第06章蛋白质分子设计
理学蛋白质分子设计
• 先讲理论 • 后面举几个例子
蛋白质分子设计策略
• 理性设计策略
– 前提:充分了解结构与功能的关系
• 随机突变+功能筛选
– 前提:不了解结构与功能的关系
• 理性设计+随机突变+功能筛选
– 前提:不完全了解结构与功能的关系
分子设计的种类
小改：少数残基的替换，突变或修饰 中改：分子拼接，肽段或结构域的替换 大改：从头设计，全新蛋白质的设计
具体方法：
利用R55受体的结构 模建R75受体的结构
根据淋巴毒素与R55 的作用情况，模拟肿 瘤坏死因子与R55受 体的相互作用情况。
根据肿瘤坏死因子与 R55受体的相互作用 情况，模拟肿瘤坏死 因子与R75受体的相 互作用情况。
Gln67与R55作用不明显，但与R75的Asp有静电作用， 将它突变为结构相似但带电相反的Glu会降低TNF与 R75的作用，但不会改变与R55的作用。
0 0.02 0.2 2 20 200
Protein (ng)
mTSA BSA SEA
融合蛋白与A431细胞结合的剂量曲线
mTSA与A431细胞结合的特异性试验 A.Positive control EGF; B. pmTSA ; C. mTSA binding blocked by EGF; D. Blank control :PBS
基于结构的药物设计
确定靶蛋白的结合口袋，以结合口袋的结构环境设 计药物； 未知受体结构时，根据具有相同或相似生物学活性 的已知化合物的结构叠合，反推受体结合口袋的可能 结构环境，根据推测的受体结合口袋进行新型药物设 计。
蛋白质分子的模拟肽设计
骨架残基设计，肽库筛选 以结构为模板的分子设计。
试述蛋白质分子设计的概念和它的基本内容
试述蛋白质分子设计的概念和它的基本内容1. 哎呀呀，你知道蛋白质分子设计吗？这就好像是我们给蛋白质这个“小宝贝”来个大变身！比如说，就像给一个普通的玩具熊精心打扮，让它变得超级特别！它的概念呢，就是人为地对蛋白质的结构和功能进行改造和设计呀，是不是很神奇？基本内容包括对蛋白质的氨基酸序列进行改造，就像是给玩具熊换一件更酷的衣服一样。
2. 嘿，蛋白质分子设计，这可不是一般的酷哦！它就像是个魔法棒，可以让蛋白质变得不一样！举个例子，就像我们打造一个独一无二的机器人，给它各种厉害的功能。
它的基本内容呢，有对蛋白质的活性中心进行修饰，这相当于给这个神奇的“机器”关键部位进行优化升级啊。
3. 哇塞，蛋白质分子设计呀，是超级有趣的事情呢！好比是我们给一只普通的小狗训练出各种高难度技能！它的概念呢，简单说就是有目的地去改变蛋白质哦。
基本内容还包括构建全新的蛋白质结构，这感觉就像凭空创造出一只全新的、超级厉害的宠物一样令人兴奋。
4. 来呀，了解一下蛋白质分子设计嘛！你想想，这不就是给蛋白质来个大改造嘛，像给一辆普通汽车改装成超级赛车！而它的基本内容里，优化蛋白质的稳定性，就如同让赛车在高速行驶中更稳定、更可靠，多棒啊！5. 哎呀呀，蛋白质分子设计呀，可有意思啦！可以把它想象成我们给一个普通的房子进行大改造，变得超级豪华！它的概念当然就是有计划地对蛋白质进行改变啦。
基本内容中的改变蛋白质的折叠方式，就像是重新设计房子的布局一样重要呢。
6. 嘿嘿，蛋白质分子设计，这简直太让人着迷啦！就如同我们把一个平凡的角色打造成超级英雄！它的概念就是主动地去塑造蛋白质，而其基本内容里的融合不同蛋白质的功能域，不就像给超级英雄赋予各种无敌的能力一样嘛！总之，蛋白质分子设计太神奇、太有意义啦，可以让我们创造出各种我们想要的蛋白质来帮助我们解决好多问题呢！。
蛋白质分子的结构教学设计
蛋白质分子的结构教学设计引言蛋白质是生物体内基本的生物大分子之一。
在生物化学和生物学教学中，了解蛋白质分子的结构对于理解其功能和作用至关重要。
本文档描述了一种针对蛋白质分子结构的教学设计，旨在帮助学生深入了解蛋白质分子的组成和三维结构。
