蛋白质是由许多氨基酸组成的生物大分子,它是生命的基本物质之一,在各种生命现象和生命过程中起着至关重要的作用。同时,生物体中还存在多种具有不同生理功能的有机小分子,它们对生物体具有重要的控制和调节作用。因此,活性小分子与靶标蛋白质的相互作用被认为是生命科学中的基本问题之一。随着分子生物学和现代测试技术的飞速发展,越来越多的科学家致力于小分子一蛋白质相互作用领域的研究,以期在分子和化学键的水平上揭示生命活动的本质。　　 高活性的醛糖还原酶和丙型肝炎病毒(HCV)NS5B聚合酶分别会导致糖尿病综合症的发作和肝脏病变,是人类健康的严重威胁。因此,以这两种酶为靶标的抑制剂筛选和药物设计一直是生物学、医学和化学工作者关注的焦点。为了揭示蛋白酶和抑制剂分子之间的作用机制,从分子相互作用的角度阐明药物分子的抑制机理,本文围绕抑制剂与蛋白质的结合模式、构象变化、动力学性质以及基于分子结构一活性关系的药物设计等热点问题进行了系统的理论研究,取得了一系列的研究成果。主要工作简述如下:　　 (1)香豆素类抑制剂与醛糖还原酶的作用机制醛糖还原酶(Aldose Reductase,ALR2)是动物体内重要的葡萄糖转化酶,其活性过高是糖尿病综合症发作的主要诱因之一,而香豆素是一类具有生物活性的天然化合物。为了研究香豆素类化合物与醛糖还原酶的结合模式及其抑制机理,本文首次应用分子对接和分子动力学方法对十四个香豆素类化合物和ALR2的相互作用进行了研究。结果表明香豆素分子(CM)与ALR2之间最重要的作用方式是氢键相互作用,除CM1以羟基与醛糖还原酶相互作用外,其余化合物均以内脂基作为氢键受体与ALR2中构成活性口袋的残基相互作用形成氢键网络。由于ALR2疏水性口袋的存在,香豆素类抑制剂在醛糖还原酶活性口袋内的分子取向会影响二者的稳定性。研究发现除CM3分子在ALR2内有两种能量相近而取向不同的构象外,其余化合物均以一种主要构象与ALR2相结合。以对接结果为基础的分子动力学研究发现母体取向相似的CM1和CM3a与ALR2的结合模式并不稳定,而在第二种取向下,香豆素分子在动力学过程中始终以内酯基中的双键O原子通过氢键与残基TYR48和HIS110相结合并达到平衡。这一研究加深了人们对醛糖还原酶结构和功能的认识,并且表明香豆素类化合物有可能是一种新型的醛糖还原酶抑制剂。　　 (2)新型天然海洋类石碳酸型化合物对醛糖还原酶的抑制机理石碳酸型海洋类天然产物是一潜在的新型醛糖还原酶抑制剂,该类化合物来源广泛,深受人们的重视。为了阐明其抑制机理,本文应用量子化学、分子对接和分子动力学方法对一系列处于电中性、第一以及第二电离态的六种海洋类石碳酸型天然化合物和人类醛糖还原酶的作用机制进行了系统的研究。研究发现该类抑制剂可以以末端羟基或分子中心的内酯基两种基团与活性口袋残基形成氢键相互作用;所有抑制剂中,只有3-羟基两个邻位均无取代基的La以及La_ion1和La_ion2以羟基O与活性残基形成氢键,其余抑制剂均以内酯基中的羰基O与活性残基形成氢键作用;由于较强的吸电子效应和空间位阻效应,Br取代基在3-羟基邻位的引入可以使结合模式发生转变,这意味着人们可以方便地控制抑制剂中与ALR2活性口袋相作用的电负性基团;尽管以内酯基结合时,抑制剂相对于ALR2的RMSD值相比以3-羟基结合时为高,但是两种结合模式下的抑制剂都具有很好的动力学稳定性;抑制剂所处的电离状态不会影响其作用模式,但是每种抑制剂的对接自由能都随着电离程度的加深而逐步升高,这表明除了氢键作用外,静电作用对配体-蛋白酶相互作用也有着本质的影响。　　 (3)苯并咪唑类衍生物对HCV NS5B聚合酶的3D-QSAR研究3D-QSAR方法作为药物设计最常用的方法之一,具有预测能力强,模型形象、直观等优点。本文结合分子对接方法针对五十三个具有HCV NS5B聚合酶抑制活性的新型苯并咪唑类衍生物分别进行了基于配体和受体的比较分子立场分析(CoMFA)和比较分子相似性(CoMSIA)分析研究。计算发现基于配体的研究模型表现出更好的统计特征,并且在该模型下通过对训练集十二个分子的活性值进行预测与检验,发现CoMFA和CoMSIA模型都具有良好的可信性和预测能力,但是相比之下CoMFA模型预测能力更强。分子对接研究表明该类衍生物主要通过氢键和疏水性相互作用结合于NS5B的活性口袋。基于以上信息,本文设计了一系列具有更高抑制活性的新型苯并咪唑类分子,从而为新型抗HCV药物的开发创造的基础。　　 论文的主要创新点如下:　　 1)应用分子模拟方法揭示了香豆素类化合物与醛糖还原酶之间的作用模式,指出了在结合稳定性方面最重要的影响因素是疏水性相互作用,并且阐明了不同结合模式之间的转化过程;　　 2)针对石碳酸型海洋类化合物-醛糖还原酶体系的分子对接研究,提出了更为准确、合理的原子电荷计算方法,并且指出了如何有效的控制该类抑制剂的结合模式;　　 3)将分子对接与3D-QSAR方法相结合,找到了具有高预测能力的QSAR模型,并且设计出具有更高预测抑制活性的新型苯并咪唑类HCV NS5B聚合酶抑制剂。