第二章_蛋白质分子设计
高中生物_蛋白质的结构和功能教学设计学情分析教材分析课后反思
教学设计课前准备：用彩色硬纸板做成卡片，在卡片上分别写上C、-NH2、-COOH、-H、-CH3、-CH2SH、-CH2C00H等R基，在各个卡片后贴上双面胶，供学生拼接。
每个小组人均一个C、-NH2、-COOH、-H及一个R基，但所有基团以小组为单位混在一个袋子里，课上由学生自己挑选。
每个小组各分发若干吸铁石。
用玻璃珠和铁丝串成两条链。
教学过程：学情分析学生在日常生活中经常遇到有关蛋白质的问题，对蛋白质还是比较熟悉的，但由于学生缺乏有关氨基酸和蛋白质的化学知识，同时对于有机化学的知识还没有一定的基础，细胞的分子组成又是微观的内容，比较抽象。
所以在掌握起氨基酸结构和脱水缩合过程来有一定的难度。
学生基础薄弱，对甲烷共价键等知识都不掌握。
课前要求学生观看微视频，预习本节内容。
AB层次学生对脱水缩合的过程较难理解。
我校学生入学成绩偏低，主动学习能力和意识不强，对抽象的知识更是容易走神。
但他们有一定的责任感和集体荣誉感，动手亲自参与的活动喜欢参加。
效果分析1.本节课学生通过手工粘贴氨基酸的模型加深并巩固了对氨基酸的结构通式的理解记忆。
学生动手将氨基酸连接形成多肽的教学设计使学生亲身经历体会脱水缩合的过程，加深了对脱水缩合的理解。
本来抽象难懂的知识点变得具体化，有效的突破了难点，学生的学习兴趣很浓。
探究氨基酸如何连接形成多肽链的过程，学生积极思考，利用刚学的知识解决实际问题，锻炼了学生分析解决问题的能力。
本节课基本达到了预期的效果。
教材分析本节课是中图版必修一《分子与细胞》第二单元第一章第一节的内容。
高中生物必修1模块让学生从分子水平认识生命的物质基础和结构基础。
第二单元《细胞的自我保障》中首先介绍了蛋白质，是因为在细胞生命活动的舞台上蛋白质是主要执行者，对保障细胞功能的实现起着关键性作用，学好这部分内容对学生从分子水平理解细胞的物质基础和结构基础举足轻重，同时本节内容也为后续学习细胞代谢、遗传变异、生命活动调节等知识打下基础。
第二章蛋白质的组成及物理化学性质
Met
M
5.74
2. 极性中性氨基酸
• Gly、Ser、Tyr、Cys、Thr、Asn、Gln • Cys侧链的巯基失去质子的倾向较其它氨基 酸大，极性最强 • Gly侧链介于极性与非极性之间
2. 极性中性氨基酸
H
CHCOONH3+
甘氨酸 丝氨酸 酪氨酸
glycine
Gly
G
5.97
serine tyrosine
PTC- 氨基酸 苯氨基硫甲酰氨基酸
S
C
N H R
40℃， H+ 、硝基甲烷
N S
C N H C CH R O
可用层析法鉴 定出aa的种类
PTH- 氨基酸 苯硫乙内酰脲氨基酸
4. 重要的化学性质
Edman反应
此反应即是目前“蛋白质顺序测定”的设计原理
4. 重要的化学性质
丹磺酰氯（DNS）反应
此反应可用于测定肽链N端氨基酸的种类
R
O2 N
R
F ＋ H2N CH COOH
NO2
O2 N NO2
HN
CH
COOH ＋ HF
DNFB
DNP - 氨基酸
此反应最初被Sanger 用于测定肽链 N-端氨基酸
4. 重要的化学性质
R H2N CH COOH ＋
Edman反应
N C S
PITC
异硫氰酸苯酯
40℃，弱碱
H N OH C CH O
arginine
Arg
R
10.76
组氨酸
histidine
His
H
7.59
蛋白质的稀有氨基酸
• 蛋白质的稀有氨基酸是基本氨基酸的衍生物，没 有相应的三联密码子
1、(三) 蛋白质分子设计概述
定位突变或化学修饰来实现。
※ 中改（或分子拼头设计）：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。 ※ 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。
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
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
