第二章蛋白质工程,蛋白质设计
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。
《蛋白质工程的设计思路与应用》 讲义
《蛋白质工程的设计思路与应用》讲义一、蛋白质工程的概念蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。
它是在基因工程的基础上发展起来的第二代基因工程，其目的不仅仅是对天然蛋白质进行改造，更重要的是创造出自然界原本不存在的、具有优良特性的蛋白质。
二、蛋白质工程的设计思路（一）从预期的蛋白质功能出发首先，需要明确我们期望蛋白质具备什么样的功能。
这可能是提高某种酶的催化效率，增强抗体的特异性结合能力，或者赋予蛋白质新的功能，如荧光特性等。
（二）设计蛋白质的结构根据预期的功能，设计出可能实现该功能的蛋白质结构。
这需要对蛋白质的二级结构（如α螺旋、β折叠等）、三级结构（整体的三维构象）有深入的了解。
（三）推测应有的氨基酸序列在确定了蛋白质的结构后，通过对蛋白质结构与氨基酸序列关系的研究，推测出实现这种结构所需的氨基酸序列。
（四）找到对应的脱氧核苷酸序列根据推测出的氨基酸序列，找到对应的脱氧核苷酸序列。
因为氨基酸是由特定的密码子编码的，所以可以通过密码子表将氨基酸序列转换为脱氧核苷酸序列。
三、蛋白质工程的应用（一）在医药领域的应用1、开发新型药物通过蛋白质工程，可以对现有的药物蛋白进行改造，提高其疗效、降低副作用。
例如，对胰岛素进行改造，使其在体内的作用时间延长，减少注射次数。
2、设计治疗性抗体利用蛋白质工程技术，可以设计出更具特异性、亲和力和效力的治疗性抗体，用于治疗癌症、自身免疫性疾病等。
3、疫苗研发通过改造病毒或细菌表面的蛋白质，使其能够激发更强的免疫反应，从而开发出更有效的疫苗。
（二）在工业领域的应用1、酶工程对工业用酶进行改造，提高其催化效率、稳定性和对恶劣环境的耐受性，降低生产成本。
例如，在洗涤剂中使用的蛋白酶，经过蛋白质工程改造后，可以在更高的温度和更广泛的 pH 条件下发挥作用。
蛋白质工程和新型蛋白质的设计
蛋白质工程和新型蛋白质的设计近年来，蛋白质工程和新型蛋白质的设计在生物科技领域中扮演着越来越重要的角色。
蛋白质是生命中最基本也是最重要的分子之一，具有多样的结构和功能，包括催化反应、运输物质和信号传导等。
因此，通过工程蛋白质或设计新型蛋白质，可以开发出具有新功能的生物材料，从而促进人类健康科学，改善生物工业以及提高生态环境。
蛋白质工程是指通过改变蛋白质分子结构中的氨基酸序列或结构域来获得新的或改进的蛋白质，达到期望的活性、稳定性和特异性等目的。
蛋白质工程的技术包括DNA重组技术、微生物发酵和蛋白结晶等。
蛋白质工程的研究领域包括蛋白质的酶学、医学、生物工程、材料科学等，应用广泛。
DNA重组技术是蛋白质工程的重要手段之一，它可以将不同物种的蛋白质基因的DNA序列合并，并通过表达、纯化和结晶等步骤，获得具有新的结构和功能的蛋白质资源。
随着技术的进步，新型蛋白质的设计越来越成为研究的热点。
新型蛋白质的设计方法包括计算机模拟、人工智能、人工合成和DNA重组等。
根据设计的目的，新型蛋白质可以具有诸如特殊的配体结合、增强的稳定性和抗药性等特性。
例如，通过基因重组、人工合成等方法，可以设计出一类称为“肽类药物”的新型药物。
与传统的小分子药物相比，肽类药物具有更高的亲和力和特异性，能够更加准确地作用于靶细胞或组织，减少不必要的副作用，从而为药物研发带来了新的思路。
在蛋白质工程和新型蛋白质的设计领域，还有许多待解决的问题和挑战。
例如，如何提高工程蛋白质的生产效率和纯度？如何维持工程蛋白质的稳定性和活性？如何设计出更加特异和最大程度上避免肝和肾的归属的肽类药物？都需要我们共同努力和钻研。
总之，蛋白质工程和新型蛋白质的设计拓宽了我们对于生命的认识和生物科技的发展。
未来，随着技术的不断完善，这一研究方向必将取得更加突出的成果，为人类带来更多的福祉。
理性设计和非理性设计：蛋白质工程的两种方法
