受体在细胞膜上层级聚集是常见的细胞现象，大规模的受体聚集体对细胞信号具有放大作用。目前对于大小和形式多样化的受体层级聚集体结构与功能关系知之甚少，对于介导不同层级聚集体结构与功能的机制更缺乏理解。本论文以大肠杆菌化学趋向性受体为模型体系，使用分子模拟与理论的方法研究了二聚体、二聚体形成的三聚体(Trimer-of-dimers，TOD)以及大规模聚集体的结构与功能关系。论文主要取得了以下三方面的进展:　　（一）不同化学小分子对二聚体动态结构的影响不同　　通过对二聚体中的引诱剂结合位点进行虚拟筛选，并结合合作者的分子与细胞水平的实验，我们找到了一些新的趋化引诱剂分子并首次在该体系中发现了可以结合但不引起趋化行为的拮抗剂分子。分子动力学模拟结果表明，不结合配体的自由态受体具有较大的构象空间，具有控制口袋大小变化并导致配体结合负协同性的运动以及与引诱剂信号相关的运动模式。引诱剂结合会增加跨膜信号相关构象的概率，而拮抗剂结合却削弱这些概率。　　（二）TOD通过与细胞膜的相互作用实现结构对信号的响应　　TOD是化学趋向性受体下游激酶活性控制的基本单元，TOD的结构随信号变化的机制对理解信号放大与构象耦合的物理本质至关重要。通过分析实验数据，我们为TOD结构随外界信号的变化提出了一个统一的转动模型，即TOD中的二聚体绕距底部约3nm附近支点的刚体转动。通过考虑渗透压与引诱剂结合对细胞膜与受体的影响，提出外界信号影响TOD结构的统一机制。外界信号改变了TOD中二聚体与细胞膜之间的疏水不匹配程度并通过TOD中二聚体之间的角度相关相互作用，从而改变了TOD中二聚体相对于细胞膜的倾斜角以及它们之间的角度。在一定的参数范围内，根据这一机制建立的数学模型能给出与实验定性对应的结果。从而证实引起TOD结构随信号变化的根源是TOD中二聚体与细胞膜之间的疏水不匹配程度发生了变化，介导其变化的相互作用是蛋白质-蛋白质与蛋白质-细胞膜相互作用。　　（三）大规模聚集体的复合物模型及聚集体的粗粒化模型与模拟　　化学趋向性受体在细胞膜上大规模聚集。根据受体表达水平的不同，聚集体会出现两种截然不同的聚集图案。其中一种是以TOD为基本单元周期性重复，另外一种则通过二聚体尾部相互叠合形成拉链状的聚集。关于拉链状聚集体的详细分子模型目前尚不清楚。通过蛋白质-蛋白质对接的方法，我们为化学趋向性受体在大规模聚集时出现的两种聚集图案对应的基本复合物结构建立了分子模型。通过对复合物界面的分析，提取出拉链状聚集的长程性与角度相关性关键特征。在此基础上，构建对应的粗粒化模型及可调节作用范围的角度相关相互作用。基于此粗粒化模型的模拟能在溶液中再现TOD和拉链聚集的基本复合物，在不同的参数下可以出现TOD与拉链状聚集两种不同的聚集图案，为揭示这两种不同聚集体的形成过程提供了可能的分子机制。　　本论文以大肠杆菌化学趋向性受体为例阐释了受体不同大小的聚集体通过不同层次的动态结构与相互作用而实现不同功能的分子机制，所建立的相关理论模拟研究方法也适用于研究其它细胞膜受体的分子机制。