第三章 蛋白质分子设计
蛋白质分子设计
2．突变方法鉴定突变功能残基
• 通过引进另外一种突变来检测
• 随机突变技术 • 删除分析及连接片段扫描突变
3. 利用蛋白质同源性鉴定突变功能残基
• 高度保守的残基与同源蛋白的共同功能以及维 持结构有关，这些残基常作为突变及功能进化 的候选基因； • 非保守残基是分析的靶位点，特别是对于专一 性研究；
• 二、蛋白质结构的从头设计
• 三、蛋白质功能的从头设计
一、全新蛋白质设计方法
（一）全新蛋白质设计程序
设计
模拟
分析
实验
（二）全新蛋白质设计目标的选择
• 依据设计的目的可以分为 ：
• 结构的从头设计
– 二级结构
• 功能的从头设计
– 主要进行天然蛋白质功能的模拟
（三）设计方法
• 选定氨基酸顺序 • 用Monte Carlo法或分子动力学计算其 三维模型 • 目标：使构象的能量水平达到最低和稳 定
3．Scaffold设计
框架设计，是指对蛋白质分子的立体设计； 在分子设计中，框架设计是最难的一步： 例：最小的酶分子约10000 Da，但只有3个 基团参与催化，还有几个基团参与与底物结 合，这些基团具有特定功能的关键条件之一 就是框架化。
溶菌酶结构
• 例如鸡蛋白溶菌酶活性分子的设计过 程中，其中EFAEEAASF多肽能水解几 丁质和葡聚糖，但糖苷酶活性较低。 Cutte成功设计了一个具有明显的核酸 酶活性的34肽，该肽可水解下列底物， 但活性依次降低：polyC、polyA、 polyU、polyG。 • 其主要活性源于二聚体；而天然核酸 酶仅消化polyC、polyU、polyA，特别 倾向于水解polyC的3’端。
一、定位突变
基于天然蛋白质结构的蛋白质分子“小 改”，是指对已知结构的蛋白质进行少数几个 残基的修饰、替换或删除等，这是目前蛋白质 工程中最广泛使用的方法，主要可分为蛋白质 修饰和基因定位突变两类。
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！。
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 。
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？。
蛋白质工程 作业答案
第三章蛋白质工程习题1、名词解释：蛋白质工程：是基于对蛋白质结构和功能关系的认识，进行分子设计，通过基因工程途径定向地改造蛋白质或创造合乎人类需要的新的突变蛋白质的理论及实践，是基因工程基础上的延伸，是第二代基因工程。
蛋白质分子设计：是为有目的的蛋白质工程改造提供设计方案，即在知道了需要改造的蛋白质的性能及其相应的结构基础之后，通过理论的方法，提出蛋白质改造的设计方案。
嵌合抗体：用DNA重组技术将鼠源单抗的可变区(V区)基因与人免疫球蛋白(Ig)的恒定区(C 区 )基因相连接,构建成嵌合基因,导入宿主细胞进行表达,制成嵌合抗体。
目前国内外已制备了数十种嵌合抗体。
PDB:蛋白质结构数据库。
2、请列表总结基因工程和蛋白质工程的相同点、不同之处（从结果、实质、流程等方面）及其联系。
3、蛋白质工程的基本目标、基本途径是什么？答：基本目标：对现有蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需要。
基本途径：基因修饰或基因合成：借助计算机辅助设计、基因定点诱变和重组DNA技术4、目前有哪些蛋白质工程分子改造的常用方法？答：⒈基因定点突变技术（小改）：即通过在DNA水平上进行碱基的取代、插入或缺失，达到改变基因，从而改变编码的蛋白质的结构的技术，包括核苷酸引物诱变，盒式诱变，PCR诱变，随机诱变。
⒉基因剪切和融合（中改）：原理：将编码某蛋白的部分基因移植到另种蛋白基因上，经克隆、表达，产生新的融合蛋白。
可达到使蛋白易于表达、纯化、细胞定位等，或使蛋白性质改变。
⒊基因全合成（大改）：合成DNA，然后表达出相应蛋白。
可以全部由人工控制，便于设计和改造，还适用于同时实现多处突变。
5、蛋白质工程中增加蛋白质稳定性的基本途径有哪些？答：蛋白质结构与功能研究表明，上述稳定蛋白质空间构象的因素是由蛋白质一级结构中某一个或某一段氨基酸序列决定的，人工改变或修饰这些氨基酸残基，有可能增加蛋白质的稳定性，又不影响其生物学活性。
第三章 基因工程 第4节 蛋白质工程的原理和应用
第4节 蛋白质工程的原理和应用 1．蛋白质工程 (1)基础：蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。
(2)手段：通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质。
(3)目的：获得满足人类生产和生活需求的蛋白质。
(4)困难：蛋白质发挥功能必须依赖正确的高级结构，而蛋白质的高级结构十分复杂。
2．蛋白质工程崛起的缘由(1)崛起缘由①基因工程的实质：将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状。
