随着人们对人类基因作用的认识,以功能基因组学和蛋白质组学为主要研究对象的后基因组时代已经到来。蛋白质结构与功能关系的研究以及这些研究的实际应用,已经成为蛋白质学科研究的重要组成部分。一些病毒蛋白在病毒的生命周期中起到关键作用,而病毒蛋白与药物的相互作用和识别是有效抑制蛋白功能和治疗疾病的重要途径之一。因此,蛋白质受体与药物的相互作用研究对于药物与蛋白受体的作用机制的理解与蛋白质结构和功能的认识具有重要的意义,并为新药靶点的发现和药物设计提供一定的理论基础。药物与受体的相互作用和识别研究一直是生命科学和药物学领域研究的前沿和热点。本文所进行的人类免疫缺陷病毒(HIV-1)蛋白酶与抑制剂相互作用的理论计算研究为抗艾滋病新药的设计提供了理论指导。艾滋病的流行严重威胁着人类生命健康,针对艾滋病的药物设计是目前各国投入巨资研究的热点领域。多年以来,HIV-1蛋白酶已经成为研发抗HIV新药的一个重要靶点。HIV-1蛋白酶的三维晶体结构是一个具有C2对称性的同质二聚体,每一条肽链均由99个氨基酸组成。在HIV的生命周期中,HIV-1蛋白酶功能是把HIV病毒加工为成熟的、能感染宿主细胞的病毒性颗粒。HIV-1蛋白酶抑制剂与蛋白酶结合可以抑制蛋白酶的活性,阻断艾滋病毒的复制过程,达到治疗艾滋病的目的。因而,研究HIV-1蛋白酶与抑制剂有效识别的作用机制对于针对蛋白酶的抗HIV药物的设计具有重要的意义。由于实验测定蛋白质复合物结构存在较大的困难,近年来,随着计算机处理能力的不断增强以及理论模拟方法的迅速发展和广泛应用,分子动力学(Molecular dynamics, MD)和自由能计算等分子模拟方法已经成为研究HIV-1蛋白酶与其抑制剂的相互作用机制及其动态过程的重要手段。基于残基的能量分解能够从原子层次上研究和解释HIV-1蛋白酶与其抑制剂的识别作用机制,以动力学模拟轨迹为基础的氢键动力学分析有助于研究HIV-1蛋白酶与抑制剂的结合专一性,这为以蛋白酶为靶标的抗HIV药物的设计提供了理论上的指导。在HIV-1蛋白酶与抑制剂的复合物中,由于两个天冬氨酸(Asp25和Asp25′)之间存在强烈的静电排斥作用,所以Asp25和Asp25′的质子化态是否合理对抑制剂与HIV-1蛋白酶结合的稳定性有很大影响。Asp25和Asp25′的不同的质子化态取决于蛋白酶抑制剂的结构和抑制剂与蛋白酶复合物所处的具体环境,但是X-射线晶格实验又不能确定Asp25和Asp25′的质子化态。所以我们使用动力学模拟和自由能计算取代传统的pKa方法研究了抑制剂BEA369和HIV-1蛋白酶复合物中Asp25和Asp25′的质子化态,结果表Asp25和Asp25′的质子化状态对复合物的动力学行为、结合自由能和抑制剂-蛋白酶相互作用谱产生强烈的影响。Asp25/Asp25′的质子化导致了Asp25和Asp25′所带电荷的变化,反过来,这些电荷的变化会影响氢键作用、静电相互作用和极性溶剂化能,这已经为我们的计算研究所证实。总而言之,在所检查的四个质子化态中,Asp25的单质子化最适合于目前所研究的复合物,这个研究能够为BEA369以及类似药物同蛋白酶的结合自由能计算提供有利的贡献,也能够为高亲和能抗艾滋病药物的设计提供理论上的启示。由于抗药性变异的出现和临床药物的副作用,严重限制了目前所使用药物的治疗疗效。因此,一些具有改良特性的HIV-1蛋白酶抑制剂也正在研发中。本文采用分子动力学模拟、自由能计算和氢键动力学分析研究了氟取代抑制剂的作用和功能。