《蛋白质分子设计》PPT课件.ppt

蛋白质分子设计,授课教师： 彭书明 ,2020/9/21,2,分子设计,分子设计的提出的背景 1927 年HeitlerLondon 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。,2020/9/21,3,分子设计的定义,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) 。,2020/9/21,4,蛋白质的分子设计,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。,2020/9/21,5,蛋白质分子设计的必要性,生产应用的需要： 虽然经过漫长岁月的进化，自然界已经筛选出了数量众多、种类各异的蛋白质，但天然蛋白质只是在自然条件下才能起到最佳功能，在人造条件下往往就不行，例如工业生产中常见的高温高压条件。因而需要对蛋白质进行改造，使其能够在特定条件下起到特定的功能。,2020/9/21,6,计算机模拟,基因构建,突变蛋白质产品,功能分析,蛋白质设计循环,2020/9/21,7,蛋白质三维结构知识的必要性,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。,2020/9/21,8,设计目标及解决办法,改变蛋白质的性质，必须改变蛋白质的序列。 Hartley等于1986年完成了一个重要的有关蛋白质重要性质设计目标及解决办法表，该表至今仍有参考价值。,2020/9/21,9,蛋白质设计的目标及解决办法 P58,2020/9/21,10,蛋白质分子设计的分类,蛋白质分子设计又可按照改造部位的多寡分为三类： 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）。,2020/9/21,11,小改少数残基的替换,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。 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。,2020/9/21,12,小改两个层次,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 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。,2020/9/21,13,例一：核糖核酸酶 小改举例,结构知识：核糖核酸酶含有104个氨基酸残基，该天然酶具有两对二硫键（Cys2-Cys10，Cys6-Cys103）。 小改设计：在不失去酶活性的基础上增加它的稳定性，日本大阪大学蛋白质工程研究所的Satoshi Nishikawa等人尝试在Tyr（酪氨酸）24和Asn（天冬酰氨）84位引入第三个二硫键。,2020/9/21,14,分子设计和理论验证：从该酶晶体结构可以看出这两个残基是远离催化位点的，经过分子动力学计算证明在这两个残基之间有可能形成二硫键，并且不会影响催化位点的结构。并且采用分子力学和分子动力学方法从核糖核酸的复合物晶体结构建立起核糖核酸突变体的模型。 将Tyr24和Asn84两个残基侧链（保留C，C）消除，将C转变为S。P3 然后经过1000轮突变部位能量最小化和2000轮整体能量最小化以及分子动力学模型建立突变体的结构模型，结构模型中没有不合理的键长、键角和二面角。从设计的角度看这个突变是合理的。 方案的实施：通过基因技术得到突变体，实验证明突变体在保持天然酶活性的基础上大幅度提高了酶的热稳定性。,2020/9/21,15,例二： T4噬菌体溶菌酶 小改举例,结构知识：包含164个氨基酸残基，该酶不存在二硫键，只有Cys54和Cys97两个半胱氨酸。 