第六章蛋白質(zhì)分子設(shè)計本章主要內(nèi)容：1.蛋白質(zhì)分子設(shè)計的目的；2.蛋白質(zhì)分子設(shè)計原理；3.蛋白質(zhì)分子設(shè)計的主要途徑；4.蛋白質(zhì)分子設(shè)計的主要步驟。左為PrPC；

右為PrPSC

一、蛋白質(zhì)分子設(shè)計的目的1.探索蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)層次之間的相互關(guān)系；2.探索蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，特別是立體結(jié)構(gòu)的形成規(guī)律；3.探索蛋白質(zhì)折疊的分子機理；4.為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系研究提供手段；5.改造天然蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，獲得符合需要的蛋白質(zhì)；6.為創(chuàng)造全新的蛋白質(zhì)奠定基礎(chǔ)。二、蛋白質(zhì)分子設(shè)計原理1.內(nèi)核假設(shè)：蛋白質(zhì)內(nèi)核中側(cè)鏈的相互作用決定其獨特的折疊形式。內(nèi)核是指蛋白質(zhì)在進化中保守的內(nèi)部區(qū)域。在通常情況下,內(nèi)核由氫鍵連接的二級結(jié)構(gòu)單元組成。2.所有蛋白質(zhì)內(nèi)部都是密堆積（很少有空穴大到可以結(jié)合1個水分子或惰性氣體），并且沒有重疊。因為：分子是從內(nèi)部排出的；原子間的倫敦色散力。3.所有內(nèi)部氫鍵都是最大滿足的，包括主鏈和側(cè)鏈。4.疏水及親水基團需要合理地分布在溶劑可及與不可及的表面。5.在金屬蛋白質(zhì)中，配位殘基的替換要求滿足金屬配位幾何。在金屬周圍放置適當(dāng)數(shù)目的蛋白質(zhì)側(cè)鏈或溶劑分子，并符合正確的鍵長、鍵角及整體幾何。6.對于金屬蛋白質(zhì)，圍繞金屬中心的第二殼層的相互作用是重要的。因為大多數(shù)配基含有一個以上的基團，除與金屬離子形成配位鍵以外的基團之間或與其他氨基酸側(cè)鏈之間形成氫鍵。如組氨酸。7.最佳的氨基酸側(cè)鏈幾何排列。包括排列順序、優(yōu)勢構(gòu)象。8.結(jié)構(gòu)及功能的專一性。這是蛋白質(zhì)分子設(shè)計最困難的問題。蛋白質(zhì)分子設(shè)計涉及到的重要技術(shù)：1.在蛋白質(zhì)設(shè)計開始之前，要對所要求的活性進行篩選。由于真菌與細(xì)胞相對容易處理，因此，它們是一個生物活性物質(zhì)源。2.由于基因工程的發(fā)展，真核基因表達技術(shù)的發(fā)展使動物蛋白質(zhì)與植物蛋白質(zhì)的數(shù)目迅速增長，又增加了新的生物活性物質(zhì)源。

即：目的基因表達方法的選擇與確定。3.蛋白質(zhì)提取與純化后需要進行細(xì)致的表征，測定它們的序列、三維結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、生物活性等。編碼氨基酸的分類：

非極性氨基酸（8種）：Ala、Val、Leu、Ile、Phe、Trp、Met和Pro

極性氨基酸（12種）：不帶電極性氨基酸：Gly、Ser、Thr、Cys、Tyr、Asn和Gln帶電極性氨基酸：帶正電荷極性氨基酸：Arg、His和Lys

帶負(fù)電荷極性氨基酸：Asp和Glu參考第二章中有關(guān)20種氨基酸的結(jié)構(gòu)（側(cè)鏈的不同）！傾向于形成α-螺旋的氨基酸：

對已知蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進行大量的分析表明，氨基酸形成α-螺旋的傾向性不同。

強烈傾向于形成α-螺旋的氨基酸有：Ala、Glu、Leu、Lys和Met。

非常不利于形成α-螺旋的氨基酸有：Pro、Gly、Tyr和Ser。

舉例：抗菌肽的結(jié)構(gòu)與功能科研樓（一）基于天然蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的分子設(shè)計

以天然蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)及功能（穩(wěn)定性）知識為基礎(chǔ)。（PDB及相關(guān)數(shù)據(jù)庫可提供大量參考信息）

首先對其進行不同方式的理論改造，并借助于計算機模擬技術(shù)，推測其可能的改造后的結(jié)構(gòu)與功能。

然后用基因工程技術(shù)或人工合成技術(shù)獲得這種改造后的新蛋白質(zhì)，并用實驗的方法測定其結(jié)構(gòu)及功能。

如未達到要求，再重復(fù)上述過程，直至滿足需要為止。以天然蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進行分子設(shè)計的具體步驟：1.從天然蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)出發(fā)，利用計算機模擬技術(shù)確定突變位點及替換的氨基酸。注意的問題：

1）應(yīng)確定對蛋白質(zhì)折疊敏感的區(qū)域，這些區(qū)域包括：帶特殊扭角的氨基酸、鹽橋和密堆積區(qū)等。內(nèi)核！

2）應(yīng)確定對功能非常重要的位置，這些可以從結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系、生物化學(xué)或蛋白質(zhì)工程實驗及結(jié)構(gòu)上考慮。

