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环境友好高效的生物冶金技术的工业应用和发展亟需理论的突破以给生产实践提供指导,但由于对生物因素了解的局限性及生物冶金体系本身的复杂性一直妨碍了人们对生物冶金体系的全局的理解。本论文运用序列比对与识别、同源模建、进化踪迹分析、途径网络重构、分子模拟、量子化学计算、静电势分析、分子对接等生物信息学和分子计算方法,结合蛋白质表达纯化和定点突变与表征等技术,对嗜酸氧化亚铁硫杆菌（Acidithiobacillus ferrooxidans,简称A.f菌）在浸矿过程中利用铁硫能源驱动生物体合成的铁硫代谢能量传递过程进行了系统地研究,构建了其能量传递途径网络图,解释了单个A.f菌如何浸矿。此外,对硫化矿生物浸出体系及其能量传递耦合的产酸问题进行了分析。论文的具体研究内容和结果可概括为五个方面:一.A.f菌的若干能量传递蛋白的结构分析与反应机理预测。细胞色素c:A.f菌有10个细胞色素c,聚类分析表明它们分成4大同源蛋白类。其中4个周质细胞色素c4家族蛋白的序列结构比较表明位于Cyc1的Tyr63和Glu121位点附近的残基差异决定它们的功能差异。细胞色素bc1复合体:A.f菌有2个细胞色素bc1复合体,对它们进行了结构模建和机理探讨,序列和结构比较显示了它们在细胞色素b亚基位于血红素bL辅基近溶液外侧的Arg79位点存在差异,这可能导致了它们的正反向功能差异。终端氧化酶:A.f菌有4个终端氧化酶,对它们进行了结构模建和机理探讨,结果表明,细胞色素aa3和ba3复合体的电子供体是周质细胞色素c;细胞色素bo3和bd复合体的电子供体是泛醌。细胞色素CycA1:模建了三维分子结构,它包含2个血红素辅基。细胞色素Cyc2like蛋白:生物信息学分析表明它是定位于外膜含一个血红素的高分子量细胞色素蛋白。硫化物泛醌还原酶（SQR）:SQR的结构尚未解析,模建了A.f菌源SQR三维分子结构,并跟黄素（FAD）和泛醌（UQ）进行分子对接,根据这些结果提出了其反应机理。基因doxDA:A.f菌doxDA-1与doxDA-2基因的生物信息学分析表明它们是融合基因。DsbG蛋白:结构模建结果表明,二聚体DsbG蛋白中的两个单体对称结合,2个保守的Cys119和Cys122残基的位置远离二聚体DsbG蛋白的接触面,但它们的位置十分接近。核糖-5-磷酸异构酶:模建了三维分子结构并跟底物R5P进行了分子对接,根据对接结果识别了催化的关键残基,提出了其反应机理。谷胱甘肽还原酶:模建了三维分子结构并跟底物进行分子对接,根据对接结果识别了催化的关键残基,提出了其反应机理。二.A.f菌的若干能量传递蛋白的结构模建与表达验证。铜蓝蛋白:静电势分析、活性位点量化计算和蛋白质表达定点突变实验证实残基Cys138对结合铜原子非常重要。亚铁氧化酶（Iro）:Iro的结构尚未解析,模建了A.f菌源Iro结构,结果表明它是由4个半胱氨酸配位[Fe4S4]铁硫簇的高电位铁硫蛋白（HiPIP）家族蛋白,对离铁硫簇十分近的Tyr10虚拟突变实验预测了该位置处的芳香环对保护铁硫簇起重大作用,蛋白质的表达纯化及定点突变实验进一步证实了这些结论。高电位铁硫蛋白:结构模建表明它含有4个半胱氨酸配位的[Fe4S4]铁硫簇;蛋白的表达纯化实验表明它含有铁硫簇活性中心;定点突变实验进一步证实预测的残基配位[Fe4S4]铁硫簇。亚硫酸还原酶:模建了它的黄素蛋白（SiR-FP）和血红素蛋白（SiR-HP）的三维分子结构,结果表明,SiR-HP中4个保守的Cys427,Cys433,Cys472和Cys476残基配位位于单体结构的中心的[Fe4S4]铁硫簇,血红素位于铁硫簇附近。