金属蛋白大约占到已知蛋白总数的40％左右，它们参与一些基础的生化反应，例如电荷的存储与转移、氧的束缚、底物的活化与催化等。金属蛋白是利用金属的氧化还原性质和配位化学特性来实现其特定的生物学功能的，正因为如此，金属蛋白参与这些生化反应的同时往往又伴随着金属离子周围微弱的结构变化，而了解这种微弱的结构变化是研究金属蛋白活性机理的前提。然而，这些结构变化是如此之小，以至于具有亚原子分辨率的实验方法才能够满足探测的要求。 X射线吸收谱学(XAS)是一种具有亚原子分辨率的局域结构研究方法，具有不受样品形态限制、对金属离子具有选择性等突出优点，是研究金属蛋白中金属活性中心精细结构的理想技术。XAS方法同蛋白质晶体学(PX)手段的结合，对PX技术分辨率不足的缺憾是一个很好的补充，为金属蛋白组学研究提供了理想的方法学平台，因而XAS方法在金属蛋白结构研究中的应用也被专门命名为BioXAS。BioXAS领域中，使用X射线吸收近边结构(XANES)，利用从头计算(ab.initio)的多重散射(MultipleScattering)方法确定金属蛋白活性中心的精细结构，是一项具有创新性的工作。 本论文首先对3d过渡金属氧化物FeO、CoO、NiO和MnO进行了吸收谱学研究。通过对不同大小的原子团簇(cluster)进行从头计算，得到了与实验谱符合较好的理论散射截面，揭示了近边吸收谱中各个跃迁性质与原子结构之间的联系，也建立了原子结构与吸收谱近边结构间的一一对应关系。这一研究成果为研究金属蛋白提供了可靠的基础知识和标样数据，并在此基础上，在中国率先开展了金属蛋白结构与功能的BioXAS研究，取得了以下几项重要的创新成果： 1、AcutolysinA是一种重要的P-I-A型含锌蛇毒金属蛋白酶，其水解活性和pH值密切相关，因此推测pH值的不同会导致锌离子周围的结构发生变化。由于已经得到的晶体学结构数据分辨率较低，无法给出活性中心的精细结构。本文使用MXAN程序，利用从头计算的多重散射方法拟合XANES谱，给出了锌离子的配位结构模型，得到了AcutolysinA的pH9.0溶液样品活性中心的精细结构数据，并在此基础上对AcutolysinA的催化活性随pH值变化的机理进行了讨论。 2、Kti11p是目前唯一得到了三维结构的含有CSL类锌指结构域的蛋白家族成员。由于该三维结构是通过核磁共振方法得到的，由于其中的锌离子不能给出共振信号，所以这个蛋白结构中锌离子的位置只是一种猜测，还需要其它的方法进行确认。本文将X射线吸收扩展精细结构(EXAFS)和近边结构的从头计算多重散射方法结合起来，确认了Kti11p中锌离子的配位环境，证实了核磁共振结构的合理性，并给出了更为精确的结构参数。 3、LiPDF是一种重要的含锌金属蛋白酶，对钩端螺旋体(Leptospirainterrogans)这一广泛存在的致病菌的蛋白合成起着关键的催化作用，是设计新型广谱抗菌药物的靶蛋白。尽管其催化过程的中间态结构已经基本清晰，但由于原生态LiPDF很难结晶，至今还没有这个状态的催化中心结构数据，对其催化机理的探讨也就缺乏结构数据的支持。本文研究了LiPDF原生态干粉样品的锌K边XANES谱，确定了LiPDF原生态下催化活性中心的精细结构，为催化机理的深入探讨提供了结构基础。