蛋白质分子设计

4. 预测突变体的结构。
5. 定性或定量计算优化所得到的突变体结构是否具有所要求的 性质。能否成功地进行分子设计，除了要求有好的计算机软件 和高质量的力场以外，还要求工作者有一个坚实的结构化学和 物理化学基础，同时对所研究的问题有一个深入细致的了解。
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中改——分子剪裁
白质，了解蛋白质，以便更好地利用蛋白质。
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蛋白质分子的从头设计基本过程：
选择氨基酸残基 预测结构
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结构模型
基因克隆
多肽合成
全新蛋白质 蛋白质晶体学，谱学
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选择氨基酸残基
蛋白质分子设计工作的大部分是在计算机上完成的。要 设计具有一定功能的蛋白质，首先要设计正确折叠的蛋
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蛋白质分子设计的必要性
生产应用的需要：
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。
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
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设计目标及解决办法
改变蛋白质的性质，必须改变蛋白 质的序列。
定义：是指在蛋白质中替换1个肽段或者 1个结构域。
蛋白质的立体结构可以看作由结构元件 组装而成的。因此可以在不同的蛋白质 之间成段地替换结构元件，期望能够转 移相应功能。
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举例 中改——抗体分子改造
英国剑桥大学的Winter等人利用 分子剪裁技术成功地在抗体分子 上作了实验。
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分子设计的定义
20 世纪70 年代,美国麻省理工学院霍恩贝尔
教授提出了分子设计。即从分子、电子水平
上,通过数据库等大量实验数据,结合现代量子 化学方法,通过计算机图形学技术等设计新的 分子。
设计的新分子或具有某种特定性能,可以是
药物、材料或其他,或是一种概念、一种复合
物或具有分子意义的物质(如催化剂等) 。
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蛋白质的分子设计
蛋白质分子设计是一门新兴的研究领域，其本身
在不断地发展，其内容也在不断地更新。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。
蛋白质分子设计的目的：
蛋白质工程提供指导信息 探索蛋白质的折叠机理。
抗体分子由2条重链，2条轻
链组成，重链有4个结构域，轻
链有2个结构域；抗原的识别部
分位于由轻、重二链处于分子顶
部的个1个结构域，该结构域是
一个高度可变区。抗体分子与抗
原分子互补的决定子是由可变区
的一些环状肽段组成的。
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意义
中改——分子剪裁
Winter等人将小鼠单抗体分子重链的互补决定子 用基因操作办法换到人的抗体分子的相应部位上， 使得小鼠单抗体分子所具备的抗原结合专一性转 移到人的抗体分子上。
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例二： T4噬菌体溶菌酶 小改——举例
另，Matthews等人还研究了Gly（甘氨酸）和Pro（脯氨酸）对 蛋白质稳定性的影响，当除去Gly或引入Pro的突变体的变性温度
都有所提高。
此外，Matthews等人还研究了螺旋偶极的作用。T4溶菌酶含有
11个螺旋，其中有7段在N端有带负电的残基，作者在剩余的4段螺旋中 选择了两段螺旋进行N端残基突变，Ser38变为Asp（天冬氨酸）；Asn （天冬酰氨）变为Asp，每一个突变体使得变性温度增加2℃，双突变
由Ile3、Ile9、Thr21、Thr142和Leu164突变而来。
结果
：得到了全部单个二硫键（3－97，9－164，21－142）以
及2个和3个二硫键的突变体。
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T4溶菌酶和6种设计的突变体特性
酶
氨基酸的位置
二硫键的数目 相对活性 Tm

3 9 21 54 97 142 164
2．借助蛋白质一级结构的序列信息及生物化学性 质，在未知立体结构的情形下所进行的分子设计工 作
本部分只介绍第一种，实际上第一种已经包含第二种，第二 种只是在不得已的情况下采取的一种努力。
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例一：核糖核酸酶 小改——举例
结构知识：核糖核酸酶含有104个氨基酸残基，
该天然酶具有两对二硫键（Cys2-Cys10，Cys6Cys103）。
D Cys Cys Thr Thr Cys Thr Cys 2
E Ile Cys Cys Thr Ala Cys Cys 2
F Cys Cys Cys Thr Cys Cys Cys
3
(%) 100 100
96 106
0 95 0
0
(℃) 41.9 41.9 46.7 48.3 52.9 57.6 58.9 65.9
蛋白质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 protein design）。
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小改——少数残基的替换
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分子设计的5个步骤
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 逐一对各因素进行分析，找出重要位点，这是分子设 计工作的关键。
定义：
小改是指对已知结构的蛋白质进行少数
几个残基的替换，这是目前蛋白质工程中最为 广泛使用的方法。
采用的方法：
主要通过定点突变技术或盒式替换技 术有目的改变几个氨基酸残基，借以研究和改
善蛋白质的性质和功能。
