蛋白质分子设计课件

第六章蛋白质分子设计本章主要内容：1.蛋白质分子设计的目的；2.蛋白质分子设计原理；3.蛋白质分子设计的主要途径；4.蛋白质分子设计的主要步骤。左为PrPC；

右为PrPSC

一、蛋白质分子设计的目的1.探索蛋白质结构层次之间的相互关系；2.探索蛋白质结构，特别是立体结构的形成规律；3.探索蛋白质折叠的分子机理；4.为蛋白质结构与功能的关系研究提供手段；5.改造天然蛋白质的结构，获得符合需要的蛋白质；6.为创造全新的蛋白质奠定基础。二、蛋白质分子设计原理1.内核假设：蛋白质内核中侧链的相互作用决定其独特的折叠形式。内核是指蛋白质在进化中保守的内部区域。在通常情况下,内核由氢键连接的二级结构单元组成。2.所有蛋白质内部都是密堆积（很少有空穴大到可以结合1个水分子或惰性气体），并且没有重叠。因为：分子是从内部排出的；原子间的伦敦色散力。3.所有内部氢键都是最大满足的，包括主链和侧链。4.疏水及亲水基团需要合理地分布在溶剂可及与不可及的表面。5.在金属蛋白质中，配位残基的替换要求满足金属配位几何。在金属周围放置适当数目的蛋白质侧链或溶剂分子，并符合正确的键长、键角及整体几何。6.对于金属蛋白质，围绕金属中心的第二壳层的相互作用是重要的。因为大多数配基含有一个以上的基团，除与金属离子形成配位键以外的基团之间或与其他氨基酸侧链之间形成氢键。如组氨酸。7.最佳的氨基酸侧链几何排列。包括排列顺序、优势构象。8.结构及功能的专一性。这是蛋白质分子设计最困难的问题。蛋白质分子设计涉及到的重要技术：1.在蛋白质设计开始之前，要对所要求的活性进行筛选。由于真菌与细胞相对容易处理，因此，它们是一个生物活性物质源。2.由于基因工程的发展，真核基因表达技术的发展使动物蛋白质与植物蛋白质的数目迅速增长，又增加了新的生物活性物质源。

即：目的基因表达方法的选择与确定。3.蛋白质提取与纯化后需要进行细致的表征，测定它们的序列、三维结构、稳定性、生物活性等。编码氨基酸的分类：

非极性氨基酸（8种）：Ala、Val、Leu、Ile、Phe、Trp、Met和Pro

极性氨基酸（12种）：不带电极性氨基酸：Gly、Ser、Thr、Cys、Tyr、Asn和Gln带电极性氨基酸：带正电荷极性氨基酸：Arg、His和Lys

带负电荷极性氨基酸：Asp和Glu参考第二章中有关20种氨基酸的结构（侧链的不同）！倾向于形成α-螺旋的氨基酸：

对已知蛋白质结构进行大量的分析表明，氨基酸形成α-螺旋的倾向性不同。

强烈倾向于形成α-螺旋的氨基酸有：Ala、Glu、Leu、Lys和Met。

非常不利于形成α-螺旋的氨基酸有：Pro、Gly、Tyr和Ser。

举例：抗菌肽的结构与功能科研楼（一）基于天然蛋白质结构的分子设计

以天然蛋白质的分子结构及功能（稳定性）知识为基础。（PDB及相关数据库可提供大量参考信息）

首先对其进行不同方式的理论改造，并借助于计算机模拟技术，推测其可能的改造后的结构与功能。

然后用基因工程技术或人工合成技术获得这种改造后的新蛋白质，并用实验的方法测定其结构及功能。

如未达到要求，再重复上述过程，直至满足需要为止。以天然蛋白质结构为基础进行分子设计的具体步骤：1.从天然蛋白质的三维结构出发，利用计算机模拟技术确定突变位点及替换的氨基酸。注意的问题：