②基因工程的不足：基因工程在原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质。
③天然蛋白质的不足：天然蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。
(2)实例：提高玉米赖氨酸含量天冬氨酸激酶(第352位的苏氨酸)――→改造天冬氨酸激酶(异亮氨酸)二氢吡啶二羧酸合成酶(第104位的天冬酰胺)――→改造二氢吡啶二羧酸合成酶(异亮氨酸) 改造后玉米叶片和种子中游离赖氨酸含量分别提高5倍和2倍。
3．蛋白质工程的基本原理蛋白质工程的基本思路：预期的蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。
4．蛋白质工程的应用(1)医药工业方面①科学家通过对胰岛素基因的改造，研发出速效胰岛素类似物产品。
②干扰素(半胱氨酸)――改造干扰素(丝氨酸) 体外很难保存 体外－70 ℃下可以保存半年③人－鼠嵌合抗体：降低免疫反应强度。
(2)其他工业方面利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的突变体，筛选出符合工业化生产需求的突变体，提高该酶的使用价值。
(3)农业方面①科学家尝试改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量。
②科学家利用蛋白质工程的思路设计优良微生物农药，通过改造微生物蛋白质的结构，增强微生物防治病虫害的效果。
【强化记忆】1. 蛋白质工程需直接改造基因，而不直接改造蛋白质的原因有：(1)任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且可以遗传下去。
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。
第3章 蛋白质分子设计
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 简单蛋白质建筑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 的独特性及明显的功能优越性 • 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
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
突变蛋白质结构的评估
• • • • • 溶解性 热力学分析 Ｘ射线晶体学及ＮＭＲ谱 园二色散方法 单克隆抗体探测构象变化
蛋白质中功能残基的鉴定
1．根据已知结构信息确定功能残基 2．突变实验方法鉴定功能残基
随机突变和删除分析及连接片断扫描突变
3．利用蛋白质同源性鉴定功能残基
天然蛋白质的剪裁
• 分子剪裁：指在对天然蛋白质的改造中替 换1个肽段或1个结构域 个肽段或1 • 应用：抗体分子的改造；Rop 应用：抗体分子的改造；Rop
蛋白质的功能设计
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
第三节 计算蛋白质设计
《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
第三章蛋白质的分子设计修改
• Java-based on-line biomolecular modeling package –B /~nwhite/Biomer
■蛋白质设计目前存在的问题
设计的蛋白质与天然蛋白质比较，缺乏结构的独特性及明显的功能优 越性。所有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，但一般说来它们三级结构的确定性较差
第二节 基于天然蛋白质结构的分子设计
■一、概述
即使蛋白质的三维结构已知，选择 一个合适的突变体依然困难，这说明 蛋白质设计任务的艰巨性，它涉及多 种学科的配合，如计算机模拟专家、 X 射线晶体学家、蛋白质化学家、生 物技术专家等的合作与配合。
蛋白质分子设计
第一节 分子设计概况 第二节 基于天然蛋白质结
构的分子设计 第三节 全新蛋白质设计 第四节 计算蛋白质设计 第五节 基于结构的药物分
子设计
第一节 分子设计概况
随着理论化学方法六十年来不断发展，加上近年来计算 机技术突飞猛进，分子设计已经从炼金术士的梦想走上实 际的研究和应用。世界最大的二十家药厂无一例外地运用 分子设计的方法把药物筛选的范围缩小到原先的1/5到1/10 。从电子结构出发，设计具有特殊性质的新材料、新化合 物也开始走向现实。 分子设计也称为分子建模(Molecular Modeling)，目前已 经成为有的外国大学化学系的课程。它包括理论化学方法 和计算机化学方法。理论化学方法包括量子化学、统计热 力学和非平衡统计力学等。
…………………………
■ 小结
第一节 分子设计概况