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。
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
• 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、 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； • 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 。
高中蛋白质的结构与功能学案设计教案
高中蛋白质的结构与功能学案设计教案Document number【980KGB-6898YT-769T8CB-246UT-18GG08】学案设计第二单元第一章第一节蛋白质的结构与功能淄博四中李岩一、学习目标（一）知识目标：1．说明氨基酸的结构特点，以及氨基酸形成蛋白质的过程。
2．概述蛋白质的结构。
3．概述蛋白质的功能。
4．认同蛋白质是生命活动的主要承担者。
5．关注蛋白质研究的新进展。
（二）能力目标：1．培养学生跨学科的分析综合能力。
2．培养学生收集资料、分析资料的能力。
（三）情感目标：1．认同蛋白质是生命活动的主要承担者。
2．关注蛋白质研究的新进展。
二、学习重点1．氨基酸的结构特点以及氨基酸形成蛋白质的过程。
2．蛋白质的结构和功能。
三、学习难点1．蛋白质结构多样性的原因。
2．认同蛋白质是生命活动的主要承担者。
四、自主探究上网查询并汇报、交流蛋白质营养与健康的关系。
（一）蛋白质的基本单位——氨基酸1．阅读、分析课本第27页表2－1－1（玉米叶片蛋白质中氨基酸的种类与含量），思考并回答下列问题：（1）玉米品种不同，其叶片蛋白质的种类是否相同叶片中氨基酸的种类、含量是否相同请利用表格中的数据作出说明。
（2）蛋白质的基本组成单位是____________，主要的约有____________种。
2．阅读课本第28页“探究活动”内容，通过观察、比较图2－1－1的图示，回答下列问题：比较4种氨基酸，总结每种氨基酸的氨基、羧基的数目及连接位置有何规律。
每种氨基酸分子至少都含有一个____________ ( )和一个____________ ( )；并且都有一个氨基和一个羧基________________________。
这个碳原子还连接一个____________和一个____________，用________________________表示。
各种氨基酸的区别在于____________的不同。
【思考1】1．想一想组成氨基酸的元素主要有哪些组成蛋白质的元素又有哪些2．判断某分子是不是氨基酸的依据是什么3．写出或在课本图2－1－1上圈出4中氨基酸的不同部分即R基。
蛋白质是生命活动的主要承担者 教学设计
2.4《蛋白质是生命活动的主要承担者》教学设计一、教材分析《蛋白质是生命活动的主要承担者》是新人教版生物学必修一《分子与细胞》第二章第四节的内容。
该内容以第二章第一节《细胞中的元素和化合物》中蛋白质是细胞中主要的有机物为基础，学习该内容利于《细胞膜的结构》和《细胞的物质输入和输出》等知识点的学习。
二、学情分析学生对于氨基酸和蛋白质的化学知识还很缺乏，在进行讲解时应当注意与生活实际相结合，利用PPT 播放图片，增加学生的感性认识。
引导学生主动地获取知识，提高形象思维能力。
三、教学目标（一）知识目标1．归纳概括氨基酸的结构通式和特点，阐明氨基酸是蛋白质的基本组成单位。
2．分析蛋白质分子结构多样性和功能多样性的关系，举例说明蛋白质的就够是与功能相适应的。
3．说出氨基酸构成多肽链或蛋白质分子的过程。
（二）德育目标1.阐明蛋白质是生命活动的主要承担者，引导学生形成“关爱生命健康，关心科技发展，增强民族自豪感”等社会责任。
四、教学重难点（一）教学重点1、蛋白质的功能和结构。
2、氨基酸的结构特点及其形成蛋白质的过程。
（二）教学难点1、氨基酸形成蛋白质的过程。
2、蛋白质的结构和功能多样性的原因。
