蛋白质激酶(PKs)家族是一个很大的同源蛋白质家族,它们参与了许多生理和生化过程,例如,在细胞生长、代谢、分化及凋亡进程中起到至关重要的作用。细胞周期素依赖性激酶(CDKs)是众多蛋白质激酶中的一类,它们主要调控细胞增殖、神经功能和转录等过程。它们的结构突变和过度表达与细胞癌变的发生有着密切的关系,因此,众多学者对细胞周期素依赖性激酶的结构和功能进行广泛地关注和研究。众所周知,细胞周期失去控制将会导致细胞的无限/恶性增值,进而导致细胞癌变引发癌症。细胞周期是细胞周期素(Cyclin)、细胞周期素依赖性激酶及其抑制剂共同调控和管理的。作为细胞周期素依赖性激酶中的“明星”成员,细胞周期素依赖性激酶2(CDK2)与细胞周期素A、E(Cyclin A、Cyclin E)共同调控细胞周期的G1期到S期的过渡阶段、S期以及S期到G2期的过渡阶段。如果G1期到S期的过度阶段被破坏,细胞周期将直接进入S期或M期,导致细胞损伤进而引发癌症。因此,细胞周期素依赖性激酶2是治疗癌症的一个有前景的靶标,而其对应的抑制剂也在抗癌药物的修饰和设计中有广泛的应用价值。目前,我们可以从蛋白质数据库(PDB)中获得很多细胞周期素依赖性激酶及其抑制剂的晶体结构,这对我们的研究有很大帮助。但是,针对该体系的研究存在一些缺陷和不足,本文作了如下改进:1)在分子动力学模拟(MD模拟)过程中,力场参数的精确性直接影响了模拟过程和结果的准确性。然而,在现有的力场中,例如AMBER、CHARMM等,均采用平均场的方法来拟合原子的部分电荷,而忽略了生物分子、水分子及离子等之间的极化效应。许多研究工作证明,极化效应对模拟结果有很大影响。因此,我们采用了新型的电荷拟合方案——极化蛋白质专一性电荷(PPC)拟合方案。在拟合原子部分电荷的过程中,我们充分考虑了生物分子与其周围环境之间的极化效应。在模拟过程中,采用该拟合方案,我们可以得到更加稳定可靠的构象,并得到了更加精确的模拟结果。2)就该体系而言,许多工作只研究了细胞周期素依赖性激酶与其抑制剂之间的相互作用机制,而忽略了桥梁水分子对二者的调控作用。我们通过观察众多的晶体结构发现,一个水分子既可以蛋白质的Asp145等残基形成氢键,又可以和抑制剂形成氢键(我们称之为Wat145),起到“桥梁”作用,进而来调节它们之间的氢键网络。Wat145存在于大多数的晶体结构中,在许多工作中,其作用往往被忽略。因此,在本文中,我们着重研究了Wat145对蛋白、配体间氢键网络的影响,以及Wat145对结合自由能的贡献等问题。并根据上述结果,对Wat145取代与否作了预测,该结果与Essex课题组结论一致。3)使用传统的MM/PBSA方法计算结合自由能时,Normal mode(Nmode)分析熵变是非常耗时的,考虑到效率问题,我们只能减少采样,这将降低模拟结果的精确性。针对上述问题,我们应用了更为简单、高效的熵变计算方法——相互作用熵(IE)方法。该方法是从最基本的热力学统计物理公式出发,并经过严格的数学推导得到的。该方法只需要知道蛋白和配体之间的相互作用能及其涨落,而不需要进行额外、复杂的计算就能高效地计算熵变。由于,该方法效率高,我们可以进行充分采样,进而使模拟结果更加准确。经过本文研究发现,当考虑Wat145时,极化蛋白质专一性电荷拟合方案结合相互作用熵方法计算的结合自由能和实验值的相关性达到了0.98,而且计算值和实验值的排序相一致。Wat145在不同的复合物中,对结合自由能的贡献不同,这取决于它们所处的结合环境。上述结论为抗癌药物的设计和修饰提供了很好的理论基础,具有很强的现实意义。