蛋白质分子设计
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。
蛋白质分子设计的基本过程
蛋白质分子设计的基本过程蛋白质分子设计，这听起来是不是很高深莫测呀？但其实啊，它就像是我们盖房子一样。
你看，盖房子得先有个设计图吧，要规划好房间怎么布局，哪里放窗户，哪里安门。
蛋白质分子设计也是类似的道理呢。
首先呢，咱得清楚要设计个啥样的蛋白质。
这就好比你想盖个别墅还是小公寓呀，得有个明确的目标。
然后呢，要对蛋白质的结构进行深入了解，这就像是了解房子的框架结构一样重要。
接下来，就该动手“搭建”啦！要根据目标和结构信息，选择合适的氨基酸来组成这个蛋白质。
这就跟选择建筑材料似的，得挑好的、合适的。
而且呀，这可不是随便挑挑就行，得考虑好多因素呢。
比如说，这些氨基酸组合起来能不能形成稳定的结构，能不能发挥出想要的功能。
在这个过程中，可不能马虎大意哦！就像盖房子要是不仔细，墙砌歪了，那可不行。
设计蛋白质也是一样，一个小细节没注意到，可能整个蛋白质就没法正常工作啦。
然后呢，还得对设计好的蛋白质进行测试和优化。
这就像房子盖好了，得检查检查有没有漏水啊，墙壁平不平啊。
如果发现问题，就得赶紧调整改进。
想象一下，要是我们能随心所欲地设计出各种厉害的蛋白质，那能解决多少问题呀！比如可以设计出更高效的药物，来治疗各种疾病；还可以设计出特殊的蛋白质材料，应用在各种领域呢。
你说这蛋白质分子设计是不是很神奇？它就像是一个魔法棒，能让我们创造出各种奇妙的东西。
当然啦，这可不是一件容易的事儿，需要科学家们有深厚的知识和精湛的技术。
他们就像优秀的建筑师一样，精心打造着每一个蛋白质分子。
而且哦，这还是一个不断探索和进步的领域呢。
随着科技的发展，我们对蛋白质分子的理解会越来越深入，设计出的蛋白质也会越来越厉害。
所以呀，可别小瞧了这蛋白质分子设计，它可是有着大能耐呢！虽然我们普通人可能不太懂具体怎么操作，但我们可以了解了解呀，说不定哪天我们也能在这个领域出一份力呢！反正我是觉得这蛋白质分子设计超级有趣，超级有意义的！你觉得呢？。
第七章 蛋白质分子设计
一、分子设计的目的
蛋白质的分子设计目的：
获得具有特定功能的蛋白质。 蛋白质的 蛋白质的 分子设计 从头设计 对已有蛋白质的分 子改造提供确切的 方案。
理性设计
设计自然界中尚未发 现的、具有全新结构 和功能的蛋白质。
二、蛋白质分子设计的理论基础
理论基础是蛋白质的结构与功能关系，
β 折叠片的设计原则：
选择形成β 折叠片倾向性较大的氨基酸残基， 如Val、Ile、Tyr。 使亲水性残基和疏水性残基相间排列。
β 转角设计：
要考虑转角类型，某些氨基酸残基对 蛋白质的二级结构有终止作用。如Pro和 Gly是α 螺旋的中断者，Glu是β 折叠的中 断者，设计时可利用这些氨基酸残基来终 止分割不同的二级结构。
四、蛋白质分子设计的方法与过程
1、蛋白质的理性设计
点突变（小改）：对已知结构的pro进行几个 残基的替换来改善pro的结构和功能。
序列及结构域的组合（中改）：对天然pro分 子进行大规模地肽链或结构域替换以及对 不同pro的结构域进行拼接组装。
（1）点突变（小改）
三类突变： 插入一个或多个氨基酸残基， 删除一个或子就是抗体设计和改造。
抗 结 部 原 合 位
VH CH1
H L VL
S 补 结 部 体 合 位
S
S S S S
S
S
CL CH2 CH3
IgG分子的12个结构域
2、从头设计（大改）
是指从氨基酸残基出发，即从一级 序列出发，设计制造自然界中不存在的 全新蛋白质，使之具有特定的空间结构 和预期的功能。
用丝氨酸替换Thr241，没有丧失对调节亚基的亲 和力，这暗示磷酸丝氨酸可以替换磷酸苏氨酸。
蛋白质分子设计
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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)
