蛋白质是生命的物质基础,一切生命活动离不开蛋白质。蛋白质在生命体内的活性和功能取决于其结构和空间构象。由于蛋白质的空间结构主要依靠氢键、范德华力、静电力等非共价作用的共同平衡而维持,但这些作用力较弱且易受温度、酸碱度、压力、离子强度、外源性分子作用等因素影响而发生改变,导致蛋白质构象和功能发生改变,甚至导致某些疾病的产生。与蛋白质结合的某些化学小分子,包括药物分子对蛋白质维持结构和功能的稳定性具有极其重要的作用。因此,研究化学小分子与蛋白质相互作用机理和规律,有助于深入了解蛋白质构象与功能的关系,解释外源性分子在生物体内的结合、运输过程,也有助于在分子水平上解释某些疾病的致病机制,为某些复杂疾病的基础研究和防治等提供重要的理论指导。本论文研究了化学小分子与蛋白质的相互作用机理,及作用后蛋白质活性中心周围微环境的变化。以葡萄糖氧化酶、人血清白蛋白和肌红蛋白为蛋白质分子模型,利用电化学方法、多种光谱法如：紫外可见吸收光谱法、荧光光谱法(包括荧光淬灭法、同步荧光光谱法、荧光共振能量转移法、时间分辨荧光光谱法)、红外光谱法、圆二色谱法,以及分子模拟计算等,研究了溶液中有机小分子(以硫酸胍为例)、抗肿瘤药物小分子(以5-氟尿嘧啶为例)、光敏剂(以酞菁锌衍生物为例)和不同pH条件分别对以上蛋白质进行诱导后蛋白质发生的结构变化机理,及诱导后蛋白质活性中心周围微环境的变化。本论文的主要内容及结果如下：1.研究了有机小分子(以Gdm+为代表)诱导蛋白质(以葡萄糖氧化酶(GOx)为模型)结构及其活性中心周围微环境变化的机制。利用电化学方法,研究了不同浓度Gdm+诱导后对GOx的电催化活性与其构象的关系。结合紫外-可见吸收光谱法、红外光谱法、圆二色谱法及分子模拟计算等方法深入研究了Gdm+诱导的GOx结构与其催化性能的关系。结果表明,Gdm+与GOx作用时能进入其疏水腔使GOx发生去折叠过程,GOx的a-螺旋结构含量减少,户折叠结构含量增加；分子模拟研究发现Gdm+与GOx的氧化还原活性中心FAD作用,使FAD分子本身的电子性质、与周围氨基酸残基的氢键等发生了明显改变,这是导致GOx的二级、三级结构变化的决定性因素,也进一步使GOx对葡萄糖的催化氧化活性明显降低。2.研究了抗肿瘤药物小分子(以5-氟尿嘧啶(FU)为代表)与人血清白蛋白(HSA)的相互作用机理及FU-HSA结合位点微环境的变化。研究结果表明,FU分子能够进入HSA分子中Trp 214残基附近的ⅡA域,并与Trp 214和Lys 199残基形成氢键,从而导致Trp 214残基发生了静态荧光淬灭。分子对接和热力学参数分析的结果表明,HSA与FU的结合主要由范德华力和氢键驱动形成了FU-HSA复合物,从而导致蛋白质微环境比天然结构更加疏水。此外,HSA与低浓度(<150 μmol/L)时的FU作用使α-螺旋结构含量增加,而与高浓度(>150 μmol/L)的FU作用时则使α-螺旋结构含量减少,这可能是由于蛋白质在此作用过程中发生了一定程度的扭转导致。3.研究了光敏剂(以酞菁锌衍生物(ZnPcs:ZnPc1、ZnPc2、ZnPc3)为代表)人血清白蛋白(HSA)的相互作用及ⅡA域微环境变化的机制。研究结果表明,三种ZnPcs衍生物都进入了HSA分子中Trp 214残基附近的ⅡA域内,且分别与HSA形成了ZnPcs衍生物-HSA复合物,使Trp214周围环境更亲水；作用过程中Trp214残基发生了静态荧光淬灭,并伴随一定程度的动态淬灭过程；HSA与三种ZnPcs衍生物的结合主要通过静电引力和疏水作用力形成了ZnPcs衍生物-HSA复合物,此外,与ZnPcl和ZnPc2相比,由于ZnPc3静电势较高,ZnPc3衍生物与HSA作用后使HSA的静电荷分布变化最大,且ZnPc3使Trp214周围残基氢键的变化也最大,说明ZnPcs三种衍生物中,ZnPc3与HSA的作用最强。4.研究了不同pH环境诱导下肌红蛋白(Mb)结构及血红素周围微环境变化的机理,建立了一种检测溶液中含血红素蛋白结构及其血红素周围微环境变化的简单方法。基于循环伏安法测量Mb在不同pH缓冲溶液中的电子转移信号能够灵敏地反映出Mb分子的活性中心血红素基团周围结构的微妙变化。在酸性和碱性溶液中,由于血红素中Fe-His 93配位键断裂,血红素基团从Mb的疏水腔中分离而暴露于溶剂中,使Mb在溶液中的电子转移信号增强。结合紫外可见光谱法、拉曼光谱法、CD光谱法和分子模拟计算研究了不同pH条件下Mb结构和活性中心血红素基团周围微环境的变化,结论与电化学方法研究结论一致,说明电化学方法可用于检测氧化还原蛋白Mb在溶液中的结构变化,与其他方法相比,电化学方法具有反应灵敏、操作简便、成本低廉等优点,并且该方法可以反映溶液中蛋白质结构变化的动力学过程。