第二章-蛋白質(zhì)分子設(shè)計(jì)

第二章蛋白質(zhì)分子設(shè)計(jì)

ChaptertwoProteinDesign

基于天然蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的分子設(shè)計(jì)全新蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)

計(jì)算蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)

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

Pr沒(méi)有像化學(xué)試劑那樣被普遍應(yīng)用，其原因:(1)Pr分子量非常大(10000~1000000)，不能通過(guò)化學(xué)方法生產(chǎn);(2)Pr的功能是在生理?xiàng)l件下?lián)]發(fā)的，在其它條件下(如在有機(jī)溶劑中)是不穩(wěn)定的;(3)專一性致使其應(yīng)用范圍受到影響。蛋白質(zhì)應(yīng)用受限的原因分子生物學(xué)（定位突變、PCR）的發(fā)展使Pr可能工程化通過(guò)Pr設(shè)計(jì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)確定、具有新的所希望性質(zhì)的穩(wěn)定的新Pr并不容易，但已取得顯著的進(jìn)展(血紅素結(jié)合蛋白、Pr高分子材料等)Pr設(shè)計(jì)是多學(xué)科交叉領(lǐng)域，將產(chǎn)生結(jié)構(gòu)與功能的多樣性Pr研究進(jìn)展及問(wèn)題蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)目的為蛋白質(zhì)工程提供指導(dǎo)性信息探索蛋白質(zhì)的折疊機(jī)理蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)目前存在的問(wèn)題1、與天然的蛋白質(zhì)比較，缺乏結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性及明顯的功能優(yōu)越性2、三級(jí)結(jié)構(gòu)的確定性較差計(jì)算機(jī)模擬突變蛋白質(zhì)產(chǎn)品功能分析基因構(gòu)建Pr設(shè)計(jì)循環(huán)第一節(jié)基于天然蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的分子設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)分子設(shè)計(jì)的流程P58圖2-3

三維結(jié)構(gòu)知識(shí)對(duì)于Pr工程是絕對(duì)必要，PDB收集以萬(wàn)計(jì)個(gè)蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)對(duì)某一天然蛋白質(zhì)進(jìn)行其分子設(shè)計(jì)查找PDB了解這個(gè)Pr的三維結(jié)構(gòu)是否已被收錄如果PDB中沒(méi)有收錄又未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道，要通過(guò)蛋白質(zhì)X射線晶體及NMR方法測(cè)定蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，或通過(guò)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的方法構(gòu)建該蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)模型

Pr突變體設(shè)計(jì)的3個(gè)步驟利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)確定突變位點(diǎn)及替換的aa確定對(duì)Pr折疊敏感的區(qū)域，包括鹽橋、密堆積區(qū)等確定對(duì)功能非常重要的位置考察剩余位置對(duì)所希望改變的影響當(dāng)進(jìn)行互換或插入/刪除殘基時(shí)應(yīng)考慮它們對(duì)結(jié)構(gòu)特征的影響,同時(shí)也應(yīng)考慮它們對(duì)Pr功能的影響利用能量?jī)?yōu)化及Pr動(dòng)力學(xué)方法預(yù)測(cè)修飾后的Pr結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的結(jié)構(gòu)與原始的Pr結(jié)構(gòu)比較，利用Pr結(jié)構(gòu)-功能或結(jié)構(gòu)-穩(wěn)定相關(guān)知識(shí)及理論計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)新Pr可能具有的性質(zhì)在上述的設(shè)計(jì)工作完成后，要進(jìn)行合成或突變實(shí)驗(yàn)并經(jīng)分離、純化及表征后得到所要求的新Pr；Pr設(shè)計(jì)的成功與否，必須要有理論與實(shí)驗(yàn)的緊密相結(jié)合蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)原理內(nèi)核假設(shè)。內(nèi)核是指Pr在進(jìn)化過(guò)程中保守的內(nèi)部區(qū)域,由氫鍵連接的二級(jí)結(jié)構(gòu)單元組成Pr內(nèi)部都是密堆積，沒(méi)有重疊。分子是從內(nèi)部排出，具疏水效應(yīng);原子間的倫敦色散力所引起的，由于短吸引力的優(yōu)化內(nèi)部的氫鍵都是最大滿足的疏水及親水基團(tuán)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(yīng)的主要驅(qū)動(dòng)力金屬Pr中配位殘基的替換要滿足金屬配位幾何對(duì)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(cè)鏈幾何排列。Pr側(cè)鏈構(gòu)象由空間兩個(gè)立體因素所決定結(jié)構(gòu)及功能的專一性。這是Pr設(shè)計(jì)最困難的問(wèn)題蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系研究根據(jù)結(jié)構(gòu)信息確定殘基的突變其他實(shí)驗(yàn)方法鑒定功能殘基(隨即突變、刪除分析)利用蛋白質(zhì)同源性鑒定功能殘基我們知道,蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)受其氨基酸序列控制,而功能又與結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

