酶是催化生物化学反应的重要生物大分子机器,主要以蛋白质分子构成。在酶的催化作用下,细胞内本来发生很慢的化学反应能够在生物学相关时间尺度内完成,从而在调控生物过程和实现生物功能中起了至关重要的作用。催化效率是表征酶催化能力的重要属性。酶的催化效率不仅依赖于所催化的化学反应步骤,而且依赖于酶分子的构象转变以及底物-产物结合-解离等物理过程。自然界的酶通常具有很高的催化效率。因此,研究自然界酶如何整合酶催化循环中的多个步骤,有效克服催化循环中的限速过程,从而实现高效率催化是生物物理领域人们关注的一个核心问题之一。本论文以一个典型的酶分子机器“腺苷酸激酶（ADK）”为例（催化可逆反应 ATP·Mg2++AMP（?）ADP·Mg2++ADP,包含 CORE,LID和NMP三个结构域）,探讨底物（ATP＆AMP）与产物（ADP）的直接相互作用在克服ADK催化循环中的限速步骤（即产物释放）中所起的作用,并进而理解酶分子实现高效率催化的微观物理机制。本论文基于分子动力学模拟的方法,针对上述问题,开展了如下两个方面的工作:一、底物产物直接相互作用对ADK构象运动的调控。ADK的催化循环中,化学反应步骤倾向于在关闭的构象中进行。而底物结合与产物释放过程则需要催化位点尽量暴露在溶剂中。因此,ADK的催化循环中涉及蛋白质构象在“开态”和“闭态”之间的频繁切换。本论文采用哈密顿副本交换伞型抽样（H-REMD-US）算法和全原子分子动力学模拟方法,对蛋白ADK在不同的底物/产物结合状态下（包括空态、ADP-AMP结合态（即LID和NMP结构域分别结合了 ADP和AMP分子）、ADP-ADP结合态以及ATP-ADP结合态）)的构象自由能面作了系统研究。其中,在ATP-ADP结合态,底物与产物共同结合于相应的位点,并存在直接的相互作用。计算结果表明,蛋白质的构象能量面依赖于底物/产物结合状态。在空态下,蛋白质倾向于处于“开态”,而在结合两个产物的状态下,蛋白质倾向于处于“闭态”。特别是,相比于两产物结合的ADP-ADP态,处于底物-产物共存的ATP-ADP态的蛋白质能量面更倾向于“开态”。这一结果表明,底物-产物直接相互作用有利于蛋白质构象的打开,从而促进产物ADP的释放,加速酶催化过程。进一步的研究表明,LID结构域的完全打开需要很大程度上破坏铰链部位的结构完整性,而NMP结构域的打开对铰链部位的结构完整性的影响较小。这说明在ADK的催化循环过程中,LID结构域完全打开是困难的。这些结果与已有的粗粒化分子模拟及单分子酶学研究结果是自洽的,并给出微观相互作用机制。相关结果对理解ADK催化循环中底物/产物结合与构象动力学的耦合机制具有重要意义。二、底物产物直接相互作用对产物ADP分子释放过程的调控。在ADK的催化循环中,结合在NMP结构域的产物ADP的释放是限速步骤。自然界的ADK如何实现该产物ADP的快速释放,进而实现高效率催化是人们关注的重要问题。基于课题组前期的研究结果,本论文尝试讨论底物-产物直接相互作用在ADP释放中的作用。基于三种不同的加速采样分子模拟方法（metadynamic、PacsMD和H-RMED-US）,本论文模拟了处于ADP-ADP结合态和ATP-ADP结合态的ADK,其NMP结构域产物ADP释放过程及其能量面特性。研究结果表明,当ADK处于ATP-ADP共存的结合状态时,作为限速步骤的NMP结构域的ADP更容易释放,其释放过程所克服的自由能垒相对于处于ADP-ADP态时显著降低。这一结果进一步说明,底物-产物的直接相互作用能够有效地促进作为限速步骤的ADP释放,与上述关于构象能量面的讨论自洽。我们还发现,镁离子配位键的断裂在ADP的释放过程中起了关键作用。这些结果对理解自然界酶分子的高催化效率的微观物理机制具有一定的参考意义。本论文结构如下:第一章介绍了课题的背景以及在计算模拟中所使用到的技术和方法;第二章讨论了不同底物/产物结合状态下的蛋白构象自由能面;第三章讨论了不同底物/产物结合状态下的产物释放过程及其能量面特性;第四章是全文总结和对相关研究的展望。