【正文】 otein stability (contd.) 176。 ? 計(jì)算蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)包括能量表達(dá)、能量?jī)?yōu)化、側(cè)鏈構(gòu)象的離散化、殘基分類 (內(nèi)核、表面、邊界 )、功能位點(diǎn)設(shè)計(jì)、專一性、穩(wěn)定性及序列空間的穩(wěn)健性預(yù)測(cè)等方面內(nèi)容。 蛋白質(zhì)的功能設(shè)計(jì) １．通過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) 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)。功能設(shè)計(jì)主要涉及鍵合及催化。 蛋白質(zhì)的全新設(shè)計(jì) 內(nèi)容 ? 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的從頭設(shè)計(jì) ? 蛋白質(zhì)功能的從頭設(shè)計(jì) ? 取得的進(jìn)展：血紅素結(jié)合蛋白、 氧化還原活性蛋白質(zhì)、 DNA結(jié)合蛋白及基于蛋白質(zhì)的高分子材料。 四 . 天然蛋白質(zhì)的剪裁 分子剪裁： 替換蛋白質(zhì)分子的一個(gè)肽段，或 一個(gè)結(jié)構(gòu)域 1） 抗體工程（ Chapter VI） 2） Rop 第二節(jié) 全新蛋白質(zhì)設(shè)計(jì) ? 特征： 全新蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)是另一類蛋白質(zhì)工程，合成具有特異結(jié)構(gòu)與功能的新蛋白質(zhì)。實(shí)驗(yàn)證明多重取代的蛋白仍具有活性以及協(xié)同折疊。結(jié)果表明 23％的突變體保留了酶的活性。 ? 突變的加和性原則 突變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的評(píng)估 ? 溶解性 ? 熱力學(xué)分析 ? Ｘ射線晶體學(xué)及ＮＭＲ譜 ? 園二色散方法 ? 單克隆抗體探測(cè)構(gòu)象變化 結(jié)構(gòu)與功能的容忍度 ? 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及功能對(duì)殘基的替換有一定的容忍度，即結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系有一定的穩(wěn)健度。 三、蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)－功能關(guān)系研究 ? 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)－功能關(guān)系的重要性 ? 定位突變?cè)诘鞍踪|(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系研究中的作用 1. 根據(jù)結(jié)構(gòu)信息確定殘基的突變：酪氨酰 tRNA合成酶 2. 其他實(shí)驗(yàn)方法鑒定功能殘基 ： HIV1 蛋白酶； GMCSF； 3. 利用蛋白質(zhì)同源性鑒定功能殘基 ：保守殘基 ? 構(gòu)象的探測(cè) 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。形成獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，獨(dú)特的分子間相互作用是生物相互作用及反應(yīng)的標(biāo)志。 ⑦ 最優(yōu)的氨基酸側(cè)鏈幾何排列。 ⑤ 在金屬蛋白中，配位殘基的替換要滿足金屬配位幾何。 ③所有內(nèi)部的氫鍵都是最大滿足的 (主鏈及側(cè)鏈 )。在大多數(shù)情況，內(nèi)核由氫鍵連接的二級(jí)結(jié)構(gòu)單元組成。 設(shè)計(jì)目標(biāo) 解決辦法 熱穩(wěn)定性 對(duì)氧化的穩(wěn)定性 對(duì)重金屬的穩(wěn)定性 pH穩(wěn)定性 提高酶學(xué)性質(zhì) 引入二硫橋 增加內(nèi)氫鍵數(shù)目 改善內(nèi)疏水堆積 增加表面鹽橋 把 Cys轉(zhuǎn)換為 Ala或 Ser 把 Met轉(zhuǎn)換為 Gln、 Val、 Ile或 Leu 把 Trp轉(zhuǎn)換為 Phe或 Tyr 把 Cys轉(zhuǎn)換為 Ala或 Ser 把 Met轉(zhuǎn)換為 Gln、 Val、 Ile或 Leu 替代表面羧基 替換表面荷電基團(tuán) His、 Cys以及 Tyr的置換 內(nèi)離子對(duì)的置換 專一性的改變 增加逆轉(zhuǎn)數(shù) (turnover number) 改變酸堿度 蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)的目標(biāo)及解決辦法 二、蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)原理 ① 內(nèi)核假設(shè)。如果我們想改變蛋白質(zhì)的性質(zhì)，必須改變蛋白質(zhì)的序列。如果 PDB中沒有收錄又未見文獻(xiàn)報(bào)道，我們需要通過蛋白質(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。目前 PDB(Protein Data Bank)已收集數(shù)以萬計(jì)個(gè)蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)，但是通常蛋白質(zhì)序列的數(shù)目比蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的數(shù)目大 100倍。 ? 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)過幾輪的循環(huán)。 ? 計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)循環(huán)中占有重要位置。 ? 專一性突變產(chǎn)物是蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。由于基因工程的發(fā)展，真核基因表達(dá)技術(shù)的發(fā)展使動(dòng)物蛋白質(zhì)與植物蛋白質(zhì)的數(shù)目迅速增長(zhǎng)，又增加了新的生物活性物質(zhì)源 。 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)在許多方面取得的顯著進(jìn)展 Protein engineering: by which we mean mutating the gene of an existing protein in an attempt to alter its function in a predictable way Protein Design: which has the more ambitious goal of designing de novo a protein to fulfill a desired function 第一節(jié) 基于天然蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的分子設(shè)計(jì) 一、概述 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系的認(rèn)識(shí)對(duì)蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)涉及一級(jí)結(jié)構(gòu) (序列 )及三維結(jié)構(gòu)。 蛋白質(zhì)分子的特殊性 ? 蛋白質(zhì)分子功能的重要性 ? 蛋白質(zhì)分子應(yīng)用的局限性 ? 蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的脆弱性 蛋白質(zhì)工程與蛋白質(zhì)設(shè)計(jì) ? 蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系研究的必要性 。第二章 蛋白質(zhì)分子設(shè)計(jì) 第一節(jié) : 基于蛋白質(zhì)天然結(jié)構(gòu)的分子設(shè)計(jì) 第二節(jié) : 全新蛋白質(zhì)分子設(shè)計(jì) 第三節(jié) : 計(jì)算蛋白質(zhì)分子設(shè)計(jì) 蛋白質(zhì)分子設(shè)計(jì) ? 蛋白質(zhì)分子設(shè)計(jì)是一門新興的研究領(lǐng)域，其本身在不斷地發(fā)展，其內(nèi)容也在不斷地更新。 ? 蛋白質(zhì)分子設(shè)計(jì)方面的主要內(nèi)容與研究進(jìn)展，以及應(yīng)用分子設(shè)計(jì)取得的成功實(shí)例 。 蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)是多學(xué)科的交叉領(lǐng)域 。即使蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)是已知的，選擇一個(gè)合適的突變體仍是困難的，這說明蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)任務(wù)的艱巨性，它涉及多種學(xué)科的配合，如計(jì)算機(jī)模擬專家、 X射線晶體學(xué)家、蛋白質(zhì)化學(xué)家、生物技術(shù)專家等的合作與配合。由于真菌與細(xì)胞相對(duì)容易處理，因此它們是一個(gè)生物活性物質(zhì)源。 蛋白質(zhì)分子設(shè)計(jì)大致涉及的幾個(gè)重要方面 ? 篩選以及純化蛋白質(zhì)需要進(jìn)行細(xì)致的表征，測(cè)定它們的序列、三維結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、催化活性等。一些新技術(shù)，如 PCR及自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展使各種類型的基因工程變得快速、容易。建立蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)模型，確立突變位點(diǎn)或區(qū)域以及預(yù)測(cè)突變后的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能對(duì)蛋白質(zhì)工程是至關(guān)重要的。 蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)知識(shí)的必要性 蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)知識(shí)對(duì)于蛋白質(zhì)工程是絕對(duì)必要的。當(dāng)我們開始對(duì)某一天然蛋白質(zhì)進(jìn)行蛋白質(zhì)分子設(shè)計(jì)時(shí)，首先要查找 PDB了解這個(gè)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)是否已被收錄。 設(shè)計(jì)目標(biāo)及解決辦法 ? 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系對(duì)于蛋白質(zhì)工程及蛋白質(zhì)分子設(shè)計(jì)都是至關(guān)重要的。 ? 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。所謂內(nèi)核是指蛋