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
1）使用大的形成螺旋倾向性的残基，如亮氨酸、谷氨酸或赖氨酸等 2）使用合适的集团去除端基电荷，防止与螺旋偶极不合适的电荷相互作用 3）使用极化或荷电氨基酸引入稳定的氢键或在螺旋中相隔一圈残基间的离 子相互作用 4）使用在螺旋中相隔一圈的残基间疏水的范德华相互作用
筛选以及纯化蛋白质需要进行细致的表征，测定它们的序 列、三维结构、稳定性、催化活性等。
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。 计算机模拟技术在蛋白质设计循环中占有重要位臵。建立蛋 白质三维结构模型，确立突变位点或区域以及预测突变后的 蛋白质的结构与功能对蛋白质工程是至关重要的。 在明确突变位点或蛋白质序列应改变的区域后，可以进行定 位突变，但要得到具有预期结构与功能的蛋白质是不容易的， 可能需要经过几轮的循环。
６、基于组合库的全新蛋白质设计
• 核心问题：埋藏疏水部分 • 常用方法：二元模式 • 理论基础：极性（P）和非极性（N）氨基 酸的特性 • 含义：一方面要有利于形成二级结构，另 一方面又要埋藏疏水残基 • 应用：二级结构两亲片断的构建
二、蛋白质功能的全新设计
• 蛋白质设计的目标是产生既能折叠为预想的 结构又具有有趣和有用的功能。功能设计主 要涉及键合及催化 • 为达到这些目的可以采用两条不同的途径： 反向实现蛋白质与工程底物的契合，改变功 能；从头设计功能蛋白质
蛋白质的分子设计
可分为两个层次
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。 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。
蛋白质分子设计的分类
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； • 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。
蛋白质的全新设计
• 蛋白质结构的从头设计 • 蛋白质功能的从头设计
• 取得的进展：血红素结合蛋白、 氧化还原活性蛋白质、 DNA结合蛋白 基于蛋白质的高分子材料
一、蛋白质结构的从头设计
• 中心问题：设计一个具有稳定及独特的三维结构的 序列 • 克服的障碍：线性聚合链的构象熵 • 采取的策略： 1）使相互作用的强度与数目达到最大； （理论基础：分析已知结构的天然蛋白质中的二级结 构单元） 2）通过共价交叉连接减小折叠的构象熵。
蛋ห้องสมุดไป่ตู้质的功能设计
１、通过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、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
作
业
要求：每组选一个题目（不能相同）
每组交一份打印稿和电子稿
题目自定 1、简述一种上市的蛋白工程药物。（名称、使用的技术、改变 的性能） 字数不限 按照文献的格式写 2、蛋白质工程药物分子设计常用技术。 下周三之前交 3、以一种疫苗、酶、抗体、核酸（多肽）、生物小分子为例， 简述蛋白质药物的产生机制、使用的技术、改变的性能。 4、。。。。。。
蛋 白 质 分 子 设 计 流 程 图
天然蛋白质 蛋白质结构预测
蛋白质三维结构 蛋白质晶体学
结构与功能关系
从数 据库 输入 蛋白质突变体设计及结构预测 几何优化及蛋白质动力学研究 结构分析与原先的结构比较
蛋白质合成定位突变
分离、纯化及表征
新蛋白质
第三节 全新蛋白质设计
特征：
全新蛋白质设计是另一类蛋白质工程， 合成具有特异结构与功能的新蛋白质。根 据所希望的结构及功能设计蛋白质或多肽 的氨基酸序列。
蛋白质工程
第三章 蛋白质分子设计
蛋白质分子设计
蛋白质分子设计原理 基于天然蛋白质结构的分子设计
• 定位突变 • 蛋白质分子拼接
全新蛋白质设计
• 蛋白质的从头设计
第一节 蛋白质分子设计原理
蛋白质设计的目的
• 为蛋白质工程提供指导性信息
• 探索蛋白质的折叠机理
蛋白质设计存在问题
• 设计的蛋白质与天然蛋白质相比缺乏结构的 独特性极明显的功能优越性 • 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