第二章-蛋白质分子设计

第二章蛋白质分子设计

ChaptertwoProteinDesign

基于天然蛋白质结构的分子设计全新蛋白质设计

计算蛋白质设计

本章内容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

Pr没有像化学试剂那样被普遍应用，其原因:(1)Pr分子量非常大(10000~1000000)，不能通过化学方法生产;(2)Pr的功能是在生理条件下挥发的，在其它条件下(如在有机溶剂中)是不稳定的;(3)专一性致使其应用范围受到影响。蛋白质应用受限的原因分子生物学（定位突变、PCR）的发展使Pr可能工程化通过Pr设计产生结构确定、具有新的所希望性质的稳定的新Pr并不容易，但已取得显著的进展(血红素结合蛋白、Pr高分子材料等)Pr设计是多学科交叉领域，将产生结构与功能的多样性Pr研究进展及问题蛋白质设计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蛋白质设计目前存在的问题1、与天然的蛋白质比较，缺乏结构的独特性及明显的功能优越性2、三级结构的确定性较差计算机模拟突变蛋白质产品功能分析基因构建Pr设计循环第一节基于天然蛋白质结构的分子设计蛋白质分子设计的流程P58图2-3

三维结构知识对于Pr工程是绝对必要，PDB收集以万计个蛋白质晶体结构对某一天然蛋白质进行其分子设计查找PDB了解这个Pr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，要通过蛋白质X射线晶体及NMR方法测定蛋白质的三维结构，或通过结构预测的方法构建该蛋白质的三维结构模型

Pr突变体设计的3个步骤利用计算机模拟技术确定突变位点及替换的aa确定对Pr折叠敏感的区域，包括盐桥、密堆积区等确定对功能非常重要的位置考察剩余位置对所希望改变的影响当进行互换或插入/删除残基时应考虑它们对结构特征的影响,同时也应考虑它们对Pr功能的影响利用能量优化及Pr动力学方法预测修饰后的Pr结构预测的结构与原始的Pr结构比较，利用Pr结构-功能或结构-稳定相关知识及理论计算机预测新Pr可能具有的性质在上述的设计工作完成后，要进行合成或突变实验并经分离、纯化及表征后得到所要求的新Pr；Pr设计的成功与否，必须要有理论与实验的紧密相结合蛋白质设计原理内核假设。内核是指Pr在进化过程中保守的内部区域,由氢键连接的二级结构单元组成Pr内部都是密堆积，没有重叠。分子是从内部排出，具疏水效应;原子间的伦敦色散力所引起的，由于短吸引力的优化内部的氢键都是最大满足的疏水及亲水基团需要合理的分布在溶剂可及表面及不可及表面。分布代表疏水效应的主要驱动力金属Pr中配位残基的替换要满足金属配位几何对于金属Pr，围绕金属中心的第二壳层中的相互作用是重要的最优的aa侧链几何排列。Pr侧链构象由空间两个立体因素所决定结构及功能的专一性。这是Pr设计最困难的问题蛋白质设计的结构-功能关系研究根据结构信息确定残基的突变其他实验方法鉴定功能残基(随即突变、删除分析)利用蛋白质同源性鉴定功能残基我们知道,蛋白质的空间结构受其氨基酸序列控制,而功能又与结构密切相关。

如果能够找到构造蛋白质结构的方法,我们就能得到具有任意结构和功能的全新蛋白质,这就是蛋白质全新设计问题。第二节全新蛋白质设计全新蛋白质设计过程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。从头设计方法包含的步骤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。

2、配体分子构建：采用不同的片段选择和分子构建方法，产生相应的分子结构。

3、评价：使用特定的评分系统将构建的分子与活性位点的匹配性进行排序，可以选择其中优良的结果作为合成实验的对象。也可以将之做新一轮计算的起点进行进一步的优化。二级模块单元的自组装最简单、最直接的策略—合成单一二级结构单元优点无论是从设计或合成看，是简单的；容易合成。缺点涉及蛋白质的稳定性；结构的简单重复。举例Hodges设计/~jps/coilcoil.html2/.../phyb516/regulatoryproteinsu3.htm3/sc172/sc172_4.html

coiled-coilfrom:/…/phvb516/regulatorvproteinsu3.htmGif3coiled-coil

from:/~ips/coilcoil.html

Degrado设计Gif3四螺旋束Gif4.四螺旋束配体诱导组装

策略：一个配位结合点设计在结构中几个相互作用片段的界面处。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驱动肽自组装。举例Lieberman,Sasaki利用二价铁离子诱导组装形成的一个三螺旋束。通过共价交叉连接实现肽的自组装几个没有连接的肽进行自组装，熵势垒是比较难以克服的。通过共价交叉连接减少构象熵。举例Gif5Richardson，Erichkson等设计的一种蛋白的三级飘带结构。

基于组合库的全新蛋白质设计核心问题：埋藏疏水部分优化组合库设计的策略：1.优化疏水核2.二级结构单元间的界面

蛋白质功能设计主要涉及键合和催化蛋白质功能设计包括通过反向拟合天然蛋白质设计新的功能键合及催化的从头设计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

Synporin结构膜蛋白及离子通道的设计新的金属结合位点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