第二章-蛋白質分子設計

第二章蛋白質分子設計

ChaptertwoProteinDesign

基于天然蛋白質結構的分子設計全新蛋白質設計

計算蛋白質設計

本章內容引言在人體的進化過程中Pr執(zhí)行了在人體及體外的許多重要任務：例如，酶是催化化學反應的蛋白質或者核酸分子；抗體起到防護的作用;……從生態(tài)角度，Pr也是非常理想的物質生物合成不需要消耗很多能量專一性很強不產生副作用并且能很快降解

Pr沒有像化學試劑那樣被普遍應用，其原因:(1)Pr分子量非常大(10000~1000000)，不能通過化學方法生產;(2)Pr的功能是在生理條件下?lián)]發(fā)的，在其它條件下(如在有機溶劑中)是不穩(wěn)定的;(3)專一性致使其應用范圍受到影響。蛋白質應用受限的原因分子生物學（定位突變、PCR）的發(fā)展使Pr可能工程化通過Pr設計產生結構確定、具有新的所希望性質的穩(wěn)定的新Pr并不容易，但已取得顯著的進展(血紅素結合蛋白、Pr高分子材料等)Pr設計是多學科交叉領域，將產生結構與功能的多樣性Pr研究進展及問題蛋白質設計目的為蛋白質工程提供指導性信息探索蛋白質的折疊機理蛋白質設計目前存在的問題1、與天然的蛋白質比較，缺乏結構的獨特性及明顯的功能優(yōu)越性2、三級結構的確定性較差計算機模擬突變蛋白質產品功能分析基因構建Pr設計循環(huán)第一節(jié)基于天然蛋白質結構的分子設計蛋白質分子設計的流程P58圖2-3

三維結構知識對于Pr工程是絕對必要，PDB收集以萬計個蛋白質晶體結構對某一天然蛋白質進行其分子設計查找PDB了解這個Pr的三維結構是否已被收錄如果PDB中沒有收錄又未見文獻報道，要通過蛋白質X射線晶體及NMR方法測定蛋白質的三維結構，或通過結構預測的方法構建該蛋白質的三維結構模型

Pr突變體設計的3個步驟利用計算機模擬技術確定突變位點及替換的aa確定對Pr折疊敏感的區(qū)域，包括鹽橋、密堆積區(qū)等確定對功能非常重要的位置考察剩余位置對所希望改變的影響當進行互換或插入/刪除殘基時應考慮它們對結構特征的影響,同時也應考慮它們對Pr功能的影響利用能量優(yōu)化及Pr動力學方法預測修飾后的Pr結構預測的結構與原始的Pr結構比較，利用Pr結構-功能或結構-穩(wěn)定相關知識及理論計算機預測新Pr可能具有的性質在上述的設計工作完成后，要進行合成或突變實驗并經(jīng)分離、純化及表征后得到所要求的新Pr；Pr設計的成功與否，必須要有理論與實驗的緊密相結合蛋白質設計原理內核假設。內核是指Pr在進化過程中保守的內部區(qū)域,由氫鍵連接的二級結構單元組成Pr內部都是密堆積，沒有重疊。分子是從內部排出，具疏水效應;原子間的倫敦色散力所引起的，由于短吸引力的優(yōu)化內部的氫鍵都是最大滿足的疏水及親水基團需要合理的分布在溶劑可及表面及不可及表面。分布代表疏水效應的主要驅動力金屬Pr中配位殘基的替換要滿足金屬配位幾何對于金屬Pr，圍繞金屬中心的第二殼層中的相互作用是重要的最優(yōu)的aa側鏈幾何排列。Pr側鏈構象由空間兩個立體因素所決定結構及功能的專一性。這是Pr設計最困難的問題蛋白質設計的結構-功能關系研究根據(jù)結構信息確定殘基的突變其他實驗方法鑒定功能殘基(隨即突變、刪除分析)利用蛋白質同源性鑒定功能殘基我們知道,蛋白質的空間結構受其氨基酸序列控制,而功能又與結構密切相關。

如果能夠找到構造蛋白質結構的方法,我們就能得到具有任意結構和功能的全新蛋白質,這就是蛋白質全新設計問題。第二節(jié)全新蛋白質設計全新蛋白質設計過程設計目標序列生成結構預測合成構建模型檢測全新蛋白質設計包括

從頭結構設計從頭功能設計

蛋白質從頭設計概念從頭設計能夠根據(jù)生物分子的活性位點特征產生一系列的結構片段，通過連接這些結構片段可以構成一個全新分子；或者在結合腔內對一個已知的結構骨架進行化合物的衍生化。

從頭設計方法可以生成全新的分子結構。從頭結構設計

中心問題：穩(wěn)定及獨特的三維結構序列；基本障礙：線性聚合構象熵；解決方法：（1）使相互作用的強度與數(shù)目達到最大；（2）共價交叉連接。從頭設計方法包含的步驟1、活性位點分析：對結合位點的具體的化學信息進行掃描、分析和歸類。這些信息的三維空間相互關系都必須充分考慮。

2、配體分子構建：采用不同的片段選擇和分子構建方法，產生相應的分子結構。

3、評價：使用特定的評分系統(tǒng)將構建的分子與活性位點的匹配性進行排序，可以選擇其中優(yōu)良的結果作為合成實驗的對象。也可以將之做新一輪計算的起點進行進一步的優(yōu)化。二級模塊單元的自組裝最簡單、最直接的策略—合成單一二級結構單元優(yōu)點無論是從設計或合成看，是簡單的；容易合成。缺點涉及蛋白質的穩(wěn)定性；結構的簡單重復。舉例Hodges設計/~jps/coilcoil.html2/.../phyb516/regulatoryproteinsu3.htm3/sc172/sc172_4.html

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

from:/~ips/coilcoil.html

Degrado設計Gif3四螺旋束Gif4.四螺旋束配體誘導組裝

策略：一個配位結合點設計在結構中幾個相互作用片段的界面處。如果這個位點對配體有很高的親和力，則結合配體的合適的自由能將充分克服熵消耗并驅動肽自組裝。舉例Lieberman,Sasaki利用二價鐵離子誘導組裝形成的一個三螺旋束。通過共價交叉連接實現(xiàn)肽的自組裝幾個沒有連接的肽進行自組裝，熵勢壘是比較難以克服的。通過共價交叉連接減少構象熵。舉例Gif5Richardson，Erichkson等設計的一種蛋白的三級飄帶結構。

基于組合庫的全新蛋白質設計核心問題：埋藏疏水部分優(yōu)化組合庫設計的策略：1.優(yōu)化疏水核2.二級結構單元間的界面

蛋白質功能設計主要涉及鍵合和催化蛋白質功能設計包括通過反向擬合天然蛋白質設計新的功能鍵合及催化的從頭設計在全新蛋白質中引入結合位點催化活性蛋白質的設計膜蛋白及離子通道的設計新材料的設計

Synporin結構膜蛋白及離子通道的設計新的金屬結合位點蛋白質全新設計的現(xiàn)狀和前景

現(xiàn)狀

蛋白質全新設計不僅使我們有可能得到自然界不存在的具有全新結構和功能的蛋白質,并且已經(jīng)成為檢驗蛋白質折疊理論和研究蛋白質質折疊規(guī)律的重要手段。由于我們對蛋白質全新設計的理論基礎即蛋白質折