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。
蛋白质分子设计资料重点
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。
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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。
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 型。
2、三级结构的确定性较差
第一节 基于天然蛋白质结构的设计
一、概述
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
蛋白质设计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和配合
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。
把Cys转换为Ala或Ser，把Trp 转换为Phe或Tyr
替代表面羧基，把Met转换为 Gln、Val、Ile或Leu
蛋白质的分子设计
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蛋白质分子设计是一门新兴的研究领域，其本身在不断地
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。
第七章 蛋白质分子设计
一、分子设计的目的
蛋白质的分子设计目的：
获得具有特定功能的蛋白质。 蛋白质的 蛋白质的 分子设计 从头设计 对已有蛋白质的分 子改造提供确切的 方案。
理性设计
设计自然界中尚未发 现的、具有全新结构 和功能的蛋白质。
二、蛋白质分子设计的理论基础
理论基础是蛋白质的结构与功能关系，
β 折叠片的设计原则：
选择形成β 折叠片倾向性较大的氨基酸残基， 如Val、Ile、Tyr。 使亲水性残基和疏水性残基相间排列。
β 转角设计：
要考虑转角类型，某些氨基酸残基对 蛋白质的二级结构有终止作用。如Pro和 Gly是α 螺旋的中断者，Glu是β 折叠的中 断者，设计时可利用这些氨基酸残基来终 止分割不同的二级结构。
四、蛋白质分子设计的方法与过程
1、蛋白质的理性设计
点突变（小改）：对已知结构的pro进行几个 残基的替换来改善pro的结构和功能。
序列及结构域的组合（中改）：对天然pro分 子进行大规模地肽链或结构域替换以及对 不同pro的结构域进行拼接组装。
（1）点突变（小改）
三类突变： 插入一个或多个氨基酸残基， 删除一个或子就是抗体设计和改造。
抗 结 部 原 合 位
VH CH1
H L VL
S 补 结 部 体 合 位
S
S S S S
S
S
CL CH2 CH3
IgG分子的12个结构域
2、从头设计（大改）
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。
用丝氨酸替换Thr241，没有丧失对调节亚基的亲 和力，这暗示磷酸丝氨酸可以替换磷酸苏氨酸。
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
第二章_蛋白质分子设计
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。
蛋白质分子设计[详细讲解]
![蛋白质分子设计[详细讲解]](https://img.taocdn.com/s3/m/cb55571cba68a98271fe910ef12d2af90242a891.png)
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。
与其它化学试剂比较：（1）分子量非常大；（2）在机体内稳定；（3）专一性的优劣。
分子生物学的发展弥补了上述缺点，如定位突变、PCR使蛋白质可能工程化生产。
蛋白质设计（蛋白质的结构、功能预测）涉及多学科的交叉领域，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）基于天然蛋白质结构的分子设计；（2）蛋白质从头设计。
存在问题：与天然蛋白质比较：（1）缺乏结构独特性；（2）缺乏明显的功能优越性。
第一节基于天然蛋白质结构的分子设计一、概述蛋白质结构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．对要求的活性进行筛选。
2．对蛋白质进行表征，如测定序列、三维结构、稳定性及催化活性。
3．专一型突变产物。
4．计算机模拟。
5．蛋白质的三维结构。
在PDB中搜索，无纪录即进行X射线、NMR方法或预测并构建三维结构模型。
6．蛋白质结构与功能的关系。
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的确定。
（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）替换或加减残基对结构特征的影响。
2．能量优化和蛋白质动力学方法预测修饰后蛋白质的结构。
3．预测结构与原始蛋白质结构比较，预测新蛋白质性质。
上述设计工作完成后，再进行蛋白质合成或突变实验，分离、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，由氢键连接的二级结构单元组成。
蛋白质分子设计的主要方法
蛋白质分子设计的主要方法《关于蛋白质分子设计的那些事儿》嘿，朋友们！今天咱来聊聊蛋白质分子设计这个有趣的话题。
听起来是不是很高大上？别急，我给你用接地气的方式讲讲。
你可以把蛋白质分子想象成一个超级复杂的机器，而我们呢，就是那群试图给这个机器重新设计、改造，让它变得更牛的“工程师”。
