生物大分子是构成生命的基础物质,包含有蛋白质、磷脂以及核酸等,生物体细胞内所发生的大多数生命活动和功能都是在生物大分子参与下完成的,并且科学研究表明这些生命活动和功能与生物大分子体系的结构及其微观动力学息息相关。近数十年以来,结构生物学家在对生物大分子不同构象状态中的三维结构的解析分辨率孜孜追求下,大量高分辨的解析技术得以发展,由此越来越多生物大分子体系的近原子乃至原子分辨率三维空间结构得以解析,从而极大促进人们对于微观尺度层面生物体系所发生的生命活动过程及相应行使功能的认知。这些微观分辨技术中,以遗传编码非天然氨基酸技术手段为例,该技术的日臻成熟,促使越来越多被非天然氨基酸改造后具有各种物理、化学、生物学性质的蛋白质结构被成功解析出来。虽然微观解析技术有着长足进步,但是当下依旧受限于实验手段自身在时间和空间分辨率上的偏颇,往往无法对生物大分子体系的微观动力学过程进行有效捕捉和描述。然而,90年代以后计算机以及相应模拟技术的蓬勃发展,为生物大分子体系微观动力学过程以及相应生物功能的理论研究提供坚实可靠的微观物理图像,从而弥补实验方法在描述该微观动力学过程中所存在无法弥合的局限性。目前,计算机模拟方法与实验探测手段相结合已经被广泛应用于生物大分子体系微观动力学的研究,并且应不同研究需求计算机模拟手段得到快速发展,囊括了分子动力学模拟、量子化学计算、分子建模、分子电子光谱等多种计算机模拟技术。通过与实验表征结果相比较,理论模拟不仅可以对实验数据中隐含的物理图像进行剖析,还可以提供实验所无法触及的内容,并且可以辅助实验开展研究。反之,实验表征数据也有助于提升和改善理论模型的不足,以便为微观动力学过程研究提供更为准确的物理图像。在本论文中,本人主要针对几种在生物体内部行使重要生物功能的蛋白质开展微观动力学机制研究,包括在线粒体中极为重要的一种活性氧清除酶—锰超氧化物歧化酶以及在生物检测领域起关键作用的荧光蛋白。通过与实验手段相结合,我们成功运用理论模拟手段剖析了特定位点赖氨酸乙酰化突变调制锰超氧化物歧化酶活性的微观机制。此外,结合在分子水平上对荧光蛋白结构特征与对应发射光谱关系的理论研究,从理论层面上成功设计了一系列在发射光谱上具有潜在显著红移现象的发色基团,为实验中拓展荧光蛋白光谱空间范围的研究提供了极好的候选对象,并且提供了一套预测和评估新型荧光蛋白发色基团的流程和准则。再者,通过对绿色荧光蛋白突变体体系中引发荧光猝灭的长程电子转移过程的初步理论研究,成功从理论角度揭示了体系的大概率电子转移路径以及电子转移耦合常数变化的微观调制机制,为实验中实现高效可控的光致电荷分离提供了有利的工具。本论文的结构如下:第一章中,介绍了本论文的选题背景和介绍,包括超氧化物歧化酶和荧光蛋白的相关背景知识介绍。第二章中,简要介绍了本论文中研究蛋白质体系微观动力学机理特别是荧光蛋白突变体发光微观机理及调控所采用的主要理论背景知识,包括分子动力学模拟、量子化学、蛋白质静电相互作用以及分子电子光谱学。第三章中,通过与实验相结合,本人从理论层面成功运用分子动力学模拟方法以及泊松-玻尔兹曼方程开展线粒体中的野生型锰超氧化物歧化酶和68号位点赖氨酸乙酰化突变后的锰超氧化物歧化酶二者的微观动力学过程的理论研究,并且成功阐述和分析乙酰化作用有效调节锰超氧化物歧化酶活性的微观机理。分子动力学模拟研究表明,68号位点赖氨酸乙酰化并未对锰超氧化物歧化酶的结构发生太大改变,然而通过求解泊松-玻尔兹曼方程分析乙酰化突变前后的锰超氧化物歧化酶的溶剂可接触面的静电相互作用则清晰表明,68号位点赖氨酸乙酰化突变会导致锰超氧化物歧化酶的锰活性位点周边蛋白质界面正电荷含量显著降低,进而增加超氧阴离子扩散进活性空间反应的难度,由此成功解释了68号位点赖氨酸乙酰化突变引起锰超氧化物歧化酶活性改变的内在机理。第四章中,结合分子动力学模拟和含时密度泛函理论以及QM/MM理论,本人在分子水平上对不同荧光蛋白发射光谱的红移现象开展了理论研究,并且成功设计了一系列可以诱导发射光谱发生显著红移的发色基团。在理论层面上实现了将荧光蛋白中发射光谱的红移现象与其发色基团的结构特征关联和对应,阐述了荧光蛋白发光的微观机理并对其予以一定的调控。基于当前六个已有明确实验结果的荧光蛋白发色基团,本人对现有常用计算方法进行仔细基准测试,由此确定了采用TD-ω-B97XD/6-311+G(2d,2p)这一量化计算方法结合介电常数为4的隐式溶剂化模型对该类体系发射光谱的模拟是最为合理。进而,在后续计算中本人采用该方法对荧光蛋白发色基团中不同结构成分对其发射光谱的影响开展研究,其中包含共轭程度、取代基种类、取代基位置以及取代基数目的影响。基于上述理论研究成果,本人成功设计了几种有望诱发发射光谱红移高达60 nm的发色基团突变体。此外,借助分子动力学模拟手段,本人还评估了所设计这一系列发色基团在荧光蛋白体系中的结构稳定性。运用QM/MM理论,我还详细研究了新设计的发色基团与红色荧光蛋白形成的荧光蛋白复合物体系在显性的蛋白环境中发射光谱情况。第五章中,结合分子动力学模拟、密度泛函理论、马库斯电子转移理论以及Pathways理论模型,本人对不同绿色荧光蛋白突变体中诱发荧光猝灭现象的单步直接和多步电子转移过程开展了初步的理论研究,成功揭示了体系的大概率电子转移路径和最大的电子转移有效耦合常数以及分子动力学模拟中调制耦合常数变化的内在物理机制。基于已知的电子转移过程中供体和受体残基分子,本文结合自然轨道分析和特定轨道原子贡献分析,成功提取出了在供体和受体残基上起主要贡献的原子。进而利用Pathways模型,对分子动力学轨迹中体系的电子转移路径进行搜索,得到了绿色荧光蛋白体系中的大概率电子转移路径和有效耦合常数分布情况。最后通过对分子动力学模拟轨迹进行聚类分析和主成分分析,发现不同突变体中负责调制耦合常数变化的机制不尽相同,发现了一些变体耦合常数的变化是由于其低频原子位移引起的电子供体和受体之间距离的改变。第六章中,对所有的研究工作进行简要的总结,并对目前正在进行的研究工作做一个简要的介绍,包括在生物膜构象变化过程中膜蛋白的动力学机制的研究和特殊的绿色荧光蛋白突变体中电子转移机制的研究。