视紫红质通道蛋白2(Channelrhodopsin-2,Ch R2)是一种光激活的非选择性阳离子通道蛋白,它们可以利用光对神经元的活动进行精确调控。虽然Ch R2作为光遗传学工具已经在神经科学领域中取得了一系列突破性的进展,但是对于Ch R2中的视黄醛分子光异构后阳离子通道形成的分子机理仍然不清楚,对其阴离子突变体中离子选择性完全不同的结构也知之甚少。本文对Ch R2的封闭态和视黄醛异构化后的Ch R2结构进行了研究,利用分子动力学模拟的方法,从原子细节上对全反式视黄醛的结构(Ch R2-trans)异构化成13-cis结构(Ch R2-cis)后,Ch R2蛋白中阳离子通道形成的机理进行了初步阐述。研究结果发现,Ch R2的视黄醛分子异构化后,通道周围E90、E82、N258、R268等关键残基间的相互作用以及水分子介导的氢键网络的破坏都有利于离子通道的形成。Ch R-cis结构的拉伸分子动力学模拟(Steered Molecular Dynamics Simulations,SMD)表明,Na+通过离子通道时在细胞内门和中央门处的两个结合位点处都存在静电相互作用,并且通过SMD和伞形取样方法构建的PMF曲线发现Na+在迁移过程中分别在两个结合位点存在能量势阱,因而在一定程度上阻碍了Na+在离子通道内的渗透,说明此时离子通道并未完全开放。此外,通过分子动力学模拟、伞形采样和WHAM分析方法详细研究了双突变体EK-TC、ER-TC和五突变体i Chlo C的阴离子通道属性,比较了氯离子在通过离子通道过程中的传输能力和PMF变化曲线。研究表明,i Chlo C与EK-TC和ER-TC相比,跨膜通道蛋白的柔性增加,使得离子通道孔径增大,空间位阻减小。静电势分析发现,i Chlo C突变体对Cl-的亲和力比双突变强,为阴离子传导提供了更合适的静电环境。从PMF自由能的变化上可以看出,突变体EK-TC和ER-TC在中央门的能垒要比i Chlo C的能垒高很多,i Chlo C跨膜蛋白捕捉和富集氯离子的能力明显上升,说明五突变体更有利于阴离子通道的形成。在这项工作中,对于研究阳离子通道的形成机理以及离子渗透的机制提供了一定的理论基础,并对chanrenelrhodopsin孔隙有了更深入的了解。