蛋白质工程ppt课件 (6).ppt

1 蛋白质工程 ProteinEngineering 绪论 2 一蛋白质工程的含义 以蛋白质的结构和功能的关系研究为基础 利用基因工程技术对现存的蛋白质加以改造 按照人类自身的需要 组建成新型蛋白质的现代生物技术 3 二蛋白质工程的诞生 一张蓝图上世纪70年代 特别是80年代初结构生物学揭示了大量蛋白质分子的精确立体结构及其与复杂生物学功能的关系 为设计改造天然蛋白质提供了蓝图一项工具分子遗传学发展了以定点诱变为中心的基因操作技术 为通过基因修饰改造蛋白质提供了工具 4 1983年 Ulmer在 Science 上发表以 ProteinEngineering 蛋白质工程 为题的专论 一般将此视为蛋白质工程诞生的标志 蛋白质工程的诞生的标志 5 KevinM Ulmer Science219 666 671 ABSTRCTTheprospectsforproteinengineering includingtherolesofx raycrystallography chemicalsynthesisofDNA andcomputermodellingofproteinstructureandfolding arediscussed Itisnowpossibletoattempttomodifymanydifferentpropertiesofproteinsbycombininginformationofcrystalstructureandproteinchemistrywithartificialgenesynthesis Suchtechniquesofferthepotentialforalteringproteinstructureandfunctioninwaysnotpossiblebyanyothermethod 6 1 蛋白质工程与发酵工程2 蛋白质工程与基因工程3 蛋白质工程与细胞工程4 蛋白质工程与酶工程5 蛋白质工程与生物信息技术6 蛋白质工程与结构分析 遗传物质的研究 7 蛋白质工程的应用 医药领域 白细胞 2 干扰素 尿激酶 人胰岛素 病毒疫苗 嵌合抗体和人源化抗体生物材料设计 骨形态发生蛋白 2能源领域农业领域工业领域环境领域 8 三蛋白质工程的主要内容和基本目的 以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能关系为基础 通过有控制的基因修饰和基因合成 对现有蛋白质加以定向改造 设计 构建并最终生产出性能比自然界存在的蛋白质更加优良 更符合人类需要的新型蛋白质 9 生物化学和结构分子生物学 计算机辅助设计相关软件 理论基础 蛋白质结构模拟预测的设计平台 分子生物学 基因工程技术 生物信息学 基因突变 蛋白质筛选系统 重组 改造的蛋白质分子 功能与结构分析 10 四蛋白质工程的原理 1 蛋白质工程的理论依据 基因指导蛋白质的合成2 蛋白质工程的设计原理 在知道需要改造的蛋白质的结构和功能的基础上 通过理论的方法 提出蛋白质改造的设计方案基因水平上蛋白质水平上 11 蛋白质工程与基因工程的区别基因工程是通过基因操作把外源基因转入适当的生物体内 并在其中进行表达 它的产品还是该基因编码的天然存在的蛋白质 第一代 蛋白质工程则更进一步根据分子设计的方案 通过对天然蛋白质的基因进行改造 来实现对其所编码的蛋白质的改造 它的产品已不再是天然的蛋白质 而是经过改造的 具有了人类所需要的优点的蛋白质 第二代基因工程 12 思路不同 基因工程是遵循中心法则 从DNA mRNA 蛋白质 折叠产生功能 基本上是生产出自然界已有的蛋白质 蛋白质工程是按照以下思路进行的 确定蛋白质的功能 蛋白质应有的高级结构 蛋白质应具备的折叠状态 应有的氨基酸序列 应有的碱基排列 可以创造自然界不存在的蛋白质 13 五 蛋白质工程的程序和操作方法 