教学目标- 了解蛋白质的组成，包括氨基酸的基本结构和连接方式；- 掌握蛋白质分子的一级、二级和三级结构的概念；- 理解蛋白质分子的结构与功能之间的关系；- 能够使用一些基本的工具和方法解析蛋白质分子的结构。
教学内容和方法1. 蛋白质的组成和氨基酸（约占教学时间的20%）蛋白质的组成和氨基酸（约占教学时间的20%）- 介绍蛋白质的组成，包括氨基酸是构成蛋白质的基本单位；- 解释氨基酸的结构和分类，重点介绍20种常见氨基酸的特点；- 通过示意图和示例展示氨基酸的连接方式和多肽链的形成过程。
2. 蛋白质的一级和二级结构（约占教学时间的30%）蛋白质的一级和二级结构（约占教学时间的30%）- 讲解蛋白质的一级结构，即氨基酸序列的排列方式；- 介绍蛋白质的二级结构，包括α-螺旋、β-折叠和无规卷曲；- 使用实例和模型展示不同类型的二级结构。
3. 蛋白质的三级结构（约占教学时间的40%）蛋白质的三级结构（约占教学时间的40%）- 说明蛋白质的三级结构，即通过氨基酸间的各种相互作用而形成的立体结构；- 突出蛋白质的折叠和空间构象，以及与功能的相关性；- 引入X射线晶体学和核磁共振等方法解析蛋白质的三维结构。
4. 蛋白质结构与功能（约占教学时间的10%）蛋白质结构与功能（约占教学时间的10%）- 强调蛋白质结构与功能之间的紧密关系；- 举例说明蛋白质的不同结构对其功能的影响；- 解释蛋白质结构变化与疾病发生的关联。
教学评估- 组织学生参与讨论和解析蛋白质分子的结构相关问题；- 设计小组活动，让学生通过实践运用所学知识解决蛋白质结构相关问题；- 进行小测验，测试学生对蛋白质结构知识的掌握情况。
蛋白质分子设计的基本过程
蛋白质分子设计的基本过程蛋白质分子设计，这听起来是不是很高深莫测呀？但其实啊，它就像是我们盖房子一样。
你看，盖房子得先有个设计图吧，要规划好房间怎么布局，哪里放窗户，哪里安门。
蛋白质分子设计也是类似的道理呢。
首先呢，咱得清楚要设计个啥样的蛋白质。
这就好比你想盖个别墅还是小公寓呀，得有个明确的目标。
然后呢，要对蛋白质的结构进行深入了解，这就像是了解房子的框架结构一样重要。
接下来，就该动手“搭建”啦！要根据目标和结构信息，选择合适的氨基酸来组成这个蛋白质。
这就跟选择建筑材料似的，得挑好的、合适的。
而且呀，这可不是随便挑挑就行，得考虑好多因素呢。
比如说，这些氨基酸组合起来能不能形成稳定的结构，能不能发挥出想要的功能。
在这个过程中，可不能马虎大意哦！就像盖房子要是不仔细，墙砌歪了，那可不行。
设计蛋白质也是一样，一个小细节没注意到，可能整个蛋白质就没法正常工作啦。
然后呢，还得对设计好的蛋白质进行测试和优化。
这就像房子盖好了，得检查检查有没有漏水啊，墙壁平不平啊。
如果发现问题，就得赶紧调整改进。
想象一下，要是我们能随心所欲地设计出各种厉害的蛋白质，那能解决多少问题呀！比如可以设计出更高效的药物，来治疗各种疾病；还可以设计出特殊的蛋白质材料，应用在各种领域呢。
你说这蛋白质分子设计是不是很神奇？它就像是一个魔法棒，能让我们创造出各种奇妙的东西。
当然啦，这可不是一件容易的事儿，需要科学家们有深厚的知识和精湛的技术。
他们就像优秀的建筑师一样，精心打造着每一个蛋白质分子。
而且哦，这还是一个不断探索和进步的领域呢。
随着科技的发展，我们对蛋白质分子的理解会越来越深入，设计出的蛋白质也会越来越厉害。
所以呀，可别小瞧了这蛋白质分子设计，它可是有着大能耐呢！虽然我们普通人可能不太懂具体怎么操作，但我们可以了解了解呀，说不定哪天我们也能在这个领域出一份力呢！反正我是觉得这蛋白质分子设计超级有趣，超级有意义的！你觉得呢？。
蛋白质分子设计及其药物开发研究
蛋白质分子设计及其药物开发研究随着科技的进步，人们对疾病的治疗也在不断地发展。
其中一种治疗方法就是药物治疗，而药物的研发则是一项复杂而艰巨的任务。
然而，随着分子设计技术的不断发展，药物研发的难度逐渐降低。
蛋白质分子设计是利用计算机模拟方法设计和优化分子，与药物发现紧密相连。
因为蛋白质在身体内发挥着至关重要的作用，故而通过对蛋白质的研究和分析，我们可以更好地理解人体的机制，并且为药物研发提供更好的帮助。
