3-1-蛋白质分子设计
理学蛋白质分子设计
• 先讲理论 • 后面举几个例子
蛋白质分子设计策略
• 理性设计策略
– 前提:充分了解结构与功能的关系
• 随机突变+功能筛选
– 前提:不了解结构与功能的关系
• 理性设计+随机突变+功能筛选
– 前提:不完全了解结构与功能的关系
分子设计的种类
小改：少数残基的替换，突变或修饰 中改：分子拼接，肽段或结构域的替换 大改：从头设计，全新蛋白质的设计
具体方法：
利用R55受体的结构 模建R75受体的结构
根据淋巴毒素与R55 的作用情况，模拟肿 瘤坏死因子与R55受 体的相互作用情况。
根据肿瘤坏死因子与 R55受体的相互作用 情况，模拟肿瘤坏死 因子与R75受体的相 互作用情况。
Gln67与R55作用不明显，但与R75的Asp有静电作用， 将它突变为结构相似但带电相反的Glu会降低TNF与 R75的作用，但不会改变与R55的作用。
0 0.02 0.2 2 20 200
Protein (ng)
mTSA BSA SEA
融合蛋白与A431细胞结合的剂量曲线
mTSA与A431细胞结合的特异性试验 A.Positive control EGF; B. pmTSA ; C. mTSA binding blocked by EGF; D. Blank control :PBS
基于结构的药物设计
确定靶蛋白的结合口袋，以结合口袋的结构环境设 计药物； 未知受体结构时，根据具有相同或相似生物学活性 的已知化合物的结构叠合，反推受体结合口袋的可能 结构环境，根据推测的受体结合口袋进行新型药物设 计。
蛋白质分子的模拟肽设计
骨架残基设计，肽库筛选 以结构为模板的分子设计。
蛋白质分子设计资料重点
1927 年Heitler－London 用量子力学成功讨论氢分子 的结构,量子化学迅速发展。
计算技术的革命和计算方法的改善,量子化学的应用范 围越来越广,其概念和计算方法逐渐应用到了化学动力 学、催化、电化、生物、药物等领域,产生了一个个新 的学科分支———微观反应动力学、量子催化、量子 电化、量子生物和量子药物等,和光谱学结合,更促使 化学及其相邻学科朝着推理化、定理化、微观化的方 向发展。
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蛋白质三维结构知识对于蛋白质工程是绝对必 要的。
目前PDB(Protein Data Bank)已收集数以万计个蛋白质 晶体结构，但是通常蛋白质序列的数目比蛋白质三维结 构的数目大100倍。
当我们开始对某一天然蛋白质进行蛋白质分子设计时：
首先要查找PDB了解这个蛋白质的三维结构是否已被
收录。如果PDB中没有收录又未见文献报道，我们需要 通过蛋白质X射线晶体学及NMR方法测定蛋白质的三维结 构，或者通过结构预测的方法构建该蛋白质三维结构模 型。
2、三级结构的确定性较差
第一节 基于天然蛋白质结构的设计
一、概述
计算机模拟
基因构建
功能分析
突变蛋白质产品
蛋白质设计循环
蛋白质设计涉及多种学科的配合，如计算机模拟专家、X射线晶体学家、蛋 白质化学家、生物技术专家等的合作和配合
专一性突变产物是蛋白质设计成败的关键。一些新技术，如PCR及自动化技 术的发展使各种类型的基因工程变得快速、容易。
把Cys转换为Ala或Ser，把Trp 转换为Phe或Tyr
替代表面羧基，把Met转换为 Gln、Val、Ile或Leu
蛋白质的分子设计
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蛋白质分子设计是一门新兴的研究领域，其本身在不断地
蛋白质分子组成课程设计
蛋白质分子组成课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解蛋白质的基本组成元素，掌握氨基酸的结构通式和分类。
2. 学生能够阐述蛋白质的合成过程，解释蛋白质多样性的原因。
3. 学生了解蛋白质在生命活动中的重要作用，并能举例说明。
技能目标：1. 学生能够运用化学知识分析蛋白质的组成和性质，培养科学探究能力。
2. 学生能够运用实验技能进行蛋白质的提取、分离和鉴定，提高实验操作能力。
情感态度价值观目标：1. 学生培养对生物学科的兴趣，认识到蛋白质研究在科学领域的价值。
2. 学生通过学习蛋白质相关知识，增强关爱生命、关注健康的意识。
3. 学生在小组合作学习中，培养团队协作精神和沟通能力。
本课程设计针对高中年级学生，结合蛋白质分子组成的知识点，注重理论与实验相结合。
课程目标既包括对蛋白质基础知识的掌握，又强调实验技能的培养和情感态度价值观的引导。
通过本课程的学习，期望学生能够全面了解蛋白质的相关知识，提高科学素养，培养探索精神和实践能力。