蛋白质工程主要是研究蛋白质的分离纯化 蛋白质的结构与功能分析 设计及预测 通过基因工程手段进行蛋白质的改造与创造 其中对蛋白质结构与功能关系的研究是蛋白质工程的核心内容 蛋白质工程的程序 蛋白质工程的操作方法 14 筛选纯化需要改造的目的蛋白 研究其特征常数 制备结晶 aa测序 X 晶体衍射分析 NMR分析 获得蛋白质结构与功能相关的数据 结合生物信息学方法对蛋白质的改造进行分析 确定蛋白质结构与功能的关系 从中找出可以修饰的位点和可能的途径 根据aa序列设计核酸探针或引物 从文库中获得基因 在基因改造方案设计的基础上 对基因序列进行改造 并在不同的表达系统中表达 分离纯化表达产物 并对表达产物的结构和功能进行检测 15 主要参考书 1 蛋白质工程 王大成等编著2 PROTEINSTRUCTURE Section1 Primarystructure secondarymotifs tertiaryarchitecture andquaternaryorganizationJannetteCareyandVanessaHanleyPrincetonUniversityPrinceton NJ08544 1009 16 来鲁华教授 北京大学理论生物学中心常务副主任 分子动态与稳态国家重点实验室主任 国家重点基础研究发展规划项目首席科学家 国家杰出青年基金获得者 来鲁华教授从1987年开始从事化学与生物学的交叉研究 特别是生物信息学研究 在蛋白质结构预测及分子设计方面做过大量工作 近年的主要工作方向为蛋白质 蛋白质相互作用研究 发展了用于蛋白质 蛋白质相互作用定量研究的平均势方法 该领域的其他著名学者 北大的顾孝诚 北方基因中心于军 杨焕明 清华的李衍达 饶子和 军科院贺福初 黄培堂 协和的沈岩 瑞金医院的陈竺 生化所的丁达夫 上海生物信息中心的赵国屏等 17 六小结蛋白质工程的主要内容及基本目的蛋白质工程与基因工程的主要区别 思考题 酶工程与蛋白质工程有什么区别 18 提示 酶工程就是指将酶所具有的生物催化作用 借助工程学的手段 应用于生产 生活 医疗诊断和环境保护等方面的一门科学技术 概括地说 酶工程是由酶制剂的生产和应用两方面组成的 酶工程的应用主要集中于食品工业 轻工业以及医药工业中 19 目录第一章 蛋白质结构基础第二章 蛋白质分子设计第三章 蛋白质的修饰与表达第四章 突变蛋白质的物理化学性质分析第五章 天然和重组蛋白的结构测定第六章 现代生物技术在蛋白质工程中的应用第七章 蛋白质工程在医药工业中的应用 20 第一章蛋白质结构基础 第一节 蛋白质结构的基本组件第二节 蛋白质结构的组织和主要类型第三节 蛋白质结构的形成 多肽链的生物合成与折叠 21 第一节蛋白质结构的基本组件 一 天然常见氨基酸二 肽单位和多肽链三 螺旋四 层五 环肽链六 疏水内核 22 一 天然常见氨基酸 构成蛋白质分子的基本化学单位是氨基酸 在所有蛋白质中常见的天然氨基酸共20种 在有机体内通过生物合成连接成多肽链 其顺序由编码基因中的核苷酸三联体遗传密码决定 23 1 基本结构 20种常见氨基酸中 19种都具有如下共同的化学结构 其中心碳原子 C 除结合一个H原子外 还分别连接一个氨基 NH2 和一个羧基 COOH 构成氨基酸的主链 它们在所有氨基酸中都是相同的 R称为氨基酸的侧链 不同氨基酸的区别就是其侧链R的化学结构不同 RH2N CH CO2H 24 25 另有一种脯氨酸具有类似而不相同的化学结构 它们的侧链与主链N原子共价结合 形成一个亚氨基酸 结构的特殊性决定了脯氨酸功能的特殊性 26 2 基本性质 20种不同的氨基酸侧链具有各种各样的化学特性 当它们以各种顺序结合成蛋白质分子时 其性质会有更多的变化 使其蛋白质的特性远不同于简单的有机分子 20种氨基酸侧链的性质是了解蛋白质的基本出发点 1 疏水氨基酸 Ile Leu Val Pro Phe