3）應(yīng)考察其余位置對所希望改變的影響。

4）當(dāng)進行互換或插入/刪除殘基時，應(yīng)考慮它們對結(jié)構(gòu)特征及功能的影響。應(yīng)遵循以下原則：氨基酸側(cè)鏈的改變不影響該主鏈的折疊，插入／刪除某些部分不影響表面區(qū)域，側(cè)鏈交換遵守蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)保守原則。

2.利用能量優(yōu)化及蛋白質(zhì)動力學(xué)方法預(yù)測修飾后的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。3.預(yù)測的結(jié)構(gòu)與原始蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)比較，利用蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能、結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性的相關(guān)知識及理論，預(yù)測新蛋白質(zhì)可能具有的性質(zhì)。4.人工合成新設(shè)計蛋白或利用基因工程技術(shù)表達該蛋白質(zhì)，經(jīng)分離純化后，進行系統(tǒng)地鑒定（表征）。（二）蛋白質(zhì)從頭設(shè)計或蛋白質(zhì)全新設(shè)計

以天然蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進行的分子設(shè)計，可以優(yōu)化蛋白質(zhì)的活性，改善其藥效動力學(xué)性質(zhì)。那么，人們能否根據(jù)自己意愿，設(shè)計合成具有全新的結(jié)構(gòu)與功能的蛋白質(zhì)呢？

例如：離子通道納米管，血紅素結(jié)合蛋白，氧化還原活性蛋白，DNA結(jié)合蛋白等。

全新蛋白質(zhì)分子設(shè)計是另外一種蛋白質(zhì)工程，即合成具有新的更優(yōu)良的結(jié)構(gòu)與功能的蛋白質(zhì)。

全新蛋白質(zhì)分子設(shè)計：從頭結(jié)構(gòu)設(shè)計和從頭功能設(shè)計。蛋白質(zhì)的超二級結(jié)構(gòu)示意圖a.αα組合b.βββ組合c.βαβ組合A:αα；B:βxβ；C:βαβαβ；D、E:

單雙向β-折疊；F：β-迂回；G：回型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。左為PrPC；右為PrPSC4.基于組合庫的全新蛋白質(zhì)分子設(shè)計利用組合庫技術(shù)已在如下方面取得成功：α-螺旋；β-折疊片；單體；自組裝為有序的排列；堆積為天然類蛋白；超熱穩(wěn)定性；結(jié)合輔因子的能力；催化活性。5.在合成模板上肽的組裝6.線性多肽折疊為球狀結(jié)構(gòu)2.蛋白質(zhì)功能的從頭設(shè)計

1）通過反向擬合天然蛋白質(zhì)設(shè)計新的功能；

在以下方面已取得成功：DNA結(jié)合專一性；改變輔因子的專一性；改變底物的專一性（抗體酶）

2）鍵合及催化的從頭設(shè)計；3）在全新蛋白質(zhì)中引入結(jié)合位點；4）催化活性蛋白質(zhì)的設(shè)計；5）膜蛋白及離子通道的設(shè)計；6）新材料的設(shè)計。結(jié)構(gòu)與功能的容忍度蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及功能對殘基的替換有一定的容忍度，即結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系有一定的穩(wěn)健度。例如：Fersht等替換了Barnase的所有內(nèi)核殘基。結(jié)果表明，23％的突變體保留了酶的活性。Mathews等在溶菌酶內(nèi)核中替換多至10個殘基。實驗證明多重取代的蛋白仍具有活性以及協(xié)同折疊。這些結(jié)果說明不同的氨基酸序列具有相近的設(shè)計結(jié)構(gòu)。五、蛋白質(zhì)工程的基本問題與困難一）改變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本途徑1.以同源蛋白為模型推測突變體蛋白的空間構(gòu)象。2.突變一系列有結(jié)構(gòu)傾向的氨基酸以改變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)類型。3.從熱力學(xué)第一定律出發(fā)設(shè)計蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。二）增加蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的基本途徑1.降低折疊與非折疊的熵差。2.穩(wěn)定α-螺旋。3.填充疏水內(nèi)核。三）蛋白質(zhì)工程的基本困難與生物體內(nèi)蛋白質(zhì)的形成過程相比較，蛋白質(zhì)工程是一個反向分子生物學(xué)過程。在這一過程中，最基本的問題是：按期望的結(jié)構(gòu)尋求最適氨基酸序列。要做到這一點，就要求有先進的計算機程序，它能夠模擬細(xì)胞內(nèi)或體外氨基酸多肽鏈折疊成三維結(jié)構(gòu)的精確過程。但這是一個目前還沒有解決的基本問題。

分子生物學(xué)過程transcriptiontranslationfoldingDNA

mRNA

polypeptides

3D-structure

function

synthesismoleculardesign

蛋白質(zhì)工程過程

不疾學(xué)而能為魁士名人者，未之嘗有也！

-----呂氏春秋《勸學(xué)》在科學(xué)的道路上，只有豐碑，沒有路標(biāo)！

-----愛因斯坦

凡事之本，必先治身！