二、教学内容1. 蛋白质的基本组成元素：氨基酸的结构通式、分类及性质。
2. 蛋白质的合成过程：转录、翻译及蛋白质折叠。
3. 蛋白质多样性的原因：氨基酸序列、空间结构及功能多样性。
4. 蛋白质在生命活动中的作用：酶、激素、抗体、肌肉蛋白等实例分析。
5. 蛋白质研究方法：实验原理及操作技能（蛋白质提取、分离、鉴定）。
教学内容依据课程目标，结合教材相关章节进行组织。
具体安排如下：1. 第一节课：蛋白质的基本组成元素，重点讲解氨基酸的结构、分类及性质。
2. 第二节课：蛋白质的合成过程，引导学生理解转录、翻译及蛋白质折叠过程。
3. 第三节课：蛋白质多样性的原因，通过实例分析让学生了解蛋白质多样性。
4. 第四节课：蛋白质在生命活动中的作用，举例说明蛋白质的功能。
5. 第五节课：蛋白质研究方法，实验操作技能的培养。
教学内容具有科学性和系统性，旨在帮助学生全面掌握蛋白质相关知识，为后续学习打下坚实基础。
1教学设计-蛋白质的分子结构
《蛋白质的分子结构》教学设计一、教材分析本节课是生物化学第二章第二节蛋白质分子结构的内容。
它是在学生学完氨基酸、肽、稳定蛋白质分子的作用力的知识后，转入难度较大的蛋白质分子结构的学习。
蛋白质是学生接触到的第一个生物大分子，部分学过生物的同学对蛋白质的了解也只是基础知识。
学生没有建立起蛋白质分子结构的概念。
因此本堂课蛋白质的分子结构是本章节的重点内容。
它与前面所学的氨基酸、肽等内容联系紧密：也为今后学习酶、理解其它生物大分子的结构奠定基础。
二、教学目标【知识目标】①掌握蛋白质的一级、二级、三级、四级结构的概念及其作用力②掌握蛋白质二级结构的基本类型和结构特点。
③理解蛋白质结构与功能的关系。
【能力目标】通过观察、总结、推理等手段，培养学生的观察思考、归纳总结和创造思维能力。
【情感目标】通过发现问題、解決问题的过程，培养学生的探素精神。
使学生完成由感性认识到理性认识的过程，促进学生形成正确的世界观。
三、教学重点与难点蛋白质的分子结构属于微观世界，是看不见、摸不着的，通过展示图片，动画讲解来帮助学生理解，仍要学生发主观能动性，所以本节课的重点是蛋白的一级结构、二级结构，难点是白质的空间结构。
四、教学方法根据本节课的内容及学生的实际水平，我采取启发式学法。
作为理解蛋白质功能的重要理论，蛋白质的结构是一个极其抽象的知识。
对于学生米说，蛋白质的创设一种氛国，引导学生进入积极思考的学习状态就很重要了。
而启发式教学就重在教师的启发，创设问题情景，以此调动学生内在的认知需求，激发学生的探究蛋白质结构的兴趣。
五、教学手段充分发挥电脑多媒体的辅助教学作用。
多媒体以图片、动画等多种形式强化对学生感观的刺激，加强教学的直观性，増强学生的感性认识，提高学习兴趣，使学生在主动获取知识的过程中完成重点、难点的学习，从面完成教学日标。
六、教学过程五、板书设计第二节蛋白质的分子结构一、蛋白质的分子结构（一）蛋白质的一级结构（二）蛋白质的空间结构1、蛋白质的二级结构（1）α-螺旋（2）β-折叠（3）β-转角（4）无规则卷曲2、蛋白质的三级结构3、蛋白质的四级结构二、蛋白质结构与功能的关系（一）蛋白质一级结构与功能的关系（二）蛋白质空间结构与功能的关系。
第七章 蛋白质分子设计
一、分子设计的目的
蛋白质的分子设计目的：
获得具有特定功能的蛋白质。 蛋白质的 蛋白质的 分子设计 从头设计 对已有蛋白质的分 子改造提供确切的 方案。
理性设计
设计自然界中尚未发 现的、具有全新结构 和功能的蛋白质。
二、蛋白质分子设计的理论基础
理论基础是蛋白质的结构与功能关系，
β 折叠片的设计原则：
选择形成β 折叠片倾向性较大的氨基酸残基， 如Val、Ile、Tyr。 使亲水性残基和疏水性残基相间排列。
β 转角设计：
要考虑转角类型，某些氨基酸残基对 蛋白质的二级结构有终止作用。如Pro和 Gly是α 螺旋的中断者，Glu是β 折叠的中 断者，设计时可利用这些氨基酸残基来终 止分割不同的二级结构。
四、蛋白质分子设计的方法与过程
1、蛋白质的理性设计
点突变（小改）：对已知结构的pro进行几个 残基的替换来改善pro的结构和功能。
序列及结构域的组合（中改）：对天然pro分 子进行大规模地肽链或结构域替换以及对 不同pro的结构域进行拼接组装。
（1）点突变（小改）
三类突变： 插入一个或多个氨基酸残基， 删除一个或子就是抗体设计和改造。
抗 结 部 原 合 位
VH CH1
H L VL
S 补 结 部 体 合 位
S
S S S S
S
S
CL CH2 CH3
IgG分子的12个结构域
2、从头设计（大改）
是指从氨基酸残基出发，即从一级 序列出发，设计制造自然界中不存在的 全新蛋白质，使之具有特定的空间结构 和预期的功能。