分子设计：Matthews等人经过仔细比较和最小化计算设计引入3对二硫键，6个半胱氨酸除了Cys97外，其它5个半胱氨酸由Ile3、Ile9、Thr21、Thr142和Leu164突变而来。 结果：得到了全部单个二硫键（397，9164，21142）以及2个和3个二硫键的突变体。,2020/9/21,16,T4溶菌酶和6种设计的突变体特性 酶 氨基酸的位置 二硫键的数目 相对活性 Tm 3 9 21 54 97 142 164 (%) () wt Ile Ile Thr Cys Cys Thr Leu 0 100 41.9 pwt Ile Ile Thr Thr Ala Thr Leu 0 100 41.9 A Cys Ile Thr Thr Cys Thr Leu 1 96 46.7 B Ile Cys Thr Thr Ala Thr Cys 1 106 48.3 C Ile Ile Cys Thr Ala Cys Leu 1 0 52.9 D Cys Cys Thr Thr Cys Thr Cys 2 95 57.6 E Ile Cys Cys Thr Ala Cys Cys 2 0 58.9 F Cys Cys Cys Thr Cys Cys Cys 3 0 65.9 wt：野生型T4溶菌酶；pwt:假野生型酶；AF：六种设计的半胱氨酸变体；Tm:熔点温度,2020/9/21,17,实验证明,突变体在氧化状态下均比天然蛋白质更稳定； 二硫键的环区越长越稳定； 二硫键对蛋白质的稳定作用具有加合性，即3对二硫键的稳定效应相当于3个二硫键各自对蛋白质的稳定作用的综合。,2020/9/21,18,另，Matthews等人还研究了Gly（甘氨酸）和Pro（脯氨酸）对蛋白质稳定性的影响，当除去Gly或引入Pro的突变体的变性温度都有所提高。 此外，Matthews等人还研究了螺旋偶极的作用。T4溶菌酶含有11个螺旋，其中有7段在N端有带负电的残基，作者在剩余的4段螺旋中选择了两段螺旋进行N端残基突变，Ser38变为Asp（天冬氨酸）；Asn（天冬酰氨）变为Asp，每一个突变体使得变性温度增加2，双突变体使得变性稳定提高4。说明稳定螺旋偶极能够增强蛋白质的整体稳定性。,例二： T4噬菌体溶菌酶 小改举例,2020/9/21,19,蛋白质分子设计的过程,首先建立所研究对象的结构模型，在此基础上进行结构功能关系研究，然后提出设计方案；通过实验验证后进一步修正设计。往往需要几次循环才能够达到目的。 一般分子设计工作可以按以下5个步骤进行：,2020/9/21,20,分子设计的5个步骤,1. 建立所研究蛋白质的结构模型，可以通过X射线晶体学、二维核磁共振等测定结构，也可以根据类似物的结构或其他结构预测方法建立起结构模型。 2. 找出对所要求的性质有重要影响的位置。同一家族中的蛋白质的序列比对、分析往往是一种有效的途径。需要认真考虑此种性质受哪些因素的影响，然后逐一对各因素进行分析，找出重要位点，这是分子设计工作的关键。,2020/9/21,21,3. 选择一系列的在（2）中所选出位点上改变残基所得到的突变体，一方面使蛋白质可能具有所要求的性质，另一方面又尽量维持原有结构，使其不做大的变动。尽量在同源结构中此位点已有的氨基酸残基序列中进行选择，同时考虑残基的体积、疏水性等性质的变化所带来的影响。 4. 预测突变体的结构。 5. 定性或定量计算优化所得到的突变体结构是否具有所要求的性质。能否成功地进行分子设计，除了要求有好的计算机软件和高质量的力场以外，还要求工作者有一个坚实的结构化学和物理化学基础，同时对所研究的问题有一个深入细致的了解。,分子设计的5个步骤,2020/9/21,22,中改分子剪裁,定义：是指在蛋白质中替换1个肽段或者1个结构域。 蛋白质的立体结构可以看作由结构元件组装而成的。因此可以在不同的蛋白质之间成段地替换结构元件，期望能够转移相应功能。,2020/9/21,23,举例 中改抗体分子改造,英国剑桥大学的Winter等人利用分子剪裁技术成功地在抗体分子上作了实验。 