无论是在细胞水平还是在分子水平,生物体的生命活动和生物功能都离不开水的参与,几乎所有的蛋白只有在水环境中才能发挥其功能。蛋白质的水合动力学过程对于蛋白分子自身的结构稳定性、灵活性至关重要,研究蛋白质与水的相互作用对于理解蛋白质的生物学功能也有着十分重要的意义。然而,研究蛋白质的水合动力学在时间和空间分辨率上遇到了极大的技术挑战。蛋白质分子的动力学过程在时间范围上分布极其广泛,既有化学键振动和溶剂弛豫等超快动力学过程,又有蛋白质翻转等相对较慢的过程,以及蛋白质折叠等很慢的过程,这就需要一个在时间尺度上范围广、分辨率高、对局部环境的变化比较敏感的分子探针。色氨酸是所有自然编码的具有生色团的三个氨基酸之一,具有较高的量子产率和相对较长的荧光发射波长,并且能通过偶极-偶极/电荷相互作用对10A范围内局部环境的变化进行灵敏探测。此外,由于色氨酸是自然编码的氨基酸,使用定点突变技术,以色氨酸作为固有探针,可以最大程度地保持蛋白质分子的原始结构,这就使得色氨酸成为研究蛋白表面水合动力学的理想探针。本文基于超快荧光光谱和定点突变技术,对蛋白水合化动力学进行了系统性的研究。通过定向突变并使用单个色氨酸作为局部探针,研究了葡萄球菌核酸酶(SNase)蛋白表面的水合化动力学,同时也对水溶液中小分子双肽(Trp2)体系的分子内相互作用动力学过程进行了研究。在实验系统方面,我们自行搭建了飞秒频率上转换时间分辨荧光光谱系统和皮秒时间相关单光子计数(TCSPC)系统,仪器响应函数(IRF)分别为330 fs和550 ps。前者由相同实验条件下水的拉曼(328 nm)和门探测脉冲(800 nm)的互相关信号来确定,后者由相同实验条件下二氧化硅纳米颗粒的瑞利散射来确定。在课题研究的分子体系方面,我们精心设计了两个分子体系,一个是以SNase及其突变体为核心的蛋白分子体系,在SNase蛋白分子体系中,色氨酸W140周围10A距离范围内有三个带电残基(K110、E129和K133),通过定点突变的技术,使用丙氨酸对三个残基进行了两两突变,最后将三个带电残基全部突变；另一个是包含色氨酸双肽(Trpz)及其衍生物N-叔丁氧羰基-N-醛基-L-色氨酸二肽(NBTrp2),色氨酸二肽酰甲酯(Trp2Me),N-乙酰色氨酸二肽酰甲酯(NATrp2Me)的双肽分子体系。在SNase的分子体系中,通过研究,发现了两种皮秒量级的动力学过程。皮秒范围的动力学过程的起源曾引起了激烈的争论,一些研究者认为这种起因是来自蛋白的带电侧链,然而在这里我们认为这种运动来自于蛋白与水分子的相互作用。在SNase分子体系里,只含有一个色氨酸残基(W140),本文通过系统性地突变三个相邻的带电残基来区分这种贡献是来自于结合水还是带电侧链,并对蛋白表面的超快水-蛋白耦合作用的分子起源进行了研究。研究发现,当色氨酸相邻残基所带电荷较少时,总斯托克斯位移有一个轻微的增加,而带电侧链对溶剂弛豫动力学过程并不敏感,所以斯托克斯位移和较长的弛豫过程主要来自于结合水而不是带电侧链,并且,结合水驱动侧链弛豫。总之,发生在皮秒量级的两种蛋白-水耦合过程,第一种发生在几个皮秒内,是水网络区域性弛豫过程；第二种是发生在几十至上百皮秒内水和蛋白相互作用,水网络重排的过程,该过程对生物许多功能至关重要,如配体识别和酶催化过程。在本文的另外一个分子体系中,Trp2及其衍生物在水溶液中,表现出了多个动力学过程,包括一个约4 ps的水溶剂弛豫过程,还有一个100 ps左右的动力学过程,这个较慢的过程可能是分子内相互作用和分子电荷转移共同作用的结果。分子动力学过程(kd+ki)-1可以看做是色氨酸残基的动力学kd-1和两个色氨酸残基的分子内相互作用的动力学ki-1组成,我们通过计算得出了Trp2、NBTrp3、Trp2Me和NATrp2Me的分子内相互作用动力学过程的时间分别为3.64、0.93、11.52和2.40 ns,并讨论了该相互作用可能的机理。最后,本论文对博士期间的实验结果进行了总结,并对未来的研究方向和内容进行了展望。