Ala Met 2 极性氨基酸 SerThrAsnGlnCysHisTyrTrp 3 荷电氨基酸 LysArg AspGlu 27 3 单一构型和旋转异构体 1 构型与构象Configuration Conformation 2 天然氨基酸的单一构型 3 优势构象与旋转异构体 CORN 28 二 肽单位和多肽链 1 肽链和肽单位 1 肽键与多肽20种氨基酸在蛋白质中是通过肽键 peptidebond 连接在一起的 一个氨基酸的羧基与下一个氨基酸的氨基经缩合反应形成的共价连接称为肽键 R1R2H2N CHCOOH H2N CH COOHR1R2H2N CH C NH CH COOH H2O 29 2 肽单位与多肽主链由于局部双键性质 肽键连接的基团处于同一平面 具有确定的键长和键角 是多肽链中的刚性结构 称为肽单位 peptideunit 有序连接的肽单位就是多肽链的主链 因此 从结构上看 肽单位和侧链基团是蛋白质分子的基本建筑模块 30 40 Fig3 31 肽键具有局部双键性质 不能自由旋转 具有顺式和反式两种构型自然界中的肽键构型以反式结构更为稳定Inmostresidues thetranstocisdistributionaboutthisbondisabout90 10 butwithproline thetranstocisdistributionisabout70 30 Fig4 32 多肽链中相邻氨基酸残基的极性和平面性导致偶极矩的产生 它的负极在羧基氧一端 偶极矩对多肽的结构和功能有深刻的影响 33 2 多肽链的构象 1 扭角 torsionangle 或双面角 dihedralangle 系统 2 多肽链的构象角 3 Ramachandra构象图及多肽链构象的允许区 34 由4个原子或基团组成的系统投影在与B C键正交的平面上 A B键投影与C D键投影之间的夹角成为扭角 可视为A B C决定的平面与B C D决定的平面间的夹角 所以也称为双面角 A B与C D重合在一起的位置定义为0 当顺着中心键从B C C B 方向看系统 位于 角的前方原子A 或D 须按顺时针方向旋转方能归零时 角为正 反之为负 35 Fig5 36 肽键的旋转受限 但是和C 连接的四个基团可以自由旋转 肽基围绕单键C C 旋转形成的扭角称为 肽基围绕单键C N单键形成的扭角称为 37 Restrictionsonbondrotations SincetheentireplanerotatesoneithersideofC certainvaluesoftheangles and cannotbeachievedduetostericocclusion Theallowedregionsof spacedifferforeachaminoacidbecauseoftherestrictionduetoC anditsubstituents However evenforglycine someanglesarenotallowed 38 拉氏 Ramachandra 构象图及其意义将一条肽链所有组成氨基酸的 i i 值画在直方图上 就可以用简明的解析方式定量表达一条多肽链的构象 拉氏首先计算了多肽链构象的允许区 结果表明没有或基本没有空间障碍的多肽链的 i i 被限制在一个有限的范围 成为拉氏构象图 它一直广泛用于鉴定实验测定的和计算机模型建造的各种蛋白质结构的合理性 39 RamachandranplotsA 40 RamachandranplotsB 41 折叠的残基允许范围很小 Valineandisoleucine只占图的5 但是 所有的氨基酸残基都至少部分接近直方图的左上和左下部分 直方图的左上部分和左下部分这两个区域对应于常见的 螺旋和 折叠所具有的 角 42 螺旋区的 空间和 片层区的能量区间有一个明显的能量间隔 因此两种构象不能直接转换 