G蛋白偶联受体(GPCRs)是一类具有7次跨膜螺旋结构域的蛋白质,目前40%以上开发出的现代药物都以GPCRs为靶点。GPCRs在很多的生理调节过程中扮演着非常重要的角色,比如：心血管应激反应、免疫功能调节、食欲调节、葡萄糖代谢等生理过程和反应。根据序列和结构的相似性可以将GPCRs分为六个大类：A类(视紫红质样受体)、B类(分泌素受体家族受体)、C类(代谢型谷氨酸受体)、D类(真菌交配信息素受体)、E类(环腺苷酸受体)和F类(Frizzled/Smoothened家族受体)。随着晶体结构解析方法的不断发展,目前已经有A类、B类和F类GPCRs的晶体结构被解析出来。但是通过晶体结构得到的信息,对于GPCRs的结构和功能的理解只能从静态水平出发,而无法从动态‘的原子水平解释GPCRs与不同的配体之间的相互作用机制以及小分子配体调节GPCRs的微观过程。小分子配体与GPCRs相互作用机制的阐明对于理解GPCRs信号通路的相关机制以及进行基于这些机理的活性化合物的设计和筛选都具有非常重要的意义。因此,在本学位论文中,我们选取了目前已经有晶体结构报道的三类典型的GPCRs(A类、B类和F类)及其小分子配体的蛋白质复合物作为研究对象,应用分子对接、分子动力学模拟、自由能计算等分子模拟方法以及动态网络分析和马尔科夫模型对多种GPCRs与小分子配体之间的相互作用机理进行了系统研究。本论文的具体内容包括以下几个方面：1、对于A类GPCR,选择了p2肾上腺素受体(β2AR)体系,我们首先研究了在不同配体诱导下β2AR的构象变化过程。分子动力学模拟的结果表明,激动剂BI-167107可以和氨基酸残基Ser2035.42、Ser2075.46、Asn2936.55形成氢键相互作用。不同性质的配体会诱导β2AR发生不同的构象变化。势能面分析可以解释不同类型的配体结合到β2AR上时,Gas和Gβγ结构域是处于稳定状态还是分离状态。同时,势能面分析可以给出沿着反应坐标有关Gαs和Gβγ构象反生变化时的最小能量路径。通过进行交互主成份动力学分析,我们发现当反激动剂ICI118,551结合到β2AR上时,Gαs和Gβγ的结构域有相互分离的趋势。此时,Gs蛋白的α5-螺旋结构会相对β2AR的跨膜结构发生快速的相对运动。Gαs和Gβγ的质心距离随着模拟时间发生的变化也表明了Gas和Gβγ会发生彼此分离,这些实验结果表明不同类型的配体可以诱导β2AR和Gs的构象发生不同的变化。这些研究结果可以为基于p2AR结构的药物设计提供很多有价值的信息。2、为了研究β2AR的构象从激活态到抑制态的变化以及在这个过程中水通道打开和闭合的机制,我们对结合反激动剂ICI118,551和Gs异源三聚体的β2AR进行了1微秒的长时间分子动力学模拟。这个结果表明反激动剂ICI118,551可以诱导p2AR的结构从激活状态转变为抑制状态。在1微秒的模拟过程中,β2AR的水通道在560ns之后逐渐打开。经过马尔科夫模型分析,势能面图可以被划分成7个状态。其中状态S1、S2和S5代表了β2AR的活性构象,此时水通道是处于关闭的状态；而状态S4和S6对应着β2AR的中间状态,此时的水通道是处于半开闭的状态；状态S7代表β2AR的非活性状态,此时水通道处于完全打开的状态。我们的模拟结果可以很好地解释β2AR构象变化与水通道打开相互关联的分子机制。3、对B类GPCR,通过应用分子动力学模拟、动态网络分析、随机加速动力学模拟(RAMD)和自适应偏置力(ABF)方法,我们系统研究了拮抗剂在促肾上腺皮质激素释放因子受体1(CRF1R)口袋中的解离路径。动态网络分析表明在模拟的过程中TM7中有很强的相互作用。由于G1y3567.50导致TM7发生弯曲进而使CRF1R形成V-形口袋。在100ns的分子动力学模拟过程中,Asn2835.50和拮抗剂形成很高的氢键占有率。RAMD的结果显示拮抗剂有3条路径可以离开CRF1R的口袋(PW1、PW2和PW3),其中PW3是最可能的解离路径。使用ABF的方法计算了拮抗剂沿着PW3的自由能变化,总共有2个能量势垒。氨基酸残基Leu3236.49,Asn2835.50和Met2063.47位阻作用形成第一个能量势垒；有较高氢键占有率的His1993.40和Gln3557.49形成第二个能量势垒。这些结果不仅提供了CRF1R和拮抗剂CP-376395相互作用的机制,而且为药物设计提供了拮抗剂沿着可能解离路径的自由能变化的信息。4、对F类GPCR,我们使用分子动力学模拟、动态网络分析、netadynamics模拟和自由能计算研究了smoothened (SMO)受体动态结构的特点以及拮抗剂的作用模式。分子动力学模拟和动态网络分析表明SMO受体的第8个螺旋序列KTXXXW和第1个螺旋有强的相互作用。形成稳定氢键网络的TM6的a-螺旋的扩展区被鉴定成配体结合口袋的一部分。相互作用分析表明ECD连接区域的N219、ECL2的p-发夹结构上D384与拮抗剂形成氢键相互作用。Metadynamics模拟表明拮抗剂在水环境和SMO受体口袋中有不同的能量分布。ABF模拟的结果表明拮抗剂需要克服大约38kcal/mol的能量才能离开SMO受体的活性口袋。TM6的α-螺旋的扩展区也是形成拮抗剂解离路径的重要组成部分。我们的研究结果不仅描述了不同家族的GPCRs与配体之间的相互作用,而且为基于GPCRs结构的合理药物设计提供了有用的信息。