在生命科学研究中，蛋白质是重要研究对象之一。随着蛋白质结构数据的不断丰富，蛋白质结构功能进化的研究取得了很大的发展，尤其是酶结构功能进化。生物体内的化学反应几乎都是在酶的催化作用下进行的，然而这些反应的进化历史尚属未知。因此，本论文基于构建的蛋白质折叠类型(F)、超家族(FSF)及家族(FF)系统发生树，追踪了生物化学反应中的代谢进化事件。通过对整体代谢进化、氨基酸生物合成、无机化学进化、有氧代谢进化及代谢网络进化等方面的研究，提出了蛋白质空间结构可以作为分子化石研究现代生物化学的起源与进化，为进一步认识生命进化的本质提供了有意义的线索，同时也显示了该方法在追踪其他进化事件上的潜力。　　研究表明，蛋白质折叠类型(F)和超家族(FSF)分子钟可以追溯生物化学中进化事件。半胱氨酸和组氨酸具有多种生物化学功能，对整个生命起着至关重要的作用。利用最新建立的蛋白质F和FSF分子钟，推断出半胱氨酸和组氨酸生物合成的起源时间约为33～35亿年前，该发现有助于深入认识早期生命的本质。同时对含硫无机物的生物化学反应进行了初步的研究，发现早期的反应基本上是与半胱氨酸代谢有关的，并且半胱氨酸的同化作用和异化作用几乎是同时产生的(约36.8亿年前)，随后才有了硫酸盐还原反应，直到约29～30亿年前第一次出现了氧，而之后的反应基本属于氧化产生硫酸的反应。另外，还发现了同化和异化硫酸盐还原途径出现比较早，并且推断了生成硫化物的反应出现在25.1亿年前，这些结果对深入研究硫的进化有一定的意义。　　相对于蛋白质F或FSF，蛋白质FF与功能联系更密切。在蛋白质F和FSF分子钟的基础上，深入探讨了蛋白质FF作为分子钟推断生物化学反应进化。第一，早期的FF(nd＜0.2)主要涉及初级代谢，嘌呤和嘧啶代谢出现的最早，其次是氨基酸、糖类、辅因子、萜类化合物、甘油酯类和卟啉代谢等，进一步证实了核苷酸代谢中能量转换反应的代谢起源。同时，早期FF对应的途径显示了氨基酸生物合成上的进化顺序，这与其他方法推断的氨基酸对应到密码子的时间顺序是一致的。第二，确定了最古老的酶是ATP磷酸水解酶(EC3.6.3.49)，证实了第一个原始酶是ATP水解酶类。第三，确定了最早利用氧气的家族是b.45.1.1，出现在约29亿年前，对应的催化酶是磷酸吡哆醛合酶(EC1.4.3.5)。第四，通过对代谢网络的进化分析，证实了优先添加原则。最后，通过酶催化反应前后基团转移的分析，阐述了蛋白质结构中同样也包含了地球化学进化的印记。所有的研究结果显示了“蛋白质空间结构可以作为分子化石”的巨大潜力。　　本文用蛋白质结构作为分子化石推断了一些分子进化事件年代，为解释蛋白质结构功能进化及常见生物学问题提供了重要线索。随着基因组学和结构基因组学的飞速发展，该方法有助于发现生物化学进化中更多有用的信息。