近年来,电镜单颗粒技术迅速发展,成为结构生物学研究的一项主要技术手段。本论文介绍电镜单颗粒技术在两种蛋白质结构研究中的应用。在论文第一部分中,我们通过电镜单颗粒技术解析了尿素氨解酶的结构。尿素是很多含氮生物分子（如精氨酸、嘌呤或酰脲等）的代谢产物,可继续被尿素氨解酶（urea Amidolyase,UA）转化为无机氨而重新纳入合成代谢,以实现氮元素在生物圈中的循环利用。尿素氨解酶由尿素羧化酶（UC）结构域和脲基甲酸水解酶（AH）结构域组成,分两步反应实现尿素分解。UC属于依赖生物素的羧化酶家族,负责将尿素羧化生成脲基甲酸,AH负责将中间产物脲基甲酸进一步水解为终产物NH₃和CO₂。UC和AH中发生的反应又可分为两步在两个不同的结构域中进行。其中UC包含生物素羧化酶（BC）、羧基转移酶（CT）以及携带生物素-羧基蛋白（BCCP）三个结构组分,BC具有生物素羧化酶活性,可将BCCP上携带的生物素羧化,而CT具有生物素羧基转移酶活性,可将BCCP上被羧化的生物素上的羧基转移到尿素分子上,生成脲基甲酸,完成对尿素的羧化反应;而AH的N domain和C domain也分别具有不同的酶活,分两步对脲基甲酸进行水解。可见,UA是一个多结构域具有多种酶活的蛋白,在发挥功能的过程中,需要各结构域彼此间的密切协同以在结构域间完成中间产物/底物的传递。特别是,虽然同家族其他成员酶活的发挥依赖于形成寡聚体,但UC的酶活不依赖于寡聚。目前UC与AH结构域各自的晶体结构已被解析,但前者仅捕捉到BCCP与CT结合的构象,而UA蛋白的整体构架及工作过程中介导结构域间通讯的构象变化还不清楚。本研究通过电镜单颗粒三维重构技术,解析UA全酶的分子构架及寡聚机制,为进一步研究UA发挥酶活过程中主要功能态的构象变化机制打下基础。在论文的第二部分,我们对通过电镜单颗粒技术解析的AMPK蛋白结构与晶体结构之间的构架差异进行比较分析。AMP激活的蛋白激酶（AMPK）是哺乳动物细胞中感应AMP（ADP）/ATP水平以调节细胞能量平衡的关键蛋白。AMPK同源三聚体或单体的整体构架已通过电镜（EM）单颗粒技术及X-射线晶体学技术分别被解析。这两种结构模型均指出了α亚基连接序列通过感应γ亚基腺苷结合状态而变构调节α亚基激酶结构域（KD）活性的关键作用,但对α亚基KD的取向和β亚基糖原结合结构域（CBM）的定位存在明显差异。Mg²⁺是AMPK发挥酶活所必需的辅因子,由于EM样品制备缓冲液中含有Mg²⁺,而晶体结构中不含Mg²⁺,为了检查Mg²⁺是否会导致AMPK构架差异,我们对无Mg²⁺条件下准备的AMPK样品进行了电镜三维重构。结果表明,不同的制样条件下,通过电镜重构得到的AMPK结构模型的构架并无明显差异。进一步的分析表明,KD和CBM的分子内运动可能是由于分子内灵活的柔性连接序列以及可塑的分子间排列方式导致,显示出AMPK蛋白分子结构的可塑性与复杂性。