【正文】 NCCN HNNOOC H 2 C H C H C H C H 2 O P O HO H O H O H OO HC H 3C H 3?缺乏時(shí)組織呼吸減弱，代謝強(qiáng)度降低。 ? 人體的整體概念，有利于培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生以人為本，綜合分析問(wèn)題的能力。 前言 ? 生物化學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)是系統(tǒng)性、抽象性、聯(lián)系性比較強(qiáng)，教學(xué)難度比較大，學(xué)科發(fā)展比較快。存在兩種靜電解劑化模型。這些能雖可以直接用于蛋白質(zhì)內(nèi)核殘基，也可用于與蛋白質(zhì)折疊相聯(lián)系的溶劑暴露表面積相互作用的度量。靜電能可以通過(guò)庫(kù)侖定律計(jì)算得到： ? 溶劑效應(yīng)對(duì)蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)也是非常重要的。范德華勢(shì)提供了側(cè)鏈專一性堆積的物理基礎(chǔ)，據(jù)此可以設(shè)計(jì)很好折疊的蛋白質(zhì)。在產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)構(gòu)象集合 (庫(kù) )和修飾蛋白質(zhì)主鏈時(shí)這些內(nèi)坐標(biāo)項(xiàng)都是應(yīng)該包括的。能量的表達(dá)包括內(nèi)坐標(biāo)項(xiàng)、范德華作用項(xiàng)、靜電相互作用項(xiàng)、氫鍵項(xiàng)、溶劑效應(yīng)項(xiàng)及墑效應(yīng)項(xiàng)等。 第三節(jié) 計(jì)算蛋白質(zhì)設(shè)計(jì) ? 蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)是一個(gè)理論與實(shí)驗(yàn)之間的循環(huán)。膜蛋白在體內(nèi)表達(dá)或在體外合成形成典型的包含物。 5．膜蛋白及離子通道的設(shè)計(jì) 膜蛋白在許多生物過(guò)程中起重要作用。 1979年他們報(bào)道了能與核酸相互作用的 34個(gè)殘基肽的設(shè)計(jì)、合成與表征。通過(guò)改變 loop區(qū)免疫體系能產(chǎn)生新奇的結(jié)合專一性。用天門冬氨酸側(cè)鏈替代 Gln86以及 Ala92引入鈣結(jié)合位點(diǎn)，使金屬 溶菌酶的活性及熱穩(wěn)定性都優(yōu)于天然酶。 ? 反向擬合的能力大于僅僅改變專一性的修飾。 蛋白質(zhì)的功能設(shè)計(jì) １．通過(guò)反向擬合天然蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)新的功能 ２．鍵合及催化的從頭設(shè)計(jì) ３．在全新蛋白質(zhì)中引入結(jié)合位點(diǎn) ４．催化活性蛋白質(zhì)的設(shè)計(jì) ５．膜蛋白及離子通道的設(shè)計(jì) ６．新材料的設(shè)計(jì) 1．通過(guò)反向擬合天然蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)新的功能 執(zhí)行特別生物功能的天然蛋白質(zhì)能通過(guò)反向擬合獲得新的活性。一般分為兩步，第一步建立側(cè)鏈的旋轉(zhuǎn)構(gòu)象庫(kù) (rotemer)；第二次把 Rotomer庫(kù)作為輸入，計(jì)算低能序列組合的可能性。 組合庫(kù)的設(shè)計(jì)中要考慮優(yōu)化疏水核，通過(guò)篩選發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的堆積相互作用。 組合庫(kù)設(shè)計(jì)的一個(gè)核心問(wèn)題是埋藏疏水部分。比較庫(kù)中的全新蛋白質(zhì)與自然進(jìn)化選擇的蛋白質(zhì)，可以得到很多有用的信息。 6．基于組合庫(kù)的全新蛋白質(zhì)設(shè)計(jì) 蛋白質(zhì)組學(xué)是目前備受關(guān)注的新領(lǐng)域，它包括天然蛋白質(zhì)的多樣性、相互作用、結(jié)構(gòu)以及功能。TASP分子的螺旋和股通過(guò)模板結(jié)構(gòu)導(dǎo)向形成所希望的構(gòu)象。 4．在合成模板上肽的組裝 Mutter及其合作者發(fā)展了一種模板組裝合成蛋白 (TASPs)方法。 3．通過(guò)共價(jià)交叉連接實(shí)現(xiàn)肽的自組裝 設(shè)計(jì)全新蛋白的主要障礙是肽鏈的構(gòu)象熵。疏水表面埋藏在內(nèi)核形成緊密的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中，如圖 27所示。離子相互作用及氫鍵可以進(jìn)一步用于穩(wěn)定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。 分析己知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，可以認(rèn)為復(fù)雜的三級(jí)折疊和四級(jí)結(jié)合可以分解為有數(shù)的二級(jí)結(jié)構(gòu)單元，例如螺旋、串、轉(zhuǎn)角，它們通過(guò) LOOP連接為三級(jí)結(jié)構(gòu)。