蛋白质设计

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三、蛋白质分子设计原则
4.疏水基团与亲水基团需合理分布 这种分布并不仅仅是简单地使暴露在外面的 残基具有亲水性，埋藏在内部的残基具有疏 水性而是还应安排少量的疏水残基在表面， 少量亲水残基在内部。在蛋白质分子设计过 程中要在原子水平上区分侧链的疏水部分与 亲水部分。
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三、蛋白质分子设计原则
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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 收集待研究蛋白质的一级结构，立体结构， 功能结构域及与之相关的同源蛋白质等相关 数据，为蛋白质分子设计提供依据和蓝本。 但在进行蛋白质分子设计时，首先要查找PDB 了解三维结构，同时应查找同源性较高的蛋 白质的三维结构。
Hale Waihona Puke Baidu
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四、蛋白质分子设计的程序
滑动接触 α 1β 2和相同的α 2β 1接触。 涉及螺旋C、G、H和非螺旋段FG拐弯的 19个残基，当血红蛋白因氧合作用而 发生构象变化时，这些接触也发生改 变。 图
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血红蛋白半分子（α β 二聚体的侧面观）
作为动态构象分子，血红蛋白可以看作是α β -二聚体的二聚 体，也可以看作是相同的二聚体半分子组成：α 1β 1-亚基和 α 2β 2-亚基对。每个α β -二聚体作为钢体移动。当血红素 基氧合时，分子的两个二聚体半分子彼此滑动。如果一个 α β -二聚体固定不动，则另一个α β -二聚体将绕一个设想 的α β -二聚体的偏心枢轴旋转约15°并平移0.08nm。
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四螺旋束
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N
C
β链以反平行的上-下方 式顺序连接，最后一股连 与第一股链以氢键结合， 形成一个类似桶状的结构
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四、蛋白质分子设计的程序
5.序列设计 选择的序列应尽可能地不同于天然结构的序列，设 计时，要充分考虑氨基酸残基形成特定二级结构的 倾向性。 6.预测结果 需通过理论预测方法预测出所设计的多肽的二级结 构和三级结构，初步检验设计的正确程度，检验目 标模型与预期目标的吻合程度并在此基础上加以调 整和更正，使目标模型达到预期。
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抹香鲸肌红蛋白（Myoglobin）的三级结构
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02与肌红蛋白的结合
卟啉铁和F8（93）His（近侧） 的咪唑N结合。底6的配位键 和O2 结合。 O2 和四吡咯环呈60度倾斜。 高铁肌红蛋白中水代替O2填 充该部位。 氧结合是一个空间位阻区域 E7 His（远侧）的咪唑环与 Fe原子的距离远，不发生作 用，但与分子O2 能紧密接触， 被结合的O2在His（近侧）的 咪唑N和Fe原子之间。
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第一节 蛋白质分子设计原理 一、蛋白质分子设计的分类 蛋白质设计的目的： 1、为蛋白质工程改造提供设计方案和指导性 信息。如提高蛋白质的热，酸稳定性等 2、探索蛋白质的折叠机理。如简单蛋白质建 筑或骨架的从头设计是研究蛋白质相互作用 力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。
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例：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
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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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三、蛋白质分子设计原则
1、活性设计 2、对专一性的设计 3、Scaffold设计 4、疏水基团与亲水基团需合理分布 5、最优的氨基酸侧链几何排列
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三、蛋白质分子设计原则
1.活性设计： 是蛋白质分子设计的第一步，主要是考虑被研 究的蛋白质功能，涉及选择化学基团和化学 基团的空间取向。在这类设计中应采用天然 存在的氨基酸来提供所需的基团，尽管原则 上并不限制引入其他外来基团。同时还应该 考虑辅因子的使用。
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四、蛋白质分子设计的程序
7.获得新蛋白质 多肽化学合成方法，特别是固相合成技术， 为合成新设计的蛋白质分子提供了有效途径， 同时也可通过基因工程手段，人为合成或改 造基因，实现蛋白质的改造，然后进行基因 表达，并分离纯化获得新蛋白质分子，为进 行新蛋白质功能的检验提供材料。
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四、蛋白质分子设计的程序
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三、蛋白质分子设计原则
2.对专一性的设计 功能性蛋白质在发挥其生理作用时，总是与 其他分子发生专一性相互作用，理解并设计 化学基团与底物的专一性结合对蛋白质设计 也是十分重要的。
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三、蛋白质分子设计原则
3.框架设计： 是指对蛋白质分子的立体设计。天然蛋白质是框架 化的。也就是说，催化部位和底物结合部位要适当 地安装在大分子载体之中，给予各个基团以适当的 空间排布，才能具有催化活性功能。因此要设计的 蛋白质活性分子，也必须框架化。 但是对复杂的多肽链而言，需要预测三级结构，需 要大量的计算筛选所需的一级结构，其结果很难预 测。
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蛋白质分子设计
