递过程中的动态变化过程,揭示了它们的重要微观功能机理。本论文中完成的主要研究内容和已取得的重要研究结果如下:（1）G蛋白偶联受体（G proteincoupledreceptor,GPCR）作为人类体内最大的膜蛋白家族,同时也是最重要的药物靶点。arrestin是一类可以与GPCR结合的胞内蛋白,它可以阻止GPCR和G蛋白的结合,从而实现受体脱敏,因此,研究GPCR与arrestin的相互作用,对于理解细胞跨膜信号转导具有重要的意义。事实上,arrestin和GPCR相互作用的细节还很不明晰,在领域内还存有许多争议。我们通过分子动力学模拟的方法研究了 rhodopsin（A类GPCR）和arrestin形成复合体前后在细胞膜上的取向变化。模拟结果显示复合体的形成对rhodopsin在细胞膜上的取向影响甚微,而对于arrestin在细胞膜附近的取向造成显著影响和限制。残基接触分析显示复合体界面处存在非键相互作用来共同稳定复合体结构。上述结果,对于人们理解GPCR与arrestin的相互作用和它们所形成的复合体的结构特征和稳定性,提供了较详尽的细节解释。（2）不同的胞外刺激可导致GPCR通过arrestin招募不同的下游信号蛋白,该选择性结合的机制尚不明确,目前较为被认可的一种解释是不同的外界刺激会使GPCR的C-terminusloop（C-loop）处于不同的磷酸化状态,与GPCR结合在一起的arrestin会根据这些不同的磷酸化状态来调节自身构象,进而招募特定的下游信号蛋白。我们通过分子动力学模拟的方法研究了复合体中的arrestin由于rhodopsin C-loop磷酸化状态改变而引起的构象变化。模拟结果表明,相比于静息态arrestin,激活态arrestin的C-domain存在明显扭转,该扭转的发生不依赖于rhodopsin C-loop上的具体磷酸化状态。在不同磷酸化状态的模拟中,arrestin C-domain的扭转角都处于大致相同的区间内,因此在目前的模拟中,尚未发现rhodopsin C-loop的具体磷酸化状态导致的arrestin整体构象变化上的区别。随后,对不同磷酸化状态模拟轨迹中arrestin构象的聚类分析表明磷酸化状态的改变可能会引起arrestin局部构象的显著变化。由于模拟结果受到当前模拟时间的限制,为了进一步探索由于磷酸化状态改变而引起的arrestin构象变化,我们分析了rhodopsin C-loop上可磷酸化残基和与之相近的arrestin N-domain残基之间的相互作用力,发现这些残基间的作用力高度依赖于C-loop的磷酸化状态。当磷酸化状态发生改变时,原本的受力分布随之改变,通过对比不同磷酸化状态下的受力情况,我们发现位于rhodopsin C-loop中部的两个可磷酸化残基（T336rhodopsin和S338rhodopsin）至关重要,当这两个残基位点被磷酸化后,pT336rhodopsin-R172arrestin和pS338rhodopsin-K301arrestin这两处相互作用会使C-loop牢牢贴紧arrestin N-domain,从而为位于C-loop尾部的可磷酸化残基（T340rhodopsin,T342rhodopsin,S343rhodopsin）提供了稳定的作用环境。当这三个位于C-loop尾部的残基磷酸化状态改变时,其周围的残基（例如V12arestin）会感受到这一受力变化,并会将这一扰动向周围的残基传递,最终可能通过别构效应影响与下游蛋白结合相关的残基位点。我们的模拟分析结果,部分解释了磷酸化状态的改变为何会驱使arrestin发生构象变化并导致其选择性地结合下游信号蛋白,有利于我们更好地理解与磷酸化状态相关的arrestin介导的GPCR信号通路。（3）机械力敏感离子通道是一类能够把细胞受到的机械力刺激转化为离子电流的信号蛋白。AtOSCA1（Arabidopsis thaliana reduced hyperosmolality induced[Ca2+]increase 1,以下简称OSCA）是近期发现的一类植物中的机械力敏感离子通道,可以对渗透压变化引起的细胞膜内机械力变化（forcefrom lipid）产生响应而开启,从而能够感知干旱、洪涝和盐浓度等外界条件变化并将信息传递到细胞内部。当OSCA感受到外界渗透压升高时,会导致植物气孔关闭,减少水分流失。近期,较高分辨率的OSCA结构得到解析,但是由于其结构的特殊性,它的离子转运路径和门控机理无法从结构上直接分析得到。因此,我们对这一结构进行了多尺度分子动力学模拟研究。模拟结果表明,当OSCA嵌在磷脂膜上时,其两个亚基界面形成的空腔会被磷脂分子填充,从而阻止水分子和离子的通过。同时,在模拟轨迹中我们发现在OSCA每个亚基内部有水分子通路的形成。因此,我们判定OSCA输运离子的路径位于两个亚基内部而不是界面空腔。在初步确定了 OSCA的孔道位置后,我们又对OSCA的激活机制进行了探究。作为可以感受膜内机械力变化的离子通道,OSCA理应对膜内张力变化产生响应。我们在模拟中对体系施加50 mN/m表面张力后,发现OSCA可在百纳秒量级的模拟时间尺度内对此刺激进行响应而部分开启,跨膜螺旋M6远离M4的运动导致OSCA孔道半径明显增加,水分子涌入孔道形成稳定的水分子通路。通过分析OSCA开启过程的构象变化细节,我们发现位于孔道上侧的疏水网络和孔道下侧的盐桥（K436M4-D524M6）会明显限制M4和M6的相离运动。当上侧的疏水网络被破坏后,水分子可以进入并充满整个孔道,盐桥相互作用也随之被破坏,孔道半径进一步增加。根据分子动力学模拟结果,我们提出了一种可能的OSCA激活机制:当外界机械力变化时,位于最外侧的跨膜螺旋M0会发生倾斜以及远离孔道中心的移动,这一构象变化会为M6提供更大的运动空间,促使M6远离M4。这一远离运动会扩宽孔道上侧的疏水门控区,使得水分子得以进入孔道,随后OSCA孔道半径进一步增加,OSCA由关闭态向开放态转变。我们的部分模拟结果,已经得到了实验上的验证。因此,上述模拟研究对于理解OSCA离子通道的功能机理提供了重要的微观解释。