结构生物学的基础之一是蛋白质序列与其结构和功能之间的相互关联。有几种技术能够在不同的空间和时间分辨率下对蛋白质结构和动力学行为进行监测。X-射线晶体学能够在原子分辨下探测蛋白质的静态结构,但是这种技术要求研究体系是可结晶的,对于像蛋白质聚集这类感兴趣但不能结晶的体系,X-射线技术则无能为力(同时,X-射线也不能监测蛋白质的动力学行为)。NMR能够在原子分辨的基础上提供三维结构信息,但是这种技术相当复杂和耗时,程序执行设计数据收集、共振归属、抑制产生和最终的结构计算和优化,一个完整的结构检测通常需要耗费几天的时间进行实验操作,同时需要几周的时间对实验数据进行分析,这对于需要快速筛选点突变或者溶液条件的特殊蛋白质是不合适的。多种光谱技术能够被用来研究蛋白质的二级结构,同时能够区分不同的结构单元。它们包括紫外(UV)和红外(IR)吸收,紫外(UV)和红外(IR)圆二色光谱(CD)以及紫外(UV)共振拉曼散射。这些方法的优点是耗费时间短,但是只能提供局部光谱信息,不能够提供关于二级结构的更多精细信息。最近一系列的理论研究表明2DUV光谱在提供蛋白质二级结构信息、研究激子动力学过程以及蛋白质取向和二级结构的定量测量方面有着非常广泛的应用前景。2DUV可以看做是UV吸收和CD光谱的延伸与扩展,在2DUV光谱中,包含了两个频率坐标轴,能够显著增强光谱信息的内容和结构敏感性。2DUV的一个优点是能够避免同位素标记,通过探测蛋白质骨架的nπ*/ππ*电子跃迁(以及两种跃迁之间的耦合),或者使用三种相对稀少的芳香残基(色氨酸(Trp)、酪氨酸(Tyr)和苯丙氨酸(Phe))进行局域结构测量。本论文的一个目标是将2DUV光谱打造成为一种诊断多肽和蛋白质结构和动力学研究的工具。我们希望这种方法在技术上具有直接、高效的特点,同时能够获得更多的有用信息,为蛋白质去折叠的粗糙评估和完整的结构信息之间搭建桥梁,从而能够快速的测定蛋白质的变化或者准备更多涉及结构和动力学研究的样品准备。发色团的电子激发取决于它们周围的电子相互作用,这对于探测局部结构有利。肽键的骨架nπ*/ππ*电子跃迁频率在远紫外(190～250nm)区域,通常被用来探测蛋白质局部二级结构。而具有芳香侧链的氨基酸则在近紫外区域(250-300nm)有着明显的吸收。在蛋白质中,只有三种氨基酸:色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸具有芳香侧链,同时由于芳香氨基酸在蛋白质结构中相当稀有(大致比例为:色氨酸-4%,酪氨酸-3%和苯丙氨酸-1.5%),所以它们可以被用内嵌进局部结构探测而不需要进行同位素标记。理解生物体系的激子动力学行为对于操作其功能具有十分重要的意义。我们将量子力学(QM)和分子动力学(MD)相结合,并使用Trp-cage这一迷你蛋白作为研究对象,研究相干2DNUV光谱在探测激子动力学过程中的应用。由芳香跃迁而来的2DNUV信号受到残基间耦合作用的影响,这决定了激子的传输和能量的弛豫路径。时间演化的2DNUV光谱能够捕获蛋白质重要的结构信息,包括几何结构细节信息和肽键的取向信息。我们使用时间演化2DNUV光谱研究了模型蛋白中结构依赖的激子动力学过程,我们发现激子的传输和能量的弛豫速率取决于蛋白质中几何结构细节和肽键取向等结构参数。这对于研究蛋白质结构以及揭示蛋白质结构-功能之间的关系具有十分重要的意义。同时,我们可以期待2DNUV在蛋白质各向异性和各向同性研究中的应用,这将有助于理解和操作诸如配体结合等生物化学相关相互作用,这对于促进相关的药物设计将提供重要的帮助。定量测量蛋白质取向和二级结构组成对于蛋白质的生物技术应用和疾病治疗都十分重要,同时,这对于光谱研究也是一个巨大的挑战。基于QM/MM理论,我们发现2DLD光谱能够探测蛋白质二级结构单元的取向。此外,通过计算2D光谱中横向ππ*信号与纵向ππ*信号的比率,我们能够获取a-螺旋在蛋白质的含量。二级结构的定量测量则是蛋白质结构分析的重要内容。我们的研究表明2DUV zzzz和2DLD信号能够监测螺旋、折叠以及淀粉样纤维蛋白的取向变化。我们同时建立了不同的取向依赖与不同的结构图案之间的对应关系。与一维光谱相比,2D光谱能够提供更多与取向有关的结构信息,同时具有更高的分辨率。通过分析2DUVzzzz信号并进行方程拟合,我们计算了螺旋结构在蛋白质中所占的比例。定量信息对于描述精确的蛋白质结构图像很有帮助。我们的研究工作可能为淀粉样纤维结构测量和动力学演化过程以及相关的光物理和光化学过程的研究打开了新的研究之门,这是理解和操控它们的功能的基础。