蛋白质分子设计的原理是在计算机上建立一个分子模型，并通过计算机模拟等方法对分子的结构和性质进行研究。
其目的在于设计出符合人体需求的新药物或者改进现有药物，研究分子的相互作用以及分子的三维结构。
在这一过程中，智能化分析技术起到了至关重要的作用。
分子模拟技术就是通过计算机模拟科学方法来模拟分子化合物的建立、变化和反应，可以在构建模型的过程中对药物的结构进行优化和完善。
而在蛋白质分子设计中，最关键的是要了解分子的结构，分析自然具有抗体性质的药物和非自然具有抗体性质的药物的差异。
自然性蛋白质是指从动物体内分离的蛋白质，如抗体、生长因子等，具有特定的功能和结构；而非自然性蛋白质是指人为合成的具有特定结构、性质和功能的蛋白质。
在药物开发中，制备非自然性蛋白质可以通过基因工程技术将自然蛋白质的基因进行改造，使其具有与原蛋白质不同的结构和功能，从而提高药物的效果。
此外，蛋白质分子设计还应关注药物的毒性和稳定性。
一些药物可能会对机体产生不良反应，或者因为稳定性不佳导致其在体内迅速分解失效。
因此，在分子设计过程中需要注意药物的化学性质，尤其是药物的表面组分和药物与生物体内靶点的相互作用。
蛋白质分子设计的重要性不言而喻。
通过对蛋白质的分子结构和特性的深入研究，可以提供更好的药物研发方案。
本技术的不断发展，将无疑为人类的健康和医学研究进展做出重要贡献。
蛋白质分子设计
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二、蛋白质设计原理
①内核假设。所谓内核是指蛋白质在进化中保守的 内部区域。在大多数情况，内核由氢键连接的二 级结构单元组成
②所有蛋白质内部都是密堆积(很少有空穴大到可以 结合一个水分子或惰性气体)，并且没有重叠。
③所有内部的氢键都是最大满足的(主链及侧链)
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④ 疏水及亲水基团需要合理地分布在溶剂可及表面 及不可及表面
⑤ 在金属蛋白中，配位残基的替换要满足金属配位 几何，符合正确的键长、键角及整体的几何
⑥ 对于金属蛋白，大部分配基含有多于一个 与金属 作用或形成氢键的基团。其余形成围绕金属中心 的氢键网络，这涉及与蛋白质主链、侧链或水分 子的相互作用
⑦ 最优的氨基酸侧链几何排列
⑧ 结构及功能的专一性。形成独特的结构，独特的 分子间相互作用是生物相互作用及反应的标志
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蛋白质设计的目标及解决办法
设计目标
热稳定性 对氧化的稳定性 对重金属的稳定性 pH稳定性 提高酶学性质
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
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
• 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
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6
蛋白质分子设计程序
• 蛋白质分子设计程序：各种蛋白质结构 预测和分子设计程序
• 按照蛋白质分子设计的层次分为序列分 析、二级结构预测、同源蛋白质结构预 测、蛋白质突变体结构预测、蛋白质的 性能预测和蛋白质分子设计六个部分
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。
蛋白质分子设计
蛋白质分子设计蛋白质分子设计是指通过人工设计方法来构建具有特定结构和功能的蛋白质分子。
蛋白质是生物体内最重要的分子之一，具有广泛的生物功能，包括催化反应、传递信号、结构支撑等。
通过蛋白质分子设计，可以实现对蛋白质结构和功能的精确控制，从而用于生物学研究、药物开发、材料科学等领域。