设计过程主要依赖于蛋白质结构的测定和分 子模型的建立，按照蛋白质结构功能的关系， 综合运用各学科的技术手段，确保获得比天 然蛋白质性能更加优越的新型蛋白质。 是蛋白质工程的一个重要方面。
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蛋白质分子设计
基本途径： 从预期的蛋白质功能出发→ 设计预期的蛋白质结构→ 推测应有的氨基酸序列→ 找到相对应的核糖核苷酸序列（RNA）→ 找到相对应的脱氧核糖核苷酸序列（DNA）
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
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（二）蛋白质分子设计分类
第二类为“中改”，对来源于不同蛋白的结 构域进行拼接组装；以期望能转移相应的功 能，获得具有新特点的蛋白质分子。又称分 子剪裁。 第三类为“大改”，即完全从头设计全新的 蛋白质，使之具有特定的空间结构和预期的 功能。
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二、蛋白质分子设计的基础
蛋白质序列，蛋白质结构与功能及结构与功能关系 之间的信息对于蛋白质工程及蛋白质设计都非常重 要。蛋白质结构与功能是开展蛋白质分子设计的基 础，对蛋白质结构与功能之间的认识对蛋白质分子 设计是至关重要的决定着蛋白质分子设计的成功与 否。具体包括： 1、蛋白质生物功能的多样性 2、蛋白质功能由其高级结构决定 3、蛋白质的一级结构与其构象及功能的关系 4、蛋白质空间构象与功能活性的关系 5、结构生物学与生物信息学促进蛋白质分子设计
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4.别构效应：在生物体内，当某种物质特异 地与蛋白质分子的某个部位结合，触发该蛋 白质的构象发生一定变化，从而导致其功能 活性的变化。
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二、蛋白质分子设计的基础
以肌红蛋白和血红蛋白为例阐述蛋白质空间 结构与功能的关系 1.肌红蛋白由一条153个氨基酸组成的肽链和一 个血红素辅基组成。分子量为17800 肌红蛋白的三级结构是由一簇八个a-螺旋组成 的，螺旋之间通过一些片段连接。
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
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蛋白质设计原则掌握
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)。
8.新蛋白质的检验 三个方面检测，1是否存在蛋白质多聚体状态2.二级 结构与预期的是否吻合，3.是否具有三级结构。对 蛋白质分子进行功能设计，还需检验新蛋白质的功 能活性，看新蛋白质的功能活性是否达到设计目标。 9.完成新蛋白质设计 验证，评价，依据设计出的结果，进行多轮反复设 计，反复修改和反复试验，直至达到目标。
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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
去氧血红蛋白
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氧合血红蛋白
氧合血红蛋白和去氧血红蛋白代表不同 的构象态
（1）T态（紧张态） 和氧的亲和力低。
（2）R态（松弛态）和氧的亲和力高。 氧与一个处于T态的亚基结合后，转变为R态。原因 是稳定T 态的作用力被破坏。
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二、蛋白质分子设计的基础
总结： 1.首先要通过各种方法来获得蛋白质的三维结 构信息， 2.在获得结构信息的基础上利用生物信息学及 计算机模拟技术确定其特定功能相关的位点 或结构域作为突变位点或要改变的序列区域， 3.然后利用PCR等技术构建突变体并进行突变体 的性质表征直到获得所需的蛋白质。
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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。
2.建立所研究蛋白质的结构模型 文献中有待研究的蛋白质的三维结构，则直 接采用，还可通过蛋白质X射线晶体学等方法 测定蛋白质的三维结构，此外还可以依据已 有的同源性较高蛋白质的三维结构，结合三 维结构预测方法，对待研究蛋白质进行结构 预测。
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四、蛋白质分子设计的程序
3.结构模型的生物信息分析 分析确定其有三维结构的特点，功能活性区 域以及分布，结构中存在的二硫键数目和位 臵等，为选择设计目标提供依据。 4.选择设计目标 确定所要建造的三级结构，找出对所要求的 性质有重要影响的位点或区域。目前的水平， 所选择的目标均是一些残基不多，结构简单， 并且具有对称性的多肽结构。
蛋白质分子设计
蛋白质分子设计就是为有目的的蛋白质工程 改造提供设计方案，属于交叉学科。
它涉及材料科学、化学、生物学、物理及计算机科 学等。蛋白质设计涉及药物、食品工业用酶、污水 处理、化学合成、疫苗、生物传感器等，设计的蛋 白质不仅限于20种天然氨基酸，也可以包括非天然 氨基酸以及有机/无机模板等。
5.最优的氨基酸侧链几何排列 为了获得蛋白质结构及功能的专一性，我们 在构建一个蛋白质模型时必须满足所有合适 的几何要求，并且要满足蛋白质折叠的几何 限制
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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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血红蛋白的结构
血红蛋白有两种链，4个亚基组成
人在不同发育阶段血红蛋白亚基的种类是不相同。
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血红蛋白的三维结构

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图 血红蛋白中亚基的排列 A 正面观 B 侧面观
图 血红蛋白α 链和β 链和肌红蛋白构象的相似性
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氧合血红蛋白显著改变Hb的四级结构
装配接触 α 1β 1和相同的α 2β 2接触。 涉及螺旋B、G、H和非螺旋段GH拐弯的 30多个残基，接触面大，对亚基的装 配很重要。当血红蛋白从去氧变为氧 合形式时它们不变。