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。
蛋白质分子设计资料重点
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。
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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
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！。
蛋白质分子的结构教学设计
蛋白质分子的结构教学设计引言蛋白质是生物体内基本的生物大分子之一。
在生物化学和生物学教学中，了解蛋白质分子的结构对于理解其功能和作用至关重要。
本文档描述了一种针对蛋白质分子结构的教学设计，旨在帮助学生深入了解蛋白质分子的组成和三维结构。
教学目标- 了解蛋白质的组成，包括氨基酸的基本结构和连接方式；- 掌握蛋白质分子的一级、二级和三级结构的概念；- 理解蛋白质分子的结构与功能之间的关系；- 能够使用一些基本的工具和方法解析蛋白质分子的结构。
教学内容和方法1. 蛋白质的组成和氨基酸（约占教学时间的20%）蛋白质的组成和氨基酸（约占教学时间的20%）- 介绍蛋白质的组成，包括氨基酸是构成蛋白质的基本单位；- 解释氨基酸的结构和分类，重点介绍20种常见氨基酸的特点；- 通过示意图和示例展示氨基酸的连接方式和多肽链的形成过程。
2. 蛋白质的一级和二级结构（约占教学时间的30%）蛋白质的一级和二级结构（约占教学时间的30%）- 讲解蛋白质的一级结构，即氨基酸序列的排列方式；- 介绍蛋白质的二级结构，包括α-螺旋、β-折叠和无规卷曲；- 使用实例和模型展示不同类型的二级结构。
3. 蛋白质的三级结构（约占教学时间的40%）蛋白质的三级结构（约占教学时间的40%）- 说明蛋白质的三级结构，即通过氨基酸间的各种相互作用而形成的立体结构；- 突出蛋白质的折叠和空间构象，以及与功能的相关性；- 引入X射线晶体学和核磁共振等方法解析蛋白质的三维结构。
4. 蛋白质结构与功能（约占教学时间的10%）蛋白质结构与功能（约占教学时间的10%）- 强调蛋白质结构与功能之间的紧密关系；- 举例说明蛋白质的不同结构对其功能的影响；- 解释蛋白质结构变化与疾病发生的关联。
教学评估- 组织学生参与讨论和解析蛋白质分子的结构相关问题；- 设计小组活动，让学生通过实践运用所学知识解决蛋白质结构相关问题；- 进行小测验，测试学生对蛋白质结构知识的掌握情况。
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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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
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[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。
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蛋白质设计循环
蛋 白 质 分 子 设 计 流 程 图
天然蛋白质 蛋白质结构预测
蛋白质三维结构 蛋白质晶体学
结构与功能关系
从数 据库 输入 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 结构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
蛋白质分子设计大致 涉及的几个重要方面
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)
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
• 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 • 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
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
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）
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 • 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
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
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
• 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
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。 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
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
对重金属的稳Biblioteka 性pH稳定性提高酶学性质
专一性的改变，增加逆转数(turnover number)，改变酸碱度
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 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
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
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
• 蛋白质结构及功能对残基的替换有一定的容忍度，即结构 与功能关系有一定的稳健度
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
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
结构与功能的容忍度
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
蛋白质设计的目标及解决办法
设计目标
热稳定性
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
对氧化的稳定性
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
• 突变蛋白质构象的探测
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 组DNA技术或PCR方法
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
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 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
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
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
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