用丝氨酸替换Thr241，没有丧失对调节亚基的亲 和力，这暗示磷酸丝氨酸可以替换磷酸苏氨酸。
第二章 蛋白质分子设计
5）使用芳香-荷电-疏的相互作用
２、配体诱导组装 配位结合位点设计在结构中有几个相互作用 片断的界面处。如果这个位点对配体有很高的亲 和力，则结合配体的合适的自由能将充分克服熵 消耗并且驱动肽自组装
＋
3、通过共价交叉连接实现肽的自组装
• 设计全新蛋白的主要障碍是肽链的构象熵。当几 个没有连接的肽链进行自助装时，熵势垒比较难 以克服。通过共价交叉连接可以减少构象熵。 • 自然界唯一用于交叉连接的方法是二硫键。
蛋白质分子设计的基础
蛋白质生物功能 蛋白质功能与结构的关系
蛋白质一级结构与功能的关系
蛋白质空间构象与功能活性的关系
结构生物学与生物信息学促进蛋白质分子设计
蛋白质分子设计的原则
• 蛋白质来源：真菌、细胞、动物蛋白质和 植物蛋白质 • 筛选以及纯化蛋白质需要测定它们的序列、 三维结构、稳定性、催化活性等
４、在合成模板上肽的组装
• 在模板上组装合成蛋白的方法
• 特点：使用人工合成的模板代替天然蛋白中的连 接二级结构的单元 • 模板：寡肽，可形成两个反平行β折叠链。在链的 两端设计一个二硫键，形成一个环状结构。
5、线性多肽折叠为球状结构
• 不用模板或交叉连接而通过线性多肽折叠成球形 的确定的三维结构是蛋白质设计追求的目标之一 • 主要障碍：构象熵 • 实例:α-螺旋 根据α-螺旋的两亲性。形成的α-螺旋显著稳定 性是因为形成明显的疏水核，还有Glu 和Lys形成 的盐桥，螺旋偶极的电荷中和，增加了在螺旋/转 折连接处的柔性。
蛋白质从头设计的手段
１、二级结构模块单元的自组装：
优点：设计或合成都比较简单
缺点：蛋白质的稳定性（熵较大，依赖浓度） 结构的简单重复
α螺旋设计使用的策略
蛋白质分子设计
蛋白质的分子设计就是为有目的的蛋白质工程改造提供设计方案。
虽然经过漫长岁月的进化，自然界已经筛选出了数量众多、种类各异的蛋白质，但天然蛋白质只是在自然条件下才能起到最佳功能，在人造条件下往往就不行，例如工业生产中常见的高温高压条件。
因而需要对蛋白质进行改造，使其能够在特定条件下起到特定的功能。
蛋白质的分子设计又可按照改造部位的多寡分为三类：第一类为“小改”，可通过定位突变或化学修饰来实现；第二类为“中改”，对来源于不同蛋白的结构域进行拼接组装；第三类为“大改”，即完全从头设计全新的蛋白质（de novo design）。
有关全新蛋白质设计的内容请参见文献，本文不赘述。
常见的蛋白质工程改造包括提高蛋白的热、酸稳定性，增加活性，降低副作用，提高专一性以及通过蛋白质工程手段进行结构-功能关系研究等。
由于对蛋白质结构-功能关系的了解不够深入，成功的实例还不很多，因此更需要在蛋白质分子设计的方法学上开展深入研究。
蛋白质的分子设计可分为两个层次，一种是在已知立体结构基础上所进行的直接将立体结构信息与蛋白质的功能相关联的高层次的设计工作，另一种是在未知立体结构的情形下借助于一级结构的序列信息及生物化学性质所进行的分子设计工作。
此处只探讨第一类分子设计，因为在利用三级结构信息的同时也运用了一级结构序列及有关生化信息，第一类的分子设计工作实际上已包含了第二类工作，而后者实际上是在不得已的情形下所进行的努力。
蛋白质分子设计的过程简单说来就是首先建立所研究对象的结构模型，在此基础上进行结构-功能关系研究，然后提出设计方案，通过实验验证后进一步修正设计，往往需要几次循环才能达到目的。
一般的分子设计工作可以按以下五个步骤进行：（1）建立所研究蛋白质的结构模型，可以通过X射线晶体学、二维核磁共振等测定结构，也可以根据类似物的结构或其他结构预测方法建立起结构模型。
（2）找出对所要求的性质有重要影响的位置。
同一家族中的蛋白质的序列对比、分析往往是一种有效的途径。
蛋白质分子设计
全新蛋白质的设计
1. 概念： 以弥补天然蛋白质结构和功能在应用方面的不足为目的， 根据人类所希望的结构和功能，采取工程手段，来人工设
计新的氨基酸序列。这样的设计研究称为反向折叠研究。
2. 策略：
通过设计新的氨基酸序列，来加强蛋白质的某些相互作用。
3. 途径：蛋白质结构的从头设计；蛋白质功能的从头设计。
配体诱导组装
在合成模板上的组装
共价交叉连接途径 通过共价交叉连接预组织是直接形成所希望 结构的有力途径
蛋白质功能的从头设计
1.反向拟合天然蛋白质，设计新的功能
2.键合及催化的从头设计
3.膜蛋白及离子通道的设计
4.新材料的设计
蛋白质结构的从头设计的途径
1. 使相互作用的强度与数目达到最大，使其吸纳的
能量超过构想熵；
2. 通过共价交叉连接，以减少阻碍折叠的构象熵。
相互作用的强度与数目的最大化途径
1.直接使设计序列的相互作用达到最大
