原卟啉原氧化酶(protoporphyrinogen oxidase, Protox/PPO, EC 1.3.3.4)是叶绿素和亚铁血红素相同生物合成步骤中的最后一个酶,其广泛存在于动物、植物、真菌和细菌中。在原卟啉原氧化酶的催化作用下,无色的原卟啉原IX被氧化,失掉六个电子生成共轭的光敏性物质原卟啉IX。研究表明原卟啉原氧化酶定位在叶绿体和线粒体中,对于叶绿素和亚铁血红素的合成具有重要的作用,这就决定了它在生命体系中具有重要的意义。在人体中,该酶的缺损会造成显性遗传疾病——混合型卟啉症(Variegated Porphyria, VP)的产生,这种病又称杂色卟啉病,为一种常染色体显性遗传疾病。这种疾病患者的数量和发病地域正在不断扩大,因此对该酶的研究具有重要的医学意义。在植物体内,原卟啉原氧化酶是光依赖性除草剂的作用靶标,除草剂与底物竞争性抑制的结果会导致绿色植物组织的干枯与白化,从而死亡。这在研发新型的抑制剂上引起了农药学家的关注,因而对该酶的研究具有重要的农学意义,我们希望从酶水平利用分子生物学手段,研究抑制剂与酶的作用机制,从而指导新型抑制剂的合成与研发。基于原卟啉原氧化酶在医学和农学中的重要性,我们主要进行了以下四方面的工作：一、通过对多种蛋白晶体培养条件的摸索优化,对人体PPO晶体进行培养,得到了分辨率为1.9A的人体PPO与其抑制剂三氟羧草醚(AF)的复合物晶体结构,为理解人体混合型卟啉症的发病机制和PPO催化机理的研究提供了重要的结构信息。二、在结构和模拟计算支持的前提下,识别了在人体PPO活性空腔中对催化过程有重要作用的氨基酸残基,采用Dpn I突变方法建立了基因突变体系,并对其活性进行测定,验证了这些氨基酸残基的重要性。三、对原卟啉原氧化酶的氧化机理进行了进一步的研究,并且采用stopped-flow的方法测得了02加速酶反应的速率常数,提出了PPO新的催化氧化机制。四、通过高通量筛选对PPO类抑制剂的抑制动力学进行了研究,寻找出了活性更高的化合物,在这些化合物结构的基础上,通过计算机模拟对不同官能团的影响进行总结,对高效新型抑制剂的研发具有指导意义。综上所述,本文从结构生物学的角度对人体原卟啉原氧化酶进行研究,所得到的实验结果对抑制剂的分子设计和VP卟啉症的研究具有指导作用。在此基础上结合计算化学对原卟啉原氧化酶与底物、抑制剂、辅助因子之间的相互作用进行了研究。本文通过对抑制剂合理的分子设计和高通量筛选,为设计高效专一、开发新型抑制剂提供重要的理论指导和新思路。