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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
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蛋白质设计的目标及解决办法
设计目标
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
解决办法
引入二硫桥，增加内氢键数目，改善内疏水 堆积，增加表面盐桥
把Cys转换为Ala或Ser，把Met转换为Gln、 Val、Ile或Leu，把Trp转换为Phe或Tyr
• 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
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6
蛋白质分子设计程序
• 蛋白质分子设计程序：各种蛋白质结构 预测和分子设计程序
• 按照蛋白质分子设计的层次分为序列分 析、二级结构预测、同源蛋白质结构预 测、蛋白质突变体结构预测、蛋白质的 性能预测和蛋白质分子设计六个部分
蛋白质与酶工程名词解释
蛋白质与酶工程名词解释一、名词解释1.蛋白质工程（Protein Engineering）：以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础，通过有控制的修饰和合成，对现有蛋白质加以定向改造，设计、构建并最终生产出性能比自然界存在的蛋白质更加优良、更加符合人类社会需要的新型蛋白质。
2.蛋白质分子设计（Protein Molecule Design）: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。
3.亲和标记/亲和标记试剂（Affinity Labeling /reagent）：试剂对蛋白质分子中被修饰部位的专一性修饰，为亲和标记或专一性的不可抑制作用。
(亲和标记试剂，不仅具有对被作用基团的专一性，而且具有对被作用部位的专一性，即试剂作用于被作用部位的某一基团，而不与被作用部位以外的同类基团发生作用。
这类修饰试剂也被称为位点专一性抑制剂)4.定向进化（Directed Evolution）：在较短时间内完成漫长的自然进化过程（突变、重组和筛选），有效地改造蛋白质，使之适合于人类的需要，这种策略只针对特定的蛋白质的特定性质，因而被称为定向进化。
5.DNA改组技术（DNA Shuffling）：是指DNA分子的体外重组，是基因在分子水平上进行有性重组，通过改变单个基因原有的核苷酸序列，创造新基因，并赋予表达产物以新功能。
DNA家族改组技术（DNA Family Shuffling）：是以来自不同种属的同源基因作为重排对象进行DNA改组操作的技术。
该技术打破不同种、属间的遗传界限，利用同源基因之间的同源序列进行DNA改组6.超滤（Ultrafiltration）：利用压力或离心力使溶液中的小分子物质通过超滤膜，而大分子则被截留，一次实验就可以将蛋白质混合物分为分子大小不同的两部分的分离方法。
7.亲和层析（Affinity Chromatography）：是利用蛋白质与配体专一性识别并结合的特性而分离蛋白质的一种层析方法。
蛋白质分子设计原理
蛋白质分子设计原理
嘿，朋友们！今天咱来聊聊超有意思的蛋白质分子设计原理！
你想想看啊，蛋白质就像是一个神奇的小机器，它有着各种各样复杂而精妙的结构。
这就好比搭积木，不同的积木块组合起来能搭出不一样的造型，蛋白质也是如此。
比如说血红蛋白吧，它就像是专门负责运输氧气的快递员，把氧气准确无误地送到身体各个地方。
那蛋白质分子设计原理呢，就是我们去掌握如何设计出这些厉害的“小机器”。
