第06章蛋白质分子设计
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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
（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。
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
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。
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、结构与稳定性的源自文库关知识及理论，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
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。
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。
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
第06章蛋白质分子设计
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。
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。
第06章蛋白质分子设计
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
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。
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 对重金属的稳定性 pH稳定性 提高酶学性质
设计目标与解决方法
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。
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
（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。
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
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。
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、结构与稳定性的源自文库关知识及理论，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
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。
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。
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
第06章蛋白质分子设计
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。
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。
第06章蛋白质分子设计
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
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。
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 对重金属的稳定性 pH稳定性 提高酶学性质
设计目标与解决方法
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。