蛋白质分子设计的核心是通过合理的计算和模拟方法预测和优化蛋白质的结构和功能。
传统的蛋白质分子设计主要依赖实验手段，如X射线晶体学和核磁共振等技术来解析蛋白质结构，然后通过有限的突变实验获得特定功能的蛋白质。
近年来，随着计算机科学和生物信息学的发展，蛋白质分子设计领域涌现出许多计算模拟和算法模型，可以通过计算筛选和优化大量可能的蛋白质序列和结构，实现新型蛋白质分子的设计和构建。
蛋白质分子设计的方法包括构建和改造蛋白质的三维结构、设计特定功能的蛋白质以及改变蛋白质的稳定性和抗体性等。
常用的蛋白质分子设计方法包括角蛋白设计、限制酶编辑、蛋白质折叠和函数预测等。
此外，还有一些特殊的蛋白质分子设计技术，如蛋白质折叠速度的预测、蛋白质结构的稳定性和抗体性的设计等。
蛋白质分子设计在药物开发领域有着广泛的应用。
通过设计新型的蛋白质药物，可以针对特定的疾病靶点实现更高的选择性和效果，有助于提高药物疗效和减少副作用。
此外，蛋白质分子设计还可以用于改善传统药物的性质，如提高药物的溶解度、稳定性和口服吸收等。
蛋白质分子设计还在材料科学和能源领域有着广泛的应用，比如用于设计新型的光电材料和催化剂等。
尽管蛋白质分子设计领域取得了一定的进展，但仍然存在着一些挑战和限制。
蛋白质的结构和功能具有很高的复杂性，目前的计算模拟和算法模型还无法完全解决蛋白质分子设计的所有问题。
此外，蛋白质的折叠和反应过程涉及到许多非线性的物理化学过程，存在着计算复杂度和时间消耗的问题。
因此，蛋白质分子设计领域仍然需要进一步的研究和发展，以实现更准确和高效的蛋白质设计方法。
蛋白质分子设计的原理
蛋白质分子设计的原理蛋白质分子设计，这可真是个神奇又有趣的领域啊！你看，蛋白质就像是我们生命这座大城堡里的一个个小砖块，它们有着各种各样的形状和功能。
想象一下，蛋白质就像是一个个小小的机器人，在我们身体里忙碌地工作着。
有的负责运输营养物质，有的帮忙抵御外敌，还有的在调节各种生理过程。
而蛋白质分子设计呢，就像是我们给这些小机器人重新编程、改造，让它们能更好地为我们服务。
那怎么进行蛋白质分子设计呢？这就好比我们要给一个小机器人重新设计它的外观和功能。
首先得了解蛋白质的基本结构吧，这就像是知道机器人是由哪些零件组成的。
蛋白质有不同的氨基酸组成，这些氨基酸就像是机器人的各种零部件。
然后呢，我们得考虑蛋白质的功能需求呀。
如果我们想要一个能更高效运输氧气的蛋白质，那就要让它的结构适合抓住氧气分子。
这就好像我们要让机器人的手臂能更牢固地抓住东西一样。
在这个过程中，我们还得考虑很多因素呢！比如说环境。
不同的环境可能会对蛋白质的性能产生影响。
就像一个机器人在沙漠里和在水里工作，那肯定需要不同的设计。
而且啊，这可不是一件容易的事儿！有时候我们设计出来的蛋白质可能并不完全符合我们的期望。
哎呀，这就好比我们给机器人设计了一个新功能，结果它在实际操作中却出现了问题。
但这可不能让我们灰心丧气啊！我们得不断尝试，不断改进。
你说，这像不像我们在生活中遇到困难，然后努力去克服的过程？我们可能会犯错，但每一次错误都是我们进步的机会。
还有哦，蛋白质分子设计可不是一个人能完成的任务。
这需要很多科学家、工程师们一起努力。
大家各自发挥自己的专长，一起为了创造出更好的蛋白质而奋斗。
这不就和我们在一个团队里工作一样吗？每个人都有自己的角色，大家齐心协力才能把事情做好。
你想想，如果我们真的能设计出超级厉害的蛋白质，那对我们的生活将会有多大的改变呀！也许我们就能攻克很多疾病，让人们生活得更健康、更快乐。
总之，蛋白质分子设计是一个充满挑战和机遇的领域。
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
全新蛋白质的设计
1. 概念： 以弥补天然蛋白质结构和功能在应用方面的不足为目的， 根据人类所希望的结构和功能，采取工程手段，来人工设
计新的氨基酸序列。这样的设计研究称为反向折叠研究。
2. 策略：
