《蛋白质分子设计》ppt课件

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1、蛋白质分子设计授课教师：彭书明pengsm@gmail.com分子设计分子设计的提出的背景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。8/12/20212分子设计的定义20世纪70

2、年代,美国麻省理工学院霍恩贝尔教授提出了分子设计。即从分子、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。设计的新分子或具有某种特定性能,可以是药物、材料或其他,或是一种概念、一种复合物或具有分子意义的物质(如催化剂等)。8/12/20213蛋白质的分子设计蛋白质分子设计是一门新兴的研究领域，其本身在不断地发展，其内容也在不断地更新。蛋白质的分子设计就是为有目的的蛋白质工程改造提供设计方案。蛋白质分子设计的目的：蛋白质工程提供指导信息探索蛋白质的折叠机理。8/1

3、2/20214蛋白质分子设计的必要性生产应用的需要：虽然经过漫长岁月的进化，自然界已经筛选出了数量众多、种类各异的蛋白质，但天然蛋白质只是在自然条件下才能起到最佳功能，在人造条件下往往就不行，例如工业生产中常见的高温高压条件。因而需要对蛋白质进行改造，使其能够在特定条件下起到特定的功能。8/12/20215计算机模拟基因构建突变蛋白质产品功能分析蛋白质设计循环8/12/20216蛋白质三维结构知识的必要性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(ProteinDataBank)已收集数以万计个蛋

4、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。8/12/20217设计目标及解决办法改变蛋白质的性质，必须改变蛋白质的序列。Hartley等于1986年完成了一个重要的有关蛋白质重要性质设计目标及解决办法表，该表至今仍有参考价值。8/12/

5、20218设计目标解决办法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(turnovernumber)改变酸碱度蛋白质设计的目标及解决办法P588/12/20219蛋白质分子设计的分类

6、蛋白质分子设计又可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（denovoproteindesign）。8/12/202110小改——少数残基的替换定义：小改是指对已知结构的蛋白质进行少数几个残基的替换，这是目前蛋白质工程中最为广泛使用的方法。采用的方法：主要通过定点突变技术或盒式替换技术有目的改变几个氨基酸残基，借以研究和改善蛋白质的性质和功能。8/12/202111小改——

7、两个层次1．已知立体结构基础上所进行的工作，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2．借助蛋白质一级结构的序列信息及生物化学性质，在未知立体结构的情形下所进行的分子设计工作本部分只介绍第一种，实际上第一种已经包含第二种，第二种只是在不得已的情况下采取的一种努力。8/12/202112例一：核糖核酸酶小改——举例结构知识：核糖核酸酶含有104个氨基酸残基，该天然酶具有两对二硫键（Cys2-Cys10，Cys6-Cys103）。小改设计：在不失去酶活性的基础上增加它的稳定性，日本大阪大学蛋白质工程研究

8、所的SatoshiNishikawa等人尝试在Tyr（酪氨酸）24和Asn（天冬酰氨）84位引入第三个二硫键。8/12/202113分子设计和理论验证：从该酶晶体结构可以看出这两个残基是远离催化位点的，经过分子动力学计算证明在这两个残基之间有可能形成二硫键，并且不会影响催化位点的结构。并且采用分子力学和分子动力学方法从核糖核酸的复合物晶体结构建立起核糖核酸突变体的模型。将Tyr24和A