第二章蛋白质分子设计简ppt课件

Hartley等于1986年完成了一个设计目标及 解决的办法 ：
• 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
• 引入二硫桥，增加内氢键数目， 改善内疏水堆积
• 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
▪对于金属Pr，围绕金属中心的第二壳层中的相互作 用是重要的。氢键的第二壳层通常涉及与蛋白质主 链的相互作用。
▪最优的aa侧链几何排列。Pr侧链构象由空间两个 立体因素所决定(一是立体势垒，二是aa的位置)
▪结构及功能的专一性。这是Pr设计最困难的问题
序列设计
• 设计α螺旋时，应选择象Leu、Glu等易 于形成α螺旋的残基；
3．预测突变体的结构
根据所选定的氨基酸残基位点及突 变后的氨基酸种类，利用相关软件进行 突变体的结构预测，将预测的结构与原 始的蛋白质结构比较
4．构建突变体，获得突变体蛋白
依据所设计好的突变，利用化学合 成或PCR等方法构建突变体。进行基因 测序验证突变体后，将突变体进行表达， 纯化蛋白质，获得所设计的新蛋白质。
• 二是进行蛋白质分子裁剪拼接，即“中 改”。
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。
（一）定位突变的设计目标及解决方法
定位突变常见的设计目标是提高蛋白质的 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 系的研究等。
（三）定位突变的程序
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
• 在改造中如何恰当地选择突变残基 是一个关键问题，这不仅需要分析 残基的性质，同时还需要借助于已 有的三维结构或分子模型。
• 1．活性设计 • 2．对专一性的设计 • 3．Scaffold设计(框架) • 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
蛋白质分子设计原理
▪内核假设。蛋白质的独特的折叠形式是由蛋白质内 核中残基的相互作用决定。（内部十分保守的区域）
▪Pr内部都是密堆积（很少有空穴大到水分子可以结 合一个水分子或惰性气体），没有重叠
• 设计全β结构时，应选择Val、Ile等易于 形成β折叠片的残基；
• 而在设计转角时常选择Pro-Asn残基对。
溶菌酶结构
• 例如:鸡卵清蛋白溶菌酶活性 分子的设计
• 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。
• 设计步骤
设计目标
蛋白质数据库
修正设计
检测
建立结构模型
获得目标蛋白质
结构信息分析
序列合成
蛋白质分子设计步骤图
第二节 基于天然蛋白质结构的分子设计
基于天然蛋白质结构的分子设计有两类 ：
• 一是进行蛋白质修饰或基因定位突变， 即“小改”；
• 替换表面荷电基团，His、Cys 以及Tyr的置换
• 专一性的改变，增加逆转数， 改变酸碱度
（二）定位突变的种类
要进行基因定位突变，改变DNA核苷酸序 列，方法有很多种，如基因的化学合成、基因 直接修饰法、盒式突变技术等。
根据基因突变的方式，分为以下三类： 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。 要达到基因定位突变的目的，多采用体外 重组DNA技术或PCR方法。
蛋白质应用受限的原因
蛋白质没有像化学试剂那样被普遍应用，其原因:
(1)蛋白质分子量非常大(10 000-1 000 000)， 不能通过化学方法生产;
(2)蛋白质的功能是在生理条件下挥发的，在其它 条件下(如在有机溶剂中)是不稳定的;
(3)专一性致使其应用范围受到影响。
蛋白质设计目前存在的问题
1、与天然的蛋白质比较，缺乏结构的独特性及明 显的功能优越性
（一）蛋白质分子设计的层次
• 分为两个层次：
• 一是在蛋白质三维结构已知基础上的分 子设计 ；
• 二是在三维结构未知的情况下，借助一 级结构序列信息及生物化学性质进行分 子设计工作。
（二）蛋白质分子设计的分类
• 1．定点突变或化学修饰法 • 2．拼接组装设计法 • 3．从头设计全新蛋白质
二、蛋白质分子设计的原则
▪所有内部的氢键都是最大满足的（主链和侧链）。 蛋白质的氢键形成涉及一个交换反应，溶剂键被蛋白 质键所取代
▪疏水及亲水基团需要合理的分布在溶剂可及表面及 不可及表面。分布代表疏水效应的主要驱动力
蛋白质分子设计原理
▪金属Pr中配位残基的替换要满足金属配位几何。要 求围绕金属中心放置合适数目的蛋白质侧链或溶剂 分子，并符合正确的键长、键角以及整体的几何。
2、三级结构的确定性较差
第一节 蛋白质分子设计原理
计算机模拟
基因构建
功能分析
突变蛋白质产品
Pr 设计循环
一、蛋白质分子设计的分类
• 设计的目的主要有两个：
• 一是为有目的的蛋白质工程改造提供设计方案和 指导性信息，如以此提高蛋白质的热、酸稳定性， 增加活性，降低副作用，提高专一性等；
• 二是探索蛋白质的折叠机理，如简单蛋白质骨架 的从头设计是研究蛋白质内相互作用力的类型及 本质的很好途径，也为解决蛋白质折叠问题寻找 定性和定量的规律。
第二章 蛋白质分子设计
Chapter two Protein Design
引言
在人体的进化过程中蛋白质执行了在人体及体 外的许多重要任务：
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，蛋白质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Biblioteka Baidu且能很快降解
5．突变体蛋白质的检验
• 测定新蛋白质的序列、三维结构、稳定 性、催化活性等，
• 并与对应的天然蛋白质进行比较，检验 突变设计的效果，