有机磷(organophosphorus, OP)化合物通过与胆碱酯酶(cholinesterase, ChE)尤其是与乙酰胆碱酯酶(acetylcholinesterase, AChE)结合,可对其产生不可逆地抑制,导致神经系统紊乱,严重可致死亡。小分子肟类化合物(oxime)是唯一被批准可用于临床使用的OP解毒剂,然而它存在解毒效率低、广谱性差等诸多缺陷。发展更高效的oxime需要对其解毒机理进行探索,而这需要准确、深入地了解oxime与AChE的结合模式,这也是本文的主要研究内容。我们将从两方面探察oxime和AChE的结合模式：1.确定oxime在AChE中的质子化状态；2.提高分子对接技术在预测oxime在AChE中结合模式的正确性。此外,OP-AChE复合物还可能发生老化(aging)反应,导致AChE彻底失去活性,即使再使用oxime解毒剂也无法使AChE重新恢复活性。这一老化过程大大提高了OP中毒后解毒的难度。然而,如果老化反应可以被逆转,则AChE将仍有机会被oxime恢复活性,这将很大程度提高oxime的解毒效率。因此,本文也对逆转老化反应的可能性进行了探索。第一章中,我们建立了确定小分子在蛋白中质子化状态的方法,并将之用于确定H16在AChE中的质子化状态。该方法要求准确获取小分子在溶液中的pKa值,因此我们通过对13个刚性小分子进行水溶液中pKa值的计算,对IEFPCM,SMD、SMVLE等溶剂化模型的计算精度进行了评估。我们发现,相较于SMD模型和SMVLE模型,IEFPCM模型的计算结果并不好,并且SMVLE模型有时可比SMD模型得到更为准确的结果。这表明溶剂化计算中更准确地考虑短程相互作用是非常重要的。我们还对具有争议的溶剂化模型的计算方式进行了讨论,并认为采用液相下的热力学校正是理论上的正确做法。此外,我们还发现即使是刚性小分子,液相下的结构优化也是非常重要的。以此为基础,我们通过构建热力学循环建立了可以确定小分子在蛋白中质子化状态的方法,并以鸟嘌呤(guanine)一磷酸核苷酸酸化酶(Purine Nucleoside Phosphorylase, PNP)为体系验证该方法的准确性。最后,我们利用此方法确定了H16在AChE中的质子化状态,同时利用热力学积分(Thermodynamics Integration, TI)的方法对H16在AChE中的质子化状态进行了验证。第二章中,我们发展了预测oxime在AChE中结合模式的可靠对接方法。蛋白活性口袋中的水分子会影响最终的对接结果,为此我们建立了确定AChE活性口袋中关键水的方法。利用分子对接的方法预测出AChE活性口袋中可能存在的水的位置,通过设置的两个能量限制挑选出关键水。结果显示,与晶体结构中的水相比,有超过50%预测的关键水与晶体水重合,剩下的预测水尽管不与晶体水重合,但它们全都与蛋白存在很好的相互作用。在此基础上,我们基于MM/PBSA方法建立了新的打分函数,能考虑到小分子与蛋白结合过程中由于构象变化产生的能量差异以及水分子对结合自由能的贡献。我们利用新的打分函数预测H16、obidoxime和HLo7与AChE的结合模式,相比较于AutoDock默认的打分函数,结果的准确性有了大大的提高。第三章中,我们对OP-AChE的老化过程是否能被逆转进行了探索。一价甲基甲氧基膦酸阴离子是sarin-AChE老化产物的类似物,可以和9个N-甲基-2-甲氧基吡啶类似物发生甲基化反应而被逆转为sarin-AChE老化前复合物的类似物。我们发现这个反应遵循SN2反应机理,计算出的反应能垒也与实验得到的活化能很好地吻合。接下来我们利用量子力学／分子力学联用(Quantum Mechanics/Molecular Mechanics, QM/MM)方法探索了N-甲基-2-甲氧基吡啶类似物(化合物2)和老化后的sarin-AChE复合物的甲基化反应的基本反应机理。我们发现酶里的甲基化反应也同样遵循SN2反应机理,但反应能垒的计算值为30.4±3.5kcal/mol或26.6kcal/mol,如此高的反应能垒将使得反应很难发生。通过进一步分析,我们发现化合物2和W86残基在处于反应物时就已经形成很稳定的π-π作用,这种很稳定的相互作用可阻碍化合物2更进一步地靠近sarin,导致产生的过渡态具有比较高的能垒,从而反应难以发生。基于这一发现,我们有针对性地提出了几种高效甲基化试剂的设计策略。