43 第一 图中可以看出 许多多肽键和平面略有偏差 可能会减少 之间的转换壁垒第二 一些氨基酸残基在允许之外多次出现 这可能是小分子极性残基 推测这些小分子氨基酸残基可形成局部稳定的相互作用以弥补 区域的能量损失 44 三 螺旋 螺旋 helix 是被首先肯定的一种蛋白质空间结构的基本组件 基于相关小分子和肽单位结构的精确几何参数 美国加州理工学院的LinusPauling在1951年首先提出螺旋结构并预言它稳定地存在于蛋白质中 这一结构模型很快被美国剑桥的MaxParutz关于肌红蛋白和角蛋白的X射线衍射分析所支持 随后被第一个实验测定的高分辨率肌红蛋白的晶体结构 JohnKendrew 1959 所证实 现在大量已知蛋白质结构中 发现 螺旋普遍存在 45 1 基本结构参数2 螺旋偶极子3 两亲性螺旋4 倾向于形成 螺旋的氨基酸5 310螺旋和 螺旋 46 基本结构参数 righthanded helixdefinedbytherepeatlengthof3 6aminoacidresiduesandariseof0 54nmperturn Thusresidues i 3 and i 4 areclosesttoresidue i inthehelixThepitchanddimensionsofthehelixalsobringtheamideprotonofresidue i 3 or i 4 intoproximitytothecarbonyloxygenofresidue i suchthatahydrogenbondcanform Allpeptidegrouphydrogenbonddonorsandacceptorsaresatisfiedinthecentralpartofthehelicalsegment butnotattheends 47 由于一个肽单位的NH和C O各自具有极性 使其产生偶极距 这一肽单位偶极距也沿螺旋主排布 螺旋的氨基端带正电 羧基端带负电 约0 5 0 7单位电荷 在螺旋氨基端有自由的NH基 它易于与配体形成专一氢键使其处于有利的几何位置 提供了无需侧链而以主链构象结合配体的途径 常常在蛋白质活性中心出现 螺旋偶极子 48 两亲性螺旋 Amphipathicity 疏水残基与亲水残基按螺旋旋轮周期规律地相间分布 是产生两亲性的基本原因 Helicalwheel amphipathicityprediction 360 3 6residues 100o倾向于形成 螺旋的氨基酸 Ala Glu Leu Met 不利于形成 螺旋的氨基酸Pro Gly Tyr Ser 49 四 层 1 链2 平行 层和反平行 层3 混合型 层和扭转 层 50 五 环肽链 1 回折 reverseturn 1 转折 2 转折2 发夹 1 发夹 hairpin 2 凸起 bulge 51 长环肽链的构象常具有相当的柔性 flexibility 功能意义 这类柔性肽链的构象一般在 射线结构分析和NMR结构分析中都难于测定 但这种构象柔性常常对蛋白质的功能发挥具有特定意义 通过这种柔性肽段的运动 可以将蛋白质的活性中心打开 也可以将其关闭 以适应在活性发挥不同阶段的不同立体化学环境要求 长链环一般易受蛋白酶降解 它们常常结合金属离子 主要是Ca2 来稳定自己并拮抗蛋白酶的攻击 52 短肽链环的构象取决于特定氨基酸残基位置对I型 转折 任何氨基酸都可出现在其i i 3 的位置 但Pro不能出现在i 2位置 在I型和 型转折中 Gly主要位于i 3 Pro主要位于i 1 Asp Asn Ser和Cys经常出现在i位置 其侧链常与i 2残基NH成氢键 Gly和Asn最常出现在 型转折的i十2位置 因为它们最易于接受在此位置所要求的主链构象角 I 型转折的i 1和i 2位的优势氨基酸为Gly 型在i 2位为Gly 