根據(jù)第一原理設(shè)計(jì)一個(gè)蛋白質(zhì)，我們必須依賴于分析已知結(jié)構(gòu)的天然蛋白質(zhì)中的二級(jí)結(jié)構(gòu)單元，例如螺旋、 β折疊片、 (環(huán) )以及轉(zhuǎn)折，得到一些結(jié)構(gòu)知識(shí)，這些知識(shí)涉及氨基酸形成二級(jí)結(jié)構(gòu)的傾向性等。因此要實(shí)現(xiàn)正確的折疊必須借助于許多合適的相互作用，要使一個(gè)序列能折疊為確定的三維結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的相互作用能必須超過(guò)構(gòu)象熵。 二、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的從頭設(shè)計(jì) １．二級(jí)結(jié)構(gòu)模塊單元的自組裝 ２．配體誘導(dǎo)組裝 ３．通過(guò)共價(jià)交叉連接實(shí)現(xiàn)肽的自組裝 ４．在合成模板上肽的組裝 ５．線性多肽折疊為球狀結(jié)構(gòu) ６．基于組合庫(kù)的全新蛋白質(zhì)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)一個(gè)新奇的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的中心問(wèn)題是設(shè)計(jì)一個(gè)具有穩(wěn)定及獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)的序列。蛋白質(zhì)的功能是直接與它的三維結(jié)構(gòu)相關(guān)的，通過(guò)序列的改變來(lái)操縱結(jié)構(gòu)提供功能的多樣性。 ? 這些結(jié)果說(shuō)明不同的氨基序列具有相近的設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。 ? Fersht等替換了 Barnase的所有內(nèi)核殘基。 winter等將分子剪裁技術(shù)成功用于抗體分子的改造。同源蛋白質(zhì)的保守的殘基是保持那類蛋白質(zhì)共同的功能或者是維持共同結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。 ? 往往非保守殘基或小的氨基酸殘基會(huì)被大的氨基酸所替代，這兩種突變都會(huì)引起蛋白質(zhì)構(gòu)象的變化及引起功能的損失。這樣的研究是認(rèn)識(shí)專一性及酶催化的基礎(chǔ)。 蛋白質(zhì)中功能殘基的鑒定 根據(jù)已知結(jié)構(gòu)信息確定功能殘基 對(duì)于三維結(jié)構(gòu)已經(jīng)經(jīng)過(guò) x射線測(cè)定或 NMR譜測(cè)定的蛋白質(zhì)，可以根據(jù)氨基酸來(lái)推測(cè)專一性殘基的功能作用。但是這些方法需要較大量的純的突變蛋白并要花較長(zhǎng)時(shí)間，因此這些技術(shù)不能用于常規(guī)的大量突變體的分析。 定位突變種類 ? 插入一個(gè)或多個(gè)氨基酸殘基； ? 刪除一個(gè)或多個(gè)氨基酸殘基； ? 替換或取代一個(gè)或多個(gè)氨基酸殘基。因此它是鑒定蛋白質(zhì)功能殘基的重要手段。選擇突變殘基，最重要的信息來(lái)自結(jié)構(gòu)特征。這方面的研究有助于基于 序列 和 三維結(jié)構(gòu)信息 預(yù)測(cè) 蛋白質(zhì)的功能 以及序列的改變?nèi)绾斡绊懙鞍踪|(zhì)的功能。雖然困難，但是仍然是有成果的。因?yàn)榈鞍踪|(zhì)是一個(gè)復(fù)雜的體系，體系有可能采取一個(gè)能量與所希望狀態(tài)相近的另外一個(gè)構(gòu)象。 結(jié)構(gòu)及功能的專一性。 最優(yōu)的氨基酸側(cè)鏈幾何排列 蛋白質(zhì)中側(cè)鏈構(gòu)象是由空間兩個(gè)立體因素所決定?？偨Y(jié)金屬蛋白的結(jié)構(gòu)表明，這些第二基團(tuán)總是參與圍繞金屬中心的氫鍵網(wǎng)絡(luò)。 這要求圍繞金屬中心放置合適數(shù)目的蛋白質(zhì)側(cè)鏈或溶劑分子，并符合正確的鍵長(zhǎng)、鍵角以及整體的幾何。首先，側(cè)鏈不總是完全地親水，例如賴氨酸有一個(gè)帶電的胺基，但是連接到主鏈上的碳原子是疏水的。 疏水及親水基團(tuán)需要合理地分布在溶劑可及表面及不可及表面。第一個(gè)因素是分子是從內(nèi)部排出的，這是總疏水效應(yīng)的一部分；第二個(gè)因素是由原子間的倫敦色散力所引起的，是由于短吸引力的優(yōu)化。所謂內(nèi)核是指蛋白質(zhì)在進(jìn)化中保守的內(nèi)部區(qū)域。如果一個(gè)科學(xué)家設(shè)計(jì)一種具有新的催化性質(zhì)的酶，他必須了解催化過(guò)程及機(jī)理；了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)化學(xué)、生物化學(xué)方面的知識(shí)。 （ 3）預(yù)測(cè)的結(jié)構(gòu)與原始的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)比較，利用蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu) 功能或結(jié)構(gòu) 穩(wěn)定性相關(guān)知識(shí)及理論計(jì)算預(yù)測(cè)新蛋白質(zhì)可能具有的性質(zhì)。