二级结构模块单元的自组装
线性多肽链折叠为球状结构
2.借助于外力使设计序列的相互作用达到最大
蛋 白 质 分 子 设 计
一、意义：
1.确立蛋白质工程的方向性；2.提高蛋白质工程的效率 二、目的： 1.为蛋白质工程提供指导性信息；2.探索蛋白质的折叠机理 三、途径： 1.基于天然蛋白质结构的分子设计；2.全新蛋白质的设计
蛋白质分子设计的循环过程
天然蛋白质的表征
计算机模拟
突变基因构建
功能分析
突变蛋白质产品
1. 根据结构信息确定定位残基突变 2. 通过随机突变、删除分析以及连接段扫描突变等方
法鉴定功能残基。
3.利用蛋白质同源性鉴定功能残基
蛋 白 质 分 子 设 计
第三章蛋白质的分子设计修改
• Java-based on-line biomolecular modeling package –B /~nwhite/Biomer
■蛋白质设计目前存在的问题
设计的蛋白质与天然蛋白质比较，缺乏结构的独特性及明显的功能优 越性。所有设计的蛋白质有正确的形貌、显著的二级结构及合理的热 力学稳定性，但一般说来它们三级结构的确定性较差
第二节 基于天然蛋白质结构的分子设计
■一、概述
即使蛋白质的三维结构已知，选择 一个合适的突变体依然困难，这说明 蛋白质设计任务的艰巨性，它涉及多 种学科的配合，如计算机模拟专家、 X 射线晶体学家、蛋白质化学家、生 物技术专家等的合作与配合。
蛋白质分子设计
第一节 分子设计概况 第二节 基于天然蛋白质结
构的分子设计 第三节 全新蛋白质设计 第四节 计算蛋白质设计 第五节 基于结构的药物分
子设计
第一节 分子设计概况
随着理论化学方法六十年来不断发展，加上近年来计算 机技术突飞猛进，分子设计已经从炼金术士的梦想走上实 际的研究和应用。世界最大的二十家药厂无一例外地运用 分子设计的方法把药物筛选的范围缩小到原先的1/5到1/10 。从电子结构出发，设计具有特殊性质的新材料、新化合 物也开始走向现实。 分子设计也称为分子建模(Molecular Modeling)，目前已 经成为有的外国大学化学系的课程。它包括理论化学方法 和计算机化学方法。理论化学方法包括量子化学、统计热 力学和非平衡统计力学等。
…………………………
■ 小结
第一节 分子设计概况
分子设计历史 – 计算化学 (量子化学, 分子力学等) – 结构化学 (晶体学，谱学等) – 计算机技术 (计算数学，软硬件，数据库，图形学等)
蛋白质分子设计
蛋白质分子设计蛋白质分子设计是指通过人工设计方法来构建具有特定结构和功能的蛋白质分子。
蛋白质是生物体内最重要的分子之一，具有广泛的生物功能，包括催化反应、传递信号、结构支撑等。
通过蛋白质分子设计，可以实现对蛋白质结构和功能的精确控制，从而用于生物学研究、药物开发、材料科学等领域。
蛋白质分子设计的核心是通过合理的计算和模拟方法预测和优化蛋白质的结构和功能。
传统的蛋白质分子设计主要依赖实验手段，如X射线晶体学和核磁共振等技术来解析蛋白质结构，然后通过有限的突变实验获得特定功能的蛋白质。
近年来，随着计算机科学和生物信息学的发展，蛋白质分子设计领域涌现出许多计算模拟和算法模型，可以通过计算筛选和优化大量可能的蛋白质序列和结构，实现新型蛋白质分子的设计和构建。
蛋白质分子设计的方法包括构建和改造蛋白质的三维结构、设计特定功能的蛋白质以及改变蛋白质的稳定性和抗体性等。
常用的蛋白质分子设计方法包括角蛋白设计、限制酶编辑、蛋白质折叠和函数预测等。
此外，还有一些特殊的蛋白质分子设计技术，如蛋白质折叠速度的预测、蛋白质结构的稳定性和抗体性的设计等。
蛋白质分子设计在药物开发领域有着广泛的应用。
通过设计新型的蛋白质药物，可以针对特定的疾病靶点实现更高的选择性和效果，有助于提高药物疗效和减少副作用。
此外，蛋白质分子设计还可以用于改善传统药物的性质，如提高药物的溶解度、稳定性和口服吸收等。
蛋白质分子设计还在材料科学和能源领域有着广泛的应用，比如用于设计新型的光电材料和催化剂等。
尽管蛋白质分子设计领域取得了一定的进展，但仍然存在着一些挑战和限制。
蛋白质的结构和功能具有很高的复杂性，目前的计算模拟和算法模型还无法完全解决蛋白质分子设计的所有问题。
此外，蛋白质的折叠和反应过程涉及到许多非线性的物理化学过程，存在着计算复杂度和时间消耗的问题。
因此，蛋白质分子设计领域仍然需要进一步的研究和发展，以实现更准确和高效的蛋白质设计方法。
蛋白质分子设计的原理
蛋白质分子设计的原理蛋白质分子设计，这可真是个神奇又有趣的领域啊！你看，蛋白质就像是我们生命这座大城堡里的一个个小砖块，它们有着各种各样的形状和功能。
想象一下，蛋白质就像是一个个小小的机器人，在我们身体里忙碌地工作着。
有的负责运输营养物质，有的帮忙抵御外敌，还有的在调节各种生理过程。
