蛋白质是生命体的重要组成部分，其中1/3的蛋白质中含有金属。这些金属离子作为金属蛋白中最重要的辅因子，承担着活性中心或结构中心的作用。目前分子力场已经成为研究金属蛋白重要的工具之一。因为分子模拟技术不仅有助于了解蛋白质结构以及溶液构象与功能之间的关系，而且能分析蛋白肽链与金属离子的相互作用对蛋白质功能的影响。但是用于蛋白质模拟的经典力场，都不同程度上存在着理论模型的局限，即这些力场采用固定的原子中心固定点电荷来计算静电相互作用势能，把分子中的原子根据一定的化学环境进行分类为了克服传统固定电荷力场的弊端，发展与采用极化力场来进行分子动力学模拟，已经成为目前分子力场研究的一个重点。在极化力场中的电荷可随着化学环境的变化而随之改变，能够正确的计算多体相互作用和静电长程相互作用能等。Yang等人建立的原子-键电负性均衡方法(ABEEM)，清晰地考虑了分子中化学键和孤对电子区域的电荷，正确直观地体现了分子体系中电荷的极化现象。基于原子-键电负性均衡方法融合进分子力场，Yang等人又发展了ABEEM/MM浮动电荷力场模型。该模型已经应用到纯水体系、离子体系、氨基酸和多肽分子以及小蛋白质体系中。把原子-键电负性均衡方法及其浮动电荷力场模型，进一步应用到金属蛋白体系中，不仅拓宽了原子-键电负性均衡方法的研究领域，而且为今后采用浮动电荷力场研究更广泛的金属蛋白(金属酶)起到桥梁和纽带作用。 基于以上研究目的，本论文首先拟合了金属蛋白(金属酶)中常见金属以及配体原子的ABEEM参数，计算了金属蛋白(金属酶)活性中心的电荷分布，并利用电荷分布和Fukui函数探讨了超氧化物歧化酶等的活性；然后运用拟合的ABEEM参数、采用量子化学计算和蛋白质晶体结构数据库中的结构，建立了血红素的ABEEM/MM浮动电荷力场势能函数；最后应用ABEEM/MM浮动电荷力场模型模拟了细胞色素c、微过氧化物酶和肌红蛋白等金属蛋白。 本论文主要内容如下： 第一章，把原子-键电负性均衡方法应用到金属蛋白(金属酶)中，拟合了金属元素以及配体原子的ABEEM参数，扩大了原子-键电负性均衡方法的使用范围．精心选择400多个金属生物模型分子，通过大量的密度泛函(B3LYP/6-31G*)理论计算，采用最小二乘法拟合了金属蛋白(金属酶)中常见的Mg、Ca、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn等十种金属元素以及配体原子的ABEEM参数。运用拟合的ABEEM参数，计算的金属蛋白(金属酶)中活性中心原子、化学键、孤对电子等区域的ABEEM电荷与密度泛函(B3LYP/6-31G*)方法计算的电荷比较，线性相关系数在0.98以上，较好的重复了从头算的计算结果，验证了ABEEM参数的合理性。其中金属蛋白中铁卟啉的ABEEM参数的拟合为血红素的ABEEM/MM浮动电荷力场势能参数提供了参考。 第二章，应用原子-键电负性均衡方法计算了超氧化物歧化酶的电荷分布和Fukui函数，研究了它们的活性中心部位。原子-键电负性均衡方法，不仅能快速计算金属生物分子的电荷分布，而且还可以通过该方法快速计算分子中原子、化学键以及孤对电子等各个部分的Fukui函数。利用第一章拟合的ABEEM参数，应用原子-键电负性均衡方法计算了MnSOD、FeSOD、CuZnSOD等三种超氧化物歧化酶的电荷分布和Fukui函数。当超氧化物歧化酶活性中心与超氧阴离子自由基作用时，金属离子电荷转移在0.1e-0.3e之间，而配体原子等的电荷转移却很小；同时金属离子的Fukui函数大于配位原子的Fukui函数。超氧化物歧化酶活性中心与抑制剂作用失活后，金属离子的Fukui函数小于抑制剂中配位原子的Fukui函数。电荷转移和Fukui函数表明，Mn、Fe和Cu离子分别是含锰、含铁和含铜锌超氧化物歧化酶的活性中心部位，该预测不仅与量子化学理论计算一致，而且与实验现象相吻合。超氧化物歧化酶的活性部位的原子-键电负性均衡方法研究，有助于深入理解超氧化物歧化酶的催化反应机理，同时也为超氧化物歧化酶的分子设计提供新的思路和方法。