通过设计新的氨基酸序列，来加强蛋白质的某些相互作用。
3. 途径：蛋白质结构的从头设计；蛋白质功能的从头设计。
配体诱导组装
在合成模板上的组装
共价交叉连接途径 通过共价交叉连接预组织是直接形成所希望 结构的有力途径
蛋白质功能的从头设计
1.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.膜蛋白及离子通道的设计
4.新材料的设计
蛋白质结构的从头设计的途径
1. 使相互作用的强度与数目达到最大，使其吸纳的
能量超过构想熵；
2. 通过共价交叉连接，以减少阻碍折叠的构象熵。
相互作用的强度与数目的最大化途径
1.直接使设计序列的相互作用达到最大
二级结构模块单元的自组装
线性多肽链折叠为球状结构
2.借助于外力使设计序列的相互作用达到最大
蛋 白 质 分 子 设 计
一、意义：
1.确立蛋白质工程的方向性；2.提高蛋白质工程的效率 二、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 三、途径： 1.基于天然蛋白质结构的分子设计；2.全新蛋白质的设计
蛋白质分子设计的循环过程
天然蛋白质的表征
计算机模拟
突变基因构建
功能分析
突变蛋白质产品
1. 根据结构信息确定定位残基突变 2. 通过随机突变、删除分析以及连接段扫描突变等方
法鉴定功能残基。
3.利用蛋白质同源性鉴定功能残基
蛋 白 质 分 子 设 计
生物信息学第六章蛋白质结构预测及分子设计
▪ 如果分析Swiss-Prot和TrEMBL数据库中序列 ▪ 直接填写Swiss-Prot/TrEMBL AC号(accession number)
▪ 如果分析新序列： ▪ 直接在搜索框中粘贴氨基酸序列
输入Swiss-Prot/TrEMBL AC号
将protein.txt蛋白质序列 粘贴在文本框中
氨基酸数目 相对分子质量
氨基酸组成
返回结果
正/负电荷残基数
原子组成 分子式
总原子数 消光系数
半衰期
E(Prot) = Num(Tyr)*Ext(Tyr) + Num(Trp)*Ext(Trp) + Num(Cystine)*Ext(Cystine) proteins in water measured at 280 nm: Ext(Tyr) = 1490, Ext(Trp) = 5500, Ext(Cystine) = 125 Absorb(Prot) = E(Prot) / Molecular_weight
(a)-Type I membrane protein (b)-Type II membrane protein (c)-Multipass transmembrane proteins (d)-Lipid chain-anchored membrane proteins (e)-GPI-anchored membrane proteins
构,PDP域 更多外部链接(对于RecBCD多达26个)
更多有用的链接
▪ PDB的外部链接中Compute pI Mw点击Chain B (可计算各链分子 量)
蛋白质的分子设计
蛋白质的分子设计一、蛋白质的神奇之旅蛋白质，听起来是不是有点复杂？但它就像是我们身体的“建筑工人”，帮我们完成一堆重要的任务。
你知道吗？我们身上的每一个细胞、每一个器官、甚至每一次心跳，都离不开蛋白质的支持。
想象一下，蛋白质就是那个背后默默无闻但又超级重要的小伙伴，不管是维持我们皮肤的弹性，还是帮助我们消化食物，它都得出一份力。
蛋白质的工作真的很辛苦啊！有时候你会觉得它像是个全能小超人，什么活儿都能干得不错。
更有意思的是，蛋白质还分好多种类型呢！有的负责帮助修复受伤的细胞，有的参与新陈代谢，还有的专门帮我们运送养分。
就好像我们在一家公司里，每个人都有不同的岗位，有的负责打扫卫生，有的负责给大家递水，每个人都有自己的责任，都缺一不可。
蛋白质就这么在我们身体里，低调却有力地发挥着自己的作用。
蛋白质的工作并不简单，尤其是那些在我们体内“设计”出来的蛋白质。
