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镁离子螯合酶是植物叶绿素生物合成途径分支的第一个酶,在依赖ATP的条件下催化将Mg2+插入原卟啉Ⅸ形成镁原卟啉Ⅸ。它至少由三个亚基组成,分别是I亚基(40-45k Da)、D亚基(70-90k Da)及H亚基(140-150k Da)。它不但催化叶绿素的合成,参与叶绿体与细胞核的反向信号转导,而且介导ABA信号途径以及参与基因表达调控。虽然在光合红细菌中对镁离子螯合酶的研究取得了大量进展,但在植物中的研究还知之甚少。因此研究高等植物镁离子螯合酶的催化动力学及其作用机理,对阐明叶绿素代谢途径的调控、叶绿体与细胞核反向信号及叶绿体ABA信号途径具有重要意义。本研究主要以水稻镁离子螯合酶为对象,建立了植物镁离子螯合酶的体外研究系统,对其的所有亚基及底物进行了系统的动力学分析,揭示了植物镁离子螯合酶催化的机制。本研究主要得到了以下结果：克隆、表达并纯化了水稻镁离子螯合酶的所有亚基及辅助蛋白GUN4,率先建立了植物镁离子螯合酶的体外研究系统。利用此系统发现GUN4在体外极大地增强了镁离子螯合酶的活性,提高反应速率达16倍。这主要是通过帮助H亚基与原卟啉Ⅸ形成稳定复合物来完成,并且这一过程需要镁离子和ATP的参与。GUN4蛋白C末端的9或10个氨基酸对镁离子螯合酶的激活作用至关重要,但缺失那些氨基酸并不影响与原卟啉Ⅸ的结合,并且这些氨基酸在高等植物中是保守的,而在蓝细菌等中是不存在,说明这也许是高等植物GUN4蛋白特有的调控方式。通过BN/SDS-PAGE、凝胶过滤和免疫印迹结果显示,D亚基在植物体内主要以六聚体形式存在,而I亚基则为单体或紧密的二聚体,GUN4与H亚基在体内形成了分子量为180kDa的复合物。底物ATP和Proto的动力学曲线为双曲线,即符合米氏方程,而底物Mg2+则为S形曲线,符合希尔方程,对催化反应有正协同效应。I亚基和GUN4的动力学分析显示两者符合米氏方程,而H亚基和GUN4的复合物的动力学则符合希尔方程,存在正协同效应。并且希尔反应系数为3,说明有多个H亚基和GUN4的复合物与D和I的复合物结合。并且GUN4与H及原卟啉Ⅸ复合物的形成,是整个催化反应的限速步骤。活性重组实验表明,单双子叶植物之间镁离子螯合酶非常保守,各亚基相互交叉依然具有活性。而植物与光合细菌之间除D亚基重组之外其余则没有活性。水稻中存在两个I亚基,两者结构类似,但是I2亚基不但不能替换I1亚基的活性,并且还会破坏I1亚基与D亚基所形成复合物的稳定性,从而抑制镁离子螯合酶的活性。这一系列的研究结果获得了水稻镁离子螯合酶各亚基及底物的动力学常数,初步弄清了GUN4对镁离子螯合酶的作用机制,揭示了镁离子螯合酶催化反应的机制,加深了对多亚基酶促复合物酶学机制的理解。