而蛋白质分子设计呢，就像是我们给这些小机器人重新编程、改造，让它们能更好地为我们服务。
那怎么进行蛋白质分子设计呢？这就好比我们要给一个小机器人重新设计它的外观和功能。
首先得了解蛋白质的基本结构吧，这就像是知道机器人是由哪些零件组成的。
蛋白质有不同的氨基酸组成，这些氨基酸就像是机器人的各种零部件。
然后呢，我们得考虑蛋白质的功能需求呀。
如果我们想要一个能更高效运输氧气的蛋白质，那就要让它的结构适合抓住氧气分子。
这就好像我们要让机器人的手臂能更牢固地抓住东西一样。
在这个过程中，我们还得考虑很多因素呢！比如说环境。
不同的环境可能会对蛋白质的性能产生影响。
就像一个机器人在沙漠里和在水里工作，那肯定需要不同的设计。
而且啊，这可不是一件容易的事儿！有时候我们设计出来的蛋白质可能并不完全符合我们的期望。
哎呀，这就好比我们给机器人设计了一个新功能，结果它在实际操作中却出现了问题。
但这可不能让我们灰心丧气啊！我们得不断尝试，不断改进。
你说，这像不像我们在生活中遇到困难，然后努力去克服的过程？我们可能会犯错，但每一次错误都是我们进步的机会。
还有哦，蛋白质分子设计可不是一个人能完成的任务。
这需要很多科学家、工程师们一起努力。
大家各自发挥自己的专长，一起为了创造出更好的蛋白质而奋斗。
这不就和我们在一个团队里工作一样吗？每个人都有自己的角色，大家齐心协力才能把事情做好。
你想想，如果我们真的能设计出超级厉害的蛋白质，那对我们的生活将会有多大的改变呀！也许我们就能攻克很多疾病，让人们生活得更健康、更快乐。
总之，蛋白质分子设计是一个充满挑战和机遇的领域。
蛋白质分子设计原理
蛋白质分子设计原理
嘿，朋友们！今天咱来聊聊超有意思的蛋白质分子设计原理！
你想想看啊，蛋白质就像是一个神奇的小机器，它有着各种各样复杂而精妙的结构。
这就好比搭积木，不同的积木块组合起来能搭出不一样的造型，蛋白质也是如此。
比如说血红蛋白吧，它就像是专门负责运输氧气的快递员，把氧气准确无误地送到身体各个地方。
那蛋白质分子设计原理呢，就是我们去掌握如何设计出这些厉害的“小机器”。
怎么设计呢？这可不是随随便便就能搞定的。
就好像你要做一道超级美味的菜，得精心挑选食材，精确掌握火候一样。
我们得了解蛋白质的各种特性，它的结构呀、功能啊等等。
然后通过各种技术手段，去改变、去优化。
你难道不觉得这很神奇吗？我们竟然可以像上帝一样，去塑造这些小小的分子！比如说设计一种新的蛋白质来治疗疾病，哇，那可真是太酷了！
咱再举个例子，胰岛素。
要是没有它，糖尿病患者可就遭罪了。
那如果我们能更好地设计出胰岛素，让它发挥更好的作用，这得给多少人带来福音啊！
蛋白质分子设计原理真的超级重要，它就像是打开新世界大门的钥匙。
我们可以利用它去创造奇迹，去解决那些看似不可能解决的问题。
所以啊，大家一定要好好了解这神奇的蛋白质分子设计原理，说不定哪天你也能成为那个创造奇迹的人呢！我的观点就是，蛋白质分子设计原理是充满无限可能和魅力的，值得我们深入探索和研究。
试述蛋白质分子设计的概念和它的基本内容
试述蛋白质分子设计的概念和它的基本内容1. 哎呀呀，你知道蛋白质分子设计吗？这就好像是我们给蛋白质这个“小宝贝”来个大变身！比如说，就像给一个普通的玩具熊精心打扮，让它变得超级特别！它的概念呢，就是人为地对蛋白质的结构和功能进行改造和设计呀，是不是很神奇？基本内容包括对蛋白质的氨基酸序列进行改造，就像是给玩具熊换一件更酷的衣服一样。
2. 嘿，蛋白质分子设计，这可不是一般的酷哦！它就像是个魔法棒，可以让蛋白质变得不一样！举个例子，就像我们打造一个独一无二的机器人，给它各种厉害的功能。
它的基本内容呢，有对蛋白质的活性中心进行修饰，这相当于给这个神奇的“机器”关键部位进行优化升级啊。
3. 哇塞，蛋白质分子设计呀，是超级有趣的事情呢！好比是我们给一只普通的小狗训练出各种高难度技能！它的概念呢，简单说就是有目的地去改变蛋白质哦。
基本内容还包括构建全新的蛋白质结构，这感觉就像凭空创造出一只全新的、超级厉害的宠物一样令人兴奋。
4. 来呀，了解一下蛋白质分子设计嘛！你想想，这不就是给蛋白质来个大改造嘛，像给一辆普通汽车改装成超级赛车！而它的基本内容里，优化蛋白质的稳定性，就如同让赛车在高速行驶中更稳定、更可靠，多棒啊！5. 哎呀呀，蛋白质分子设计呀，可有意思啦！可以把它想象成我们给一个普通的房子进行大改造，变得超级豪华！它的概念当然就是有计划地对蛋白质进行改变啦。
基本内容中的改变蛋白质的折叠方式，就像是重新设计房子的布局一样重要呢。
6. 嘿嘿，蛋白质分子设计，这简直太让人着迷啦！就如同我们把一个平凡的角色打造成超级英雄！它的概念就是主动地去塑造蛋白质，而其基本内容里的融合不同蛋白质的功能域，不就像给超级英雄赋予各种无敌的能力一样嘛！总之，蛋白质分子设计太神奇、太有意义啦，可以让我们创造出各种我们想要的蛋白质来帮助我们解决好多问题呢！。