如果能夠找到構(gòu)造蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法,我們就能得到具有任意結(jié)構(gòu)和功能的全新蛋白質(zhì),這就是蛋白質(zhì)全新設(shè)計(jì)問(wèn)題。第二節(jié)全新蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)全新蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)過(guò)程設(shè)計(jì)目標(biāo)序列生成結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)合成構(gòu)建模型檢測(cè)全新蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)包括

從頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從頭功能設(shè)計(jì)

蛋白質(zhì)從頭設(shè)計(jì)概念從頭設(shè)計(jì)能夠根據(jù)生物分子的活性位點(diǎn)特征產(chǎn)生一系列的結(jié)構(gòu)片段，通過(guò)連接這些結(jié)構(gòu)片段可以構(gòu)成一個(gè)全新分子；或者在結(jié)合腔內(nèi)對(duì)一個(gè)已知的結(jié)構(gòu)骨架進(jìn)行化合物的衍生化。

從頭設(shè)計(jì)方法可以生成全新的分子結(jié)構(gòu)。從頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中心問(wèn)題：穩(wěn)定及獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)序列；基本障礙：線性聚合構(gòu)象熵；解決方法：（1）使相互作用的強(qiáng)度與數(shù)目達(dá)到最大；（2）共價(jià)交叉連接。從頭設(shè)計(jì)方法包含的步驟1、活性位點(diǎn)分析：對(duì)結(jié)合位點(diǎn)的具體的化學(xué)信息進(jìn)行掃描、分析和歸類。這些信息的三維空間相互關(guān)系都必須充分考慮。

2、配體分子構(gòu)建：采用不同的片段選擇和分子構(gòu)建方法，產(chǎn)生相應(yīng)的分子結(jié)構(gòu)。

3、評(píng)價(jià)：使用特定的評(píng)分系統(tǒng)將構(gòu)建的分子與活性位點(diǎn)的匹配性進(jìn)行排序，可以選擇其中優(yōu)良的結(jié)果作為合成實(shí)驗(yàn)的對(duì)象。也可以將之做新一輪計(jì)算的起點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。二級(jí)模塊單元的自組裝最簡(jiǎn)單、最直接的策略—合成單一二級(jí)結(jié)構(gòu)單元優(yōu)點(diǎn)無(wú)論是從設(shè)計(jì)或合成看，是簡(jiǎn)單的；容易合成。缺點(diǎn)涉及蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性；結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單重復(fù)。舉例Hodges設(shè)計(jì)/~jps/coilcoil.html2/.../phyb516/regulatoryproteinsu3.htm3/sc172/sc172_4.html

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

from:/~ips/coilcoil.html

Degrado設(shè)計(jì)Gif3四螺旋束Gif4.四螺旋束配體誘導(dǎo)組裝

策略：一個(gè)配位結(jié)合點(diǎn)設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)中幾個(gè)相互作用片段的界面處。如果這個(gè)位點(diǎn)對(duì)配體有很高的親和力，則結(jié)合配體的合適的自由能將充分克服熵消耗并驅(qū)動(dòng)肽自組裝。舉例Lieberman,Sasaki利用二價(jià)鐵離子誘導(dǎo)組裝形成的一個(gè)三螺旋束。通過(guò)共價(jià)交叉連接實(shí)現(xiàn)肽的自組裝幾個(gè)沒(méi)有連接的肽進(jìn)行自組裝，熵勢(shì)壘是比較難以克服的。通過(guò)共價(jià)交叉連接減少構(gòu)象熵。舉例Gif5Richardson，Erichkson等設(shè)計(jì)的一種蛋白的三級(jí)飄帶結(jié)構(gòu)。

基于組合庫(kù)的全新蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)核心問(wèn)題：埋藏疏水部分優(yōu)化組合庫(kù)設(shè)計(jì)的策略：1.優(yōu)化疏水核2.二級(jí)結(jié)構(gòu)單元間的界面

蛋白質(zhì)功能設(shè)計(jì)主要涉及鍵合和催化蛋白質(zhì)功能設(shè)計(jì)包括通過(guò)反向擬合天然蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)新的功能鍵合及催化的從頭設(shè)計(jì)在全新蛋白質(zhì)中引入結(jié)合位點(diǎn)催化活性蛋白質(zhì)的設(shè)計(jì)膜蛋白及離子通道的設(shè)計(jì)新材料的設(shè)計(jì)

Synporin結(jié)構(gòu)膜蛋白及離子通道的設(shè)計(jì)新的金屬結(jié)合位點(diǎn)蛋白質(zhì)全新設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀和前景

現(xiàn)狀

蛋白質(zhì)全新設(shè)計(jì)不僅使我們有可能得到自然界不存在的具有全新結(jié)構(gòu)和功能的蛋白質(zhì),并且已經(jīng)成為檢驗(yàn)蛋白質(zhì)折疊理論和研究蛋白質(zhì)質(zhì)折疊規(guī)律的重要手段。由于我們對(duì)蛋白質(zhì)全新設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)即蛋白質(zhì)折