分子设计历史 – 计算化学 (量子化学, 分子力学等) – 结构化学 (晶体学，谱学等) – 计算机技术 (计算数学，软硬件，数据库，图形学等)
第三章 蛋白质分子构象
第三节 主链构象
肽链中的肽平面
一般认为，驱动蛋白质折叠的主要动力是熵效应。折叠的结果是 疏水基团埋藏在蛋白质分子内部，亲水基团暴露在分子表面。在 形成分子疏水核心的同时，必然有一部分主链也被埋在里面，由 于主链本身是高度亲水的，这样就产生矛盾，只有处于分子内部 的主链极性基团（C=O，N-H）也被氢键中和，矛盾才能解决。 正是在这种能量平衡中，蛋白质主链的折叠产生由氢键维系的有 规则的构象，称为二级结构。因为主链肽键上的C=O和N-H是沿 多肽主链有规则排列的，所以在主链内和主链间常出现周期性的 氢键相互作用（C=O‥‥H-N）。下面介绍几种常见的二级结构元 件。
第一节 蛋白质结构的层次
蛋白质大体分为一级结构和空间结构。空间结构即为蛋白质分子构象 (Conformation) 又称高级结构主要分为二级结构、超二级结构、结构域、 三级结构和四级结构。
蛋白质天然折叠结构决定因素 1.与溶剂分子（一般是水）的查互作用 2.溶剂的pH和离子组成 3.蛋白质的氨基酸序列
第四节 侧链构象
多肽链氨基酸残基的R侧链之间，或与主 链骨架及水分子之间可借助一些共价键 相互作用，从而影响主链的构象。在水 溶液中由于 与水分子的相互作用等原因， 可行成亲水区和疏水区，这些区域往往 与蛋白质的功能有一定联系，并在稳定 蛋白质空间构象中发挥作用。
第四节 侧链构象
1 疏水区：多肽链中具有非极性侧链的氨 基酸，如Leu Ile Val等，其R侧链有避开 水的趋势，当许多这类非极性侧链聚集 在蛋白质分子内部时便形成疏水区。肌 红蛋白分子中有一疏水空穴，血红素分 子，疏水环境对保证分子中的Fe 2+与O2 的可逆结合至关重要
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3．利用蛋白质同源性鉴定功能残基
• 高度保守的残基 • 非保守残基——专一性
T4 lysozyme
(a) Is a 164-aa polypeptide chain that folds into two domains: The N-terminal domain is of + type, and the C-terminal domain comprises 7 short helices. (b) Has no disulfide bonds (c) Has two Cys residues, Cys54 and Cys97 (that are far apart in the folded structure)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 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 简单蛋白质建筑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
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(P47) • 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
第一节
基于天然蛋白质结 构的分子设计
基因构建
计算机模拟
功能分析
全新蛋白质设计方法
选择某种主链骨架作为目标结构，随后固定 骨架，寻找能够折叠成这种结构的氨基酸 组合 设计考虑因素包括： • 二元模式、转子库、死端排除法 • 能量表达、能量优化、侧链构象的离散化、 残基分类(内核、表面、边界)、功能位点 设计、专一性、稳定性及序列空间的稳健 性预测等方面内容
蛋白质的全新设计
蛋白质工程
第一章绪论 第二章蛋白质结构基础 第三章蛋白质分子设计 第四章蛋白质的修饰和表达 第五章蛋白质理化性质的分析和鉴定 第六章蛋白质工程的实际应用
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
5 序列设计
• • • 氨基酸——二级结构 序列最简化法 模板组装合成法
6 预测结构 • 基本思想：信息论和概率统计规律 • 基本原则：能量最低
7 获得新蛋白质 • 多肽化学合成 • 基因工程
8 新蛋白的检验 • 是否存在蛋白质的多聚体状态 • 二级结构与预期是否吻合 • 是否具有三级结构 9 完成新蛋白的设计
第二节 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
全新蛋白质设计方法
• 蛋白质设计是一个理论与实验之间的循环。 • PDA（protein design automation) 设计——合成——检测——再设计 • 这个循环已经在蛋白质的合理设计中得到了 许多重要进展
蛋白质结构的从头设计