怎么设计呢？这可不是随随便便就能搞定的。
就好像你要做一道超级美味的菜，得精心挑选食材，精确掌握火候一样。
我们得了解蛋白质的各种特性，它的结构呀、功能啊等等。
然后通过各种技术手段，去改变、去优化。
你难道不觉得这很神奇吗？我们竟然可以像上帝一样，去塑造这些小小的分子！比如说设计一种新的蛋白质来治疗疾病，哇，那可真是太酷了！
咱再举个例子，胰岛素。
要是没有它，糖尿病患者可就遭罪了。
那如果我们能更好地设计出胰岛素，让它发挥更好的作用，这得给多少人带来福音啊！
蛋白质分子设计原理真的超级重要，它就像是打开新世界大门的钥匙。
我们可以利用它去创造奇迹，去解决那些看似不可能解决的问题。
所以啊，大家一定要好好了解这神奇的蛋白质分子设计原理，说不定哪天你也能成为那个创造奇迹的人呢！我的观点就是，蛋白质分子设计原理是充满无限可能和魅力的，值得我们深入探索和研究。
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。
蛋白质分子设计的主要方法
蛋白质分子设计的主要方法《关于蛋白质分子设计的那些事儿》嘿，朋友们！今天咱来聊聊蛋白质分子设计这个有趣的话题。
听起来是不是很高大上？别急，我给你用接地气的方式讲讲。
你可以把蛋白质分子想象成一个超级复杂的机器，而我们呢，就是那群试图给这个机器重新设计、改造，让它变得更牛的“工程师”。
那怎么设计和改造呢？这就有好几种方法啦！先说定点突变吧，这就像是给蛋白质分子这个“大机器”来个精准的小手术。
找到关键的地方，稍微动一动，就可能让它的功能发生巨大变化。
就好像本来这个机器只能搬小砖头，这么一改，嘿，能搬大石块啦！不过这得非常小心，不然弄错了地方，那可就糟糕了。
还有从头设计呢，哇，这个听起来就很厉害。
就像是凭空创造一个全新的超级机器出来！不过这可不是简单地随便拼凑哦，得了解蛋白质分子的各种特性、结构，一点点地给它搭建起来。
就好像搭积木，要搭得稳当、精巧。
当然啦，这设计过程可不比玩游戏轻松。
有时候你觉得自己设计得完美无缺了，可到实际用的时候才发现，哎呀，怎么和想象的不一样呢。
就像是你精心拼了个乐高机器人，结果发现它走路歪歪扭扭的。
这时候就得重新研究，找找问题出在哪儿。
而且啊，设计蛋白质分子可不能光凭感觉。
得有科学依据，得用各种仪器、软件来帮忙。
不然你怎么知道你设计的对不对呢。
这就好像你玩游戏得有攻略，才能更好地通关嘛。
有时候，设计出来的蛋白质分子还得经过实践的检验。
就像新发明的产品得放到市场上看看大家喜不喜欢。
如果效果好，那自然皆大欢喜；要是不行，那就得继续改进啦。
总之，蛋白质分子设计这个活儿啊，既充满挑战又特别有趣。
就像一场奇妙的冒险，你永远不知道下一个设计会带来什么样的惊喜或者麻烦。
不过这也正是它吸引人的地方啊！想象一下，你亲手设计的蛋白质分子能够为医学、生物科学等领域做出贡献，那得多有成就感呀！让咱们一起加油，在蛋白质分子设计这个神奇的领域里闯出自己的一片天吧！。
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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。
2．所有蛋白质内部都是密堆积且没有重叠。
3．所有内部的氢键都是最大满足的（主链和侧链）。
4．疏水和亲水基团需要合理地分布在溶剂的可及与不可及表面。
分布代表了疏水效应的主要驱动力。
要在原子水平上区分疏水和亲水部分；表面安排少许疏水基团、内部安排少许亲水基团。
5．金属蛋白质中配位残基的替换要满足金属配位几何。
6．对于金属蛋白，围绕金属中心的第二壳层的相互作用是最重要的。
金属的第二壳层通常涉及蛋白主链的相互作用，有时也参与同侧链或水分子的相互作用。
这些相互作用符合蛋白质折叠的热力学要求；氢键固定在空间的配位位置。
7．最优的氨基酸侧链几何排列。
蛋白质侧链构象决定于立体势垒和氨基酸的位置。
8．结构及功能的专一性。