53 六 疏水内核 疏水内核的形成与疏水相互作用疏水内核在蛋白质中的分布疏水内核是蛋白质折叠的主要驱动力疏水内核是天然蛋白质稳定的基本结构因素 54 第二节蛋白质结构的组织和主要类型 蛋白质结构的特点与组织形式蛋白质结构的复杂性蛋白质结构的有序性 55 一 蛋白质结构的层次体系 丹麦生物化学家KaiLinderstram首先将蛋白质结构划分为一级 二级和三级结构 英国化学家Bernal又使用四级结构来描述复杂多肽链蛋白质分子的亚基结构 随着大量天然蛋白质的结构测定及以此为基础的综合分析 在二级结构与三级结构之间又发现了结构模体 超二级结构 和结构域 从而揭示了蛋白质结构的丰富层次体系 structurehirarchy 56 1 一级结构 概念 指多肽链中氨基酸的顺序 或氨基酸沿线性多肽链的排列 一级结构也常包含二硫键的数目和配对方式 一级结构是决定高级结构的主要因素 对一些蛋白质而言还需要其它辅助折叠因素 这是蛋白质结构组织的基本原理 同源蛋白在进化上是相关的 57 概念 在一段连续的肽单位中具有同一相对取向 可以用相同的构象角 来表征 构成一种特征的多肽链线性组合 称为蛋白质的二级结构 二级结构是多肽主链局部区域的规则结构 它不涉及侧链的构象和与多肽链其他部分的关系 二级结构主要包括 螺旋 平行 层 反平行 层 转折 310螺旋 二级结构的规则构象主要被其内部形成的主链氢键所稳定 因此氢键的排布方式也是二级结构的重要特征 58 3 结构模体 motif structuralmotif 概念 在蛋白质中常常发现 一级顺序上相邻的二级结构在三维折叠中也靠近 彼此按特定的几何排布形成简单地组合 可以同一结构模式出现在不同的蛋白质中 这些组合单位称为结构模体 特征 结构模体是一类超二级结构 supersecondarystructure 它们是三级结构的建筑模块 有的模体与特定的功能相关 如与DNA结合 许多模体并没有专一的生物功能 只是大结构和组装体的一个组成部分 59 4 结构域 概念 二级结构和结构模体以特定的方式组织连接 在蛋白质分子中形成两个或多个在空间上可以明显区分的三级折叠实体 称为结构域 domain 结构域的特征 结构域是蛋白质三级结构的基本单位 它可由一条多肽链 在单域蛋白质中 或多肽链的一部分 在多域蛋白质中 独立折叠形成稳定的三级结构 60 结构域的特征一个分子中的结构域区之间以共价键相连接 这是与蛋白质亚基结构 非共价缔合 的基本区别 一般说来 较大的蛋白质都有多个域区存在 它们可以非常不同的方式组合 从而以有限类型的域区结构组合成极为复杂多样的蛋白质整体结构 正是在结构域的基础上 才有可能对蛋白质进行结构分类 同时 结构域也是功能单位 不同的结构域常常与蛋白质的不同功能相关联 61 5 三级结构 tertiarystructure 概念 结构域在三维空间中以专一的方式组合排布 或者二级结构 结构模体及其与之相关联的各种环肽链在空间中的进一步协同盘曲 折叠 形成包括主链 侧链在内的专一排布 这就是蛋白质的三级结构 62 三级结构的特征 蛋白质的亚基和结构域是具有三级结构的蛋白质分子的亚单位 对于无亚基并只有单结构域的蛋白质 三级结构就是它的完整三维结构 对于大多数较大的蛋白质 它们具有多个结构域或亚基 需要通过这些三级结构单位的进一步组织才形成完整的分子 63 6 四级结构 quaternarystructure 概念 蛋白质分子的亚基结构 特征 许多蛋白质作为完整的活性分子 是由两条以上的多肽链组成 它们各自以独特的一级 二级 三级结构相互以非共价作用联结 共同构成完整的蛋白质分子这些肽链单位称为亚基 subunit 其聚合整体称为寡聚体 oligomer 多亚基蛋白中亚基的数目 类型 空间排布方式和亚基间相互作用的性质 都属于蛋白质四级结构的基本内容 64 结构的复杂性 随着蛋白质结构知识的不断丰富 