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分子及分子间的相互作用是各种生命活动的基础，生物体内执行各种生物功能的大分子包括蛋白质、核酸、多肽及糖类物质等，这些生物大分子以及生物大分子与药物小分子间非共价键的相互作用，包括静电作用、范德华力、氢键和疏水相互作用等的相关研究已经成为生命科学、医学、药学领域的前沿课题。尽管非共价相互作用很弱(一般小于10KJ/mol)，但两种或两种以上的分子间弱相互作用力在一定条件下的加和与协同作用，可形成具有一定方向性和选择性的强作用力，而这种强作用力是进行分子结合和识别的基础。例如，人工金属核酸酶通过进攻DNA糖环或碱基可实现高效地切断病态DNA序列而有望成为基因型药物的先导化合物，然而人工金属核酸酶对DNA的特异性切割需要借助DNA识别分子对DNA序列的识别特征。其中，锌指蛋白由于其结构易于调控、可识别DNA非对称序列以及识别能力强等优点，可很好的发挥其作为人工金属核酸酶识别分子的功能。因此，锌指蛋白与DNA序列之间识别相互作用的研究将为人工金属核酸酶实现可作为基因修饰因子或抗癌药物打下良好的基础。磷酸二酯酶(PDEs)可以水解细胞内的二级信使(环磷酸腺苷或环磷酸鸟苷)，使其浓度维持在一定的范围内，从而保证细胞内这些第二信使的正常传导功能。由于PDEs在人体内分布广泛且涉及多种生理功能，选择性的磷酸二酯酶的抑制剂可通过抑制磷酸二酯酶的活性而有望在治疗心衰、哮喘、精神以及神经方面的疾病发挥重要作用。因此，PDEs已经做为潜在的药物靶标引起了生物医药领域的广泛关注。通过对PDEs抑制剂在PDEs活性口袋中相互作用的研究有利于探索和设计活性更好的新一代的PDEs抑制剂。
本论文中，主要以锌指蛋白对DNA的识别相互作用以及磷酸二酯酶抑制剂在活性口袋中的相互作用机制和活性规律为研究对象，以期系统的考察生物体内蛋白与核酸之间以及蛋白与药物小分子之间非共价相互作用在实现其生物功能以及药物开发方面的重要作用。本论文的主要工作总结如下：
1.采用分子动力学方法模拟了两类分别识别富含GC和AT碱基DNA的锌指蛋白复合物，Zif268-DNA和TATAZF-DNA，探索了锌指蛋白对不同类型碱基进行识别的相互作用模式和所需要的蛋白序列特点。模拟结果表明，两类锌指蛋白对DNA的识别存在显著的差异：Zif268对DNA的识别主要发生在DNA的主链上，而TATAZF对DNA的识别在DNA的两条链上均有发生。另外，两类锌指蛋白在发生识别时，关键的识别位点也存在显著的差异。通过MM-PBSA方法计算结合自由能发现，Zif268-DNA复合物结合强度大于TATAZF-DNA复合物，这与实验上的结论是一致的。通过比较分别识别富含GC和AT碱基DNA的蛋白基序的特点，我们得到了以下规律：识别富含GC-DNA的蛋白序列在识别位点上主要含育精氨酸等氨基酸，易与GC碱基发生氢键作用；而识别富含AT-DNA的蛋白序列在识别位点上主要含有丙氨酸等氨基酸，易与AT碱基发生疏水作用。研究结果为设计对特定序列的DNA进行特异性识别的锌指蛋白基序提供了理论参考依据。
2.分子力学计算和分子动力学模拟是目前比较流行的研究生物大分子体系的方法，而体系中相应力场参数的建立则是这些方法实施的基础。随着近年来对含有金属配位中心的小分子在大分子体系中各种功能的广泛关注，例如，含铜金属核酸酶在光催化下可以实现对致病DNA序列的有效剪切，对此类含铜复合物的研究就为疾病的光动力学治疗在医学方面的应用打下基础，对含有金属配位中心的小分子的力场参数的研究也逐步开展。根据AMBER力场本身的特性，在前人发展的能量曲线拟合方法和三点法的基础上，我们新发展了一种能够极大提高力场参数评价效率的力场参数方法-globaled力场参数方法。globaled力场参数评价方法主要考虑原子类型对力场参数的影响，通过对有代表性的三类共10个光诱导下的含铜DNA剪切核酸酶分子的力场参数的评估，探讨了在相同原子类型下，不同的配体大小，取代基的位置和数目对参数值的影响，给出了可以应用到满足要求的一类体系中的合理的参数范围。通过RESP电荷的计算以及分子力学计算(MM)和分子动力学模拟(MD)验证得出，参数范围内的任意参数值均可以满足体系进行MM和MD计算的要求，得到的计算结果与初始晶体结构的RMSD值相差比较小且都在合理的范围之内。这些globaled力场参数有望应用于具有类似特征的其他体系中，从而大大的提高了参数评价的效率，并将在含铜核酸酶的生物大分子体系的计算研究中发挥重要作用。
3.采用FRED分子对接方法和动力学模拟方法研究了11个代表性的苯并[1，4]二氮杂二酮衍生物在磷酸二酯酶-2(PDE2)活性口袋中的结合模式，探索了不同的取代基对于增强结合能以及提高抑制活性所发挥的作用。首先，通过分子对接实现了系列代表性的苯并[1，4]二氮杂二酮衍生物在PDE2活性口袋中正确的结合模式，动力学模拟结果表明此结合模式在整个动力学过程是稳定的，验证了模型以及计算方法的可靠性。从能量角度分析，通过计算药物分子在活性口袋中的结合自由能，得出了与实验一致的结论，从而证实了通过同源模建得到的活性口袋开放式的PDE2结构的可靠性以及药物分子在活性口袋中结合模式的正确性。能量分解的结果给出了提高活性所需要的关键的氢键相互作用，疏水相互作用以及π-π相互作用，同时还解释了OCH3取代基以及具有类似功能的取代基所产生的氢键和反溶剂化效应相结合的作用在提高抑制活性上的关键作用，为将来设计活性更好的抑制剂提供了思路.
4.在所得到的合理的结合模式的基础上，采用3D-QSAR方法对与前面研究的11个苯并[1，4]二氮杂二酮衍生物同系列的所有32个PDE2的抑制剂进行了定量构效关系的研究，探索是否所有的苯并[1，4]二氮杂二酮衍生物都具有类似的结构活性关系以及在PDE2中的结合模式。通过构建合理的CoMFA和CoMSIA模型，考察了抑制剂周围立体场、静电场、疏水场、氢键供体场、氢键受体场对小分子活性贡献的影响，得出静电场、疏水场和氢键供体场是影响抑制剂分子活性的主要因素。CoMFA和CoMSIA-EHD轮廓图为不同的取代基在场中的分布对活性的影响提供了直观的信息。研究结果为新奇的、活性更好的或具有特定活性的苯并[1，4]二氮杂二酮衍生物抑制剂的设计提供了理论支持。