同時(shí)也要考慮它們對(duì)蛋白質(zhì)功能的影響。 a．應(yīng)確定對(duì)蛋白質(zhì)折疊敏感的區(qū)域，這些區(qū)域包括帶有特殊扭角的氨基酸、鹽橋、密堆積區(qū)等。 ? Hartley等于 1986年完成了一個(gè)我們所要的有關(guān)蛋白質(zhì)重要性質(zhì)設(shè)計(jì)目標(biāo)及解決辦法表，該表至今仍有參考價(jià)值。ASDB的網(wǎng)址是： 4. TRRD 轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)數(shù)據(jù)庫(kù) (TRRD)是在不斷積累的真核生物基因調(diào)控區(qū)結(jié)構(gòu)－功能特性信息基礎(chǔ)上構(gòu)建的。如果 PDB中沒(méi)有收錄又未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道，我們需要通過(guò)蛋白質(zhì) X射線晶體學(xué)及 NMR方法測(cè)定蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，或者通過(guò)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的方法構(gòu)建該蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)模型。 ? 在明確突變位點(diǎn)或蛋白質(zhì)序列應(yīng)改變的區(qū)域后，可以進(jìn)行定位突變，但要得到具有預(yù)期結(jié)構(gòu)與功能的蛋白質(zhì)是不容易的，可能需要經(jīng)過(guò)幾輪的循環(huán)。 ? 專一性突變產(chǎn)物是蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。 計(jì)算機(jī)模擬 基因構(gòu)建 突變蛋白質(zhì)產(chǎn)品 功能分析 蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)循環(huán) 蛋白質(zhì)分子設(shè)計(jì)大致涉及的幾個(gè)重要方面 ? 在蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)開(kāi)始之前，要對(duì)所要求的活性進(jìn)行篩選。 ? 蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)是多學(xué)科的交叉領(lǐng)域。 從圖 21(a)看出，大然蛋白質(zhì)有確定主鏈結(jié)構(gòu)及側(cè)鏈構(gòu)象。蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)分為基于天然蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的分子設(shè)計(jì)及全新蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)或蛋白質(zhì)從頭設(shè)計(jì)。 蛋白質(zhì)工程與蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)的術(shù)語(yǔ)是 20世紀(jì) 80年代初產(chǎn)生的。 其原因是與化學(xué)試劑比較，蛋白質(zhì)的分子量是非常大的，通常在 10000到 1000000之間．因此它們之中的大多數(shù)不能通過(guò)化學(xué)方法生產(chǎn)：在進(jìn)化過(guò)程中蛋白質(zhì)的功能是在生理?xiàng)l件下發(fā)揮的，在其他條件、如在有機(jī)溶劑中它是不穩(wěn)定的。 ? 質(zhì)譜技術(shù)是蛋白質(zhì)組研究的三大支撐技術(shù)（雙向電泳技術(shù)，質(zhì)譜技術(shù)，蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)）之一。 利用碘乙酰胺、 2硫蘇糖醇等試劑對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行烷基化和還原烷基化，結(jié)合蛋白酶切、肽譜技術(shù)，利用生物質(zhì)譜的準(zhǔn)確分子量測(cè)定，可實(shí)現(xiàn)對(duì)二硫鍵和自由巰基的快速定位和確定。 （ PMF） :是對(duì)蛋白質(zhì)酶解或降解后所得到的多肽混合物進(jìn)行質(zhì)譜分析的方法，對(duì)質(zhì)譜分析所得肽端與多肽蛋白數(shù)據(jù)庫(kù)中蛋白質(zhì)的理論肽段進(jìn)行比較，從而判斷所測(cè)蛋白質(zhì)是已知還是未知。 ? 20世紀(jì) 80年代末，軟電離離子源 ESI（電噴霧電離）和 MALDI（基質(zhì)輔助激光解析電離）的出現(xiàn)，使質(zhì)譜技術(shù)成為了現(xiàn)代蛋白科學(xué)中最重要和不可缺少的研究手段。 ? 生物質(zhì)譜儀的誕生為蛋白質(zhì)和多肽的結(jié)構(gòu)分析提供了重要的手段。 利用兩套或多套肽段的氨基酸順序彼此間的交錯(cuò)重疊，