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小改——两个层次
1．已知立体结构基础上所进行的工作，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
突变体在保持天然酶活性的基础上大幅度提高了酶的热稳
2019/定10/3性0 。
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例二： T4噬菌体溶菌酶 小改——举例
结构知识：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
从头设计建立的2块基石：只有当我们完全掌握了一级
结构决定高级结构的规律;掌握了高级结构与生物功能的 相关性，才有可能真正地从头设计。目前尚不能够。
但是鉴于已经有几百个蛋白质分子结构获得测定，并且从
中已经总结得到许多规律性的经验。因此进行从头设计 的尝试是可行的。
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建筑房屋——比喻
• 将Tyr24和Asn84两个残基侧链（保留Cβ，Cγ）消除，将 Cγ转变为Sγ。P3
• 然后经过1000轮突变部位能量最小化和2000轮整体能量最 小化以及分子动力学模型建立突变体的结构模型，结构模 型中没有不合理的键长、键角和二面角。从设计的角度看 这个突变是合理的。
• 方案的实施：通过基因技术得到突变体，实验证明
这个实验具有重大的医学价值。小鼠的单抗比人的单
抗容易做，而在医学上使用的是人的单抗。采用分子
剪裁法可以先制备小鼠的单抗，然后将互补决定子转
移到人的抗体分子上，达到与人的单抗分子同样的效
果。
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大改——从头设计
定义：从头设计（de novo）蛋白质分子是指从氨基酸残
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。
wtα Ile Ile Thr Cys Cys Thr Leu 0
pwt Ile Ile Thr Thr Ala Thr Leu 0
A Cys Ile Thr Thr Cys Thr Leu 1
B Ile Cys Thr Thr Ala Thr Cys 1
C Ile Ile Cys Thr Ala Cys Leu 1
小改设计：在不失去酶活性的基础上增加它的
稳定性，日本大阪大学蛋白质工程研究所的
Satoshi Nishikawa等人尝试在Tyr（酪氨酸）24
和Asn（天冬酰氨）84位引入第三个二硫键。
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• 分子设计和理论验证：从该酶晶体结构可以看出这
两个残基是远离催化位点的，经过分子动力学计算证明在 这两个残基之间有可能形成二硫键，并且不会影响催化位 点的结构。并且采用分子力学和分子动力学方法从核糖核 酸的复合物晶体结构建立起核糖核酸突变体的模型。
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 替代表面羧基
pH稳定性
替换表面荷电基团 His、Cys以及Tyr的置换 内离子对的置换
提高酶学性质
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专一性的改变 增加逆转数(turnover number)
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改变酸碱度
蛋白质分子设计的分类
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分子设计的5个步骤
3. 选择一系列的在（2）中所选出位点上改变残基所得到的突 变体，一方面使蛋白质可能具有所要求的性质，另一方面又尽 量维持原有结构，使其不做大的变动。尽量在同源结构中此位 点已有的氨基酸残基序列中进行选择，同时考虑残基的体积、 疏水性等性质的变化所带来的影响。
蛋白质分子设计
分子设计
分子设计的提出的背景
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。
蛋白质的全新设计＝建筑房屋 小改＝住在房屋里 中改＝房屋装饰 这两者都不能让我们了解房屋建筑。只有设计和建造一
所房屋才能学习更多的东西，因此，仅仅靠利用已有的 蛋白质或者改造某些部位是远远不够的。
只有从头设计并制造全新的蛋白质，在不断的尝试和成
功——失败的往复中，才能够更加深入、全面地学习蛋
体使得变性稳定提高4℃。说明稳定螺旋偶极能够增强蛋白 质的整体稳定性。
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蛋白质分子设计的过程
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够 达到目的。
一般分子设计工作可以按以下5个步骤 进行：
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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
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蛋白质三维结构知识的必要性
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。
Hartley等于1986年完成了一个重要的
有关蛋白质重要性质设计目标及 解决办法表，该表至今仍有参考价
Hale Waihona Puke Baidu值。
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蛋白质设计的目标及解决办法 P58
设计目标 热稳定性
解决办法
引入二硫桥 增加内氢键数目 改善内疏水堆积 增加表面盐桥
对氧化的稳定性
把Cys转换为Ala或Ser 把Met转换为Gln、Val、Ile或Leu 把Trp转换为Phe或Tyr
wtα：野生型T4溶菌酶；pwt:假野生型酶；A－F：六种设计
的半胱氨酸变体；Tm:熔点温度
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实验证明
突变体在氧化状态下均比天然蛋白质更 稳定；
二硫键的环区越长越稳定； 二硫键对蛋白质的稳定作用具有加合性，
即3对二硫键的稳定效应相当于3个二硫 键各自对蛋白质的稳定作用的综合。