第二章蛋白质分子设计

第二章蛋白质分子设计第二章蛋白质分子设计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构建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分子设计流程图蛋白质分子设计大致涉及的几个重要方面蛋白质来源:真菌、细菌、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

一、蛋白质三维结构的判断（）目前P DB P rt ei nD at aB an k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P DB中三维结构对蛋白质进行设计

2、对于未知三维结构的蛋白质如果P DB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计算机模拟技术在蛋白质设计循环中占有重要位貉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P CR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

②所有蛋白质内部都是紧密堆积（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

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注意的问题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貉C考察剩余位貉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结构与功能的容忍度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Fersht等替换了Barnase的所有内核残基结果表明23%的突变体保留了酶的活性Mathews及其合作者在溶菌酶内核中替换多至10个残基实验证明多重取代的蛋白仍具有活性以及协祠折叠这些结果说明不同的氨基序列具有相近的设计的结构第二节全新蛋白质设计特征全新蛋白质设计是另一类蛋白质工程，合成具有特异结构与功能的新蛋白质根据所希望的结构及功能设计蛋白质或多肽的氨基酸序列蛋白质的全新设计蛋白质结构的从头设计蛋白质功能的从头设计取得的进展:血红素结合蛋白、氧化还原活性蛋白质、DN A结合蛋白、基于蛋白质的高分子材料

一、蛋白质结构的从头设计中心问题设计一个具有稳定及独特的三维结构的序列

1.二级结构模块单元的自组装

2.配体诱导组装

3.通过共价交叉连接实现肽的自组装自然界唯一用于交叉连接的方法是二硫键

4.在合成模板上肽的组装在模板上组装合成蛋白的方法特点:使用人工合成的模板代替天然蛋白中的连接二级结构的单元模板:寡肽,可形成两个反平行0折叠链,设计一个Pro-G Iy的转折在链的两端设计一个二硫键,形成一个环状结构

5.线性多肽折叠为球状结构不用模板或交叉连接而通过线性多肽折叠成球形的确定的三维结构是蛋白质设计追求的目标之一主要障碍:构象熠实例:a-螺旋根据a-螺旋的两亲性形成的a-螺旋显著稳定性是因为形成明显的疏水核,还有G Iu和L ys形成的盐桥,螺旋偶极的电荷中和，增加了在螺旋/转折连接处的柔性

二、蛋白质功能的全新设计蛋白质设计的目标是产生既能折叠为预想的结构又具有有趣和有用的功能功能设计主要涉及键合及催化为达到这些目的可以采用两条不同的途径反向实现蛋白质与工程底物的契合,改变功能；从头设计功能蛋白质蛋白质的功能设计

1.通过反向拟合天然蛋白质设计新的功能

2.键合及催化的从头设计

3.在全新蛋白质中引入结合位点

4.催化活性蛋白质的设计

5.膜蛋白及离子通道的设计

6.新材料的设计。