1）应确定对蛋白质折叠敏感的区域，这些区域包括：带特殊扭角的氨基酸、盐桥和密堆积区等。内核！

2）应确定对功能非常重要的位置，这些可以从结构与功能的关系、生物化学或蛋白质工程实验及结构上考虑。

3）应考察其余位置对所希望改变的影响。

4）当进行互换或插入/删除残基时，应考虑它们对结构特征及功能的影响。应遵循以下原则：氨基酸侧链的改变不影响该主链的折叠，插入／删除某些部分不影响表面区域，侧链交换遵守蛋白质结构保守原则。

2.利用能量优化及蛋白质动力学方法预测修饰后的蛋白质结构。3.预测的结构与原始蛋白质结构比较，利用蛋白质结构与功能、结构与稳定性的相关知识及理论，预测新蛋白质可能具有的性质。4.人工合成新设计蛋白或利用基因工程技术表达该蛋白质，经分离纯化后，进行系统地鉴定（表征）。（二）蛋白质从头设计或蛋白质全新设计

以天然蛋白质结构为基础进行的分子设计，可以优化蛋白质的活性，改善其药效动力学性质。那么，人们能否根据自己意愿，设计合成具有全新的结构与功能的蛋白质呢？

例如：离子通道纳米管，血红素结合蛋白，氧化还原活性蛋白，DNA结合蛋白等。

全新蛋白质分子设计是另外一种蛋白质工程，即合成具有新的更优良的结构与功能的蛋白质。

全新蛋白质分子设计：从头结构设计和从头功能设计。蛋白质的超二级结构示意图a.αα组合b.βββ组合c.βαβ组合A:αα；B:βxβ；C:βαβαβ；D、E:

单双向β-折叠；F：β-迂回；G：回型拓扑结构。左为PrPC；右为PrPSC4.基于组合库的全新蛋白质分子设计利用组合库技术已在如下方面取得成功：α-螺旋；β-折叠片；单体；自组装为有序的排列；堆积为天然类蛋白；超热稳定性；结合辅因子的能力；催化活性。5.在合成模板上肽的组装6.线性多肽折叠为球状结构2.蛋白质功能的从头设计

1）通过反向拟合天然蛋白质设计新的功能；

在以下方面已取得成功：DNA结合专一性；改变辅因子的专一性；改变底物的专一性（抗体酶）

2）键合及催化的从头设计；3）在全新蛋白质中引入结合位点；4）催化活性蛋白质的设计；5）膜蛋白及离子通道的设计；6）新材料的设计。结构与功能的容忍度蛋白质结构及功能对残基的替换有一定的容忍度，即结构与功能的关系有一定的稳健度。例如：Fersht等替换了Barnase的所有内核残基。结果表明，23％的突变体保留了酶的活性。Mathews等在溶菌酶内核中替换多至10个残基。实验证明多重取代的蛋白仍具有活性以及协同折叠。这些结果说明不同的氨基酸序列具有相近的设计结构。五、蛋白质工程的基本问题与困难一）改变蛋白质结构的基本途径1.以同源蛋白为模型推测突变体蛋白的空间构象。2.突变一系列有结构倾向的氨基酸以改变蛋白质结构类型。3.从热力学第一定律出发设计蛋白质结构。二）增加蛋白质稳定性的基本途径1.降低折叠与非折叠的熵差。2.稳定α-螺旋。3.填充疏水内核。三）蛋白质工程的基本困难与生物体内蛋白质的形成过程相比较，蛋白质工程是一个反向分子生物学过程。在这一过程中，最基本的问题是：按期望的结构寻求最适氨基酸序列。要做到这一点，就要求有先进的计算机程序，它能够模拟细胞内或体外氨基酸多肽链折叠成三维结构的精确过程。但这是一个目前还没有解决的基本问题。

分子生物学过程transcriptiontranslationfoldingDNA

mRNA

polypeptides

3D-structure

function

synthesismoleculardesign

蛋白质工程过程

不疾学而能为魁士名人者，未之尝有也！

-----吕氏春秋《劝学》在科学的道路上，只有丰碑，没有路标！

-----爱因斯坦

凡事之本，必先治身！