蛋白质分子设计资料重点
理学蛋白质分子设计
• 先讲理论 • 后面举几个例子
蛋白质分子设计策略
• 理性设计策略
– 前提:充分了解结构与功能的关系
• 随机突变+功能筛选
– 前提:不了解结构与功能的关系
• 理性设计+随机突变+功能筛选
– 前提:不完全了解结构与功能的关系
分子设计的种类
小改：少数残基的替换，突变或修饰 中改：分子拼接，肽段或结构域的替换 大改：从头设计，全新蛋白质的设计
具体方法：
利用R55受体的结构 模建R75受体的结构
根据淋巴毒素与R55 的作用情况，模拟肿 瘤坏死因子与R55受 体的相互作用情况。
根据肿瘤坏死因子与 R55受体的相互作用 情况，模拟肿瘤坏死 因子与R75受体的相 互作用情况。
Gln67与R55作用不明显，但与R75的Asp有静电作用， 将它突变为结构相似但带电相反的Glu会降低TNF与 R75的作用，但不会改变与R55的作用。
0 0.02 0.2 2 20 200
Protein (ng)
mTSA BSA SEA
融合蛋白与A431细胞结合的剂量曲线
mTSA与A431细胞结合的特异性试验 A.Positive control EGF; B. pmTSA ; C. mTSA binding blocked by EGF; D. Blank control :PBS
基于结构的药物设计
确定靶蛋白的结合口袋，以结合口袋的结构环境设 计药物； 未知受体结构时，根据具有相同或相似生物学活性 的已知化合物的结构叠合，反推受体结合口袋的可能 结构环境，根据推测的受体结合口袋进行新型药物设 计。
蛋白质分子的模拟肽设计
骨架残基设计，肽库筛选 以结构为模板的分子设计。
蛋白质工程资料)
第一节蛋白质工程的物质基础概念：蛋白质工程(Protein Engineering)是以蛋白质的结构与功能的关系研究为基础，利用基因工程技术对现存蛋白质加以改造，组建成新型蛋白质的现代生物技术。
（一）蛋白质的来源（5min）微生物：生长周期短，容易实现遗传操作，可以产生胞外酶。
植物：生长周期长，季节性强。
动物：医学方面的蛋白质。
（二）蛋白质的结构（5min）一级结构，二级结构，超二级结构，结构域，三级结构，四级结构（三）蛋白质的功能（10min）蛋白质的生物学功能：①具有生物催化功能；②具有调节功能；③具有运输功能；④具有运动功能；⑤可作为机体的结构成分；⑥具有防御和保护功能；⑦可作为生物体发育和生长的营养物质。
（四）蛋白质的结构与功能的关系（5min）蛋白质的生物功能与结构紧密相关第二节蛋白质工程的原理（一）蛋白质工程的理论依据（5min）基因指导蛋白质的合成（二）蛋白质工程设计原理（5min）蛋白质分子设计：基因水平，蛋白质水平蛋白质分子设计的三种类型：小改，中改，大改第三节蛋白质工程的程序和操作方法（一）蛋白质工程的程序（10min）筛选纯化目的蛋白，研究其特性；制备晶体，氨基酸测序，X射线晶体衍射分析、核磁共振分析等研究，获得蛋白质结构与功能相关数据；结合生物信息学的方法对蛋白质的改造进行分析；由氨基酸序列及其化学结构预测蛋白质的空间结构，确定蛋白质结构与功能的关系，进而从中找出可以修饰的位点和可能的途径；根据氨基酸序列设计核酸引物或探针，并从cDNA文库或基因文库中获取编码该蛋白的基因序列；在基因改造方案设计的基础上，对编码蛋白的基因序列进行改造，并在不同的表达系统中表达；分离纯化表达产物，并对表达产物的结构和功能进行检测。
（二）蛋白质工程的操作方法（5min)理论基础：生物化学和结构生物学；蛋白质结构模拟预测平台：计算机辅助设计软件；提高设计的效率和正确性：分子生物学和基因工程技术，生物信息学。
试述蛋白质分子设计的概念和它的基本内容
试述蛋白质分子设计的概念和它的基本内容1. 哎呀呀，你知道蛋白质分子设计吗？这就好像是我们给蛋白质这个“小宝贝”来个大变身！比如说，就像给一个普通的玩具熊精心打扮，让它变得超级特别！它的概念呢，就是人为地对蛋白质的结构和功能进行改造和设计呀，是不是很神奇？基本内容包括对蛋白质的氨基酸序列进行改造，就像是给玩具熊换一件更酷的衣服一样。
2. 嘿，蛋白质分子设计，这可不是一般的酷哦！它就像是个魔法棒，可以让蛋白质变得不一样！举个例子，就像我们打造一个独一无二的机器人，给它各种厉害的功能。
它的基本内容呢，有对蛋白质的活性中心进行修饰，这相当于给这个神奇的“机器”关键部位进行优化升级啊。
3. 哇塞，蛋白质分子设计呀，是超级有趣的事情呢！好比是我们给一只普通的小狗训练出各种高难度技能！它的概念呢，简单说就是有目的地去改变蛋白质哦。
