细胞质膜由脂质体、蛋白质和碳水化合物组成,具有多种功能,是生命活动的基础。其结构的动态性通过调控蛋白-蛋白以及蛋白-脂质相互作用为实现膜蛋白功能提供了重要时间关联,更重要的是膜蛋白动态功能的完备性与其在原生质膜环境中完备结构原有的动态构象变化有着直接的对应关系。微生物类光驱质子泵是一类含有视黄醛发色团的七-跨膜光能转换系统,其高效的质子泵浦能力和光循环特性使它们在光能转化、信息储存和光遗传学等领域具有良好的应用价值,特别是古紫质-3（Archaerhodopsin 3,a R3）在光遗传学领域成功的应用更是掀起了对此类蛋白的研究热潮。多个光驱质子泵结构的成功解析为深入了解其激活机理以及基于结构的蛋白定向改造提供了可能性。然而,不同的重构策略对质膜环境扰动所带来蛋白寡聚结构、磷脂成份以及配体装配的差异破坏了微生物光驱质子泵结构的完备性,使得光循环动力学的研究结果不尽相同甚至相互矛盾,极大地影响了光驱质子泵蛋白的应用研究,特别是基于其结构的新型光遗传学工具构建。为深入探究质子泵蛋白结构完备性与其功能完备性的关系,本论文选取了只含视黄醛的单发色团质子泵蛋白细菌视紫红质（Bacteriorhodopsin,b R）和同时含有视黄醛和类胡萝卜素菌红素的双发色团质子泵蛋白古紫质-4（Archaerhodopsin4,a R4）为研究对象,采用更接近膜蛋白天然动态构象变化时间尺度的长时间全原子分子动力学模拟并辅以自动分块-量子力学/分子力学方法,从原子水平上阐明寡聚结构、特定磷脂以及第二发色团菌红素影响光驱质子泵光循环动力学,质子摄取和释放的分子机制,并揭示了视黄醛键合区关键残基与光循环中间态动力学的偶联机制。主要工作包括:（1）从原子水平上系统深入研究了寡聚结构对b R和a R4蛋白整体的动态构象、视黄醛顺反异构平衡、质子传输中的关键残基以及水分子动力学的影响,阐明了三聚结构调节b R和a R4正常光循环和质子泵功能的分子机制,以及a R4单体造成质子摄取和释放时序反转的原因。（2）从原子水平清楚地揭示了b R中特定非双层古细菌磷脂S-TGA-1和PGP-Me的作用位点,并且深入系统的研究了古细菌磷脂-蛋白特异性相互作用对b R动态构象、参与质子释放和摄取关键结构域以及水分子动力学的影响。首次阐述了b R中非双层古细菌磷脂-蛋白特异性相互作用如何维持b R正常光循环和质子传输的潜在分子机制。（3）从原子水平深入系统的研究了第二发色团菌红素对a R4蛋白整体动态构象、视黄醛顺反异构平衡、参与质子传输中的关键残基间的动态相互作用以及水分子动力学的影响。首次描述了菌红素调控a R4正常光循环和质子泵功能的分子机制。（4）结合固体核磁化学位移测定、自动分块-量子力学/分子力学（AFQM/MM）方法优化b R视黄醛键合区构象以获得更加精准的全原子分子动力学计算结果。从原子水平系统深入的研究了微生物视紫红质家族中高度保守的芳香性氨基酸Y185对视黄醛顺反异构平衡、五边形氢键网络以及F42门控开关的影响,揭示了Y185与b R光循环中间态的动态耦联机制。本研究工作的开展不仅能够有助于保证对光驱质子泵激活机理的准确研究准确,同时能够为蛋白合理的改造设计及新型光遗传工具的构建提供更多的理论指南。