第2章 蛋白质分子设计

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1、第二章蛋白质分子设计ChaptertwoProteinDesign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并且能很快降解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

2、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Protein设计循环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数据的输蛋白质突变体设计及结构预测入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-

3、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一、蛋白质分子设计的分类•设计的目的主要有两个：•一：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：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。（一）蛋白质分子设计的层次•分为两个层次：•

4、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三、蛋白质分子设计的原则(p50)•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

5、性气体），没有重叠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。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)

6、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；•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。四、蛋白质分子设计步骤（p52）设计目标蛋白质数据库检测修正设计建立结构

7、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”；•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：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

8、关系的研究等。Hartley等于1986年完成了一个设计目标及解决的办法：•热稳