那怎么设计和改造呢？这就有好几种方法啦！先说定点突变吧，这就像是给蛋白质分子这个“大机器”来个精准的小手术。
找到关键的地方，稍微动一动，就可能让它的功能发生巨大变化。
就好像本来这个机器只能搬小砖头，这么一改，嘿，能搬大石块啦！不过这得非常小心，不然弄错了地方，那可就糟糕了。
还有从头设计呢，哇，这个听起来就很厉害。
就像是凭空创造一个全新的超级机器出来！不过这可不是简单地随便拼凑哦，得了解蛋白质分子的各种特性、结构，一点点地给它搭建起来。
就好像搭积木，要搭得稳当、精巧。
当然啦，这设计过程可不比玩游戏轻松。
有时候你觉得自己设计得完美无缺了，可到实际用的时候才发现，哎呀，怎么和想象的不一样呢。
就像是你精心拼了个乐高机器人，结果发现它走路歪歪扭扭的。
这时候就得重新研究，找找问题出在哪儿。
而且啊，设计蛋白质分子可不能光凭感觉。
得有科学依据，得用各种仪器、软件来帮忙。
不然你怎么知道你设计的对不对呢。
这就好像你玩游戏得有攻略，才能更好地通关嘛。
有时候，设计出来的蛋白质分子还得经过实践的检验。
就像新发明的产品得放到市场上看看大家喜不喜欢。
如果效果好，那自然皆大欢喜；要是不行，那就得继续改进啦。
总之，蛋白质分子设计这个活儿啊，既充满挑战又特别有趣。
就像一场奇妙的冒险，你永远不知道下一个设计会带来什么样的惊喜或者麻烦。
不过这也正是它吸引人的地方啊！想象一下，你亲手设计的蛋白质分子能够为医学、生物科学等领域做出贡献，那得多有成就感呀！让咱们一起加油，在蛋白质分子设计这个神奇的领域里闯出自己的一片天吧！。
蛋白质设计
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四、蛋白质分子设计的程序
1、收集相关蛋白质的结构信息 2、建立所研究蛋白质的结构模型 3、结构模型的生物信息分析 4、选择设计目标 5、序列设计 6、预测结果 7、获得蛋白质 8、新蛋白质的检验 9、完成新蛋白质设计
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一、蛋白质分子设计的分类 （一）蛋白质分子设计的层次 可分为两个层次 在蛋白质三维结构已知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
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一、蛋白质分子设计的分类
（二）蛋白质分子设计分类 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；在已知结构的天然蛋白质分子 多肽链内的确定位臵上，进行一个或少数几 个氨基酸残基的改变，以研究和改善蛋白质 的性质和功能。 主要是臵换，删除或插入氨基酸，依赖基因 水平。
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总结 1.一种基因可编码产生多种蛋白质，一种蛋 白质可以产生多种活性多肽，一种活性多肽 可以产生多种功能 2.蛋白质的功能与高级结构相联系，生物学 活性和理化性质主要决定于空间结构的完整 性。 3.一级结构决定了它的二级，三级结构，如 果一级不破坏，就能恢复到原来的三级结构 一级相似的蛋白质，其基本构象及功能也相 似
第二章 蛋白质分子设计
第一节:蛋白质分子设计原理 第二节:基于蛋白质天然结构的分子 设计
第三节:全新蛋白质分子设计
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蛋白质分子设计
蛋白质是一类非常有用的物质 与化学试剂相比，蛋白质的分子量非常巨大，大多数 不能通过化学方法生产 专一性很强是蛋白质一大优点，但因此其应用范围却 受到影响 分子生物学的发展克服了上述缺点。特别是定位突变 及PCR 使得蛋白质可能工程化，但用随机方法从事蛋 白质工程研究的效率非常低
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。
论述蛋白质分子设计的程序
论述蛋白质分子设计的程序蛋白质分子设计是一种在计算机上进行的程序，用于预测和设计新型蛋白质的结构和功能。
这项技术在生物医学研究、药物开发以及生物工程领域具有重要的应用价值。
本文将从蛋白质结构预测、蛋白质设计方法以及挑战与应用等方面进行论述。
蛋白质的结构是其功能的决定因素，而实验确定蛋白质结构的方法通常耗时且费力。
因此，蛋白质结构预测的研究成为了科学家们关注的焦点。
蛋白质结构预测通过计算机模拟相互作用力和能量原则，从而尽可能准确地预测蛋白质的空间构型。
蛋白质的结构预测方法可以分为两大类：模板模拟和抗体模拟。
模板模拟是指通过比对已知已解析的蛋白质结构，找到相似的结构模板，并将其应用到目标蛋白质的结构预测中。
抗体模拟则是通过计算机模拟分子力学原理，预测蛋白质的结构和稳定性。
蛋白质分子设计方法主要包括构象空间方法、序列设计方法和自由能计算方法。
构象空间方法通过空间中最佳的蛋白质构象，寻找最稳定和最有功能的结构。
序列设计方法则是通过计算序列因子的相互作用能量，预测蛋白质序列的稳定性和功能。
自由能计算方法则是通过计算蛋白质相互作用能量和热力学参数，预测蛋白质的稳定性和结合亲和性。
然而，蛋白质分子设计面临着一些挑战。
首先，蛋白质的结构空间非常庞大，因此需要庞大的计算资源和高效的算法来最佳的蛋白质构象。
其次，蛋白质的结构和功能之间存在复杂的相互作用关系，因此需要开发新的计算方法来解析这些关系。
另外，蛋白质设计的成功与否也取决于对蛋白质结构和功能的理解程度，因此需要结合实验数据和计算模型进行蛋白质设计的验证。
蛋白质分子设计在生物医学研究、药物开发以及生物工程领域具有广泛的应用。
在生物医学研究中，蛋白质分子设计可以用于预测蛋白质结构和功能的突变，从而揭示蛋白质与疾病之间的关系。