抗体分子由2条重链，2条轻链组成，重链有4个结构域，轻链有2个结构域；抗原的识别部分位于由轻、重二链处于分子顶部的个1个结构域，该结构域是一个高度可变区。抗体分子与抗原分子互补的决定子是由可变区的一些环状肽段组成的。,2020/9/21,24,2020/9/21,25,意义 中改分子剪裁,Winter等人将小鼠单抗体分子重链的互补决定子用基因操作办法换到人的抗体分子的相应部位上，使得小鼠单抗体分子所具备的抗原结合专一性转移到人的抗体分子上。 这个实验具有重大的医学价值。小鼠的单抗比人的单抗容易做，而在医学上使用的是人的单抗。采用分子剪裁法可以先制备小鼠的单抗，然后将互补决定子转移到人的抗体分子上，达到与人的单抗分子同样的效果。,2020/9/21,26,大改从头设计,定义：从头设计（de novo）蛋白质分子是指从氨基酸残基出发，即从一级序列出发，设计制造自然界中不存在的全新蛋白质，使之具有特定的空间结构和预期的功能。 从头设计建立的2块基石：只有当我们完全掌握了一级结构决定高级结构的规律;掌握了高级结构与生物功能的相关性，才有可能真正地从头设计。目前尚不能够。 但是鉴于已经有几百个蛋白质分子结构获得测定，并且从中已经总结得到许多规律性的经验。因此进行从头设计的尝试是可行的。,2020/9/21,27,蛋白质的全新设计建筑房屋 小改住在房屋里 中改房屋装饰 这两者都不能让我们了解房屋建筑。只有设计和建造一所房屋才能学习更多的东西，因此，仅仅靠利用已有的蛋白质或者改造某些部位是远远不够的。 只有从头设计并制造全新的蛋白质，在不断的尝试和成功失败的往复中，才能够更加深入、全面地学习蛋白质，了解蛋白质，以便更好地利用蛋白质。,建筑房屋比喻,2020/9/21,28,蛋白质分子的从头设计基本过程：,2020/9/21,29,选择氨基酸残基,蛋白质分子设计工作的大部分是在计算机上完成的。要设计具有一定功能的蛋白质，首先要设计正确折叠的蛋白质。设计第一步是选择目标，确定所要建造的三级结构。 目前研究水平，所选择的目标均是一些残基不多（6080个残基）、结构简单并且具有对称性的多肽结构。而这类结构在自然界中广泛存在，如四螺旋束、上下筒结构、希腊筒结构等。人们对此类结构研究较多，因而有许多经验规律可循。,2020/9/21,30,序列设计,选定目标后就要进行序列设计，选择的序列应尽可能地不同于天然结构的序列。 设计时，要充分考虑氨基酸残基形成特定二级结构的倾向性。例如设计螺旋时，应选择象Leu、Glu等易于形成螺旋的残基；设计全结构时，应选择Val（缬氨酸）、Ile等易于形成折叠片的残基；而在设计转角时常选择Pro-Asn残基对，因为以这个残基对为中心极易形成转角。 选择和排布残基时，要考虑到疏水相互作用、螺旋的偶极稳定作用、静电相互作用以及残基侧链的空间堆积，尽可能地使序列有利于形成预期的二级结构。 当选择好氨基酸残基后，需要通过理论预测方法预测出所设计的多肽的二级结构和三级结构，初步检验设计的成功与否，并在此基础上加以调整和更正，使得目标模型达到预期的目标。,2020/9/21,31,付诸实现,实验室中通过合成工作将设计付诸实现，检验设计的成功与否。 多肽化学合成方法，如固相合成技术； 优缺点： 基因工程方法，核酸的合成表达。 优缺点：,2020/9/21,32,大改从头设计,例一 ：四螺旋束结构 右图是由杜邦公司Degrado等研究人员设计并多肽合成的四螺旋束结构，共有74个氨基酸残基。4段螺旋的序列完全相同，各由16个氨基酸残基组成，螺旋之间的3段连接也完全相同，各由3个氨基酸残基组成。,Degrado等设计的四螺旋束,2020/9/21,33,Degrado等设计的四螺旋束,一级序列 螺旋（Helix）：Gly-Glu-Leu-Glu-Glu-Leu-Leu-Lys-Lys-Leu-Lys-Glu-Leu-Leu-Lys-Gly 连接（Loop）：Pro-Arg-Arg 肽链：NH2-Met-Helix-Loop-Helix-Loop-Helix-Loop-Helix-COOH,2020/9/21,34,作者在选择一级序列时，着重选择了Leu、Lys和Glu3种残基。