基本内容还包括构建全新的蛋白质结构，这感觉就像凭空创造出一只全新的、超级厉害的宠物一样令人兴奋。
4. 来呀，了解一下蛋白质分子设计嘛！你想想，这不就是给蛋白质来个大改造嘛，像给一辆普通汽车改装成超级赛车！而它的基本内容里，优化蛋白质的稳定性，就如同让赛车在高速行驶中更稳定、更可靠，多棒啊！5. 哎呀呀，蛋白质分子设计呀，可有意思啦！可以把它想象成我们给一个普通的房子进行大改造，变得超级豪华！它的概念当然就是有计划地对蛋白质进行改变啦。
基本内容中的改变蛋白质的折叠方式，就像是重新设计房子的布局一样重要呢。
6. 嘿嘿，蛋白质分子设计，这简直太让人着迷啦！就如同我们把一个平凡的角色打造成超级英雄！它的概念就是主动地去塑造蛋白质，而其基本内容里的融合不同蛋白质的功能域，不就像给超级英雄赋予各种无敌的能力一样嘛！总之，蛋白质分子设计太神奇、太有意义啦，可以让我们创造出各种我们想要的蛋白质来帮助我们解决好多问题呢！。
蛋白质工程复习资料
蛋白质工程复习资料一级结构：蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺序。
二级结构：一段连续的肽单位借助于氢键，排列成的具有周期性结构的构象。
超二级结构：相邻的二级结构单位组合在一起，彼此相互作用，行为规则排列的组合体，以同一结构模式出现在不同的蛋白质中。
结构域：二级结构和结构模体以特定的方式组织连接，在蛋白质分子中形成两个或多个在空间上可以明显区分的三级折叠实体。
三级结构：蛋白质的多肽链在各种二级结构的基础上再进一步盘曲或折叠形成具有一定规律的三维空间结构。
四级结构：由两条或两条以上具有独立三级结构的多肽链组成的蛋白质就是寡聚蛋白质分子中多肽链间通过次级键相互组合而形成的空间结构。
蛋白质的变性：天然蛋白质分子受到某些物理因素或者化学因素的影响时，会引起蛋白质天然构象的破坏，导致生物活性的降低或完全丧失的过程。
蛋白质的复性：当变性因素除去后，变性蛋白又可以重新恢复到天然构象的现象。
第二遗传密码：氨基酸顺序与蛋白质三维结构之间存在着对应关系。
分子伴侣：一类可介导蛋白质的正确折叠与装配，但并不构成被介导的蛋白质组分的蛋白。
小改：进行蛋白质修饰或基因定位突变中改：进行蛋白质分子裁剪拼接晶体：离子，原子和分子这些微粒在三维空间中周期性重复排列形成的结构。
盐析现象：蛋白质在高浓度中性盐溶液中会沉淀析出的现象。
盐溶现象：在蛋白质水溶液中加入晒量的中性盐（如硫酸铵，硫酸钠，氯化钠）会增加蛋白质分子表面的电荷，增强蛋白质分子与水分子的作用，从而使蛋白质在水溶液中的溶解度增大的现象。
蛋白质芯片：也叫蛋白质微阵列，是将大量蛋白质有规则地固定到某种介质载体上，利用蛋白质与蛋白质，酶与底物，蛋白质与其他小分子之间的相互作用检测分析蛋白质的一种芯片。
噬菌体技术：将目的基因克隆在丝状噬菌体衣壳蛋白的基因中，是外源基因产物与衣壳蛋白融合，伸展在噬菌体表面，可用来直接检测表达产物的某些活性。
蛋白质组：基因组表达的全部蛋白质及其存在方式。
第二章_蛋白质分子设计
设计目标
序列生成
结构预测 合成
构建模型
检测
全新蛋白质设计过程
全新蛋白质设计包括
从头结构设计 从头功能设计
蛋白质从头设计概念
从头设计能够根据生物分子的活性 位点特征产生一系列的结构片段，通 过连接这些结构片段可以构成一个全 新分子；或者在结合腔内对一个已知 的结构骨架进行化合物的衍生化。 从头设计方法可以生成全新的分子 结构。
从头结构设计
中心问题：
稳定及独特的三维结构 序列； 基本障碍： 线性聚合构象熵；
解决方法：（1）使相互作用的强度
与数目达到最大； （2）共价交叉连接。
从头设计பைடு நூலகம்法包含的步骤
1、活性位点分析：对结合位点的具体的化学信 息进行扫描、分析和归类。这些信息的三维空 间相互关系都必须充分考虑。
第二章
蛋白质分子设计
CHAPTER TWO PROTEIN DESIGN
本章内容
基于天然蛋白质结构的分子设计
全新蛋白质设计
引言
在人体的进化过程中Pr执行了在人体及体外 的许多重要任务： 例如，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，Pr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
在全新蛋白质中引入结合位点
催化活性蛋白质的设计
膜蛋白及离子通道的设计
新材料的设计
蛋白质全新设计的现状和前景
现状
