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细胞色素P450是一类在自然界广泛分布的血红素分子依赖的酶蛋白家族，其主要功能是参与机体内源分子的生物合成及异源分子的代谢。该家族成员在催化反应过程中所具有的高度特异性使其在环保、化工和药物代谢等领域都具有极大的应用价值，因而成为了生物催化研究的热点。
虽然细胞色素P450的相关研究已历经半个世纪，但对其中三个方面的认识还极为有限：电子传递蛋白之间的特异性识别机制；底物如何进入活性中心；突变体影响酶活性的基础。本论文主要通过结构生物学手段对这三个方面进行了系统的研究和分析。
论文第一部分工作解析了一条来源于Novosphingobium aromaticivoransDSM12444中的Ⅰ类型细胞色素P450电子传递系统的三个成员（铁氧还蛋白还原酶ArR、铁氧还蛋白Arx和细胞色素P450氧化酶CYP101DI）的三维晶体结构。虽然这些蛋白在整体结构上与已报道的同家族蛋白较为相似，但也具有自身独特的结构特征，尤其在铁氧还蛋白还原酶、铁氧还蛋白和P450蛋白相互识别的表面具有极明显的差别。通过与另两条完整的Ⅰ类型电子传递系统(PdR/Pdx/CYP101A1和AdR/Adx/CYP24A1)比对，发现Arx蛋白主要是通过正负电荷相互作用识别ArR和CYP101D1，同时揭示了异源电子传递蛋白低效支持P450酶活性的基础。
论文第二部分解析了细胞色素P450蛋白CYP101D2一种特殊的开放构象，并通过底物樟脑分子浸泡得到的复合物晶体结构揭示了三处潜在的樟脑分子作用位点：活性中心处的樟脑分子以其羰基氧原子与提供血红素铁第六配位键的水分子作用形成一种罕见的中间态结合方式；第二处和第三处樟脑分子的结合能力较弱，分别定位于开放通道内和酶蛋白分子表面的一个凹槽内，我们认为这两个结合位点很可能是底物识别及转入到活性中心前的中间状态。由此我们推测了一条合理的底物进入活性中心的通道，并进一步支持了底物的多步结合机制。
论文的最后一部分工作解析了细胞色素P450蛋白CYP102A1(P450BM3)单加氧酶结构域两个单点突变体A330P和1401P的晶体结构，阐明了二者在底物催化活性上区别于野生型蛋白的结构基础。在突变体A330P的结构中，由于突变造成329位脯氨酸被强行挤入原底物结合通道从而有效限制了活性中心的大小，使得该突变体增强了对非天然小分子底物的催化能力。I401P突变体则在结构上表现出了许多该野生型蛋白在底物结合状态下所具有的特征：提供血红素铁原子第六配位键水分子的异常；近血红素一侧的loop远离活性口袋；I螺旋处残基265位甘氨酸和266位组氨酸构象变化导致的螺旋内部氢键的断裂。这种近似底物结合状态下的构象为原始底物长链饱和脂肪酸的催化提供了极为便利的条件。
本论文的研究工作有助于深入理解细胞色素P450酶系统电子传递蛋白相互识别的特异性，小分子底物识别进入酶蛋白活性中心的途径，以及酶蛋白突变体功能和结构的关系，并为这三方面的进一步研究奠定了坚实的基础。