结果表明:单氟取代抑制剂与非氟取代抑制剂(BEB)产生了类似的动力学行为,而双氟取代抑制剂所产生的动力学行为却有明显的不同。使用MM-PBSA方法进行的结合自由能计算表明:范德华作用能驱动了这类抑制剂与HIV蛋白酶的结合,而且氟取代导致了抑制剂与蛋白酶的范德华作用能的增加。使用GBSA方法计算的抑制剂与蛋白酶的相互作用谱表明5个氟取代抑制剂能够与HIV-1蛋白酶中的保守残基相互作用,这有利于提高抑制剂与蛋白酶的结合。基于动力学模拟的氢键动力学分析也证明氟取代对氢键产生较大的影响,与保守残基形成的氢键有利于提高抑制剂的抗病毒活性。所以氟取代可以作为一种策略来设计高效的抗艾滋病毒抑制剂。抗药性变异严重限制了目前临床所使用药物的药效,它已经成为艾滋病医学治疗过程中所面临的最大挑战。变异对药物抗药机理的阐述有助于研究能够消除抗药性的新型HIV蛋白酶抑制剂。由于单轨迹的MM-PBSA方法忽略了构象变化(键长和键角等)对结合自由能的贡献,又因为变异有可能导致蛋白酶构象的变化,所以采用分离轨迹的MM-PBSA方法计算了抑制剂和变异蛋白酶复合物的结合自由能。研究结果表明气相中静电相互作用能和范德华作用能的减少导致了变异D30N对TMC-114的抗药性,而对于I50V而言,静电能的下降以及极性溶剂化能的增加驱动了I50V对TMC-114的抗药性。同时来自分离动力学模拟方案的自由能计算表明变异D30N和I50V产生了更为刚性的复合物结构。本文利用结构与亲和能的关系分析研究了抑制剂TMC-114与蛋白酶的作用模式以及变异D30N和I50V对TMC-114抗药机制。在三个复合物中,对结和自由能做出主要贡献的残基来自Gly27,Ala28/Ala28′,Asp30′(Asn30′),Ile50/Ile50′或者Val50/Val50′和Ile84/Ile84′。研究表明对抑制剂与HIV-1蛋白酶结合有利的作用主要分为四种类型:氢键、C-H…π相互作用、C-H…O相互作用和C-H…H-C相互作用。PRD30N/TMC114和PRI50V /TMC-114与WT/TMC-114间的结构亲和能关系的比较揭示了D30N和I50V对TMC-114的抗药机制。在TMC-114与Asn30′侧链间所形成氢键的丢失驱动了D30N对TMC-114的抗药性,而I50V对TMC-114的抗药性是由TMC-114与残基Val50′和Asp30′间极性溶剂化能的增加导致的。利用结构与亲和能关系的分析对变异所产生的抗药性进行了定量的和力学的解释,而且与实验分析相一致。这个研究有助于理解变异的本质,能为高效蛋白酶抑制的合理设计提供理论上的指导。论文共分为七章:第一章为前言部分,简单介绍了HIV蛋白酶的结构、功能作用和目前临床上已经使用的HIV蛋白酶抑制剂;第二章主要介绍了抑制剂与受体相互作用的常见类型;第三章为理论和方法部分,介绍了所使用的量子理论、分子力学方法、动力学模拟方法和自由能计算方法;第四章使用动力学模拟和自由能计算研究了HIV蛋白酶质子化的功能作用;第五章使用分子动力学模拟、自由能分解和氢键动力学分析研究了氟取代抑制剂的作用;第六章使用分离轨迹的MM-PBSA方法研究了变异D30N和I50V对抑制剂TMC-114的抗药性;第七章对本论文工作的进行了全面总结,并对抑制剂与蛋白酶相互作用的研究方法及能适应变异的药物的研发进行了展望,期望在未来有关的研究中能获得更大的进步。