第二章蛋白质工程,蛋白质设计
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息。如提高蛋白质的热，酸稳定性等 2、探索蛋白质的折叠机理。如简单蛋白质建筑
或骨架的从头设计是研究蛋白质相互作用的 类型及本质的很好途径，为解决蛋白质折叠 问题寻找定性和定量的规律。
2020/8/12
一、蛋白质分子设计的分类 （一）蛋白质分子设计的层次
可分为两个层次 • 在蛋白质三维结构已知基础上所进行的直接
二、蛋白质分子设计的基础
• 总结： 1.首先要通过各种方法来获得蛋白质的三维结
构信息， 2.在获得结构信息的基础上利用生物信息学及
滑动接触 α1β2和相同的α2β1接触。 涉及螺旋C、G、H和非螺旋段FG拐弯的 19个残基，当血红蛋白因氧合作用而 发生构象变化时，这些接触也发生改 变。
• 图 血红蛋白半分子（αβ二聚体的侧面观）
2020/8/12
• 作为动态构象分子，血红蛋白可以看作是αβ-二聚体的二 聚体，也可以看作是相同的二聚体半分子组成：α1β1-亚 基和α2β2-亚基对。每个αβ-二聚体作为钢体移动。当血 红素基氧合时，分子的两个二聚体半分子彼此滑动。如果一 个αβ-二聚体固定不动，则另一个αβ-二聚体将绕一个设 想的αβ-二聚体的偏心枢轴旋转约15°并平移0.08nm。
• 是蛋白质工程的一个重要方面。
2020/8/12
蛋白质分子设计
• 基本途径： 从预期的蛋白质功能出发→ 设计预期的蛋白质结构→ 推测应有的氨基酸序列→ 找到相对应的核糖核苷酸序列（RNA）→ 找到相对应的脱氧核糖核苷酸序列（DNA）
2020/8/12
第一节 蛋白质分子设计原理
• 一、蛋白质分子设计的分类 蛋白质设计的目的： 1、为蛋白质工程改造提供设计方案和指导性信
2020/8/12
（二）蛋白质分子设计分类
• 第二类为“中改”，对来源于不同蛋白的结 构域进行拼接组装；以期望能转移相应的功 能，获得具有新特点的蛋白质分子。又称分 子剪裁。
• 第三类为“大改”，即完全从头设计全新的 蛋白质，使之具有特定的空间结构和预期的 功能。
2020/8/12
二、蛋白质分子设计的基础
去氧血红蛋白
2020/8/12
氧合血红蛋白
氧合血红蛋白和去氧血红蛋白代表不同 的构象态
• （1）T态（紧张态） 和氧的亲和力低，是氧合血 红蛋白的形式。
• （2）R态（松弛态）和氧的亲和力高，是去氧血红 蛋白的形式。
• 氧与一个处于T态的亚基结合后，转变为R态。原因 是稳定T 态的作用力被破坏。
2020/8/12
1.肌红蛋白由一条153个氨基酸组成的肽链和一 个血红素辅基组成。分子量为17800
肌红蛋白的三级结构是由一簇八个a-螺旋组成 的，螺旋之间通过一些片段连接。
2020/8/12
抹香鲸肌红蛋白（Myoglobin）的三级结构
2020/8/12
02与肌红蛋白的结合
2020/8/12
• 卟啉铁和F8（93）His（近侧 ）的咪唑N结合。底6的配位 键和O2 结合。
2020/8/12
总结
• 1.一种基因可编码产生多种蛋白质，一种蛋白 质可以产生多种活性多肽，一种活性多肽可 以产生多种功能
• 2.蛋白质的功能与高级结构相联系，生物学活 性和理化性质主要决定于空间结构的完整性 。
• 3.一级结构决定了它的二级，三级结构，如果 一级不破坏，就能恢复到原来的三级结构
2020/8/12
第二章 蛋白质分子设计
• 第一节:蛋白质分子设计原理
• 第二节:基于蛋白质天然结构的分子 设计
• 第三节:全新蛋白质分子设计
2020/8/12
蛋白质分子设计
• 蛋白质分子设计就是为有目的的蛋白质工程 改造提供设计方案，属于交叉学科。
• 设计过程主要依赖于蛋白质结构的测定和分 子模型的建立，按照蛋白质结构功能的关系 ，综合运用各学科的技术手段，确保获得比 天然蛋白质性能更加优越的新型蛋白质。
• 一级相似的蛋白质，其基本构象及功能也相 似
2020/8/12
• 4.别构效应：在生物体内，当某种物质特异地 与蛋白质分子的某个部位结合，触发该蛋白 质的构象发生一定变化，从而导致其功能活 性的变化。
2020/8/12
二、蛋白质分子设计的基础