三、蛋白质设计中的结构—功能关系研究蛋白质的序列、三维结构、热力学与功能性质之间的关系对蛋白质工程、蛋白质设计非常重要。
选择突变残基，最重要的信息来自于结构特征。
通过定位突变鉴定蛋白质功能残基、探讨作用机理。
这些研究为研究蛋白质—蛋白质相互作用、酶催化的本质提供理论基础，也为蛋白质工程和蛋白质设计提供理论依据，也可用于药物开发。
定位突变技术分类为对一个或多个氨基酸进行：（1）插入；（2）删除；（3）替换。
功能上的分析：最重要的是数据的解释。
所有突变检测中共同存在的困难在于：如何区别功能残基替换引起的效应及蛋白质构象变化引起的效应？对于三维结构未知的蛋白质，这个问题特别严重：（1）不能确定残基的立体位置；（2）残基所处的周围环境不确定；（3）残基对溶剂的暴露程度；（4）残基间的相互作用。
目前的检测方法：（1）在某些情况下，溶解度与突变蛋白质的稳定表达可作为结构整体性的一种标志。
因为突变可能破坏蛋白质的球形整体结构，引起蛋白质失活、不溶性以及在细胞种降解。
突变引起的结构变化可通过蛋白质种引进另一种突变来检测。
这种多重突变中单一突变是有加性的，偏离这个规则说明残基间相互作用引起构象的变化。
（2）热力学分析可用于测量突变蛋白质的热稳定性及化学变化自由能，并可作为构象整体性的检测。
（3）X射线晶体学及NMR谱可直接提供突变蛋白质的高分辨率结构及评估结构整体性。
（4）圆二色散方法用于分析突变体结构。
（5）单克隆抗体利用分析一系列构象灵敏的McAb的结合能力可以探测突变蛋白的构象变化。
(一)根据结构信息确定残基的突变对于三维结构已经确定、并已知抑制剂、辅酶及受体的三维结构的蛋白质，根据氨基酸来推测专一性残基的功能作用的方法非常有效。
残基—配体上的受体基团间的距离、取向决定它们之间形成的氢键、离子对或疏水相互作用。
这样的残基通过定为突变取代后，能证实某一残基对键合过程的参与、每一个相互作用对复合物结构的贡献。
例：酪氨酸—tRNA合成酶（图24）。
过渡态稳定性的阐明。
底物专一性的认识。
蛋白质三维结构指时对突变设计策略的帮助。
(二)其他实验方法鉴定功能残基随机突变、删除分析及连接段扫描分析（linker scanning mutagenesis）等实验方法可鉴定功能残基。
（1）随机突变技术：优点：用一种简单方法就可以产生突变体。
缺点：对突变没有控制；必须进行大量的突变产生大量的可解释数据。
（2）删除分析及连接段扫描分析涉及整个基因位置删除或插入小数目的核苷酸，通过重组DNA技术很容易构建。
原理：利用能识别序列内的多重位点的限制酶可以部分降解基因，并分离得到在单一位点被切断的线性片段。
为了进行分散插入小的合成DNA片段，常常编码一个有限位点的片段（linker），可以把它配位到断开位置。
为了建立分散删除，在重新配位形成之前用外核酸酶降解DNA，目的是快速扫描编码序列的长度以及鉴定重要功能区域，然后可进行单一氨基酸替换的更仔细的分析。
扫描删除分析曾用于鉴定鼠和人的粒状白细胞大噬菌体激活因子（GM-CSF）的重要区域。
GM-CSF的功能是刺激造血细胞的增值。
通过突变在5个氨基酸里删除3个，再在E.coli 表达及检测活性。
(三)利用蛋白质同源性鉴定功能残基每个残基所起作用的信息来自不同原蛋白质的序列比较或一类具有相应活性的蛋白质的序列比较。
同源蛋白质的保守的残基是保持那类蛋白质共同功能或是维持共同结构的关键因素。
相反，在一类蛋白质内变化的残基看来对结构及功能不重要，但涉及在分子识别中起作用的专一性。
这两个假设已用于指导位点突变分析蛋白质。
缺点：不能确定效应有突变引起还是结构的微小变化引起。
解决办法：减少结构的破坏。
要求：预先尽可能多了解蛋白质的结构、进化保守及生物化学信息（X-射线、NMR结构信息，特别是蛋白质分配体或底物形成的复合体的结构信息、原子水平上结构与活性的关系及分子相互作用等。
）突变策略：已知结构并可进行序列对准的突变，使用不同二级结构单元的转换，如“loop-交换”。