蛋白质分子设计[详细讲解]
![蛋白质分子设计[详细讲解]](https://img.taocdn.com/s3/m/cb55571cba68a98271fe910ef12d2af90242a891.png)
蛋白质分子设计[引言]蛋白质是一类非常有用的物质，在生物体的进化过程中起着非常重要的作用。
与其它化学试剂比较：（1）分子量非常大；（2）在机体内稳定；（3）专一性的优劣。
分子生物学的发展弥补了上述缺点，如定位突变、PCR使蛋白质可能工程化生产。
蛋白质设计（蛋白质的结构、功能预测）涉及多学科的交叉领域，包括材料学、化学、生物学、物理及计算机学科。
其应用范围涵盖了药物、食品工业中的酶、污水处理、疫苗、化学传感器等，设计的蛋白质也不仅仅限于20种天然氨基酸，也包括非天然氨基酸、有机/无机模块。
蛋白质设计的目的：（1）为蛋白质工程提供指导性信息；（2）探索蛋白质的折叠机理。
蛋白质设计分类：（1）基于天然蛋白质结构的分子设计；（2）蛋白质从头设计。
存在问题：与天然蛋白质比较：（1）缺乏结构独特性；（2）缺乏明显的功能优越性。
第一节基于天然蛋白质结构的分子设计一、概述蛋白质结构与功能的认识对蛋白质设计至关重要，需要多学科的配合。
蛋白质设计循环如下：1．对要求的活性进行筛选。
2．对蛋白质进行表征，如测定序列、三维结构、稳定性及催化活性。
3．专一型突变产物。
4．计算机模拟。
5．蛋白质的三维结构。
在PDB中搜索，无纪录即进行X射线、NMR方法或预测并构建三维结构模型。
6．蛋白质结构与功能的关系。
蛋白质突变体设计的三个主要步骤：1．突变位点和替换氨基酸的确定。
（1）确定对蛋白质折叠敏感的区域。
（2）功能上的重要位置。
（3）其它位置对蛋白质突变体的影响。
（4）替换或加减残基对结构特征的影响。
2．能量优化和蛋白质动力学方法预测修饰后蛋白质的结构。
3．预测结构与原始蛋白质结构比较，预测新蛋白质性质。
上述设计工作完成后，再进行蛋白质合成或突变实验，分离、纯化并对新蛋白质定性。
二、蛋白质设计原理1．内核假设。
假设蛋白质独特的折叠形式主要由蛋白质内核中的残基相互作用决定。
所谓内核指蛋白质在进化过程中的保守区域，由氢键连接的二级结构单元组成。
蛋白质分子的结构教学设计
蛋白质分子的结构教学设计引言蛋白质是生物体内基本的生物大分子之一。
在生物化学和生物学教学中，了解蛋白质分子的结构对于理解其功能和作用至关重要。
本文档描述了一种针对蛋白质分子结构的教学设计，旨在帮助学生深入了解蛋白质分子的组成和三维结构。
教学目标- 了解蛋白质的组成，包括氨基酸的基本结构和连接方式；- 掌握蛋白质分子的一级、二级和三级结构的概念；- 理解蛋白质分子的结构与功能之间的关系；- 能够使用一些基本的工具和方法解析蛋白质分子的结构。
教学内容和方法1. 蛋白质的组成和氨基酸（约占教学时间的20%）蛋白质的组成和氨基酸（约占教学时间的20%）- 介绍蛋白质的组成，包括氨基酸是构成蛋白质的基本单位；- 解释氨基酸的结构和分类，重点介绍20种常见氨基酸的特点；- 通过示意图和示例展示氨基酸的连接方式和多肽链的形成过程。
2. 蛋白质的一级和二级结构（约占教学时间的30%）蛋白质的一级和二级结构（约占教学时间的30%）- 讲解蛋白质的一级结构，即氨基酸序列的排列方式；- 介绍蛋白质的二级结构，包括α-螺旋、β-折叠和无规卷曲；- 使用实例和模型展示不同类型的二级结构。
3. 蛋白质的三级结构（约占教学时间的40%）蛋白质的三级结构（约占教学时间的40%）- 说明蛋白质的三级结构，即通过氨基酸间的各种相互作用而形成的立体结构；- 突出蛋白质的折叠和空间构象，以及与功能的相关性；- 引入X射线晶体学和核磁共振等方法解析蛋白质的三维结构。
4. 蛋白质结构与功能（约占教学时间的10%）蛋白质结构与功能（约占教学时间的10%）- 强调蛋白质结构与功能之间的紧密关系；- 举例说明蛋白质的不同结构对其功能的影响；- 解释蛋白质结构变化与疾病发生的关联。
教学评估- 组织学生参与讨论和解析蛋白质分子的结构相关问题；- 设计小组活动，让学生通过实践运用所学知识解决蛋白质结构相关问题；- 进行小测验，测试学生对蛋白质结构知识的掌握情况。
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• 方法： • 根据天然尿激酶 原的分子结构特 点，模建了两种 KGDW-尿激酶原分 子嵌合体 的空间 结构： • 嵌合体1：在118119之间插入KGDW • 嵌合体2：在126127之间插入KGDW
• 嵌合体空间结构的模建策略：