五、课型新授型六、教学方法讲授法、问答法七、教学用具多媒体平台八、教学准备手术缝合相关视频、蛋白质相关图片九、时间安排1 课时（40 分钟）十、教学过程分钟）为非必须氨基酸。
过渡：组成人体的氨基酸有 21 种，是如何构成1010～1012 蛋白质的呢？进而引出下一部分内容的学习。
写出氨基酸分子的结构通式？概念。
蛋白质的结构及其多样性（ 17 分钟）PPT 演示两个氨基酸分子脱水缩合的过程，形成肽键，二肽的概念。
多媒体展示多个氨基酸脱水缩合的过程，使学生形成肽键、脱去的水分子数、氨基酸个数的关系。
多媒体展示:许多氨基酸通过肽键相互结合形成肽链，多肽链盘曲折叠构成了蛋白质分子的结构,展示几个蛋白质空间结构的图片，然后提问蛋白质多样性的原因？如果以 ABCD 代表不同的氨基酸，则下列几种情况由氨基酸构成的肽链是否相同？并说明理由。
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。
第二章 蛋白质结构的组织形式
结构模体(motif，structural motif）
αα模体 ββ模体（发夹式β模体） βαβ模体 反平行β层回纹模体 螺旋-转折-螺旋模体
αα
αα：常为两股平行或反平行的右手螺旋段缠绕
形成的左手超螺旋。两螺旋的排列如图，是纤 维状蛋白质的主要结构元件；
ββ（发夹式β模体）
成，其螺旋含量一般在60％以上，有的高 达80％。α螺旋在这类蛋白质中大多以反 平行方式排布和堆积，所以又称反平行α 结构。 按照螺旋排布的不同拓扑学特征，又可分 为一些亚组。肌红蛋白、血红蛋白、烟草 花叶外壳蛋白、细胞色素b，等均属此类结 构。
α型结构(αstructure)分类
(1) 线绕式α螺旋(coiled-coil α helix)：纤维蛋白的结构基础，有足够 强度和柔性 (2) 四螺旋束 (four helix bundle) (3) 珠状折叠(globin fold)：血红蛋白 (4) 复杂螺旋组合
a、DNA结合模体（DNAbinding motif）：专一地 与DNA结合。λCro、阻 遏蛋白等中发现 b、钙结合模体 （calcium-binding motif)： 对钙结合专一，又称 “EF手”。小白蛋白、 钙调蛋白、肌钙蛋白等
超二级结构特征描述
序列模式：是指蛋白质一段肽链上
每一残基构象和其氨基酸序列的关 系，描述的是蛋白质空间结构与氨 基酸序列的关系。 每一类型的超二级结构都有确定的 序列模式 应用：从蛋白质一级结构中预测哪 一段肽链含有哪种类型的基序。
/scop/
蛋白质是具有高度组织、结构极复杂的生物
大分子
第三节 蛋白质结构的形成 —多肽链的生物合成与折叠
了解这种复杂蛋白质结构的形成机理，对于
第二章蛋白质分子设计
第二章蛋白质分子设计第二章蛋白质分子设计蛋白质分子设计基于天然蛋白质结构的分子设计蛋白质设计原理蛋白质设计中结构与功能关系的研究天然蛋白质剪接全新蛋白质设计蛋白质的从头设计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简单蛋白质构建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。
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。
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。
蛋白质分子设计流程图蛋白质分子设计大致涉及的几个重要方面蛋白质来源：真菌、细菌、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、催化活性等一、蛋白质三维结构的判断目前P D B(P r o t e i n D a t a B a n k)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。
1、对于已知三维结构的蛋白质：根据P D B中三维结构对蛋白质进行设计2、对于未知三维结构的蛋白质：如果P D B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N M R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。