1. 二级结构模块单元的自组装 2. 配体诱导组装 3. 通过共价交叉连接实现肽的自组装： -SS-；DAB 4. 在合成模板上的肽自组装 5. 线性多肽折叠为球状结构 6. 基于组合库的全新蛋白质设计
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
4） 构建突变体，获得突变体蛋白 化学合成、PCR 5）突变体蛋白质的检验 序列、三维结构、稳定性、催化活性
注意问题
A 应确定蛋白质折叠敏感的区域，包括带有 特殊扭角的氨基酸、盐桥、密堆积区等 B 应确定对功能非常重要的位臵 C 考察剩余位臵对所希望改变的影响 D 当进行互换或插入/删除残基是应考虑他们 对结构特征的影响，如疏水堆积、侧链取 向、氢键、盐桥等
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
把Cys转换为Ala或Ser，把Met转换为Gln、 Val、Ile或Leu替代表面羧基 替换表面荷电基团His、Cys以及Tyr的臵换， 内离子对的臵换
对重金属的稳定性
pH稳定性
每个突变 使得变性 温度增加 2℃ 双突变增 加4℃
天然蛋白质的剪裁
• 分子剪裁：指在对天然蛋白质的改造中替 换1个肽段或1个结构域 • 应用：抗体分子的改造：嵌合抗体、人源 抗体
• 嵌合抗体:1984年，Morrion，从杂交瘤细胞中分离 出功能性鼠抗体可变区基因，与人Ig恒定区的基 因连接，插入适当质粒，构建鼠-人嵌合的重链和 轻链基因质粒载体，共同转染宿主细胞（如骨髓 瘤细胞），表达鼠-人嵌合抗体。 • 人源抗体:人源化抗体就是指抗体的可变区部分由 人类可变区基因所编码，即Vh和Vl。人源化抗体 可以大大减少鼠源抗体对人类机体造成的免疫副 反应。制备人源化抗体的主要目的是减少抗体的 异源性，以利其临床应用。
• 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
理论设计和实验过程相互结合
四、蛋白质分子设计的程序
1 收集相关蛋白质的结构信息 一级结构、立体结构、功能结构域、同源 蛋白等数据 2 建立所研究蛋白质的结构模型 PDB、X射线晶体学、NMR、结构预测 3 结构模型的生物信息分析 三维结构、功能区、二硫键等
4 选择设计目标
• 找出重要位点和区域 ——同家族蛋白序列对比 • 既尽可能满足设计要求又能维持原结构 • 目标：残基不多（60-80）、结构简单、 对称性强
突变蛋白质结构的评估
• • • • • 溶解性 热力学分析 Ｘ射线晶体学及ＮＭＲ谱 园二色散方法 单克隆抗体探测构象变化
蛋白质中功能残基的鉴定
1．根据已知结构信息确定功能残基
2．突变实验方法鉴定功能残基 • 通过在蛋白质中引进另外一种突变 • 多重突变中单一突变是有加和性的
• 随机突变和删除分析及连接片断扫描突变
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
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（de novo design）
1、对于已知三维结构的蛋白质：根据PDB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型 3 、利用同源性较高的蛋白质的三维结构
4 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 5 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
结构与功能的容忍度
蛋白质结构及功能对残基的替换有一定的容忍度，即结构 与功能关系有一定的稳健度 • Fersht等替换了Barnase的所有内核残基。结果表明23 ％的突变体保留了酶的活性
• Mathews及其合作者在溶菌酶内核中替换多至10个残基。 实验证明多重取代的蛋白仍具有活性以及协同折叠 这些结果说明不同的氨基序列具有相近的设计的结构
α螺旋设计使用的策略（p63）：
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 5）使用芳香-荷电-疏的相互作用
三、蛋白质设计原理 （P50）
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)
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
提高酶学性质
专一性的改变，增加逆转数(turnover number)，改变酸碱度
定位突变种类
• 插入一个或多个氨基酸残基 • 删除一个或多个氨基酸残基 • 替换或取代一个或多个氨基酸残基 • 最大量的定位突变是在体外利用重 组DNA技术或PCR方法
定位突变种类
• 定点突变：改变功能区域某个位置的氨基 酸 • 盒式突变：一次在一个位点上产生20中不 同的氨基酸的突变体——“饱和性”分析
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