《蛋白质分子设计》PPT课件

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1、第六讲蛋白质分子设计Introduction蛋白质是遗传信息的表现形式，是生命活动的最终执行者。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并且能很快降解耶鲁大学化学家Alanna  Schepartz小组利用β-氨基酸模拟天然蛋白质的特征设计出一种分子，它内部不亲水而外部则恰好相反，因此能够使β-肽链形成一束。β-肽束带状模型显示β-肽束由螺旋结构（左）和不亲水的“核”（绿色）组成（Danielsetal.

2、,2007）β-肽链能够模拟天然蛋白质的能力将使其成为基础研究和药物开发的新的强大工具，而它与天然蛋白质的不同可能恰恰是它的最大的价值。α-氨基酸和β-氨基酸形成的蛋白质的区别在于后者的“骨架”上多了一个碳原子。正因为β-肽链不像天然肽和蛋白质那样在细胞中被加工，也许未来科学家可以利用它设计出功能更好、应用更广、具有特殊属性的蛋白质药物。《美国化学学会期刊》（JACS）在线发表了这一成果。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(10000-1000000Da)，不能通过化学方法生产;(2)蛋白质的功能是在生理条件下发挥的，在其它条件下(如

3、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。蛋白质应用受限的原因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2、三级结构的确定性较差计算机模拟突变蛋白质产品功能分析基因构建Pr设计循环第一节蛋白质分子设计原理蛋白质分子设计的流程天然蛋白质蛋白质结构预测蛋白质晶体学蛋白质三维结构结构与功能的关系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果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数据的输入Pr突变体设计的3个步骤利用计算机模拟技术确定突变位点及替换的aa利用能量优化及动力学方法预测修

4、饰后的蛋白质结构预测的结构与原始的Pr结构比较，利用Pr结构-功能或结构稳定相关知识及理论计算机预测新Pr可能具有的性质在上述的设计工作完成后，要进行合成或突变实验并经分离、纯化及表征后得到所要求的新Pr；Pr设计的成功与否，必须要有理论与实验的紧密相结合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（很少有空穴大到可以结合一个水分子或惰性气体）；所有内部的氢键都是最大满足的（主链和侧链）；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

5、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；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。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

6、，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。（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在分子设计的实践中，常依据改造部位的多少将分子设计分为三类：1．定点突变或化学修饰法“小改”，置换、删除或插入氨基酸，依赖分子生物技术，是目前最广泛使用的方法2．拼接组装设计法“中改”，当前主要从基因水平上完成，又称“分子裁剪”3．从头设计全新蛋白质从基因水平上，或

7、直接进行化学全合成二、蛋白质分子设计的基础在对一个天然蛋白质进行分子设计时，首先要通过各种方法来获得蛋白质的三维结构信息，在此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位点或结构域作为突变位点或要改变的序列区域，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。（一）蛋白质生物功能的多样性蛋白质作为一类生物大分子，具有重要的生理功能一个基因编码多种蛋白质一种蛋白质产生多种活性多肽一种活性多肽产生多种功能而且，在同一蛋白质分子内部，不同的肽段之间也可能存在着相互调控的现象。Pr分子生物功能的多样性，为我们进行分