溶液环境中的蛋白质并不是静止不变的。它们既会在给定的平衡态附近随机热运动,又会在不同亚态之间发生跃迁。这些运动通常与蛋白质的功能错综复杂地联系在一起。因此,了解蛋白质的动力学行为对于深入理解许多生物现象的机制非常重要,只有结构和动力学相结合才能准确恰当地描述功能性蛋白质分子(或者生物分子)。因此,本论文的重点是蛋白质动力学的计算和结构的研究。传统的实验手段往往存在较低的时空分辨率,直接精确地研究溶液中蛋白质分子构象动态变化显得力不从心。理论计算,特别是分子动力学模拟,正成为在原子层面上研究蛋白质微观结构和动力学性质的重要工具,能够弥补实验方法的不足。在论文的第一部分,我们利用氢交换核磁共振波谱学、微秒级别分子动力学模拟和增强采样技术等,在原子层面上研究脂肪酸结合蛋白(FABP)第二个螺旋(αⅡ)的功能性局部去折叠过程,进而阐明其与配体结合的功能机制。虽然该蛋白三级结构相互作用对FABP中螺旋的稳定性有积极作用,但αⅡ的去折叠趋势是编码在其一级氨基酸序列中,并且可以用Lifson-Roig理论模型进行定量描述。在该蛋白质中,αⅡ去折叠过程涉及到on-pathway折叠中间态,该中间态特征是αⅡ螺旋最后一个螺旋圈去折叠,并能够被两种独立的增强取样方法捕捉到。在本研究中,与氢交换核磁共振数据相结合的模拟,为FABP的功能性局部去折叠提供了全新的、原子水平上的认识。在论文的第二部分,我们提出一种基于X射线小角散射(SAXS)数据的柔性蛋白质分子结构系综优化的新方法。它迭代地平行运行多组独立的增强采样模拟,例如放大集合运动和加速分子动力学,以及系综优化方法(EOM),从而引导模拟向着这样的方向进行,即从每次迭代循环中筛选出的结构系综平均理论SAXS曲线与实验SAXS数据拟合的越来越好。此外,该方法还可以应用于核酸体系。目前,该方法已经通过蛋白质和核酸体系的验证,分别为FBP21-WWs和自由SAM-1适体域。在蛋白体系中,我们根据该方法挑选得到的结构系综,发现FBP21-WWs的两个串联WW结构域在溶液中同时存在紧凑和伸展两种构象状态;而在核酸体系中,自由SAM-1适体域的P1和P3结构域之间的取向和距离是可变的,从而导致配体结合位点的开启或关闭。综上所述,本论文使用计算机模拟,并结合氢交换核磁共振和SAXS等实验数据研究了生物分子特别是蛋白质分子的结构动态性。研究结果表明,计算方法和实验方法能够产生很好的互补性,被理想地用于蛋白质动力学研究,并获得对被观察到的生物现象的原子分辨率级别的洞察。