膜蛋白是细胞膜的重要组成部分,在各种各样重要的生物学基本过程中都起着关键作用,如光合作用、呼吸作用、神经信号传导、免疫反应和营养物质的吸收等。其功能的多样性使得膜蛋白成为多种疾病发病的根源和药物作用的理想靶标,目前全世界50%以上的药物都是以膜蛋白为靶标。因此,膜蛋白的结构解析能使我们洞察其结构-功能关系和动态激活机制,引领合理的药物设计。近几十年来,固体核磁共振技术获得了飞速的发展,是目前研究生物分子结构和动力学行为的重要手段之一。由于固体核磁共振技术对样品的形式和分子量大小没有特殊的要求和限制,非常适合膜蛋白结构生物学研究,具有其它研究手段所不可替代的优势。通过各种标记策略和多维相关实验,固体核磁共振技术能够在动态的天然生物膜环境下解析膜蛋白的三维结构,研究其动力学行为以及与配体的动态相互作用,研究蛋白从非活性态到活性态的改变以及激活过程中不同结构域的构象变化,探讨蛋白的动态激活机制。针对外周蛋白中芳香性氨基酸对膜结构、功能的调控,本论文采用高分辨氢谱等多种固体核磁共振实验方法从分子水平上深入和系统研究了色氨酸及其它芳香性氨基酸在单一磷脂双分子层POPC以及混合磷脂双分子层POPC/POPG中作用位点及动态构象,进而阐明其与细胞膜多重相互作用的机制,揭示碱性-芳香族氨基酸簇基序组成的重要性；重点研究色氨酸参与膜融合的机理,确定不同芳香族氨基酸的插入位置及深度,阐明各种芳香族氨基酸-脂膜相互作用机制与肽链组成和结构间的关系,揭示芳香族氨基酸调协膜结构、功能的多重作用机制。本文进而深入研究了芳香性氨基酸对七次跨膜蛋白细菌视紫红质(bR)光循环和质子传输机制的影响。针对酪氨酸185(Tyrl85)和酪氨酸57(Tyr57)对细菌视紫红质基态视黄醛发色团顺反异构平衡及质子传输网络调控等诸多命题,围绕对视黄醛发色团及周边残基构象和Asp85-Asp212-Arg82周围氢键网络的影响,采用异核单自旋对选择性磁化矢量转移技术及二维同核相关实验,并辅以动力学光谱实验和分子动力学计算,从原子和分子水平上深入研究了Tyr185对视黄醛发色团顺反异构平衡的调控、以及Tyr185和Tyr57对细菌视紫红质质子传输网络的调控,揭示视黄醛发色团及周边残基构象和Asp85-Asp212-Arg82氢键网络受Tyr185和Tyr57调控的内在因素,首次提出了微开关调控存在的可能性。选择合适的样品环境对正确解析蛋白质结构和功能极为重要,结合紫外光谱、动力学光谱,以及固体核磁共振化学位移、扭转角和碳氢距离测定,本论文从视黄醛键合区和蛋白整体结构两个方面探讨了碱性环境对bR质子传输功能的影响。研究结果表明,碱性环境对视黄醛键合区的扰动主要表现在暗适应下局部残基构象变化导致bRcis局部的柔性增大、顺反异构平衡移动,从而导致了bRtrans比例的增大,但视黄醛侧链骨架的刚性程度并未改变。碱性环境对蛋白整体结构的扰动主要表现在C、D、F和G螺旋上的质子化碱性残基在高pH值下的去质子化导致了质子传输通道氢键网络的破坏和改变,从而造成了M和N态衰减的延迟以及O态的消失。本工作不仅对更深层次上认识bR结构、关键残基及质子泵功能具有重要意义,同时对认知其他视黄醛家族蛋白的结构-功能关系也有很大的指导意义。此外,无论从结构还是功能上,细菌视紫红质与治疗多种疾病的药物靶点G蛋白偶联受体(GPCR)同属七次跨膜整合蛋白,与人视紫红质有着类似配体作用机制以及激活机制。细菌视紫红质结构-功能的深入研究对人视紫红质中关键残基突变引起的病变研究及其它与重大疾病相关的GPCR结构-功能研究都具有一定的指导性意义,同时也为以结构为基础的GPCR药物设计提供一些基础性实验数据。