• 以肌红蛋白和血红蛋白为例阐述蛋白质空间 结构与功能的关系
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 • 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
2020/8/12
一、蛋白质分子设计的分类
（二）蛋白质分子设计分类 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；在已知结构的天然蛋白质分子 多肽链内的确定位置上，进行一个或少数几 个氨基酸残基的改变，以研究和改善蛋白质 的性质和功能。 • 主要是置换，删除或插入氨基酸，依赖基因 水平。
• 蛋白质序列，蛋白质结构与功能及结构与功能关系 之间的信息对于蛋白质工程及蛋白质设计都非常重 要。蛋白质结构与功能是开展蛋白质分子设计的基 础，对蛋白质结构与功能之间的认识对蛋白质分子 设计是至关重要的决定着蛋白质分子设计的成功与 否。具体包括：
• 1、蛋白质生物功能的多样性 • 2、蛋白质功能由其高级结构决定 • 3、蛋白质的一级结构与其构象及功能的关系 • 4、蛋白质空间构象与功能活性的关系 • 5、结构生物学与生物信息学促进蛋白质分子设计
• O2 和四吡咯环呈60度倾斜。 • 高铁肌红蛋白中水代替O2填
充该部位。
• 氧结合是一个空间位阻区域
• E7 His（远侧）的咪唑环与 Fe原子的距离远，不发生作 用，但与分子O2 能紧密接触 ，被结合的O2在His（近侧） 的咪唑N和Fe原子之间。
血红蛋白的结构
• 血红蛋白有两种链，4个亚基组成 • 人在不同发育阶段血红蛋白亚基的种类是不相同。
2020/8/12
血红蛋白的三维结构
• •
2020Fra Baidu bibliotek8/12
图 血红蛋白中亚基的排列
A 正面观
B 侧面观
• 图 血红蛋白α链和β链和肌红蛋白构象的相似性
2020/8/12
氧合血红蛋白显著改变Hb的四级结构
装配接触 α1β1和相同的α2β2接触。 涉及螺旋B、G、H和非螺旋段GH拐弯的 30多个残基，接触面大，对亚基的装 配很重要。当血红蛋白从去氧变为氧 合形式时它们不变。
或骨架的从头设计是研究蛋白质相互作用的 类型及本质的很好途径，为解决蛋白质折叠 问题寻找定性和定量的规律。
2020/8/12
一、蛋白质分子设计的分类 （一）蛋白质分子设计的层次
可分为两个层次 • 在蛋白质三维结构已知基础上所进行的直接
二、蛋白质分子设计的基础
• 总结： 1.首先要通过各种方法来获得蛋白质的三维结
构信息， 2.在获得结构信息的基础上利用生物信息学及
滑动接触 α1β2和相同的α2β1接触。 涉及螺旋C、G、H和非螺旋段FG拐弯的 19个残基，当血红蛋白因氧合作用而 发生构象变化时，这些接触也发生改 变。
• 图 血红蛋白半分子（αβ二聚体的侧面观）
2020/8/12
• 作为动态构象分子，血红蛋白可以看作是αβ-二聚体的二 聚体，也可以看作是相同的二聚体半分子组成：α1β1-亚 基和α2β2-亚基对。每个αβ-二聚体作为钢体移动。当血 红素基氧合时，分子的两个二聚体半分子彼此滑动。如果一 个αβ-二聚体固定不动，则另一个αβ-二聚体将绕一个设 想的αβ-二聚体的偏心枢轴旋转约15°并平移0.08nm。
• 是蛋白质工程的一个重要方面。
2020/8/12
蛋白质分子设计
• 基本途径： 从预期的蛋白质功能出发→ 设计预期的蛋白质结构→ 推测应有的氨基酸序列→ 找到相对应的核糖核苷酸序列（RNA）→ 找到相对应的脱氧核糖核苷酸序列（DNA）
2020/8/12
第一节 蛋白质分子设计原理
• 一、蛋白质分子设计的分类 蛋白质设计的目的： 1、为蛋白质工程改造提供设计方案和指导性信
2020/8/12
（二）蛋白质分子设计分类
• 第二类为“中改”，对来源于不同蛋白的结 构域进行拼接组装；以期望能转移相应的功 能，获得具有新特点的蛋白质分子。又称分 子剪裁。
• 第三类为“大改”，即完全从头设计全新的 蛋白质，使之具有特定的空间结构和预期的 功能。
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二、蛋白质分子设计的基础