其中Leu作为疏水残基，排布在螺旋的内侧；Lys和Glu为带电荷残基，排布在螺旋的外侧，排布时两种残基在i和i+4的位置上，促使螺旋稳定；在螺旋的两端各加上1个Gly，以便中断螺旋，加上连接肽段。整个四螺旋束结构具有对称性。相邻螺旋反平行，螺旋轴夹角大约18度，疏水残基在内部，极性残基在表面，整个螺旋呈两性。由于四螺旋束中4条链的相互制约，每段螺旋的末段都向外张开，创造了一个潜在的结合位点。 该设计实例被誉为蛋白质分子设计的里程碑。,Degrado等设计的四螺旋束,2020/9/21,35,2FELIX四螺旋束,右图也是四螺旋束，称为FELIX，由Duke大学的Richardson夫妇设计并基因表达成功。该四螺旋束完全由非重复序列组成，根据螺旋形成的一些规律，如电荷、疏水性分布等设计的。在1、4螺旋之间形成了二硫键。,2020/9/21,36,3喇叭筒状蛋白质（beta barrel bellshaped protein）,从头设计的结构betabellin,该结构简称betabellin，由2个完全相同的折叠片层组成，每一片层包含4条折叠股。前3条折叠股各有8个氨基酸残基，最后一条折叠股由7个残基组成，因而每一片层包含31个残基。 考虑形成折叠的倾向性以及肽链之间的相互作用，选择了Thr、Ser、Val、Leu、Ile和Ala等残基。,2020/9/21,37,3喇叭筒状蛋白质（beta barrel bellshaped protein）,这些残基当中： Thr和Ser是极性残基，位于表面上，以便与溶剂形成氢键；Val、Leu和Ile是形成体；Ala的体积小，有利于内部堆积。 在排布残基位置时，充分考虑了链之间的成对效应，即尽可能地安排疏水残基与疏水残基相对排列，带异性电荷的残基相对排列，带有大支链残基与不带支链残基相对排列，这样的排布使得在肽链之间产生最强的相互作用。两个片层依靠交联分子连接在一起，形成了一个筒状结构。 该结构是由Rockfeller大学的Erickson和Richardson夫妇合作完成的。,2020/9/21,38,蛋白质分子设计的意义,从头设计蛋白质是在人们认识蛋白质，掌握其结构规律，了解结构功能关系的基础上进行的。同时它也是人们更加深入全面理解蛋白质的一个过程，他的目的是人工创造出自然界中不存在的蛋白质分子，使之具有特定的特殊结构和功能，为人类所利用。 目前人类已经迈进蛋白质设计的时代，并且正在以越来越快的步伐前进。蛋白质分子设计有助于进一步揭示蛋白质的结构原理以及结构与功能的关系，同时也有助于指导药物合成以及工业产品的设计。,2020/9/21,39,本章小结,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）。,2020/9/21,40,课后作业题,一、名词解释：分子设计、小改、中改、大改 二、简述蛋白质分子设计的过程,2020/9/21,41,2020/9/21,42,定点突变技术：通过删除或置换DNA片段中的核苷酸，使基因发生改变，从而产生新的蛋白质。 盒式替换技术：1985年Wells提出的一种基因修饰技术盒式突变，一次可以在一个位点上产生20种不同氨基酸的突变体，可以对蛋白质分子中重要氨基酸进行“饱和性”分析。利用定位突变在拟改造的氨基酸密码两侧造成两个原载体和基因上没有的内切酶切点，用该内切酶消化基因，再用合成的发生不同变化的双链DNA片段替代被消化的部分。这样一次处理就可以得到多种突变型基因。,2020/9/21,43,量子化学,是理论化学的一个分支学科，是应用量子力学的基本原理和方法，研究化学问题的一门基础科学。 量子化学的研究范围包括稳定和不稳定分子的结构、性能，及其结构与性能之间的关系；分子与分子之间的相互作用；分子与分子之间的相互碰撞和相互反应等问题。,