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。
蛋白质分子设计精选全文
可编辑修改精选全文完整版蛋白质分子设计[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。
与其它化学试剂比拟：〔1〕分子量非常大；〔2〕在机体内稳定；〔3〕专一性的优劣。
分子生物学的开展弥补了上述缺点，如定位突变、PCR使蛋白质可能工程化生产。
蛋白质设计〔蛋白质的构造、功能预测〕涉及多学科的穿插领域，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〕基于天然蛋白质构造的分子设计；〔2〕蛋白质从头设计。
存在问题：与天然蛋白质比拟：〔1〕缺乏构造独特性；〔2〕缺乏明显的功能优越性。
第一节基于天然蛋白质构造的分子设计一、概述蛋白质构造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．对要求的活性进展筛选。
2．对蛋白质进展表征，如测定序列、三维构造、稳定性及催化活性。
3．专一型突变产物。
4．计算机模拟。
5．蛋白质的三维构造。
在PDB中搜索，无纪录即进展X射线、NMR方法或预测并构建三维构造模型。
6．蛋白质构造与功能的关系。
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确实定。
（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）替换或加减残基对构造特征的影响。
2．能量优化和蛋白质动力学方法预测修饰后蛋白质的构造。
3．预测构造与原始蛋白质构造比拟，预测新蛋白质性质。
上述设计工作完成后，再进展蛋白质合成或突变实验，别离、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，由氢键连接的二级构造单元组成。
新人教版高中生物必修一第二章第四节蛋白质是生命活动的主要承担者
《蛋白质是生命活动的主要承担者》教学设计一、教材分析《蛋白质是生命活动的主要承担者》是新人教版高中生物必修一《分子与细胞》第二章第四节的教学内容，在新课标的内容标准中，对本节内容的学习要求是“概述蛋白质的结构和功能”，且蛋白质结构的多样性决定了蛋白质功能的多样性，属于理解水平。
新教材先介绍蛋白质的功能，再处理蛋白质的结构，从宏观到微观，从形象到抽象，符合学生的认知规律，也易于形成“生物体的结构和功能相适应”的生命观念。
科学史话和科学前沿分别介绍了相关领域的重大成果，让学生在了解与蛋白质研究有关的科学史和前沿进展的同时，培养爱国主义精神，增加民族自信心和自豪感。
二、学情分析通过前面《细胞中的元素和化合物》的学习，学生对组成细胞中的有机化合物具有一定的了解，通过预习及导学案的学习，对氨基酸的种类及结构通式也具有一定的了解，这为本节课的学习奠定一定的基础知识，但由于学生缺乏化学键、脱水缩合等有机化学知识，这给学生的学习带来一定的困难。
所以，在教学过程中要联系学生的生活经验，利用构建模型和小游戏加强教学的直观性，增加学生对微观内容的感性认识，使学生在主动获取知识的过程中完成重点、难点知识的学习，提高学生的观察、思考与获取信息的能力、形成结构与功能相适应的观点。
三、教学目标1.知识目标：（1）说明氨基酸的结构特点，以及氨基酸形成蛋白质的过程；（2）概述蛋白质的结构和功能；（3）学会鉴定蛋白质。
2.能力目标：（1）培养和发展学生的识图能力，归纳分析的能力，让学生通过观察、对比几种氨基酸的分子结构式，试着写出氨基酸的结构通式并概括结构特点。
（2）认同蛋白质是生命活动的主要承担者，了解蛋白质研究的新进展。
3.情感、态度和价值观目标：联系生活实际，学会鉴定蛋白质，积极开展研究性学习，关注发展史和科技前沿，如结晶牛胰岛素合成的研究过程、国际人类蛋白质组计划、三聚氰胺问题等，拓展自己的学习视野，培养学生爱国主义精神，增加民族自信心和自豪感。