去氧血红蛋白
2020/8/12
氧合血红蛋白
氧合血红蛋白和去氧血红蛋白代表不同 的构象态
• （1）T态（紧张态） 和氧的亲和力低，是氧合血 红蛋白的形式。
• （2）R态（松弛态）和氧的亲和力高，是去氧血红 蛋白的形式。
• 氧与一个处于T态的亚基结合后，转变为R态。原因 是稳定T 态的作用力被破坏。
2020/8/12
1.肌红蛋白由一条153个氨基酸组成的肽链和一 个血红素辅基组成。分子量为17800
肌红蛋白的三级结构是由一簇八个a-螺旋组成 的，螺旋之间通过一些片段连接。
2020/8/12
抹香鲸肌红蛋白（Myoglobin）的三级结构
2020/8/12
02与肌红蛋白的结合
2020/8/12
• 卟啉铁和F8（93）His（近侧 ）的咪唑N结合。底6的配位 键和O2 结合。
2020/8/12
总结
• 1.一种基因可编码产生多种蛋白质，一种蛋白 质可以产生多种活性多肽，一种活性多肽可 以产生多种功能
• 2.蛋白质的功能与高级结构相联系，生物学活 性和理化性质主要决定于空间结构的完整性 。
• 3.一级结构决定了它的二级，三级结构，如果 一级不破坏，就能恢复到原来的三级结构
2020/8/12
第二章 蛋白质分子设计
• 第一节:蛋白质分子设计原理
• 第二节:基于蛋白质天然结构的分子 设计
• 第三节:全新蛋白质分子设计
2020/8/12
蛋白质分子设计
• 蛋白质分子设计就是为有目的的蛋白质工程 改造提供设计方案，属于交叉学科。
• 设计过程主要依赖于蛋白质结构的测定和分 子模型的建立，按照蛋白质结构功能的关系 ，综合运用各学科的技术手段，确保获得比 天然蛋白质性能更加优越的新型蛋白质。
• 一级相似的蛋白质，其基本构象及功能也相 似
2020/8/12
• 4.别构效应：在生物体内，当某种物质特异地 与蛋白质分子的某个部位结合，触发该蛋白 质的构象发生一定变化，从而导致其功能活 性的变化。
2020/8/12
二、蛋白质分子设计的基础
• 以肌红蛋白和血红蛋白为例阐述蛋白质空间 结构与功能的关系
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 • 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
2020/8/12
一、蛋白质分子设计的分类
（二）蛋白质分子设计分类 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；在已知结构的天然蛋白质分子 多肽链内的确定位置上，进行一个或少数几 个氨基酸残基的改变，以研究和改善蛋白质 的性质和功能。 • 主要是置换，删除或插入氨基酸，依赖基因 水平。
• 蛋白质序列，蛋白质结构与功能及结构与功能关系 之间的信息对于蛋白质工程及蛋白质设计都非常重 要。蛋白质结构与功能是开展蛋白质分子设计的基 础，对蛋白质结构与功能之间的认识对蛋白质分子 设计是至关重要的决定着蛋白质分子设计的成功与 否。具体包括：
• 1、蛋白质生物功能的多样性 • 2、蛋白质功能由其高级结构决定 • 3、蛋白质的一级结构与其构象及功能的关系 • 4、蛋白质空间构象与功能活性的关系 • 5、结构生物学与生物信息学促进蛋白质分子设计
• O2 和四吡咯环呈60度倾斜。 • 高铁肌红蛋白中水代替O2填
充该部位。
• 氧结合是一个空间位阻区域
• E7 His（远侧）的咪唑环与 Fe原子的距离远，不发生作 用，但与分子O2 能紧密接触 ，被结合的O2在His（近侧） 的咪唑N和Fe原子之间。
血红蛋白的结构
• 血红蛋白有两种链，4个亚基组成 • 人在不同发育阶段血红蛋白亚基的种类是不相同。
2020/8/12
血红蛋白的三维结构
• •
2020Fra Baidu bibliotek8/12
图 血红蛋白中亚基的排列
A 正面观
B 侧面观
• 图 血红蛋白α链和β链和肌红蛋白构象的相似性
2020/8/12
氧合血红蛋白显著改变Hb的四级结构
装配接触 α1β1和相同的α2β2接触。 涉及螺旋B、G、H和非螺旋段GH拐弯的 30多个残基，接触面大，对亚基的装 配很重要。当血红蛋白从去氧变为氧 合形式时它们不变。