在药物开发中，蛋白质分子设计可以用于预测药物与蛋白质的相互作用力和亲和性，从而加快药物筛选和设计的速度。
在生物工程领域，蛋白质分子设计可以用于设计新型的酶、抗体和蛋白质纳米材料，从而实现对生物过程的控制和调节。
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。
第06章 蛋白质分子设计
Gln、Val、Ile及Leu
替代表面羧基。 pH稳定性 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。 提高酶学性质 专一性改变；增加逆转数；改变酸碱度。
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。
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。
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。
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
带负电荷极性氨基酸： Asp和Glu
polypeptides
synthesis
molecular design 蛋白质工程过程
不疾学而能为魁士名人者，未之尝有也！ -----吕氏春秋《劝学》 在科学的道路上，只有丰碑，没有路标！ -----爱因斯坦 凡事之本，必先治身！ -----吕氏春秋《先己》
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蛋白质设计循环
蛋 白 质 分 子 设 计 流 程 图
天然蛋白质 蛋白质结构预测
蛋白质三维结构 蛋白质晶体学
结构与功能关系
从数 据库 输入 蛋白质突变体设计及结构预测 几何优化及蛋白质动力学研究 结构分析与原先的结构比较
蛋白质合成定位突变
分离、纯化及表征 新蛋白质
蛋白质分子设计大致 涉及的几个重要方面
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
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
• 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 • 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
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
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）
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
• 蛋白质来源：真菌、细胞、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
蛋白质三维结构的判断
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。 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、对于位置三维结构的蛋白质：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
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的置换， 内离子对的置换
对重金属的稳Biblioteka 性pH稳定性提高酶学性质
专一性的改变，增加逆转数(turnover number)，改变酸碱度
蛋白质突变体设计步骤
1）以蛋白质的三维结构为基础，利用计算机 模拟技术确定突变位点及替换的氨基酸 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）预测的结构与原始的蛋白质结构比较，利 用蛋白质结构-功能或功能-稳定性相关知识 及理论计算预测新蛋白质可能具有的性质
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
第一节
基于天然蛋白质结 构的分子设计
计算机模拟
基因构建
功能分析
突变蛋白质产品
• 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
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 • 应用：抗体分子的改造；Rop
结构与功能的容忍度
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
蛋白质设计的目标及解决办法
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
• 突变蛋白质构象的探测
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
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
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置 C 考察剩余位置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
三、蛋白质设计中的结构 －功能关系研究
• 定位突变在蛋白质结构与功能关系研究中的作用
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