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》ppt课件
2021/5/19
19
分子设计的5个步骤
1. 建立所研究蛋白质的构造模型，可以通过X射线晶 体学、二维核磁共振等测定构造，也可以根据类似物 的构造或其他构造预测方法建立起构造模型。
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比对、分析往往是一种有效的途 径。需要认真考虑此种性质受哪些因素的影响，然后 逐一对各因素进展分析，找出重要位点，这是分子设 计工作的关键。
虽然经过漫长岁月的进化，自然界已经挑选出 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 件下才能起到最正确功能，在人造条件下往往就不行，例如工 业消费中常见的高温高压条件。因此需要对蛋白质进展改造， 使其可以在特定条件下起到特定的功能。
2021/5/19
5
计算机模拟
基因构建
功能分析
突变蛋白质产品
对重金属的稳定性
把Cys转换为Ala或Ser 把Met转换为Gln、Val、Ile或Leu 替代外表羧基
pH稳定性
交换外表荷电基团 His、Cys以及Tyr的置换 内离子对的置换
进步酶学性质
2021/5/19
专一性的改变
增加逆转数〔turnover number〕
改变酸碱度
9
蛋白质分子设计的分类
蛋白质分子设计又可按照改造部位的
突变体在保持天然酶活性的根底上大幅度进步了酶的热稳
2021/定5/19性。
14
例二： T4噬菌体溶菌酶 小改——举例
构造知识：包含164个氨基酸残基，该酶不存在二硫键，只有
Cys54和Cys97两个半胱氨酸。
分子设计：Matthews等人经过仔细比较和最小化计算设计
引入3对二硫键，6个半胱氨酸除了Cys97外，其它5个半胱氨酸
生命活动的主要承担者——蛋白质教学设计
学科：生物年级：高一教材：苏教版必修1《分子与细胞》模块中第2章第2节学校：榆林市镇川中学姓名：孙惠生命活动的主要承担者──蛋白质教学设计教学分析蛋白质是构成细胞和生物体的重要有机物，在细胞及生物体生命活动起着重要甚至是关键的作用：如：结构物质、催化、免疫、信息传递、运输功能等，所以蛋白质是细胞和生物体生命活动的主要承担者、生物性状的体现者。
近代分子生物学研究表明蛋白质在遗传信息的控制、细胞的通透性，以及高等动物的记忆、识别机构等方面起着重要的作用。
本节内容与第三章第四章和第五章知识内容都有紧密的联系，本节知识是学习生物学的基础，本节内容是本章的重点难点。
但本节课内容比较抽象，为避免学生产生枯燥、无味的感觉，要更加充分调动学生的积极性、主动性，让学生主动探索。
教师应该注意从以下三个方面去调动学生的积极主动性：一、注意将课本中的知识与日常生活的内容紧密联系，尽可能从生活中选取学生熟悉的事例来调动学生的学习兴趣；二、事先布置生物学习小组成员搜集相关资料，以扩大教学容量并提高一部分学有余力的学生的能力；三、在教学过程中多设置一些拓展性、趣味性的问题，和学生一起分析讨论，增强师生互动。
教学目标1、知识目标①、掌握氨基酸的结构特点及氨基酸形成蛋白质的过程；②、概述必需氨基酸和非必需氨基酸的区别；③、说明蛋白质分子结构的基本方式；④、说明蛋白质结构多样性的原因；⑤、概述蛋白质的功能；2、能力目标①、通过对氨基酸、蛋白质分子结构等知识的讨论分析培养学生分析综合能力。
②、通过讨论交流培养学生口头表达能力和逻辑思维能力。
③、通过课外资料的收集培养学生收集、整理、遴选信息的能力。
3、情感、态度、价值观目标①、通过关注蛋白质研究进展与生物体生命活动和健康的关系，激发学生学科学、用科学的求知欲。
②、帮助学生树立“结构与功能相适应”的生物学观点。
③、初步形成生物体的结构与功能、局部与整体、多样性与共同性相统一的观点。
树立辩证唯物主义自然观，逐步形成科学的世界观。
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设计目标
序列生成
结构预测 合成
构建模型
检测
