G蛋白偶联受体(G-Protein Coupled Receptors，GPCR)是一类具有七个跨膜螺旋的超级受体家族，具有超过800个成员，是目前一半上市药物的作用靶标。GPCR是人体内细胞信号转导的起点，因而在药物研究中具有重要的地位。随着人们在膜蛋白晶体结构解析方面不断取得突破，人们对该类靶标结构与功能的认识也越来越深刻。然而，这些晶体结构仅仅在静态层面反映这类蛋白的作用信息，从动态层面揭示这类蛋白的作用机制对实验来说是很困难的，因此，人们当前主要运用分子动力学(Molecular Dynamics，MD)模拟方法对该类蛋白甚至所有生物大分子的动态作用机理进行研究。　　本论文选取GPCR家族中的阿片受体作为研究对象，阿片受体主要具有μ、δ、κ三种亚型。我们围绕已解析的阿片受体晶体结构，并结合相关的实验数据，利用常规MD与Metadynamics(MT)及自由能计算等方法对阿片受体配体的亚型及功能选择性、激活拮抗机制、药物靶标停留时间及耐受性等性质从原子层面进行了详细的考察。　　论文第一章主要概述了本课题的研究背景，包括GPCR的结构与功能研究概况、阿片受体的结构与功能研究进展、以及分子动力学模拟的方法和策略，着重比较了基于GPCR的药物分子设计及分子动力学的各种增强型取样方法。　　JDTic是一个高选择性的κ亚型拮抗剂，为了深入揭示JDTic对阿片受体μ/δ/κ三种亚型的选择性机制，在论文的第二章，我们利用已解析的拮抗态μ/δ/κ三亚型的晶体结构，并运用分子动力学手段，如无偏差MD及MT等方法，及重点残基突变的办法，从动态层面详细揭示了JDTic对阿片受体μ/δ/κ三亚型的选择性机制。我们认识到2.63位和7.35位残基是JDTic对阿片受体μ/δ/κ三亚型选择性的关键，这种影响不仅体现在配体的静态结合上，而且渗入到配体结合和解离的整个过程中。围绕阿片剂的活性、选择性和功能，从受体层面我们提出了“信使-位码-效能”的假设来更确切地认识阿片剂的作用模式。　　5-GNTI和6-GNTI是一对有趣κ配体，其差别只是胍基的位置略有不同，但5-GNTI为κ亚型拮抗剂，而6-GNTI则为κ亚型激动剂。为了阐明由6-GNTI和5-GNTI这对配体所介导的κ阿片受体激活拮抗机制，在论文的第三章，我们利用分子动力学模拟方法研究了κ亚型由两种配体所触发的不同分子开关。我们观察到，在6-GNTI体系中，κ亚型的TM6平均逆时针旋转了4.6°。进一步的分析结果表明，E2976.58和I2946.55为TM6的旋转起到至关重要的作用，这两个残基应为κ阿片受体的激活开关。另一方面，我们发现在5-GNTI体系中，残基S3247.47和TM1上的V691.42之间的氢键可稳定κ亚型的处于失活状态。　　选择性κ亚型拮抗剂LY2456302和JDTic具有类似的结构，然而JDTic是一个长效抗抑郁药，而LY2456302是一个短效抗抑郁药且比JDTic具有更长的停留时间，在论文的第四章，从药物靶标停留时间角度，我们运用无偏差的MD和温和优化的MT模拟方法，研究了选择性配体LY2456302和JDTic对κ亚型的抑制机制。我们在模拟中获得了κ亚型选择性拮抗剂LY2456302和JDTic可能的解离模式。经过仔细的比较分析发现，单一而强的作用模式是配体JDTic不良作用的关键因素，而多重作用模式则使得LY2456302具有较长停留时间。最后，根据配体的解离活化自由能（△G≠off)及Eyring方程，计算了配体LY2456302与JDTic的相对停留时间比值，该值与文献报道的结果基本一致，这个计算方法对设计靶向κ亚型的新抗抑郁药可能具有参考意义。　　选择性μ亚型激动剂TRV130是G蛋白偏向激动剂，目前处于临床Ⅲ期，为了阐明TRV130的G蛋白偏向性机制并比较μ亚型的激活拮抗作用差异机制，在论文的第五章，我们围绕μ亚型激活态和失活态晶体结构及配体TRV130，构建了多个模拟体系来进行亚微秒级分子动力学模拟。然后围绕μ阿片受体的“信使-位码”关键残基、与μ亚型的激活失活性质关系密切的重要残基及关键结构水分子，从原子层面、G蛋白偏向性机制及激活拮抗差异等方面进行了一系列比较分析，发现残基W6.48和Y7.43所构成激活开关的运转模式很有可能是上调/下调μ亚型的β-Arrestin信号的关键，进而影响G蛋白结合的偏向性。μ亚型的这些激活失活机制信息从而为新型镇痛剂设计提供参考。　　δ亚型选择性配体DIPP-NH2和NTI在实验测试中显示可降低δ亚型的耐受性，在论文的第六章，我们利用已解析的高分辨率拮抗态δ亚型晶体结构，并运用分子动力学手段，如无偏差MD及Metadynamics等方法，及引入三变量控制的办法，从原子层面详细揭示了δ亚型对其选择性配体DIPP-NH2和NTI的耐受机制。δ亚型对其选择性配体具有低耐受性在原子层面上主要表现为:受体自身的稳定、与选择性配体较长的作用时间等，而其背后的主要原因是关键残基W6.58对δ受体的影响得到了有效控制。另外，我们还着重关注了肽类配体DIPP-NH2的复杂作用模式。　　论文的第七章是对全文工作的总结与结论。