蛋白质全新设计不仅使我们有可能得到 自然界不存在的具有全新结构和功能的蛋 白质,并且已经成为检验蛋白质折叠理论和 研究蛋白质质折叠规律的重要手段。由于 我们对蛋白质全新设计的理论基础即蛋白 质折叠规律的认识还不够, 所以蛋白质全新 设计还处在探索阶段。
第二章 蛋白质分子设计
5）使用芳香-荷电-疏的相互作用
２、配体诱导组装 配位结合位点设计在结构中有几个相互作用 片断的界面处。如果这个位点对配体有很高的亲 和力，则结合配体的合适的自由能将充分克服熵 消耗并且驱动肽自组装
＋
3、通过共价交叉连接实现肽的自组装
• 设计全新蛋白的主要障碍是肽链的构象熵。当几 个没有连接的肽链进行自助装时，熵势垒比较难 以克服。通过共价交叉连接可以减少构象熵。 • 自然界唯一用于交叉连接的方法是二硫键。
蛋白质分子设计的基础
蛋白质生物功能 蛋白质功能与结构的关系
蛋白质一级结构与功能的关系
蛋白质空间构象与功能活性的关系
结构生物学与生物信息学促进蛋白质分子设计
蛋白质分子设计的原则
• 蛋白质来源：真菌、细胞、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
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β折叠链。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：构象熵 • 实例:α-螺旋 根据α-螺旋的两亲性。形成的α-螺旋显著稳定 性是因为形成明显的疏水核，还有Glu 和Lys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。
蛋白质从头设计的手段
１、二级结构模块单元的自组装：
优点：设计或合成都比较简单
缺点：蛋白质的稳定性（熵较大，依赖浓度） 结构的简单重复
α螺旋设计使用的策略
蛋白质分子设计[详细讲解]
![蛋白质分子设计[详细讲解]](https://img.taocdn.com/s3/m/cb55571cba68a98271fe910ef12d2af90242a891.png)
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。
蛋白质分子设计
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。
有机磷农药的长期广泛使用 已经使很多水体及土壤被严重 污染，而且直接影响到人们的 身体健康。
敌敌畏、对硫磷（1605）、 甲拌磷（ 3911）、内吸磷 （1059）、乐果、敌百虫、 马拉硫磷（4049）
例：甲基对硫磷水解酶（Methyl parathion hydrolase, MPH ）结构和功能的研究
• 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
• 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
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
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1927 年Heitler－London 用量子力学成功讨论氢分子 的结构,量子化学迅速发展。
计算技术的革命和计算方法的改善,量子化学的应用范 围越来越广,其概念和计算方法逐渐应用到了化学动力 学、催化、电化、生物、药物等领域,产生了一个个新 的学科分支———微观反应动力学、量子催化、量子 电化、量子生物和量子药物等,和光谱学结合,更促使 化学及其相邻学科朝着推理化、定理化、微观化的方 向发展。
8
蛋白质三维结构知识对于蛋白质工程是绝对必 要的。
目前PDB(Protein Data Bank)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。
当我们开始对某一天然蛋白质进行蛋白质分子设计时：
首先要查找PDB了解这个蛋白质的三维结构是否已被
收录。如果PDB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。
2、三级结构的确定性较差
第一节 基于天然蛋白质结构的设计
一、概述
计算机模拟
基因构建
功能分析
突变蛋白质产品
蛋白质设计循环