别看它们是小分子，设计起来可是一门技术活。
科学家们要像艺术家一样，通过一根根氨基酸来拼接蛋白质，保证它们能完成特定的任务。
就像搭积木一样，哪怕一根小小的氨基酸摆错了位置，蛋白质的功能也可能会发生大变化。
想象一下，如果你在拼拼图时，错把一个角落的拼图放错了位置，整个图案看起来都不对劲，那种感觉，蛋白质设计师们可是深有体会。
二、蛋白质的设计有多复杂？说到蛋白质设计，真的是太有意思了。
你知道科学家们如何设计蛋白质吗？简直就是玩转分子大杂烩。
科学家得确定蛋白质的功能。
它是要参与催化反应呢，还是要修复损伤的细胞？有了目标后，接下来就是氨基酸的选择和排列组合。
这个过程真的像是在调配一杯独特的鸡尾酒，每种氨基酸就像酒吧里的不同酒水，搭配得好，能做出一杯美味的鸡尾酒，搭配不好，可就毁了整杯。
每种氨基酸的位置和类型，都会影响蛋白质的功能，就像你放个不同的调料，菜的味道就会不一样。
不仅如此，蛋白质的设计还要求极高的精密度。
蛋白质是由几十、上百、甚至更多个氨基酸按一定顺序连接起来的，每个氨基酸都得精确到位。
《蛋白质分子设计》PPT课件
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。
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。
18.02.2022
25
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。
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
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。
18.02.2022
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二、蛋白质分子设计原理
1. 内核假设：蛋白质内核中侧链的相互作用决定其独 特的折叠形式。内核是指蛋白质在进化中保守的内部 区域。在通常情况下,内核由氢键连接的二级结构单元 组成。
2. 所有蛋白质内部都是密堆积（很少有空穴大到可以 结合1个水分子或惰性气体），并且没有重叠。因为： 分子是从内部排出的；原子间的伦敦色散力。
2. 利用能量优化及蛋白质动力学方法预测修饰后的蛋 白质结构。
3. 预测的结构与原始蛋白质结构比较，利用蛋白质结 构与功能、结构与稳定性的相关知识及理论，预测新 蛋白质可能具有的性质。
4. 人工合成新设计蛋白或利用基因工程技术表达该蛋 白质，经分离纯化后，进行系统地鉴定（表征）。
第06章蛋白质分子设计
如未达到要求，再重复上述过程，直至满足需要为止。
第06章蛋白质分子设计
设计目标
热稳定性 对氧化的稳定性与解决方法
解决方法
引入二硫键；增加氢键数目；改善内部疏水堆 积；增加表面盐桥。 将Cys Ala、Ser；Met Gln、Val、Ile及Leu Trp Phe 、Tyr。 Cys Ala、Ser；Met Gln、Val、Ile及Leu 替代表面羧基。 替换表面荷电基团；分子内His、Cys及Tyr的置 换；内离子对的置换。 专一性改变；增加逆转数；改变酸碱度。
第06章蛋白质分子设计
以天然蛋白质结构为基础进行分子设计的具体步骤：
1. 从天然蛋白质的三维结构出发，利用计算机模拟技
术确定突变位点及替换的氨基酸。
注意的问题： 1）应确定对蛋白质折叠敏感的区域，这些区域包括：带
特殊扭角的氨基酸、盐桥和密堆积区等。内核！ 2）应确定对功能非常重要的位置，这些可以从结构与功
第六章 蛋白质分子设计
本章主要内容： 1. 蛋白质分子设计的目的； 2. 蛋白质分子设计原理； 3. 蛋白质分子设计的主要途径； 4. 蛋白质分子设计的主要步骤。
PrPC； 右为PrPSC
第06章蛋白质分子设计
一、蛋白质分子设计的目的