蛋白的表达纯化实验表明SiR-FP含有[Fe4S4]铁硫簇活性中心和血红素基团,定点突变实验证实预测的残基配位[Fe4S4]铁硫簇。APS还原酶:结构模建结果表明它含有由4个保守的Cys110,Cys111,Cys193和Cys196残基配位[Fe4S4]铁硫簇,底物APS分子对接的结果显示其位置就在附近。蛋白的表达纯化实验表明它含有铁硫簇活性中心。铁硫簇组装供硫蛋白（IscS）:模建了A.f菌源IscS的完整的三维分子结构,跟辅因子PLP和底物半胱氨酸分子对接发现了一些重要残基;蛋白的表达纯化实验进一步证勃A.f菌源的IscS是一个半胱氨酸脱硫酶,它依赖PLP,催化L型半胱氨酸转变成L型丙氨酸和硫烷硫,为铁硫簇组装供硫。铁硫簇组装蛋白（IscA）:IscA可能含[Fe4S4]或[Fe2S2]铁硫簇,结构模建和蛋白的定点突变实验验证表明A.f菌源IscA含有由Cys35,Cys99,Cys101和Glu103配位的[Fe4S4]铁硫簇。铁硫簇支架蛋白（IscU）:IscU可能含[Fe4S4]或[Fe2S2]铁硫簇,结构模建和蛋白的定点突变实验验证表明A.f菌源IscU含有由Cys37,Cys63,Cys106和Asp39配位的[Fe2S2]铁硫簇。铁氧还蛋白:铁氧还蛋白可能含[Fe4S4],[Fe3S4]或[Fe2S2]铁硫簇,结构模建表明它是由4个半胱氨酸残基Cys42,Cys48,Cys51和Cys87配位[Fe2S2]的铁硫蛋白;蛋白的表达纯化实验表明A.f菌源的铁氧还蛋白正确插入[Fe2S2]铁硫簇;定点突变实验进一步证实预测的残基配位[Fe2S2]铁硫簇。超氧化物歧化酶:进行了三维结构模建和进化踪迹分析,它的活性中心由Cys35,Cys99,Cys101和Glu103配位铁原子组成;蛋白的表达纯化实验表明它是含铁超氧化物歧化酶。中链乙酰辅酶A脱氢酶:它及其Y375K突变体与乙酰辅酶A的分子对接比较研究和蛋白表达验证结果表明,中链乙酰辅酶A脱氢酶的Tyr375突变成Lys375使其获得了乙酰辅酶A氧化酶活性。乙酰辅酶A氧化酶:分子对接预测和蛋白的表达验证结果表明Oct-2-en-4-ynoyl-CoA是它的一个特异性抑制剂。三.A.f菌的若干多拷贝能量传递蛋白的分子多样性。在三维分子结构层次考察了A.f菌的细胞色素c4类蛋白、铜蓝蛋白、高氧还电位铁硫蛋白、硫化物泛醌还原酶在不同菌株和相同菌株的不同拷贝间的分子多样性。结果表明相同菌株的不同拷贝蛋白间的差异处于分子的局部;不同菌株同一蛋白间的差异为数个远离活性中心的残基,但有少数在活性中心附近发生突变。四.A.f菌浸矿过程铁硫代谢的能量传递网络图。对A.f ATCC 23270全基因组涉及铁硫代谢能量传递的二百多个基因和三十多个多基因操纵子进行了系统地分析,结合前面各部分的研究结果和已有文献的研究成果,构建了A.f菌浸矿过程铁硫代谢能量传递网络图。它包括矿物的分解,溶液中的反应,A.f菌的呼吸链、亚铁氧化、硫代谢、二氧化碳固定、氮气固定及氢气利用等部分。图中对所涉及蛋白的同工酶和多拷贝蛋白的个数及一些重要反应的氧还电势也进行了标注。通过这个图,可明白单A.f菌如何浸矿。五.硫化矿生物浸出体系的分析及产酸问题。以生成新物质的流量为切入点,系统地分析了硫化矿生物浸出体系,该体系的变化主要由铁硫碳氮氧和金属六条关键物质流主导。最后,根据A.f菌浸矿过程铁硫代谢能量传递网络图结果对硫化矿生物浸出过程能量传递耦合的产酸问题进行了分析。