许多蛋白质是以复合物 组装体作为完整的功能单位 其间所有三级折叠单位的组织方式也应纳入蛋白质四级结构的范畴 水构成蛋白质结构和功能整体的有机组成部分 是蛋白质结构组织中的重要因素 65 二 蛋白质结构分类 M Levitt C Chothia以及J S Richardson对已知蛋白质结构进行了系统的解剖分析 在结构域水平将蛋白质的结构划分为以下5类 66 1 按结构域分类 1 型结构 structure 2 型结构 structure 3 型结构 4 型结构 5 无规型 富含二硫键和金属离子型 67 1 型结构 structure 这类蛋白质主要由 螺旋组成 其螺旋含量一般在60 以上 有的高达80 螺旋在这类蛋白质中大多以反平行方式排布和堆积 所以又称反平行 结构 按照螺旋排布的不同拓扑学特征 又可分为一些亚组 肌红蛋白 血红蛋白 烟草花叶外壳蛋白 细胞色素b 等均属此类结构 68 分类 1 线绕式 螺旋 coiled coil helix 2 四螺旋束 fourhelixbundle 3 珠状折叠 globinfold 4 复杂螺旋组合 69 2 型结构 structure 此类结构主要由反平行 层构成 型结构在大小和组织上都有很大的变异范围 但在大多数情况下反平行 层都缠绕成一柱状或圆桶状 其缠绕方式可以是链间的顺序连接 也可以是链间的跨接 丝氨酸水解酶 免疫球蛋白A 一些球状RNA病毒的外壳蛋白等均属此类 70 分类 型结构组织较为复杂 具有相当大的多样性 根据其形貌和组织特征可概分为 上一下桶式 up and down barrel 和开放式折叠 up and downopen sheet 希腊钥匙 回纹 式折叠 Greekkey barrel 螺旋折叠 parallel helixfold 71 3 型结构它由平行的或混合型的 层被 螺旋包绕构成 主要是 模体的组合 在这类结构中 层和螺旋内部各股链主要以平行方式排布 所以也称为平行 型 当然 其中螺旋与相邻 链彼此是反平行的 多数情况下 一个5 9条链组成的平行 层在中央 两侧是 螺旋 形成三层式结构 丙糖磷酸异构酶 醛缩酶 乳酸脱氢酶 醇脱氢酶 磷酸甘油酸激酶等均属此类结构 72 分类 3种基本类型 TIM桶式折叠 TIMbarrele 扭转开放式折叠 Rossmanfold 马蹄式折叠 horseshoefold 三叶草型扭结 73 4 型结构这类结构中既含 螺旋又含 层结构 但 螺旋与 层在空间上彼此不混杂 分别处于分子的不同部位 有时 螺旋和 层分别形成两个结构域 溶菌酶 嗜热菌蛋白酶 核酸酶等属此类结构 74 5 无规型 富含二硫键和金属离子型这是一类小蛋白质分子 它们没有典型的二级结构 或者所含二级结构的组成和组织没有明显的规律可循 这类蛋白质分子虽然不大 一般小于100个氨基酸残基 但含有较多的二硫键或金属离子以稳定其三维结构 所以在有的分类中称它们为富含二硫键和金属离子型蛋白 75 上列前三类结构所占的比例分别是20 型 32 型 35 型 尽管随着用于统计分析的数据基础不同 这些比例数字也会有所变化 但是都表明这三类结构包含了已知蛋白质的绝大部分 总结 76 2 系统性分类 蛋白质结构数据库 proteindatabank PDB 中白质结构数据的迅速增加为蛋白质结构分类提供了新的更加丰富的数据基础 同时 蛋白质结构预测 蛋白质折叠以及蛋白质工程研究 需要更加深入和系统的蛋白质结构分类知识 因此 近年来发展了一系列按层次体系 hierarchy 对蛋白质结构进行分类的新方法 新程序 并将应用这些方法所获得的分类知识构建成数据库 目前较为系统和广泛使用的数据库为SCOP CATH DALI FSSP DDD 77 Scop分类体系主要包含如下层次 1 蛋白质 蛋白质名称2 类型 所属结构域类型3 折叠类型 具有某类共同折叠拓扑学的结构4 家族 结构域具有显著结构 