1、(三)蛋白质分子设计概述解析
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重组DNA技术使人们能够定向的改变蛋白质中的氨 基酸序列，包括氨基酸的取代、插入、缺失以及蛋白 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 中起着关键的作用。
一、蛋白质分子设计的概念
蛋白质分子设计：为了获得具有特定功能 的蛋白质，在分子水平上对蛋白质的结构进行 改造，甚至构建具有特定结构的蛋白质。
蛋白质的分子设计包括：对已有蛋白质的 分子改造，亦称蛋白质的理性设计（或改造）； 设计尚未在自然界中发现的、具有全新结构和 功能的蛋白质，亦称蛋白质的从头设计。
• 蛋白质分子设计是一门实验性科学， 是理论设计过程与实验过程相互结 合的产物，在设计过程中，计算机 模拟技术和基因工程操作技术是两 个必不可少的工具。
※ 蛋白质功能的分子设计。 目标是获得具备特定功能的蛋白质。
结构设计是功能设计的基础和前提，功能设计是结 构设计的升华。结构设计主要是基于对蛋白质折叠和稳 定机理认识进行，功能设计还要考虑结构-功能的联系， 所以功能设计会更难、更具挑战性。
四、蛋白质分子设计考虑的因素
※ 氨基酸 ※ 肽链特性 ※ 蛋白质构象的特点 ※ 蛋白质分子间的作用 ※ 蛋白质分子内的作用
• 抗原：为任何可 诱发免疫反应的 物质。
博导。 • 2013年4月25日当选为美国艺术与科学学院院士；4月30日 当选美国国家
科学院外籍院士； • 2013年12月19日当选中国科学院院士； • 2013年9月13日，瑞典皇家科学院宣布授予清华大学施一公教授2014年
度爱明诺夫奖 ；
• 主要运用结构生物学和生物化学的手段研究肿瘤发生和细胞凋亡的分子 机制，集中于肿瘤抑制因子和细胞凋亡调节蛋白的结构和功能研究；
信息。
三、蛋白质分子设计的分类
1、按照改造部位的多寡可分为三类： ※ 小改（或点突变）：少数残基的替换。可通过
定位突变或化学修饰来实现。 ※ 中改（或分子拼接）：对来源于不同蛋白的肽
段或结构域进行拼接组装。 ※ 大改（从头设计）：从头设计全新的蛋白质。
2、根据设计层次的不同可分为两类：
※ 蛋白质结构的分子设计。 目标是设计出具有特定结构的蛋白质。
设计目标
• 就目前的水平而言，所选择的目标 均是一些残基不多（60-80个AA残 基）、结构简单并且具有对称性的多 肽结构。
二、蛋白质分子设计的意义与作用
意义： ※ 获得具有特定功能、能满足人类需要的蛋白质。 ※ 用于研究蛋白质结构-功能的关系。
作用： ※ 检验蛋白质折叠机理及蛋白质结构-功能关系的 知识和信息的正确性。 ※ 获得和积累关于蛋白质折叠和结构-功能关系的
氨基酸的性质
电荷 酸碱性 亲水性、疏水性
肽链特性
• 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。
wenku.baidu.com
蛋白质构象的特点
蛋白质分子间的作用
• 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 • 范德华力
五、蛋白质分子设计存在的问题
方法生产；
• 蛋白质的功能是在生理条件下发挥的，在其他条件下是不 稳定的；
• 专一性使其应用范围受到影响。
（二）蛋白质三维结构
• 1. 蛋白表达和纯化：获得目的蛋白的cDNA， 克隆到表达载体上，得到大量纯化的蛋白 质（>10mg），其浓度通常在10mg/ml。蛋 白表达量高，容易形成包涵体；
蛋白不能正确折叠；大肠杆菌没有真核细 胞应有的翻译后修饰。
（三）基因工程是蛋白质工程的基础
• 20世纪70年代，基因工程诞生 • 基因工程是在分子水平上对基因进行操作
的复杂技术，是将外源基因通过体外重组 后导入受体细胞内，使这个基因能在受体 细胞内大量扩增的操作。 （PCR、限制性 内切酶、DNA连接酶、载体、受体细胞）；
第一节 蛋白质分子设计概述
分子生物学最有意义的进展之一就是能够设计和生 产新型的蛋白质分子。