• 因为嵌合体的特点是在一个较大的分子中插入 了几个氨基酸，所以可以采用以下办法：即以 尿激酶原的结构为模板，直接模建嵌合体 KGDW-尿激酶原的结构，然后直接进行整个嵌 合体结构的优化。优化采用Modeler的有关程 序进行。
蛋白质分子设计考虑的因素
1. 氨基酸 2. 肽链特性 3. 蛋白质构象的特点 4. 蛋白质分子间的作用 5. 蛋白质分子内的作用
氨基酸的性质
电荷 酸碱性 亲水性、疏水性
肽链的特性
多肽链的酰胺平面是刚性的，但酰胺平面之间的相对 位置可以变化。 C-N-Ca-C N-Ca-C-N
活性设计: 活性中心,催化部位 对专一性的设计: 底物结合部位 框架设计: 蛋白质分子的立体结构设计 疏水基团与亲水基团的合理分布 氨基酸侧链几何排列 为提高一种性能而进行的结构改造对其他 结构/性能的影响最小
蛋白质分子设计的实例之一
目标: 核糖核酸酶的热稳定性的提高
已知条件： 核糖核酸酶三维结构已由晶体衍射方法 测定。 分子内有两对二硫键 酶的活性中心已经确定
3.60 Å
TGFα3-mSEA分子中TGFα3与天然TGFα结构的比较
CA backbone
mTSA
mTSB
0.79 Å
0.79 Å
0.89 Å
0.92 Å
• 根据结构模建得到的结论：
• TGFα3-mSEA融合蛋白 中的连接肽为5个氨 基酸时，对TGFα3和SEA影响较大，8个氨 基酸的linker对两者空间构象影响较小。 • 推论： 8个氨基酸的linker对功能影响小。
蛋白质分子的模拟肽设计
骨架残基设计，肽库筛选 以结构为模板的分子设计。
抗体分子的人源化设计
抗体分子在导向药物 和很多疾病的治疗中 有明显优势，但一般 人们目前研究较多的 鼠源性抗体，它们在 人体中会产生免疫反 应。消除鼠源性抗体 的免疫原性，使其人 源化，是目前抗体工 程领域重要的研究方 向。
实验结果：
突变体Q67E选择结合R55受体 突变体E53R选择结合R75受体
蛋白质分子设计的程序
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 收集相关蛋白质的结构信息 建立所研究蛋白质的结构模型 结构模型的生物信息学分析 选择设计目标 序列设计 预测结果 获得新蛋白质 新蛋白质的检验 反复设计,最后完成蛋白质设计
范德华作用
所有距离在4Å之内的原子之间的作用
非极性基团之间的作用距离在4Å之内（疏 水作用）
蛋白质分子设计的应用
1. 2. 3. 4. 5. 6. 酶稳定性的改善 药物设计 抗体分子的人源化设计 蛋白质分子的模拟肽设计 蛋白质分子改造 蛋白质的从头设计
酶稳定性的改善
酶的稳定性。 在蛋白质工程的实践中，一般可 以通过在酶分子内增强分子内的作 用（增加二硫键或静电作用）来提 高酶分子的稳定性。
四、TGFα3-mSEA融合蛋白连接肽 长度的设计
金黄色葡萄球菌肠毒素A（SEA）是一种具有 超抗原活性的细菌毒素，将 TGFα(Transforming growth factor )的第三 环区与SEA进行融合，将有可能实现超抗原对 EGFR高表达肿瘤细胞的靶向治疗。
• 融合蛋白中连接肽的长度对融合蛋白的功能活性有 很大的影响。确定合适的连接肽的长度非常重要。
mTSA（连接肽为8肽的TGFα3-mSEA融合蛋白）空间结构
mTSB（连接区为5肽的TGFα3-mSEA融合蛋白）的空间结构
TGFα3-mSEA分子中SEA与天然SEA结构的比较
CA mTSA 0.31 Å backbone 0.39 Å Heavy 3.13 Å
mTSB
0.41 Å
0.50 Å
实验结果
设计的人的干扰素突变体的表达量大大提 高，占到了总蛋白的10%。
蛋白质分子设计的实例之三
具有受体特异性的肿瘤坏死因子突变体的 设计
肿瘤坏死因子具有明显的特性： 杀死肿瘤细胞
√
毒副作用 × 与淋巴毒素共用两个受体：R55 R75 肿瘤坏死因子的蛋白质工程改造的目标： 制备具有杀死肿瘤细胞，但毒副作用小的新型TNF 突变体或模拟肽。
具体方法：
利用R55受体的结构 模建R75受体的结构 根据淋巴毒素与R55 的作用情况，模拟肿 瘤坏死因子与R55受 体的相互作用情况。 根据肿瘤坏死因子与 R55受体的相互作用 情况，模拟肿瘤坏死 因子与R75受体的相 互作用情况。
Gln67与R55作用不明显，但与R75的Asp有静电作用， 将它突变为结构相似但带电相反的Glu会降低TNF与 R75的作用，但不会改变与R55的作用。
蛋白质分子的相互作用 蛋白质-蛋白质相互作用类别
酶-底物相互作用 受体-配体相互作用 抗原-抗体相互作用
蛋白质-蛋白质相互作用力
氢键 静电作用 范德华作用
氢键
强极性原子上的氢原子与带负电荷的原子的作用。 作用距离一般在3Å以内。