功能 和序列相似性 显示出有共同进化起源的蛋白质群5 超家族 具有共同的结构和功能 但没有足够序列相似性的家族 78 第三节多肽链的生物合成与折叠 蛋白质是具有高度组织 结构极复杂的生物大分子 它们的结构可以有多个层次 多种类型 但它们可以在有机体内被精确产生 了解这种复杂蛋白质结构的形成机理 对于以设计和构建新型蛋白质为目标的蛋白质工程的战略性考虑和具体途径选取 都有十分重要的意义 79 一 多肽链的生物合成 自然界中的蛋白质可以由几十个氨基酸组成 也可以由上千个氨基酸组成 按化学标准 蛋白质的共价结构是极其巨大和复杂的 但它仍可在有机体内被精确地制造 有机体中所有相同的蛋白质分子都有同样的一级结构 所有不同的蛋白质分子都具有不相同的一级结构 这是由于有一个精确的生物合成机理 严格控制着作为蛋白质一级结构主要基础的多肽链的生成 80 多肽链生物合成的主要环节 多肽链生物合成的主要环节包括 基因携带规定氨基酸序列的核苷酸三联体遗传密码双链DNA分子的遗传信息转录到单链信使RNA mRNA mRNA在核糖上的翻译 81 二 多肽链的折叠 蛋白质三维结构的形成 多肽链折叠的基本概念多肽链折叠的生理意义对生物体内多肽链折叠的初步认识 82 体外蛋白质复性研究 何为蛋白质的变性 体外蛋白质复性研究是建立上述原理的主要实验基础 所谓复性 是指变性蛋白质重新恢复到变性前的天然三维结构状态 使蛋白质丧失了的生物活性重新恢复 83 添加稀释复性 分子伴侣和人工分子伴侣 液相色谱复性 反向胶束蛋白再折叠 促进蛋白质复性得溶质 辅助因子 聚乙二醇 环糊精 精氨酸 脯氨酸 表面活性剂 去垢剂 84 蛋白质的变性与复性问题的本质就是蛋白质分子发生去折叠和再折叠的问题 85 蛋白质折叠的概念 有帮助的肽链的自发折叠和组装 20世纪60年代Anfinsen的自组装学说多肽链的氨基酸序列包含了形成其热力学上稳定的天然构象所必须的全部信息1987年Ellis提出的蛋白质折叠的辅助性组装学说 86 蛋白质结构层次的产生是多肽链折叠的结果 蛋白质折叠的研究 就是研究蛋白质特定三维空间结构形成的规律 稳定性和与其生物活性的关系 87 折叠过程中通常出现的障碍 正确折叠中最常出现的障碍包括 中间体通过外露疏水基团的聚合 不正确二硫键的形成 脯氨酸残基的异构化 为了清除这些障碍 细胞产生了一些特殊蛋白质来帮助蛋白质正确折叠 如伴侣蛋白 二硫键异构酶等 88 帮助正确折叠的蛋白 1 分子伴侣 molecularchaperone 2 帮助正确二硫键形成的酶 3 肽酰脯氨酰异构酶 89 分子伴侣的功能 帮助新翻译的蛋白的折叠 帮助蛋白质的跨膜转运 使一些聚合蛋白解聚 催化不稳定蛋白的降解 控制具有生物活性的调节蛋白的折叠包括转录因子而调节基因的转录 参与细胞内囊泡的转运 参与细胞骨架蛋白的装配从而影响细胞的发育 90 分子伴侣 分子伴侣的作用不是酶促反应 也不是加快折叠速度 而是阻止新生肽链分子内或分子间的错误折叠 通过结合与释放帮助新生肽链正确折叠 91 折叠酶催化与折叠有关的化学反应 限制蛋白质折叠的速率体外条件下不能再折叠的蛋白质通常因为经历了某些干扰共价修饰过程 从而失去了某些折叠态所需要的辅助因子 或者产生了沉淀 某些蛋白在体内折叠确实需要生物因子 来防止蛋白质的聚沉 92 三 蛋白质结构与蛋白质工程 蛋白质工程中反向生物学研究 按照期望结构寻找最适氨基酸序列 从基因到氨基酸序列和蛋白质结构再到蛋白质功能 蛋白质工程的基本问题与基本困难 93 蛋白质工程的基本问题与基本困难 基本问题和困难 用计算机程序模拟在细胞 或试管 中进行的从一个具有特定氨基酸序列的多肽链折叠成精确的三维结构的过程 基本原因 对现有蛋白质的一级结构如何决定其独特三维空间结构的内在规律的不了解 解决途径 1 Threadingmethod穿织法 Proteinfoldassignment foldr