通道蛋白是生物系统内常见的蛋白质,它们提供了极性小分子或离子进出细胞的通道。近年来,有关通道蛋白的分子结构测定和基本功能特性检测的实验研究取得了很大进展,并且得到了多种通道的晶体结构数据,为我们开展通道蛋白的结构和功能的理论和模拟计算研究创造了很好的条件。本文采用分子动力学模拟和蒙特卡罗模拟,以及计算机建模的方法,研究了两种通道蛋白尿素通道蛋白dvUT和氯离子通道蛋白EcClC的结构和功能特性。1.尿素通道的结构特性和尿素输运行为的计算和模拟尿素通道蛋白dvUT的晶体结构已经由实验上测得,但尿素分子在dvUT通道中传输的动力学过程还不清楚。我们通过分子动力学模拟、自适应偏置力方法和蒙特卡罗方法,建立了dvUT通道-细胞膜-溶液系统的平衡结构,计算了尿素分子的自由能变化和尿素分子在通道内停留几率分布,找到尿素分子在dvUT通道蛋白中的结合位点的确切位置,揭示了尿素分子穿过dvUT通道蛋白的微观过程,计算了水分子在dvUT通道蛋白中的传输速率,并发现了孔洞中形成的连续水链。我们建立的研究方法也可以适用于研究其它膜蛋白的传输机制。采用MD和MC模拟方法和我们计算得到的dvUT通道在尿素分子的自由能变化曲线和尿素分子在通道内停留几率分布,由此确定了尿素分子的三个结合位点的位置在z=-5.0 A,4.0 A和9.0 A处。从结构上说,这些结合位点被三对疏水残基所产生的能垒分隔开,并且,尿素分子在结合位点处和dvUT蛋白会形成大量的氢键,帮助尿素分子在位点处稳定存在。我们的MD模拟结果还表明,dvUT通道蛋白也可以传输水分子,水分子穿越dvUT通道的平均传输速率为0.4H2O/ns/channel,尿素分子在dvUT通道内的传输总是伴随着水分子传输的。我们也计算了水分子在dvUT通道内的概率密度分布和水分子偶极矩在通道孔洞轴线方向的投影分布,发现通道中心位置水分子两侧的水分子的偶极矩取向呈现对称排列,dvUT结构的二次旋转对称性是导致这个水分子偶极矩对称取向的原因。2.尿素通道dvUT的功能特性的计算和模拟我们构建了协同性结合模型,建立了尿素分子与其类似物分子DMU的相互替换的规则。在前述模拟计算的dvUT平衡结构以及尿素分子在通道内停留几率的基础上,运用协同性结合模型、相互替换规则和MC,以及计算机建模的方法,我们再现了尿素分子穿过dvUT通道蛋白、尿素分子在dvUT通道内的平衡结合、尿素分子和DMU分子之间相互替换的生化实验,并揭示了这些实验的微观过程。这个工作为其它采用模拟和计算研究蛋白质的功能和结构的研究提供了新方法。根据我们的模拟结果,可以肯定每个dvUT通道蛋白只有两个DMU分子结合位点,这个结论与实验测定的dvUT通道和两个DMU分子的复合物的晶体结构一致。我们的建模表明,尿素分子和DMU分子之间的替换行为可以看作是DMU分子与尿素分子在dvUT;通道内的结合位点的竞争,他们之间的竞争决定于尿素分子在dvUT通道内的协同性参数和停留几率。3.界面残基变异对氯离子通道EcClC二聚体的两个单体分离行为影响的计算和模拟EcClC氯离子通道蛋白是一个同源二聚体,由两个结构相似的单体组成,单体之间主要依靠形状的互补性紧密相连。我们在模拟得到的野生态(WT) EcClC通道-细胞膜-溶液系统的平衡结构的基础上,将两单体接触面上的I或L残基变异为W残基,构建了残基变异的EcClC通道-细胞膜-溶液系统。W残基的体积比I或L残基大,并且W残基喜欢出现在蛋白质和细胞膜的接触面附近,起着“赘疣”和“挂钩”两个方面的作用,正是这两个作用促使这些接触面残基变异的EcClC二聚体程度不同地分离为单体结构。我们将接触面上一个或两个残基的侧链I或L变换为体积较大的侧链W,建立了I201W、L406W、I422W、L434W、I201W/I422W (WW)五个残基变异的EcClC通道-细胞膜-溶液系统,分别进行分子动力学模拟-22ns。我们计算了两单体接触面积随时间的变化,两单体接触面积随时间减小就表示二聚体逐渐分离为单体。我们的模拟发现,在各种两单体接触面残基变异的EcClC结构中,WW (I201W/I422W)变异和I422W变异的EcClC结构具有明显的从二聚体到单体的分离倾向,而在I201W变异的EcClC结构中只发生很少的二聚体-单体分离行为。虽然I422W和WW变异结构都具有明显的二聚体分离倾向,我们的模拟表明,两者分离的原因和分离过程有差别。在WW变异结构中,两个变异的残基,在接触面中间位置的I201W残基和在接触面边缘位置的I422W残基都只是起到了“赘疣”作用。而对于I422W变异结构,主要是I422W残基转向细胞膜,同时起到“赘疣”和“挂钩”双重作用,促使二聚体分离为单体。