酶和DNA/RNA都是重要的生物大分子，具有独特的生物功能。其中，酶是一类具有生物催化功能的高分子物质，其催化过程涉及底物结合、选择性化学反应及产物释放等过程。核酸碱基作为RNA和DNA的基本结构单元，与其特殊的光物理和光化学过程密切相关。本文应用量子力学与分子力学组合方法(QM/MM)及分子动力学模拟，对6-磷酸葡糖胺脱氨酶(NagB)、羟氰裂解酶（HNL）、胞嘧啶脱氨酶(yCD)的催化过程进行了系统的理论研究。预测了酶催化反应的微观机理，及底物结合和产物释放的通道和能量学性质，探讨了催化反应及无规则卷曲对pH值的依赖性，揭示了保守残基对底物结合和催化活性调控的作用机制，为酶催化剂的改进及相关药物设计提供理论线索。采用多种理论模型和方法，对核酸碱基激发态性质及其水介质效应进行了系统的计算研究，结果表明，QM/MM结合连续介质模型方法可以合理描述激发态的溶剂效应。　　本论文获得的主要结果如下:　　(1)6-磷酸葡糖胺脱氨酶(NagB)能够催化6-磷酸葡糖胺(GlcN6P)转化为6-磷酸果糖(F6P)和氨分子，决定N-乙酰葡糖胺(GlcNAc)的代谢宿命。通过系统的QM/MM MD计算模拟研究，预测了GlcN6P在碱性溶液中的催化开环机理，提出了两种质子传递机制，发现底物氨基质子化状态决定了不同的催化反应机制，且催化三连体在诱导质子转移与促进底物开环过程中起到重要作用。开环反应决速步骤的能垒为17.9 kcal mol-1。此外，底物结合时，lid motif区在酸性溶液中倾向“闭”态，但在碱性溶液中为“开”态，残基His145的不同质子化形式调控lid motif区“闭-开”的动态行为，影响酶的活性。　　(2)羟氰裂解酶（HNLs）可以催化氰醇生成相应酮（醛）和氢氰酸(HCN)，以此协助植物抵御外界侵害，其逆反应有助于手性药物的生物合成。我们采用QM/MM MD结合MM MD的方法，对来自橡胶树的羟氰裂解酶(HbHNL)的催化过程进行了理论研究。计算结果表明，催化反应分为两步:第一步为双质子转移及C-CN键的断裂，第二步为HCN的形成，后者为决速步骤，能垒为18 kcal mol-1。值得注意的是，Lys236的质子化状态在一定程度上影响了酶催化的效率，并改变了整个催化机理。在底物传递及HCN释放中，Trp128起了重要的调节作用。底物结合到活性位点为强放热过程，且HCN释放所需能量较少，几乎没有能垒，二者共同驱动酶催化反应进行。此外，保守残基在底物结合及酶催化活性调控中也起了重要作用。　　(3)胞嘧啶脱氨酶(yCD)在基因诱导药物前体治疗中是重要靶标，能够催化胞嘧啶转化为尿嘧啶。我们采用QM(B3LYP)/MM MD方法，对其催化机理进行了计算模拟研究，结果显示，虽然胞嘧啶与锌并未直接相连，但能通过与锌配位的水分子发生反应，保守残基Glu64作为广义酸碱，调控水和胞嘧啶间的质子转移。在胞嘧啶转化为与锌配位的尿嘧啶的过程中，质子由水分子转移至Glu64与Glu64的去质子化同时发生，为决速步骤，能垒为12.1 kcal mol-1;接下来，羟基阴离子亲核进攻胞嘧啶环碳原子，形成四面体中间体;最后，Glu64诱导质子由4-羟基转移至氨基，从而生成尿嘧啶，释放氨分子。在尿嘧啶由结合态演化成自由态的过程中，质子由水分子转移至Glu64和水分子亲核进攻为决速步骤，能垒为18.0 kcal mol-1，也决定了整个反应的反应速率。　　(4)我们采用含时密度泛函理论(Time-Dependent Density Functional Theory，TD-DFT)对尿嘧啶、胸腺嘧啶、腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶在气相和水溶液中的吸收光谱进行了计算。计算显示，基于传统分子动力学（Molecular Dynamics，MD）平衡构型，采用量子力学结合分子力学(Quantum Mechanics/Molecular Mechanics，QM/MM)方法可以获得好的优化溶剂簇。将QM/MM簇与连续介质模型相结合，能够合理描述核酸碱基激发态的溶剂效应，用相对较小的计算量获取较为准确的吸收光谱。其中，PCM/TD-X3LYP得到的水溶液中垂直激发能与实验值符合较好，最大误差小于0.2 eV。此外，碱基激发态周围氢键网络及其偶极矩变化将显著影响核酸碱基在水溶液中的电子吸收光谱。