一组同源蛋白质同感兴趣的蛋白质比较，鉴定出高度保守的残基，它们是突变、功能进化的很好的候选残基；而非保守残基即涉及每个蛋白质的独特功能。
如底物、专一性。
优点：转换的序列与蛋白质的整体结构协调，突变对结构破坏少。
四、天然蛋白质的剪裁分子剪裁：在天然蛋白质的改造中替换1个肽段或一个结构域。
反平行四螺旋束Rop重新设计的成功例子。
Lm Rop与Wt Rop 类似地折叠证实了蛋白质设计原理中的内核假设。
蛋白质结构对残基的替换有一定的容忍度，即结构与功能有一定的稳健度。
不同的氨基酸序列具有相近的设计结构。
第二节全新蛋白质设计一、引言概念：反折叠研究：根据所希望的蛋白质结构及功能设计序列，从相反的方向了解决定蛋白质结构及功能的基本物理、化学规律及蛋白质折叠过程与步骤。
全新蛋白质合成属于另一类蛋白质工程，它合成具有新奇的结构及功能的蛋白质。
选择序列的方法：生物进化；全新蛋白质设计。
全新蛋白质设计包括从头结构设计和从头功能设计。
二、蛋白质结构的从头设计中心问题：设计一个具有稳定基独特的三维结构的序列。
基本障碍：线性聚合链的构象熵。
RTln10100=568.48kj/mol。
策略：（1）使相互作用的强度与数目达到最大。
（2）通过共价交叉连接减小折叠的构象熵。
根据第一原理设计一个蛋白质，我们必须依赖于分析已知结构的天然蛋白质中的二级结构单元，例如螺旋、β叠片、环以及转折，得到一些结构知识，这些知识涉及氨基酸形成二及结构的倾向性等。
对于螺旋已有很好的认识，近来重点研究二级结构在三维空间形成的独特的构象通过长程相互作用可控形成超二级结构。
螺旋合成、β折叠、ββα模块形成规律较清楚，设计合成成功率较高。
复杂的三级折叠和四级结构可分解为有效的二级结构单元，如：螺旋、折叠、串、转角通过loop连接为三级结构。
对蛋白质结构和稳定性很好的认识，在蛋白质设计中可安排残基的最大的疏水相互作用形成一个紧密的疏水内核。
离子相互作用与氢键可进一步稳定蛋白质的结构。
另一种途径是根据主链的构象限制设计二级结构。
全新蛋白质设计的策略：1．二级结构模块单元的自组装最简单、最直接的策略：合成单一的两亲性的二级结构单元（α螺旋、β折叠）作为多肽链的片段模块，然后复制这些片段并把它们连接位整个蛋白质结构。
疏水表面埋藏在内核形成紧密的蛋白质结构中。
模块方法的特点：（1）它是最简单的。
（2）容易合成。
与单链天然类蛋白质比较，缺点：（1）蛋白质的稳定性差。
（2）结构的简单重复。
α螺旋通过氢键达到结构稳定，单一α螺旋在溶液中是稳定的。
螺旋设计使用的策略：（1）使用大的、能形成螺旋倾向的残基，如Leu/Glu/La等。
（2）使用合适的基团去除端基的电荷，防止与螺旋偶极不合适的电荷相互作用。
（3）使用极化或荷电氨基酸引入稳定的氢键或在螺旋中相隔一圈残基间的例子相互作用。
（4）使用在螺旋中相隔一圈的残基间疏水的范德华相互作用。
（5）使用芳香-荷电或芳香-硫的相互作用。
最简单的在自然界中观察到的α螺旋结构是coiled-coil及四螺旋束。
这些结构在全新蛋白质领域首次通过模块方法设计成功。
Degrado的工作：四螺旋束被成功应用于n螺旋束的设计中。
不合适的构象熵由非共价相互作用（氢键、电荷-电荷、疏水相互作用）补偿。
两亲螺旋的聚集主要是基于疏水相互作用提供足够的结合能去驱动折叠平衡。
不合适的折叠熵的作用在实践中逐步由结合足够数目的疏水残基所克服。
Coiled-coil模型体系：由2-4个α螺旋彼此以平行或反平行堆积在一起，螺旋的交叉角接近20°。
Hodges的工作：设计7肽重复组成的Coiled-coil及其特征。
图2-8途中序列设计要求同时稳定α螺旋二级结构、双条螺旋间的相互作用。
设计合成：（1）考虑疏水界面、离子间相互作用。
结果合成的结构比天然结构更稳定。
（2）长度：至少含有29个残基才能自由组装成Coiled-coil。
（3）二聚界面改变疏水接触的影响。