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本篇论文包括两个部分，分别是荞麦胰蛋白酶抑制剂rBTI的结构与功能研究(第一部分)和菠菜光系统Ⅱ外周蛋白PsbO的结构生物学研究(第二部分)。
第一部分、荞麦胰蛋白酶抑制剂rBTI的结构与功能研究
典型蛋白酶抑制剂(canonicalinhibitor)可以说是人们研究最为详尽的一类丝氨酸蛋白酶抑制剂，它们通过一段类似于底物的bindingloop与蛋白酶结合，而与底物不同的是，典型蛋白酶抑制剂的bindingloop区构象大多数都非常稳定，很难被酶所水解。Evette等人提出的cloggedgutter机制从原子水平上描述了典型蛋白酶抑制剂的抑制机理：他们认为典型蛋白酶抑制剂的P1位会很快的被酶亲核攻击而形成酰基化酶中间体，但是由于抑制剂内部复杂的氢键网络稳定了整个bindingloop，使得P1’位新生成的氨基很容易对酰基化酶再次进行亲核攻击，也就是说使得酶解反应更趋于向逆反应方向进行。典型蛋白酶抑制剂内部的氢键网络对于其抑制能力是至关重要的，对PotatoⅠ家族抑制剂突变体的研究可以证明这一点。
PotatoⅠ家族抑制剂是一类典型蛋白酶抑制剂，在这个家族的bindingloop中，P1位、P2位、P6’位与P8’位的氨基酸残基是参与形成氢键网络的重要残基，因此这几个残基具有高度的保守性。Jackson等人发现如果将PotatoⅠ家族抑制剂CI-2(chymotrypsininhibitor2)的P2位的Thr以及P1’位的Glu突变为Ala会导致抑制剂解离常数的显著增加，Cai等人则发现在另一种PotatoⅠ家族抑制剂CMTI-V(cucurbitamaximatrypsininhibitor-V)中如果突变P6’位与P8’位的Arg，会使抑制剂与蛋白酶结合后变得不稳定，其中突变了P6’位Arg的突变体会很快被酶降解。最近，PotatoⅠ家族中的另一种抑制剂BWI-1(buckwheatInhibitor-1)吸引了我们的注意。
1995年，人们最早在荞麦中发现了BWI-1，测定了其氨基酸序列，研究了它的理化性质，并确定BWI-1为PotatoⅠ家族一员。功能研究发现荞麦中的BWI-1可以抑制白血病T淋巴癌细胞的生长。近两年，Zhang等人成功地通过克隆和表达获得了BWI-1的重组蛋白rBTI(recombinantBuckwheatTrypsinInhibitor)，并探讨了其在抑癌、抗癌方面的功能，提出rBTI具有明显的抑制EC9706，HepG2，HeLa等实体瘤细胞生长和诱导不同肿瘤细胞调亡的作用。不仅如此，BWI-1还具有提高植物对抗细菌、虫害等生物逆境的能力。
除了具有上述生理功能外，BWI-1的bindingloop也不同于常见的PotatoⅠ家族抑制剂，它的P2位是Pro而P8’位为Trp，这两个残基的改变意味着BWI-1的内部氢键网络不同于我们所熟知的PotatoⅠ家族抑制剂，这是否提示它也将采取与同家族其它成员不同的方式机制发挥抑制功能?我们解析了1.84A分辨率的rBTI及其与牛胰蛋白酶复合物2.26A的晶体结构，分析了rBTI(recombinantBuckwheatTrypsinInhibitor)与LUTI(linumusitatissimumtrypsininhibitor，PDBID：Idwm)P8’位Trp不同的作用方式，发现了rBTI在与胰蛋白酶结合前后的构象变化，并通过构建rBTI的突变体对PotatoⅠ家族3种不同的bindingloop构象进行了横向比较，揭示了bindingloop的P8’与P2位残基对PotatoⅠ家族抑制剂抑制能力的影响。我们也惊喜的发现了具有很强抑制能力的突变体P44T，它的解离常数达到了pM数量级。
通过对rBTI及其复合物晶体结构的研究以及构建rBTI突变体，有助于我们深入了解PotatoⅠ家族bindingloop结构与功能的关系，此外，我们的研究结果可以为揭示rBTI的抗癌，抗逆机制以及用于新药的设计提供有用的参考。
第二部分、菠菜光系统Ⅱ外周蛋白PsbO的结构生物学研究
光合作用是地球生命之源，它为地球上几乎所有的生物提供了它们赖以生存的能量以及有机碳。光合作用可以分为放氧与不放氧两种，其中放氧的光合作用为地球上大气层提供了氧气，因而地球上的需氧生物才能够得以生存。
地球上所有的光合放氧过程都是由光系统Ⅱ所完成的，光系统Ⅱ是一个复杂的分子机器，由多个亚基构成，它能够捕获光能，传递电子，并在这个过程中氧化水，释放氧气。其中，光系统氧化水释放氧气的部分被称为放氧中心。由于光系统Ⅱ的重要作用，因而对光系统Ⅱ的结构生物学研究是非常有意义的。
PsbO是光系统Ⅱ上的一个外周蛋白，是光系统Ⅱ众多亚基中的一个，PsbO蛋白通过稳定放氧中心的结构保证了光合放氧的正常进行。蓝藻中的PsbO因为蓝藻光系统Ⅱ的结构解析而被我们所了解，但是我们对于高等植物中的PsbO还所知甚少。因此我们对高等植物的PsbO进行了蛋白质晶体学研究。我们从菠菜中提取纯化了天然的PsbO，对其进行了结晶的尝试，并了解了PsbO的一些理化特性。为了能够获得更加稳定的PsbO样品，我们通过重组的办法构建了PsbO与其截短体的表达载体，并已成功的表达。目前我们对于PsbO的工作还在探索中进行着。