蛋白质设计涉及多种学科的配合，如计算机模拟专家、X射线晶体学家、蛋 白质化学家、生物技术专家等的合作和配合
专一性突变产物是蛋白质设计成败的关键。一些新技术，如PCR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。
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
蛋白质的分子设计
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蛋白质分子设计是一门新兴的研究领域，其本身在不断地
发展，其内容也在不断地更新。蛋白质的分子设计 就是为有目的的蛋白质工程改造提供设计方案。
蛋白质分子设计的目的： 蛋白质工程提供指导信息 探索蛋白质的折叠机理。
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
▪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
▪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。
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（de novo protein design）。
小改——少数残基的替换
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定义：
小改是指对已知结构的蛋白质进行少数几 个残基的替换，这是目前蛋白质工程中最为广 泛使用的方法。
①
机技术确定突变位点及替换的氨基酸
• 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
②
• 预测的结构与原始的蛋白质结构比较，利用蛋白质-功能或结
③
构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
二、 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）
分子设计的定义
3
20 世纪70 年代,美国麻省理工学院霍恩贝尔 教授提出了分子设计。即从分子、电子水平上,通 过数据库等大量实验数据,结合现代量子化学 方法,通过计算机图形学技术等设计新的分子。
设计的新分子或具有某种特定性能,可以是
药物、材料或其他,或是一种概念、一种复合 物或具有分子意义的物质(如催化剂等) 。
▪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
蛋白质分子设计的分类
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蛋白质分子设计又可按照改造部位的
本部分只介绍第一种，实际上第一种已经包含第二种，第二 种只是在不得已的情况下采取的一种努力。
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。
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
蛋白质分子设计的流程
蛋白质结构预测
天然蛋白质
蛋白质晶体学
数据 的输 入
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
Pr突变体设计的3个步骤
• 从天然蛋白质的三位结构出发（实验测定或预测），利用计算
计算机模拟技术在蛋白质设计循环中占有重要位置，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果和功能对蛋白质工 程是至关重要的。
在明确突变位点或蛋白质序列应改变的区域后，可以进行定位突变，但要得 到具有预期结构和功能的蛋白质是不容易的，可能需要经过几轮的循环
蛋白质三维结构知识的必要性
采用的方法：
主要通过定点突变技术或盒式替换技术有目的改 变几个氨基酸残基，借以研究和改善蛋白质的 性质和功能。
小改——两个层次
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1．已知立体结构基础上所进行的工作，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
2．借助蛋白质一级结构的序列信息及生物化学性 质，在未知立体结构的情形下所进行的分子设计工 作