蛋白质分子在酶催化、信号转导和物质输运等一系列生命活动中扮演重要角色,在发挥功能的过程中表现出复杂的构象变化和多元的分子间相互作用。分子动力学（Molecular Dynamics,MD）模拟是一种在原子水平上研究蛋白质结构-动力学-功能关系的有效工具,能够为实验数据提供机理阐述和理论指导,是对具体实验的必要补充。近年来,MD模拟随着高性能计算机和理论算法的进步得到迅速发展,但是其在复杂生物体系的应用中仍受限于两个关键因素,即针对蛋白质重要构象变化的采样效率和描述蛋白质分子结构性质的力场的准确性。因此,本论文针对探索和改善MD模拟在蛋白质体系研究中的采样效率和力场精度开展了如下五部分工作:（1）围绕如何改善MD模拟对于蛋白构象变化的采样效率,基于迭代弹性网络模型（IterANM）发展了 IterANM-IaMD增强采样方法。首先通过九种蛋白质体系微秒时间尺度的MD模拟,评估了 IterANM在蛋白质构象空间的高效采样效率,并以此为基础发展了 IterANM-IaMD方法;进一步以钙调蛋白的N端结构域（nCaM）作为研究对象,验证了 IterANM-IaMD的采样空间比整合加速分子动力学（IaMD）更宽广,模拟得到的低自由能构象与实验所得结构的分布更吻合。与经典的增强采样方法副本交换分子动力学（REMD）相比,IterANM-IaMD能够以1/4左右的计算资源得到与其一致的自由能分布,显示出更高的采样效率。（2）将本论文发展的IterANM-laMD方法应用于蛋白—配体识别分子机制的研究,探究了蛋白质在与配体结合前后的构象变化。通过对腺苷酸激酶（AdK）、钙调蛋白（CaM）和丝裂原活化蛋白激酶（p38α）三个体系的模拟,证实IterANM-IaMD方法能够对蛋白质全局构象空间进行充分采样,可以捕获蛋白在结合配体过程中的结构域协同运动、侧链翻转等显著构象变化信息。IterANM-IaMD模拟得到的AdK沿构象转变路径的中间态构象与实验所得结构相近（RMSD小于2 （?））,预测的CaM与钙离子结合强度比其它模拟工作更精确,获得的过渡态构象能够阐释小分子与p38α相互作用的诱导契合机制。这些结果表明IterANM-IaMD能够为蛋白质动力学—功能关系的相关研究提供一种新的有效方法。（3）为了提高对小分子配体结合模式的预测能力,在系综对接（Ensemble Docking）中采用IterANM构象采样替换传统的MD模拟,发展了 IterANM-Dock对接方法。通过对周期素依赖性激酶2（CDK2）的多种小分子抑制剂进行对接和评估,确认IterANM-Dock的预测成功率（78%）高于AutoDockFR柔性对接（67%）以及基于MD模拟（55%）或tCONCOORD采样方法（66%）的系综对接,计算效率高于基于REMD/虚拟探针填充的系综对接方法。另外,在针对10种其它不同受体的分子对接测试中,IterANM-Dock也显示出最高成功率（70%）。这些结果证明,IterANM-Dock具有较高的准确性和广泛的适用性,能够在计算机辅助药物设计中发挥重要作用。（4）考察了可极化力场在描述离子通道gA（Gramicidin A）二聚状态下离子输运性质方面的可靠性。利用AMOEBA可极化力场对单通道gA和双通道gA进行增强采样模拟,从电导、扩散系数和自由能等方面描述了 gA二聚化对钾离子和钠离子穿越通道过程的影响。计算结果显示,可极化力场模拟获得的钾离子和钠离子穿越通道的电导与实验数值吻合（单通道的计算值与实验值之间差异小于4pS）。进一步的数据分析揭示了蛋白质二聚化影响gA通道离子输运性质的分子机制,即蛋白二聚化通过调整gA蛋白周围的环境（磷脂头基、通道外离子和体相水分子的分布）而不是直接调整gA蛋白的构象来加速钾离子和钠离子穿越通道。（5）鉴于当前可极化力场应用和研究缺乏系统性的现状,考察了经典力场（AMBER和CHARMM）和可极化力场（AMOEBA和Drude）在蛋白质分子模拟研究中对于蛋白质结构优化、蛋白质折叠和天然无序蛋白模拟三类典型问题的可靠性（每种力场的模拟时长超过40 μs）。微秒时间尺度的MD模拟结果显示可极化力场在蛋白质结构优化和天然无序蛋白模拟方面表现更佳,但是对于蛋白质折叠模拟其准确性不如经典力场。这一结果为具体应用中的力场选择提供了参考标准,为高精度力场的发展提供了数据支撑。