理性设计和非理性设计：蛋白质工程的两种方法蛋白质工程是指修改或创造具有期望功能或性质的蛋白质，如催化活性、结合亲和力、稳定性、溶解性、特异性或新颖性。
蛋白质工程在各个领域有许多应用，如生物技术、医学、农业和工业。
蛋白质工程的两种主要方法是理性设计和非理性设计（或定向进化）。
这两种方法有不同的优势和局限性，可以结合使用以达到最佳效果。
理性设计理性设计是指根据已有的关于蛋白质的结构、功能、催化机理等信息，有目的地选择要突变的氨基酸残基，以期望得到具有改善或新颖性能的蛋白质。
理性设计通常需要对蛋白质的三维结构和活性位点有较深入的了解，以便预测突变的效果。
理性设计的优点是可以减少突变体的数量，提高筛选的效率，以及针对特定目标进行优化。
然而，它也存在一些局限性，比如对蛋白质结构和功能的知识不足，以及突变之间的相互作用难以预测等。
理性设计可以采用以下几种技术：●手工设计：根据经验或直觉，选择合适的氨基酸进行替换或插入。
●生物信息学分析：利用数据库或软件，比较不同蛋白质的序列或结构，寻找保守或变异的区域，分析氨基酸残基之间的相互作用，预测突变对蛋白质稳定性和活性的影响。
●计算机模拟：利用计算机程序，对蛋白质结构进行建模或优化，模拟突变后的蛋白质与底物或配体的结合过程，计算突变对蛋白质能量和动力学的影响。
●从头设计：利用计算机程序，根据期望的功能或性质，设计出全新的蛋白质序列或结构。
非理性设计（或定向进化）非理性设计（或定向进化）是指通过引入随机突变和重组，产生大量的蛋白质突变体文库，然后通过筛选或选择来寻找具有期望特性的蛋白质。
非理性设计不需要对蛋白质的结构或催化机理有任何先验知识，只需要建立一个有效的筛选或选择系统，就可以模拟自然进化的过程，从而探索蛋白质功能的多样性。
非理性设计的优点是可以发现一些意想不到的突变效果，甚至可以创造出一些全新的功能，但是也存在一些挑战，比如如何产生高质量和高多样性的突变体文库，以及如何进行高通量和高灵敏度的筛选或选择等。
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。
第二章蛋白质工程蛋白质设计ppt课件
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
三、蛋白质分子设计原则
❖1.活性设计： 是蛋白质分子设计的第一步，主要是考虑被研
究的蛋白质功能，涉及选择化学基团和化学 基团的空间取向。在这类设计中应采用天然 存在的氨基酸来提供所需的基团，尽管原则 上并不限制引入其他外来基团。同时还应该 考虑辅因子的使用。
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
第二章 蛋白质分子设计
❖第一节:蛋白质分子设计原理
❖第二节:基于蛋白质天然结构的分子 设计
❖第三节:全新蛋白质分子设计
LOGO
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
LOGO
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
三、蛋白质分子设计原则
❖4.疏水基团与亲水基团需合理分布 这种分布并不仅仅是简单地使暴露在外面的残 基具有亲水性，埋藏在内部的残基具有疏水 性而是还应安排少量的疏水残基在表面，少 量亲水残基在内部。在蛋白质分子设计过程 中要在原子水平上区分侧链的疏水部分与亲 水部分。
LOGO
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
三、蛋白质分子设计原则
❖ 3.框架设计： 是指对蛋白质分子的立体设计。天然蛋白质是框架 化的。也就是说，催化部位和底物结合部位要适当 地安装在大分子载体之中，给予各个基团以适当的 空间排布，才能具有催化活性功能。因此要设计的 蛋白质活性分子，也必须框架化。 但是对复杂的多肽链而言，需要预测三级结构，需 要大量的计算筛选所需的一级结构，其结果很难预 测。
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