1.探索蛋白质结构层次之间的相互关系； 2.探索蛋白质结构，特别是立体结构的形成规律； 3.探索蛋白质折叠的分子机理； 4.为蛋白质结构与功能的关系研究提供手段； 5.改造天然蛋白质的结构，获得符合需要的蛋白质； 6.为创造全新的蛋白质奠定基础。
但应注意，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极其困难的，可能需要经 过几轮的循环。
第06章蛋白质分子设计
编码氨基酸的分类：
非极性氨基酸（ 8种）：Ala、Val、Leu、Ile、Phe、Trp、Met和Pro
极性氨基酸（12种）： 不带电极性氨基酸：Gly、Ser、Thr、Cys、Tyr、Asn和Gln 带电极性氨基酸：带正电荷极性氨基酸： Arg 、His和Lys
能的关系、生物化学或蛋白质工程实验及结构上考虑。 3）应考察其余位置对所希望改变的影响。 4）当进行互换或插入/删除残基时，应考虑它们对结构特
征及功能的影响。应遵循以下原则：氨基酸侧链的改变不影响 该主链的折叠，插入／删除某些部分不影响表面区域，侧链交 换遵守蛋白质结构保守原第则06章。蛋白质分子设计
第06章蛋白质分子设计
蛋白质分子设计涉及到的重要技术：
1. 在蛋白质设计开始之前，要对所要求的活性进行 筛选。由于真菌与细胞相对容易处理，因此，它 们是一个生物活性物质源。
2. 由于基因工程的发展，真核基因表达技术的发展 使动物蛋白质与植物蛋白质的数目迅速增长，又 增加了新的生物活性物质源。 即：目的基因表达方法的选择与确定。
（一）基于天然蛋白质结构的分子设计
以天然蛋白质的分子结构及功能（稳定性）知识为基础。 （PDB及相关数据库可提供大量参考信息）
首先对其进行不同方式的理论改造，并借助于计算机模拟 技术，推测其可能的改造后的结构与功能。
然后用基因工程技术或人工合成技术获得这种改造后的新 蛋白质，并用实验的方法测定其结构及功能。
带负电荷极性氨基酸： Asp和Glu
参考第二章中有关20种氨基酸的结构（侧链的不同）！
第06章蛋白质分子设计
倾向于形成α-螺旋的氨基酸：
对已知蛋白质结构进行大量的分析表明，氨基酸形成α-螺 旋的倾向性不同。
强烈倾向于形成α-螺旋的氨基酸有：Ala、Glu、Leu、 Lys和Met。
非常不利于形成α-螺旋的氨基酸有：Pro、Gly、Tyr和 Ser。
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举例：抗菌肽的结构与功能
第06章蛋白质分子设计
三、蛋白质分子设计的主要途径
包括基于天然蛋白质结构的分子设计、蛋白质从 头设计及计算蛋白质设计。
计算机模拟
基因构建
功能分析
突变蛋白产品
蛋白质分子设计循环
第06章蛋白质分子设计
科研楼
第06章蛋白质分子设计
第06章蛋白质分子设计
3. 所有内部氢键都是最大满足的，包括主链和侧链。
4. 疏水及亲水基团需要合理地分布在溶剂可及与不可
及的表面。
第06章蛋白质分子设计
第06章蛋白质分子设计
5. 在金属蛋白质中，配位残基的替换要求满足金属配 位几何。在金属周围放置适当数目的蛋白质侧链或 溶剂分子，并符合正确的键长、键角及整体几何。
6. 对于金属蛋白质，围绕金属中心的第二壳层的相互 作用是重要的。因为大多数配基含有一个以上的基 团，除与金属离子形成配位键以外的基团之间或与 其他氨基酸侧链之间形成氢键。如组氨酸。
7. 最佳的氨基酸侧链几何排列。包括排列顺序、优势 构象。
8. 结构及功能的专一性。这是蛋白质分子设计最困难
的问题。
第06章蛋白质分子设计
3. 蛋白质提取与纯化后需要进行细致的表征，测定 它们的序列、三维结构、稳定性、生物活性等。
第06章蛋白质分子设计
4. 专一性突变体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。
5. 计算机模拟技术在蛋白质设计循环中占有重要位 置。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。