采用同样的方法对血红素与小分子结合活性的研究，解释了血红素与一氧化碳或一氧化氮结合后不能与氧水等分子结合的原因：预测的血红素与抑制剂作用后，过氧化氢酶失活与实验结果一致。可见采用原子-键电负性均衡方法可以预测更多的金属酶(金属蛋白)的反应活性。 第三章，把原子-键电负性均衡方法与分子力场相结合，建立了血红素的ABEEM/MM力场势能函数，并模拟了细胞色素c552的晶体结构。血红素在血红素蛋白中占有重要地位，建立含有血红素在内的蛋白质极化力场模型将更有助于血红素蛋白的研究。在第一章获取金属离子以及配体原子ABEEM参数的基础上，通过量子化学计算和蛋白质晶体结构数据库中的晶体结构建立了血红素的ABEEM/MM浮动电荷力场势能函数。在含有血红素的蛋白质极化力场模型中，血红素的势能函数由键伸缩能、键角弯曲能、二面角扭转势能、静电库仑势能和Lennard-Jones势能项等部分组成，具体表示如下： 通过蛋白质晶体结构数据库中晶体结构比较和量子化学计算，拟合了血红素的ABEEM/MM浮动电荷力场参数。利用拟合的参数，不仅模拟了血红素的结构，计算了构象能，而且通过细胞色素c552的氧化态与还原态晶体结构的分子动力学模拟，证明了血红素的ABEEM/MM力场参数是合理的。血红素极化力场的建立有助于了解和认识血红素在血红素蛋白中的作用与功能。 第四章，应用ABEEM/MM浮动电荷力场对微过氧化物酶水溶液进行了分子动力学模拟。微过氧化物酶是许多过氧化物酶、细胞色素等血红素蛋白模拟的模型分子。利用第三章建立的血红素ABEEM/MM力场参数，在一个大气压和298.15K下，应用ABEEM/MM浮动电荷力场模型采用周期性边界条件，对微过氧化物酶的水溶液进行了分子动力学模拟。模拟研究了水溶液中氨基酸的骨架结构、氨基酸柔性以及血红素的构象等。模拟表明，水溶液中的亲水性残基表现出很强的柔性，这主要在于氨基酸中极性原子与水分子形成了强的氢键缘故；同时，氨基酸中极性原子与水分子形成的氢键对氨基酸残基间的分子间氢键也带来一定影响，使部分晶体结构中的氢键遭到破坏。通过模拟的血红素构象分析，在水溶液中，血红素的扭曲构象逐渐趋于平缓而接近平面，表明细胞色素中血红素的扭曲构象来源于血红素与周围氨基酸的强烈作用有关。模拟还表明，微过氧化物酶中血红素轴配体咪唑基的取向与键联的氨基酸骨架原子有关系，咪唑基与血红素侧链丙酸基氧原子的静电作用也不能忽视。微过氧化物酶的水溶液的分子动力学模拟，为今后金属蛋白的水溶液模拟提供了经验与方法。 第五章，应用ABEEM/MM浮动电荷力场模拟肌红蛋白中血红素近轴侧基的氢键。氢键在蛋白质中占有重要地位，其不仅维持着蛋白质的三级、四级结构，而且对蛋白质的功能也具有重要的影响，比较突出的一个例子就是肌红蛋白血红素近轴侧基的氢键。有种观点认为咪唑与邻近的丝氨酸中羟基氧原子形成的氢键，对咪唑基的交错(Staggered)型构象有重要影响，进而影响到血红素与氧等小分子的结合。通过对蛋白质晶体数据库中野生态鲸鱼肌红蛋白和突变体的动力学模拟表明，肌红蛋白血红素近轴侧基不存在稳定的双氢键。突变体模拟表明，近轴侧基的取向与咪唑基键联的蛋白质中组氨酸骨架原子有密切联系，而与近轴侧基存在的氢键关系影响不大，同时也进一步验证了第四章血红素轴配体咪唑基的取向与键联的氨基酸骨架原子有关系的结论。同时动力学模拟研究也表明，轴配体的柔性与附近的残基以及咪唑基类型有关。这对于深入了解血红素蛋白的功能具有一定的促进作用。 总之，原子-键电负性均衡方法以及ABEEM/MM浮动电荷力场模型在金属蛋白中的应用，不仅拓宽了原子-键电负性均衡方法的应用范围，加深了对电负性均衡原理的理解，而且ABEEM-MM浮动电荷力场模型在血红素蛋白中的应用研究更有助于了解金属蛋白的功能-本文应用原子-键电负性均衡方法以及ABEEM/MM浮动电荷力场对血红素蛋白进行的尝试性研究和探讨，将为继续深入研究血红素蛋白以及其他金属蛋白(金属酶)等发挥积极作用。