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。
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。
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！。
蛋白质设计
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四、蛋白质分子设计的程序
1、收集相关蛋白质的结构信息 2、建立所研究蛋白质的结构模型 3、结构模型的生物信息分析 4、选择设计目标 5、序列设计 6、预测结果 7、获得蛋白质 8、新蛋白质的检验 9、完成新蛋白质设计
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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 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
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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 多肽链内的确定位臵上，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。 主要是臵换，删除或插入氨基酸，依赖基因 水平。
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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 一级相似的蛋白质，其基本构象及功能也相 似
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
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蛋白质分子设计
蛋白质是一类非常有用的物质 与化学试剂相比，蛋白质的分子量非常巨大，大多数 不能通过化学方法生产 专一性很强是蛋白质一大优点，但因此其应用范围却 受到影响 分子生物学的发展克服了上述缺点。特别是定位突变 及PCR 使得蛋白质可能工程化，但用随机方法从事蛋 白质工程研究的效率非常低
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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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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
把Cys转换为Ala或Ser，把Met转换为Gln、 Val、Ile或Leu替代表面羧基
替换表面荷电基团His、Cys以及Tyr的置换， 内离子对的置换
专一性的改变，增加逆转数(turnover
number)，改变酸碱度
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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
C 考察剩余位置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
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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
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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
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第一节 基于天然蛋白质结 构 的分子设计
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
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蛋
天然蛋白质
白 蛋白质结构预测
蛋白质晶体学
质 分 子 从数 设 据库
输入
计
蛋白质三维结构 结构与功能关系 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
流
结构分析与原先的结构比较
程
蛋白质合成定位突变
组DNA技术或PCR方法
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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
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蛋白质中功能残基的鉴定
1．根据已知结构信息确定功能残基 2．突变实验方法鉴定功能残基
随机突变和删除分析及连接片断扫描突变
3．利用蛋白质同源性鉴定功能残基
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天然蛋白质的剪裁
• 分子剪裁：指在对天然蛋白质的改造中替 换1个肽段或1个结构域
• 应用：抗体分子的改造；Rop
蛋白质工程
第一章绪论 第二章蛋白质结构基础 第三章蛋白质分子设计 第四章蛋白质的修饰和表达 第五章蛋白质理化性质的分析和鉴定 第六章蛋白质工程的实际应用
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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
1、对于已知三维结构的蛋白质：根据PDB中三维结 构对蛋白质进行设计
2、对于位置三维结构的蛋白质：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
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• 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 构与功能对蛋白质工程是至关重要的
图
分离、纯化及表征
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新蛋白质 9
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
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蛋白质三维结构的判断
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。
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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
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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
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
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注意问题
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置
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蛋白质分子设计的分类
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； • 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 design）
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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