蛋白质和DNA是生命科学、生物化学以及医药化学中两类最重要的生物大分子。蛋白质担负着各种生理功能，是生物性状的直接表达着。核酸是揭示生命遗传与变异的主要物质。因此，研究这些生物大分子与有机小分子、金属离子，特别是靶向药物小分子的作用机制，对于阐明生命的奥秘、促进人类的健康等方面都具有十分重要的意义，是当前生命科学、生物化学、药物化学及临床医学等领域的前沿和热点。本文作为国家自然科学基金(No.20673034)和教育部高等学校博士点专项基金资助课题(No.20060476001)的一部分，较为系统地研究了几种活性药物小分子与蛋白质、核酸的分子作用机制，不同取代基修饰对药物小分子与蛋白质、核酸结合性质的影响，以及金属离子的存在对药物小分子与蛋白质作用行为的影响。主要研究内容包括以下四个部分：1.模拟生理条件下，利用荧光光谱、紫外可见吸收光谱以及分子模拟技术研究了盐酸环丙沙星(CPFX)和诺氟沙星(NRF)与胰蛋白酶的分子作用机制，以及不同烷基取代基对它们与胰蛋白酶作用行为的影响。研究结果表明，CPFX和NRF对胰蛋白酶的荧光猝灭机制是生成复合物的静态猝灭。NRF与胰蛋白酶结合作用强于CPFX，说明烷基链的结构对它们的相互作用有一定的影响。热力学研究和可及表面积的计算结果表明，两种药物分子与胰蛋白酶结合过程的主要作用力为疏水和氢键作用。同步荧光光谱和分子模拟研究则表明CPFX和NRF在胰蛋白酶上的结合位点位于色氨酸(Trp208)附近。2.运用荧光光谱、紫外可见吸收光谱、等温滴定量热(ITC)以及分子模拟技术研究了两种二氢嘧啶-2-酮的衍生物5-乙氧羰基-6-甲基-4-苯基-3,4-二氢嘧啶-2-酮(EMPD)和5-乙氧羰基-6-甲基-4-(4-甲氧苯基)-3,4-二氢嘧啶-2-酮(EMMD)与人血清白蛋白(HSA)的分子作用机制。实验结果表明，EMPD与HSA的作用强于EMMD，说明苯环取代基对它们的相互作用有一定的影响。荧光探针竞争结合实验和分子模拟研究证明EMPD和EMMD的结合位点在HSA的IIA亚域。利用共振能量转移理论计算出了两种药物分子与HSA色氨酸(Trp214)的结合距离，说明供体与受体之间能够发生非辐射能量转移。ITC和分子模拟研究结果说明结合过程的主要作用力为疏水和氢键作用。普通金属离子的存在促进了两种药物分子与HSA的结合，因此可以通过加入不同的金属离子来增强药物在体内的药效。3.模拟生理条件下，运用光谱、粘度、ITC及分子模拟方法系统研究了不同取代基修饰的一系列二氢嘧啶-2-酮的衍生物5-乙氧羰基-6-甲基-4-苯基-3,4-二氢嘧啶-2-酮(a)、5-乙氧羰基-6-甲基-4-(4-二甲胺苯基)-3,4-二氢嘧啶-2-酮(b)、5-乙氧羰基-6-甲基-4-(4-硝基苯基)-3,4-二氢嘧啶-2-酮(c)、5-乙氧羰基-6-甲基-4-(4-甲氧苯基)-3,4-二氢嘧啶-2-酮(d)和5-乙氧羰基-6-甲基-4-(4-氯苯基)-3,4-二氢嘧啶-2-酮(d)与小牛胸腺DNA(ctDNA)的特异性结合性质，包括结合作用力、结合作用的热力学以及特异性结合方式。研究结果表明苯环上的不同取代基修饰对化合物与ctDNA的结合强度和结合方式等都有较大的影响。供电子基取代的化合物与ctDNA的结合更强一些，结合方式主要为嵌插结合，而吸电子基取代的化合物与ctDNA的结合相对较弱，结合方式为部分嵌插的混合结合方式。另外通过系列化合物与富含A-T和富含G-C的DNA的光谱滴定实验以及分子模拟研究，证实了供电子基取代的化合物与ctDNA结合的序列选择性为G–C碱基，而吸电子基取代的化合物与ctDNA的结合没有表现出明显的G–C序列选择性。4.为了进一步研究二氢嘧啶-2-酮衍生物的结构活性关系，运用MTT方法进行了不同取代基修饰的一系列化合物对人肝癌细胞和大鼠神经瘤细胞的抗癌活性试验。结果表明具有供电子基取代的化合物能够有效地抑制两种癌细胞的生长，表现出较强的抗癌活性，而吸电子基取代对该类衍生物的生物活性影响较小。因此可以通过改变苯环取代基的方法对二氢嘧啶-2-酮类药物进行结构修饰，以提高其活性，增强药效。