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。
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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(Protein Data Bank)已收集数以万计个蛋白质 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。
2、三级结构的确定性较差
第一节 基于天然蛋白质结构的设计
一、概述
计算机模拟
基因构建
功能分析
突变蛋白质产品
蛋白质设计循环
蛋白质设计涉及多种学科的配合，如计算机模拟专家、X射线晶体学家、蛋 白质化学家、生物技术专家等的合作和配合
专一性突变产物是蛋白质设计成败的关键。一些新技术，如PCR及自动化技 术的发展使各种类型的基因工程变得快速、容易。
把Cys转换为Ala或Ser，把Trp 转换为Phe或Tyr
替代表面羧基，把Met转换为 Gln、Val、Ile或Leu
蛋白质的分子设计
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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。
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
▪Pr内部都是密堆积（很少有空穴大到水分子可以结 合一个水分子或惰性气体），没有重叠
▪所有内部的氢键都是最大满足的（主链和侧链）。 蛋白质的氢键形成涉及一个交换反应，溶剂键被蛋白 质键所取代
▪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
蛋白质分子设计原理
▪金属Pr中配位残基的替换要满足金属配位几何。要 求围绕金属中心放置合适数目的蛋白质侧链或溶剂 分子，并符合正确的键长、键角以及整体的几何。
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（de novo protein design）。
小改——少数残基的替换
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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。
①
机技术确定突变位点及替换的氨基酸
• 利用能量优化及蛋白质动力学方法预测修饰后的蛋白质结构
②
• 预测的结构与原始的蛋白质结构比较，利用蛋白质-功能或结
③
构稳定性相关知识及理论计算预测新蛋白质可能具有的性质
二、 蛋白质分子设计原理
▪内核假设。蛋白质的独特的折叠形式是由蛋白质内 核中残基的相互作用决定。（内部十分保守的区域）
分子设计的定义
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20 世纪70 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) 。
▪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。氢键的第二壳层通常涉及与蛋白质主 链的相互作用。
▪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(一是立体势垒，二是aa的位置)
▪结构及功能的专一性。这是Pr设计最困难的问题
蛋白质分子设计的分类
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蛋白质分子设计又可按照改造部位的
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。
一、定位突变
基于天然蛋白质结构的蛋白质分子“小改”是指对已知结构 的蛋白质进行少数几个残基的修饰、替换或删除等，这是目前蛋 白质工程中最广泛使用的方法，主要可分为蛋白质修饰和基因定 位突变两类。
（一）定位突变的设计目标及解决方法
定位突变常见的设计目标是提高蛋白质的 热、酸稳定性、增加活性、降低副作用、提高专 一性，以及通过蛋白质工程手段进行结构-功能关 系的研究等。
Hartley等于1986年完成了一个设计目标 及解决的办法 ：
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
蛋白质分子设计的流程
蛋白质结构预测
天然蛋白质
蛋白质晶体学
数据 的输 入
蛋白质三维结构 结构与功能的关系
蛋白质突变体设计及结构预测 几何优化及蛋白质动力学研究
结果分析与原先的结构比较 蛋白质合成定位突变 分离、纯化及表征 新蛋白质
Pr突变体设计的3个步骤
• 从天然蛋白质的三位结构出发（实验测定或预测），利用计算
计算机模拟技术在蛋白质设计循环中占有重要位置，建立蛋白质三维结构模 型，确立突变位点或区域以及预测突变后的蛋白质的结果和功能对蛋白质工 程是至关重要的。
在明确突变位点或蛋白质序列应改变的区域后，可以进行定位突变，但要得 到具有预期结构和功能的蛋白质是不容易的，可能需要经过几轮的循环
蛋白质三维结构知识的必要性
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。
小改——两个层次
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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