蛋白质工程详细介绍蛋白质工程的方法和应用
蛋白质工程详细介绍蛋白质工程的方法和应用蛋白质工程详细介绍蛋白质工程是一种利用分子生物学和蛋白质化学的方法，对蛋白质进行定向的修饰和改造，以获得理想的蛋白质产物。
它的发展为生物药物研发和产业化提供了重要的技术支持，也为基因工程、农业生物技术等领域的发展带来了巨大的机遇。
本文将详细介绍蛋白质工程的方法和应用。
一、蛋白质工程的方法蛋白质工程的方法包括：1. 重组蛋白质表达系统：通过将目标蛋白质基因导入到适当的宿主细胞中，利用细胞的代谢途径合成目标蛋白质。
2. DNA重组技术：改变目标蛋白质的基因序列，以改变其结构和功能。
3. 非天然氨基酸插入：在蛋白质序列中插入非天然的氨基酸，改变蛋白质的性质。
4. 点突变：通过改变蛋白质特定氨基酸的编码，改变蛋白质的结构和功能。
5. 蛋白质折叠机理研究：通过研究蛋白质的二级、三级结构以及其折叠机理，为蛋白质工程提供理论基础。
二、蛋白质工程的应用蛋白质工程在许多领域有着广泛的应用，下面将介绍其中几个主要方面。
1. 生物药物蛋白质工程为生物药物的研发和产业化提供了关键技术。
通过工程改造，可以改善生物药物的稳定性、生物活性和药效持续时间等性质，提高其疗效和安全性。
蛋白质工程还可以生产重组蛋白、抗体和疫苗等生物药物，为疾病治疗提供新的手段。
2. 农业生物技术蛋白质工程在农业生物技术领域的应用主要包括转基因植物和转基因动物的产生。
通过引入外源基因，可以使植物和动物表达陌生蛋白，以改善农业产量、品质和抗逆性等特性。
蛋白质工程还可以改善植物和动物的饲料价值，提高畜禽养殖的效益。
3. 工业酶蛋白质工程在酶工业生产中有着重要的应用。
通过工程修饰，可以提高酶的催化效率、热稳定性和耐受性，从而降低生产成本，提高工业酶的使用效果。
蛋白质工程还可以创造新的工业酶，满足不同生产过程中对酶的需求。
4. 蛋白质结构与功能研究蛋白质工程在研究蛋白质结构和功能方面起到至关重要的作用。
通过蛋白质工程技术，可以合成具有特定功能的人工蛋白，深入研究蛋白质的结构与功能之间的关系。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
血红蛋白的三维结构
• •
2020/8/12
图 血红蛋白中亚基的排列
A 正面观
B 侧面观
• 图 血红蛋白α链和β链和肌红蛋白构象的相似性
2020/8/12
氧合血红蛋白显著改变Hb的四级结构
装配接触 α1β1和相同的α2β2接触。 涉及螺旋B、G、H和非螺旋段GH拐弯的 30多个残基，接触面大，对亚基的装 配很重要。当血红蛋白从去氧变为氧 合形式时它们不变。
二、蛋白质分子设计的基础
• 总结： 1.首先要通过各种方法来获得蛋白质的三维结
构信息， 2.在获得结构信息的基础上利用生物信息学及
去氧血红蛋白
2020/8/12
氧合血红蛋白
氧合血红蛋白和去氧血红蛋白代表不同 的构象态
• （1）T态（紧张态） 和氧的亲和力低，是氧合血 红蛋白的形式。
• （2）R态（松弛态）和氧的亲和力高，是去氧血红 蛋白的形式。
• 氧与一个处于T态的亚基结合后，转变为R态。原因 是稳定T 态的作用力被破坏。
2020/8/12
• 一级相似的蛋白质，其基本构象及功能也相 似
2020/8/12
• 4.别构效应：在生物体内，当某种物质特异地 与蛋白质分子的某个部位结合，触发该蛋白 质的构象发生一定变化，从而导致其功能活 性的变化。
2020/8/12
二、蛋白质分子设计的基础
• 以肌红蛋白和血红蛋白为例阐述蛋白质空间 结构与功能的关系
2020/8/12
第二章 蛋白质分子设计
• 第一节:蛋白质分子设计原理
• 第二节:基于蛋白质天然结构的分子 设计
• 第三节:全新蛋白质分子设计
2020/8/12
蛋白质分子设计
• 蛋白质分子设计就是为有目的的蛋白质工程 改造提供设计方案，属于交叉学科。
• 设计过程主要依赖于蛋白质结构的测定和分 子模型的建立，按照蛋白质结构功能的关系 ，综合运用各学科的技术手段，确保获得比 天然蛋白质性能更加优越的新型蛋白质。
