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金属硫蛋白(metallothionein,简称为MT),是一类具有高半胱氨酸含量(占总氨基酸含量的30%)、无芳香氨基酸、广泛存在于生物体内的低分子量金属蛋白。MT具有解重金属毒性、清除自由基和烷基化试剂的作用,在金属药物的药理研究中也具有重要地位。MT的结构研究一直是生命科学领域的研究热点。基于重金属易与MT结合,本论文研究了硫蛋白结合三种重要的金属离子——Bi3+、Pb2+和As3+的结构特性,主要结果包括：(1)采用基于密度泛函理论(Density functional theory)的B3LYP、 mPW1PW、OLYP和TPSSh方法,以及从头算(ab initio)的HF方法,对含主族金属铋、锑和砷的巯基小分子化合物M(SC6H5)3(M=Bi, Sb,As)的几何结构、振动频率和电子吸收光谱等进行了研究,并与文献报道的数据做了比较,确认适宜于各金属巯基化合物的最优化结构计算方法。结果显示：对于Sb(SC6H5)3和As(SC6H5)3, mPW1PW的计算精度明显高于其它四种计算方法；而对于复合物Bi(SC6H5)3, B3LYP方法能给出更高的计算精度。确定的最优计算方法将用于apo-MT结合Bi3+、Pb2+及As3+的结构研究。(2)采用紫外吸收光谱和CD光谱,研究了Bi3+结合脱金属硫蛋白(apo-MT)的反应过程及最终产物。确认产物中Bi3+和apo-MT的计量比为7：1,即形成Bi7-MT。CD光谱结果显示Bi7-MT具有不同于Zn7-MT和Cd7-MT的蛋白质二级结构。采用活性位点模型,利用密度泛函理论研究了Bi7-MT中Bi3+的三种可能配位结构(BiS3O1(1)、 BiS3O1(2)和BiS3O1(3)),并计算了生成络合结构的结合自由能和紫外吸收光谱。通过比较计算结果与实验光谱,揭示了Bi7-MT的内核结构模型为BiS3O1(1),其中Bi-O键中的配体氧来源于MT侧链上天冬氨酸的羧基。(3)采用紫外吸收光谱和圆二色光谱法研究了脱金属硫蛋白(apo-MT)及其单个结构域(apo-aMT, apo-βMT)、Zn7—MT在不同pH值下结合Pb2+的反应过程及最终产物。在pH5.4-7.0时,apo-MT结合Pb2+得到产物Pb7-MT;在pH5.4-4.0时,apo-MT结合Pb2+得到产物Pb7-MT’, apo-αMT、apo-βMT及Zn7-MT结合Pb2+的产物与apo-MT相同。Pb7-MT和Pb7-MT’表现出不同的化学稳定性.Pb7-MT在pH2.5可完全脱去Pb2+,而Pb7-MT’在pH2.0时才能完全脱去Pb2+。Pb7-MT可以在低pH值转变为Pb7-MT,而Pb7-MT’具有较高的稳定性,即使在中性溶液中也能稳定存在。分别采用连续介质模型法及ONIOM分层方法处理蛋白质环境,探讨了Pb-MT和Pb7-MT’的结构及其电子吸收光谱。计算结果表明,相较于连续介质模型法,采用ONIOM方法获得的计算光谱更接近于实验光谱。中性条件下形成的产物Pb7-MT,其金属活性中心结构为Pb-S3三配位；酸性条件下形成的产物Pb7-MT’,其金属活性中心结构较为复杂,同时含有Pb-S3三配位和Pb-S3O1的四配位结构,其中的配体O来自天冬氨酸残基上的羧基。Pb7-MT’较Pb7-MT更加稳定。(4)采用连续介质模型法和ONIOM分层方法,成功预测As6-MT的金属活性中心结构为As-S3配位的结构,该配位结构不同于Zn2+在Zn7-MT的配位结构。As3+具有与zn2+完全不同的配位结构,生物体摄入As3+后导致起酶催化的一些含锌蛋白结构发生变化,而失去生物功能,这可能是As3+具有毒性的原因之一。