脱氮作用在维持全球氮平衡中起到至关重要的作用。其中，利用含铜亚硝酸根离子还原酶（CuNiRs）催化还原亚硝酸根离子（NO2-）为一氧化氮（NO）的过程是微生物脱氮作用中较为关键的一步。众所周知，CuNiRs催化还原NO2-反应中涉及一个电子和两个质子的转移。数年来，国内外众多科学家对CuNiRs的催化反应机理进行了大量的科学研究。然而，明确的质子转移路径、详尽的催化反应机理并未得到澄清。本文运用密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）计算方法对CuNiRs催化还原NO2-的反应机理以及CuNiRs中传输质子的转移通道展开一系列有意义的研究。主要研究内容简述如下：
　　（1）本文第二章基于包含类型1铜（T1Cu）和类型2铜（T2Cu）的计算模型，利用M06泛函对CuNiRs催化还原NO2-的反应机理进行研究。研究表明T2Cu位点的二级配体His255和Asp98残基的质子化状态能够调控T1Cu和T2Cu的氧化还原态，但并不是触发 T1Cu 传递电子给 T2Cu 的直接驱动力。当只有 His255或Asp98质子化时，电子空穴位于T2Cu处；而当His255和Asp98共同质子化时， T1Cu已经将电子传递到T2Cu，电子空穴已转移到T1Cu位点。当His255和Asp98均处于质子化状态后，质子化His255利用三质子协同转移机理将催化反应所需的第一个质子依次通过桥接H2O、Asp98间接传递到NO2-上，从而形成HONO，NO2-获取第一个质子并未导致HO-NO断键。随后，底物通过再次质子化的His255来获取第二个质子，质子化His255利用一种特殊的双质子耦合自旋交换电子转移机理将质子通过中间H2O间接传递到HONO上，促使HO-NO键断裂，生成NO和H2O。从His255到HONO的双质子协同转移过程中，T2Cu+传递一个β电子到NO+，与此同时，保留在T2Cu上的α电子转变其自旋方向。
　　（2）微生物利用CuNiRs将NO2-转变为NO的生命过程中涉及长程电子或质子转移反应。然而，详细的电子或质子转移反应机制至今尚未阐明，尤其是触发T1Cu向T2Cu传递电子的真正驱动力目前尚不清楚。针对上述问题，本文第三章运用DFT理论计算方法，对质子分别沿着两条质子转移通道从蛋白质表面向T2Cu中心转移过程中可能的质子转移步骤进行考察。结果表明质子沿着第一条通道从Lys128转移到His260的过程中，以及质子沿着第二条通道从Glu113转移到中间水分子 WE3的过程中均会发生一个远程三质子协同转移反应，且三质子协同转移直接驱使电子从T1Cu转移到T2Cu。因此，三质子同步转移反应也可以描述为远程三质子协同耦合电子转移反应。随后，NO2-底物利用两条质子转移通道分别经过三步或两步质子转移反应来获取还原反应所需的第一个质子。
　　（3）CuNiRs催化还原NO2-反应中，当NO2-获取反应所需的第一个质子生成HONO中间体后，CuNiRs再利用两条质子转移通道将催化反应所需的第二个质子从蛋白质表面传输至HNO2，从而转化为NO和H2O。因此，本文第四章采用ONIOM分层计算方法对 HNO2利用两条质子转移通道获取质子过程的多步质子转移反应进行探究。计算结果显示，HNO2 利用第一条质子通道获取质子过程中，质子从Lys128通过两个三质子协同转移反应移动到His255；随后，质子化His255利用双质子协同耦合电子转移机理将质子传递到HNO2上促使HO-NO断键，NO+同时从T2Cu+捕获一个β电子生成NO，随后NO脱离T2Cu中心。HNO2利用第二条质子通道获取质子的过程中，Glu113 利用一个三质子协同转移反应和一个单质子转移反应将质子传递到Asp98上；质子化Asp98随即将质子转移给HNO2促使HO-NO键断裂，同时，T2Cu+传递一个β电子到NO+生成NO，余留在T2Cu位点的β电子转变为α电子。质子沿着第二条质子通道向T2Cu活性中心转移过程的决速步反应能垒更低，表明第二条质子通道是CuNiRs催化反应中传输质子的主要通道。