（二）蛋白质三维结构
• 2、蛋白结晶
• 将高浓度的蛋白质（10-50mg/ml）溶液加入适当的溶剂， 慢慢降低蛋白质的溶解度，使其接近自发性的沉淀状态时， 蛋白质分子将在整齐的堆栈下形成晶体。
（二）蛋白质三维结构分析
• X晶体衍射（必须先获得晶体） • 核磁共振 • 蛋白质测序
血红蛋白晶体衍射图
第三章 蛋白质分子设计
第一节 蛋白质分子设计概述 第二节 基于天然蛋白质结构的分子设计 第三节 全新蛋白质分子设计
（一）蛋白质的重要性
• 蛋白质是遗传信息的表现形式，是生命活动的最终执
行者，充斥着我们生活的方方面面。 • 优点： • 生物合成不需要消耗很多能量； • 专一性很强；
不产生副作用并且能很快降解。 • 缺点： • 分子量非常大（10 000-1000 000Da），不能通过化学
• 迄今为止，他在国际权威学术杂志发表学术论文百余篇，其中作为通讯 作者在《Cell》发表11篇、《Nature》发表7篇、《Science》发表3篇 。
酶-底物相互作用
诱导契合学说
受体-配体相互作用
抗原-抗体相互作用
• 抗体： 机体在 抗原物质刺激下， 由B细胞分化成 的浆细胞所产生 的、可与相应抗 原发生特异性结 合反应的免疫球 蛋白。
※ 设计的蛋白质与天然蛋白质相比缺乏结构的 独特性及明显的功能优越性.
※ 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，但三级结构的确 定性较差.
•施一公，1967年生（现年48岁），河南郑州人，现任 清华大学校长助理。
• 1984年获得全国高中数学联赛一等奖（河南省第一名），保送清华大学 生物科学与技术系；
• 1989年，提前一年毕业并获得数学系学位； • 1995年获得美国约翰霍普金斯大学医学院分子生物物理博士学位，随后
在美国纪念斯隆-凯特琳癌症中心进行博士后研究； • 1998年—2008年，历任美国普林斯顿大学分子生物学系助理教授、副教
授、终身教授 ； • 2008年，全职回到清华大学工作，任清华大学生命科学学院院长，教授、
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 中起着关键的作用。
一、蛋白质分子设计的概念
蛋白质分子设计：为了获得具有特定功能 的蛋白质，在分子水平上对蛋白质的结构进行 改造，甚至构建具有特定结构的蛋白质。
蛋白质的分子设计包括：对已有蛋白质的 分子改造，亦称蛋白质的理性设计（或改造）； 设计尚未在自然界中发现的、具有全新结构和 功能的蛋白质，亦称蛋白质的从头设计。
• 蛋白质分子设计是一门实验性科学， 是理论设计过程与实验过程相互结 合的产物，在设计过程中，计算机 模拟技术和基因工程操作技术是两 个必不可少的工具。
※ 蛋白质功能的分子设计。 目标是获得具备特定功能的蛋白质。
结构设计是功能设计的基础和前提，功能设计是结 构设计的升华。结构设计主要是基于对蛋白质折叠和稳 定机理认识进行，功能设计还要考虑结构-功能的联系， 所以功能设计会更难、更具挑战性。
四、蛋白质分子设计考虑的因素
※ 氨基酸 ※ 肽链特性 ※ 蛋白质构象的特点 ※ 蛋白质分子间的作用 ※ 蛋白质分子内的作用
• 抗原：为任何可 诱发免疫反应的 物质。
博导。 • 2013年4月25日当选为美国艺术与科学学院院士；4月30日 当选美国国家
科学院外籍院士； • 2013年12月19日当选中国科学院院士； • 2013年9月13日，瑞典皇家科学院宣布授予清华大学施一公教授2014年
度爱明诺夫奖 ；
• 主要运用结构生物学和生物化学的手段研究肿瘤发生和细胞凋亡的分子 机制，集中于肿瘤抑制因子和细胞凋亡调节蛋白的结构和功能研究；
信息。
三、蛋白质分子设计的分类
1、按照改造部位的多寡可分为三类： ※ 小改（或点突变）：少数残基的替换。可通过
定位突变或化学修饰来实现。 ※ 中改（或分子拼接）：对来源于不同蛋白的肽
段或结构域进行拼接组装。 ※ 大改（从头设计）：从头设计全新的蛋白质。
