第2章 蛋白质分子设计

蛋白质分子设计

蛋白质分子设计 [引言] 蛋白质是一类非常有用的物质，在生物体的进化过程中起着非常重要的作用。 与其它化学试剂比较：（1）分子量非常大；（2）在机体内稳定；（3）专一性的优劣。 分子生物学的发展弥补了上述缺点，如定位突变、PCR使蛋白质可能工程化生产。蛋白质设计（蛋白质的结构、功能预测）涉及多学科的交叉领域，包括材料学、化学、生物学、物理及计算机学科。其应用范围涵盖了药物、食品工业中的酶、污水处理、疫苗、化学传感器等，设计的蛋白质也不仅仅限于20种天然氨基酸，也包括非天然氨基酸、有机/无机模块。 蛋白质设计的目的：（1）为蛋白质工程提供指导性信息；（2）探索蛋白质的折叠机理。 蛋白质设计分类：（1）基于天然蛋白质结构的分子设计；（2）蛋白质从头设计。 存在问题：与天然蛋白质比较：（1）缺乏结构独特性；（2）缺乏明显的功能优越性。 第一节基于天然蛋白质结构的分子设计 一、概述 蛋白质结构与功能的认识对蛋白质设计至关重要，需要多学科的配合。蛋白质设计循环如下： 1．对要求的活性进行筛选。 2．对蛋白质进行表征，如测定序列、三维结构、稳定性及催化活性。 3．专一型突变产物。 4．计算机模拟。 5．蛋白质的三维结构。在PDB中搜索，无纪录即进行X射线、NMR方法或预测并构建三维结构模型。 6．蛋白质结构与功能的关系。 蛋白质突变体设计的三个主要步骤： 1．突变位点和替换氨基酸的确定。 （1）确定对蛋白质折叠敏感的区域。 （2）功能上的重要位置。 （3）其它位置对蛋白质突变体的影响。 （4）替换或加减残基对结构特征的影响。 2．能量优化和蛋白质动力学方法预测修饰后蛋白质的结构。 3．预测结构与原始蛋白质结构比较，预测新蛋白质性质。 上述设计工作完成后，再进行蛋白质合成或突变实验，分离、纯化并对新蛋白质定性。二、蛋白质设计原理 1．内核假设。假设蛋白质独特的折叠形式主要由蛋白质内核中的残基相互作用决定。所谓内核指蛋白质在进化过程中的保守区域，由氢键连接的二级结构单元组成。