全新蛋白质设计过程
全新蛋白质设计包括
从头结构设计 从头功能设计
蛋白质从头设计概念
从头设计能够根据生物分子的活性 位点特征产生一系列的结构片段，通 过连接这些结构片段可以构成一个全 新分子；或者在结合腔内对一个已知 的结构骨架进行化合物的衍生化。 从头设计方法可以生成全新的分子 结构。
从头结构设计
中心问题：
稳定及独特的三维结构 序列； 基本障碍： 线性聚合构象熵；
解决方法：（1）使相互作用的强度
与数目达到最大； （2）共价交叉连接。
从头设计பைடு நூலகம்法包含的步骤
1、活性位点分析：对结合位点的具体的化学信 息进行扫描、分析和归类。这些信息的三维空 间相互关系都必须充分考虑。
第二章
蛋白质分子设计
CHAPTER TWO PROTEIN DESIGN
本章内容
基于天然蛋白质结构的分子设计
全新蛋白质设计
引言
在人体的进化过程中Pr执行了在人体及体外 的许多重要任务： 例如，酶是催化化学反应的蛋白质或者核 酸分子；抗体起到防护的作用;……
从生态角度，Pr也是非常理想的物质 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
在全新蛋白质中引入结合位点
催化活性蛋白质的设计
膜蛋白及离子通道的设计
新材料的设计
蛋白质全新设计的现状和前景
现状
蛋白质全新设计不仅使我们有可能得到 自然界不存在的具有全新结构和功能的蛋 白质,并且已经成为检验蛋白质折叠理论和 研究蛋白质质折叠规律的重要手段。由于 我们对蛋白质全新设计的理论基础即蛋白 质折叠规律的认识还不够, 所以蛋白质全新 设计还处在探索阶段。
前景
随着新实验技术的发展, 蛋白质全 新设计的速度和效率必将得到极大的 提高。 如组合化学方法应用到蛋白质 全新设计中必然能够大大地缩短设计 的周期, 并将彻底改变蛋白质全新设计 的面貌。
利用计算机模拟技术确定突变位点及替换的aa
确定对Pr折叠敏感的区域，包括盐桥、密堆积区等 确定对功能非常重要的位置 考察剩余位置对所希望改变的影响 当进行互换或插入/删除残基时应考虑它们对结构特征的 影响,同时也应考虑它们对Pr功能的影响
利用能量优化及Pr动力学方法预测修饰后的Pr结构 预测的结构与原始的Pr结构比较，利用Pr结构-功 能或结构-稳定相关知识及理论计算机预测新Pr可能 具有的性质
2、配体分子构建：采用不同的片段选择和分子 构建方法，产生相应的分子结构。
3、评价：使用特定的评分系统将构建的分子与 活性位点的匹配性进行排序，可以选择其中优 良的结果作为合成实验的对象。也可以将之做 新一轮计算的起点进行进一步的优化。
蛋白质功能设计
主要涉及键合和催化
蛋白质功能设计包括
通过反向拟合天然蛋白质设计新的功能 键合及催化的从头设计
在上述的设计工作完成后，要进行合成或 突变实验并经分离、纯化及表征后得到所要 求的新Pr；
Pr设计的成功与否，必须要有理论与实验 的紧密相结合
第二节 全新蛋白质设计
我们知道, 蛋白质的空间结构受其氨基 酸序列控制, 而功能又与结构密切相关。 如果能够找到构造蛋白质结构的方法, 我们就能得到具有任意结构和功能的全新 蛋白质, 这就是蛋白质全新设计问题。
蛋白质应用受限的原因
Pr没有像化学试剂那样被普遍应用，其原因:
(1)Pr分子量非常大(10 000~1 000 000)，不能 通过化学方法生产;
(2)Pr的功能是在生理条件下挥发的，在其它 条件下(如在有机溶剂中)是不稳定的; (3)专一性致使其应用范围受到影响。
Pr研究进展及问题
分子生物学（定位突变、PCR）的发展使 Pr可能工程化 通过Pr设计产生结构确定、具有新的所希望 性质的稳定的新Pr并不容易，但已取得显著 的进展(血红素结合蛋白、Pr高分子材料等) Pr设计是多学科交叉领域，将产生结构与功 能的多样性
蛋白质设计目的
为蛋白质工程提供指导性信息
探索蛋白质的折叠机理
蛋白质设计目前存在的问题
1、与天然的蛋白质比较，缺乏结构的独特性及明 显的功能优越性 2、三级结构的确定性较差
第一节 基于天然蛋白质结构的分子设计
计算机模拟 功能分析
基因构建 突变蛋白质产品
Pr 设计循环
Pr突变体设计的3个步骤