静电作用----异性带电基团的作用
Arg的胍基、 Lys的氨基 Asp、 Glu的羧基 4Å之内强静电作用 4-8Å为弱静电作用
模拟结果：
Glu53与R55的残基有静电作用，而与R75没有明 显的作用，故将Glu53突变为带正电荷的残基， 会降低与R55的作用，而不会对TNF与R75 的作用 有影响。
分子设计---突变位点确定
R55受体特异性TNF突变体设计 Q(Gln )67E(Glu ) 可望减弱TNF 与R75受体的吸引作用，但 与R55受体的作用力不会减弱 R75受体特异性TNF突变体设计 E(Glu)53R(Arg ) 可望减弱TNF 与R55受体的吸引作用，但 与R75受体的作用力不会减弱
• 模建过程： • 以SEA的结构作为模板， 模建融合蛋白中 SEA，连接肽作为loop用分子力学手段直 接生成， TGFα3的结构根据TGFα的NMR 结构直接拷贝。 • 结构的优化：
• 固定融合蛋白质中的SEA及TGFα3部分的结构， 只对连接肽进行优化，优化至能量收敛，得到能 量优势构象。 • 进行融合蛋白分子的整体的结构优化至能量收敛， 最终的能量优势构象作为融合蛋白的结构。
• 引言：在尿激酶原分子中插入KGDW功能小 肽，可能构建出同时具有溶栓和抗栓性能的 多功能溶栓剂。 • 但是在蛋白质分子中引入一段肽后会引起原 有结构的改变，而且在不同的位置插入对结 构改变的影响大小不同，为了保证嵌合体的 溶栓和抗栓性能，必须在尿激酶原分子中寻 找插入小肽的合适位置。
• 研究思路： • 分析尿激酶原分子的结构，寻找可能的插 入位置。 • 模建尿激酶原分子中的不同位置插入 KGDW嵌合体 的空间结构。 • 嵌合体与尿激酶原的空间结构比较。
药物设计
三个层次： 一是小分子化合物的药物设计。 二是多肽分子的药物设计，通过研究多肽分子与受 体的相互作用情况来进行分子设计。 第三种情况是蛋白质大分子的药物设计，主要是设 计能够改变蛋白质天然性能的新型突变体。
基于结构的药物设计
确定靶蛋白的结合口袋，以结合口袋的结构环境设 计药物； 未知受体结构时，根据具有相同或相似生物学活性 的已知化合物的结构叠合，反推受体结合口袋的可能 结构环境，根据推测的受体结合口袋进行新型药物设 计。
蛋白质分子改造
突变体设计 融合蛋白设计
• 我们关心的蛋白质属性: 活性、稳定性、特异性、免疫原性、半衰 期、功能分解或组合、聚合性质等
蛋白质的从头设计
从头设计是指从蛋白质的一级序列出 发，按照研究者的意愿，设计和制造 出自然界不存在的、具有特定的空间 结构和生物学功能的全新蛋白质。
蛋白质分子设计的原则Fra bibliotek结构分析得到的信息：
Tyr24与Asn84正对，二者的Ca之间的距离为6.0A， 满足二硫键的特征（二硫键的Ca的平均距离： 4.5- 6.8A），可能形成一个潜在的二硫键。
二者附近没有干扰形成二硫键的基团。
二者离催化活性中心较远，突变后不会影响活性。
设计方案：
将Tyr24与Asn84突变为Cys
A
B
mTSA BSA SEA
C
D
融合蛋白与A431细胞结合的剂量曲线
mTSA与A431细胞结合的特异性试验 A.Positive control EGF; B. pmTSA ; C. mTSA binding blocked by EGF; D. Blank control :PBS
五、 KGDW-尿激酶原嵌合体中KGDW插 入位置的确定
实验结果：
突变体的稳定性大大提高
突变体: 55℃ 70%活性 野生型: 55℃ 10%活性
蛋白质分子设计的实例之二
可溶的干扰素突变体的设计
面临的问题
干扰素是一种重要的治疗药物。 在大肠杆菌中表达较难溶解，造成纯化和 生产的困难 能否通过蛋白质工程的办法,提高其水溶 性?
解决方法
利用鼠的干扰素的晶体结构预测了人的干扰素 的空间结构。 根据模建的人干扰素的三维结构，计算分子表面， 确定了表面暴露的残基。 根据文献报道，知道了人干扰素的功能残基。 选择了5个远离功能残基的、位于表面的苯丙氨酸 和亮氨酸(疏水氨基酸)，突变为丝氨酸(级性氨基 酸,亲水)。
第三章
蛋白质结构改造
主要内容
• 第一节 蛋白质分子设计 • 第二节 蛋白质的化学修饰 • 第三节 蛋白质的分子生物学改造
第一节 蛋白质的分子设计
分子生物学最激动人心的进展之一是能够 设计和生产新型的蛋白质分子。 重组DNA技术使人们能够定向改变蛋白质 中的氨基酸序列，包括氨基酸的取代、插入 或缺失，甚至包括蛋白质的融合等。 蛋白质工程是在深入了解蛋白质结构与功 能关系的基础上，利用化学和分子生物学方 法有目的地改造蛋白质，使之性能得到改善。 作为蛋白质工程的组成部分，蛋白质分子 设计在其中起着十分重要的作用。