2、根据设计层次的不同可分为两类：
※ 蛋白质结构的分子设计。 目标是设计出具有特定结构的蛋白质。
设计目标
• 就目前的水平而言，所选择的目标 均是一些残基不多（60-80个AA残 基）、结构简单并且具有对称性的多 肽结构。
二、蛋白质分子设计的意义与作用
意义： ※ 获得具有特定功能、能满足人类需要的蛋白质。 ※ 用于研究蛋白质结构-功能的关系。
作用： ※ 检验蛋白质折叠机理及蛋白质结构-功能关系的 知识和信息的正确性。 ※ 获得和积累关于蛋白质折叠和结构-功能关系的
氨基酸的性质
电荷 酸碱性 亲水性、疏水性
肽链特性
• 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。
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蛋白质构象的特点
蛋白质分子间的作用
• 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 • 范德华力
五、蛋白质分子设计存在的问题
方法生产；
• 蛋白质的功能是在生理条件下发挥的，在其他条件下是不 稳定的；
• 专一性使其应用范围受到影响。
（二）蛋白质三维结构
• 1. 蛋白表达和纯化：获得目的蛋白的cDNA， 克隆到表达载体上，得到大量纯化的蛋白 质（>10mg），其浓度通常在10mg/ml。蛋 白表达量高，容易形成包涵体；
蛋白不能正确折叠；大肠杆菌没有真核细 胞应有的翻译后修饰。
（三）基因工程是蛋白质工程的基础
• 20世纪70年代，基因工程诞生 • 基因工程是在分子水平上对基因进行操作
的复杂技术，是将外源基因通过体外重组 后导入受体细胞内，使这个基因能在受体 细胞内大量扩增的操作。 （PCR、限制性 内切酶、DNA连接酶、载体、受体细胞）；
第一节 蛋白质分子设计概述
分子生物学最有意义的进展之一就是能够设计和生 产新型的蛋白质分子。
（二）蛋白质三维结构
• 2、蛋白结晶
• 将高浓度的蛋白质（10-50mg/ml）溶液加入适当的溶剂， 慢慢降低蛋白质的溶解度，使其接近自发性的沉淀状态时， 蛋白质分子将在整齐的堆栈下形成晶体。
（二）蛋白质三维结构分析
• X晶体衍射（必须先获得晶体） • 核磁共振 • 蛋白质测序
血红蛋白晶体衍射图
第三章 蛋白质分子设计
第一节 蛋白质分子设计概述 第二节 基于天然蛋白质结构的分子设计 第三节 全新蛋白质分子设计
（一）蛋白质的重要性
• 蛋白质是遗传信息的表现形式，是生命活动的最终执
行者，充斥着我们生活的方方面面。 • 优点： • 生物合成不需要消耗很多能量； • 专一性很强；
不产生副作用并且能很快降解。 • 缺点： • 分子量非常大（10 000-1000 000Da），不能通过化学
• 迄今为止，他在国际权威学术杂志发表学术论文百余篇，其中作为通讯 作者在《Cell》发表11篇、《Nature》发表7篇、《Science》发表3篇 。
酶-底物相互作用
诱导契合学说
受体-配体相互作用
抗原-抗体相互作用
• 抗体： 机体在 抗原物质刺激下， 由B细胞分化成 的浆细胞所产生 的、可与相应抗 原发生特异性结 合反应的免疫球 蛋白。
※ 设计的蛋白质与天然蛋白质相比缺乏结构的 独特性及明显的功能优越性.
※ 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，但三级结构的确 定性较差.
•施一公，1967年生（现年48岁），河南郑州人，现任 清华大学校长助理。
• 1984年获得全国高中数学联赛一等奖（河南省第一名），保送清华大学 生物科学与技术系；
• 1989年，提前一年毕业并获得数学系学位； • 1995年获得美国约翰霍普金斯大学医学院分子生物物理博士学位，随后
在美国纪念斯隆-凯特琳癌症中心进行博士后研究； • 1998年—2008年，历任美国普林斯顿大学分子生物学系助理教授、副教
授、终身教授 ； • 2008年，全职回到清华大学工作，任清华大学生命科学学院院长，教授、