蛋白质的理性分子设计,特别是金属蛋白中的血红素蛋白分子设计,在过去的几十年中备受关注。这不仅阐明了天然酶的结构和功能的关系,而且还提供了创造具有改进性质和功能的人工蛋白质的能力。目前自然界已经进化出了许多方法用来调节蛋白质的结构和功能,如多种翻译后修饰(Post-translational modification,PTM)。受自然界的启发,研究者已经开发出多种方法用于功能金属酶的分子设计。包括金属结合位点的设计,引入非天然氨基酸,并将金属配合物或金属簇结合到天然或从头设计的蛋白质骨架中。尽管有这些成就,开发设计功能金属蛋白的其他有效方法仍然是有意义的。半胱氨酸(Cys,C)一种常见的PTM即形成二硫键,在蛋白质结构稳定中起着非常重要的作用,二硫键/Cys的氧化还原状态已被证明可以调节蛋白质的配体结合和反应特性。因此我们拟以肌红蛋白(Myoglobin,Mb)为骨架模型,模拟天然胞红蛋白(Cytoglobin,Cgb),在Mb中引入两个半胱氨酸(Cys21-Cys66)形成一对分子内二硫键,探究其对Mb结构与功能的影响。我们首次用X-射线晶体结构证实了新设计的肌红蛋白中存在分子内二硫键,并证明它能调节该蛋白的结构与功能,其脱卤过氧化物酶活性较天然酶有所提高,从而实现了人工脱卤过氧化物酶(Dehaloperoxidase,DHP)的设计。功能金属酶的分子设计备受关注,但是很少有人工金属酶的催化速率可以超过天然酶。为了进一步构建高效的人工脱卤过氧化物酶,我们重新设计了Mb的血红素中心,通过在远端的43位引入酪氨酸(Tyr),并用天冬氨酸(Asp)替代了远端64位的组氨酸(His),这种设计结合了氯过氧化物酶(具有远端Asp)和DHP(具有远端Tyr)的结构特征。研究揭示,所设计的F43Y/H64D Mb具有非常显著的脱卤活性,其催化效率比来自A.ornata的天然DHP A高一千多倍。据我们所知,这是迄今为止报道过的活性最高的人工脱卤过氧化物酶。此外,F43Y/H64D Mb和与典型底物2,4,6-三氯苯酚(TCP)形成的F43Y/H64D Mb-TCP复合物的X-射线结构,揭示其远端底物结合位点以及远端Tyr43和Asp64的关键作用。本论文不仅揭示了天然和人工DHP的结构和功能的关系,而且也暗示其在有毒卤代酚生物修复中具有潜在的应用前景。