滑动接触 α1β2和相同的α2β1接触。 涉及螺旋C、G、H和非螺旋段FG拐弯的 19个残基，当血红蛋白因氧合作用而 发生构象变化时，这些接触也发生改 变。
• 图 血红蛋白半分子（αβ二聚体的侧面观）
2020/8/12
• 作为动态构象分子，血红蛋白可以看作是αβ-二聚体的二 聚体，也可以看作是相同的二聚体半分子组成：α1β1-亚 基和α2β2-亚基对。每个αβ-二聚体作为钢体移动。当血 红素基氧合时，分子的两个二聚体半分子彼此滑动。如果一 个αβ-二聚体固定不动，则另一个αβ-二聚体将绕一个设 想的αβ-二聚体的偏心枢轴旋转约15°并平移0.08nm。
2020/8/12
总结
• 1.一种基因可编码产生多种蛋白质，一种蛋白 质可以产生多种活性多肽，一种活性多肽可 以产生多种功能
• 2.蛋白质的功能与高级结构相联系，生物学活 性和理化性质主要决定于空间结构的完整性 。
• 3.一级结构决定了它的二级，三级结构，如果 一级不破坏，就能恢复到原来的三级结构
息。如提高蛋白质的热，酸稳定性等 2、探索蛋白质的折叠机理。如简单蛋白质建筑
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。
2020/8/12
一、蛋白质分子设计的分类 （一）蛋白质分子设计的层次
可分为两个层次 • 在蛋白质三维结构已知基础上所进行的直接
2020/8/12
（二）蛋白质分子设计分类
• 第二类为“中改”，对来源于不同蛋白的结 构域进行拼接组装；以期望能转移相应的功 能，获得具有新特点的蛋白质分子。又称分 子剪裁。
• 第三类为“大改”，即完全从头设计全新的 蛋白质，使之具有特定的空间结构和预期的 功能。
2020/8/12
二、蛋白质分子设计的基础
• 蛋白质序列，蛋白质结构与功能及结构与功能关系 之间的信息对于蛋白质工程及蛋白质设计都非常重 要。蛋白质结构与功能是开展蛋白质分子设计的基 础，对蛋白质结构与功能之间的认识对蛋白质分子 设计是至关重要的决定着蛋白质分子设计的成功与 否。具体包括：
• 1、蛋白质生物功能的多样性 • 2、蛋白质功能由其高级结构决定 • 3、蛋白质的一级结构与其构象及功能的关系 • 4、蛋白质空间构象与功能活性的关系 • 5、结构生物学与生物信息学促进蛋白质分子设计
1.肌红蛋白由一条153个氨基酸组成的肽链和一 个血红素辅基组成。分子量为17800
肌红蛋白的三级结构是由一簇八个a-螺旋组成 的，螺旋之间通过一些片段连接。
2020/8/12
抹香鲸肌红蛋白（Myoglobin）的三级结构
2020/8/12
02与肌红蛋白的结合
2020/8/12
• 卟啉铁和F8（93）His（近侧 ）的咪唑N结合。底层次的设计工作 • 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
2020/8/12
一、蛋白质分子设计的分类
（二）蛋白质分子设计分类 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；在已知结构的天然蛋白质分子 多肽链内的确定位置上，进行一个或少数几 个氨基酸残基的改变，以研究和改善蛋白质 的性质和功能。 • 主要是置换，删除或插入氨基酸，依赖基因 水平。
• 是蛋白质工程的一个重要方面。
2020/8/12
蛋白质分子设计
• 基本途径： 从预期的蛋白质功能出发→ 设计预期的蛋白质结构→ 推测应有的氨基酸序列→ 找到相对应的核糖核苷酸序列（RNA）→ 找到相对应的脱氧核糖核苷酸序列（DNA）
2020/8/12
第一节 蛋白质分子设计原理
• 一、蛋白质分子设计的分类 蛋白质设计的目的： 1、为蛋白质工程改造提供设计方案和指导性信
• O2 和四吡咯环呈60度倾斜。 • 高铁肌红蛋白中水代替O2填
充该部位。
• 氧结合是一个空间位阻区域
• E7 His（远侧）的咪唑环与 Fe原子的距离远，不发生作 用，但与分子O2 能紧密接触 ，被结合的O2在His（近侧） 的咪唑N和Fe原子之间。
血红蛋白的结构
• 血红蛋白有两种链，4个亚基组成 • 人在不同发育阶段血红蛋白亚基的种类是不相同。