.word.zl.蛋白质分子设计［引言］蛋白质是一类非常有用的物质，在生物体的进化过程中起着非常重要的作用。与其它化学试剂比拟：〔1〕分子量非常大；〔2〕在机体内稳定；〔3〕专一性的优劣。分子生物学的开展弥补了上述缺点，如定位突变、PCR使蛋白质可能工程化生产。蛋白质设计〔蛋白质的构造、功能预测〕涉及多学科的穿插领域，包括材料学、化学、生物学、物理及计算机学科。其应用范围涵盖了药物、食品工业中的酶、污水处理、疫苗、化学传感器等，设计的蛋白质也不仅仅限于20种天然氨基酸，也包括非天然氨基酸、有机/无机模块。蛋白质设计的目的：〔1〕为蛋白质工程提供指导性信息；〔2〕探索蛋白质的折叠机理。蛋白质设计分类：〔1〕基于天然蛋白质构造的分子设计；〔2〕蛋白质从头设计。存在问题：与天然蛋白质比拟：〔1〕缺乏构造独特性；〔2〕缺乏明显的功能优越性。第一节基于天然蛋白质构造的分子设计一、概述蛋白质构造与功能的认识对蛋白质设计至关重要，需要多学科的配合。蛋白质设计循环如下：1．对要求的活性进展筛选。2．对蛋白质进展表征，如测定序列、三维构造、稳定性及催化活性。3．专一型突变产物。4．计算机模拟。5.蛋白质的三维构造。在PDB中搜索，无纪录即进展X射线、NMR方法或预测并构建三维构造模型。6.蛋白质构造与功能的关系。蛋白质突变体设计的三个主要步骤：1.突变位点和替换氨基酸确实定。（1）确定对蛋白质折叠敏感的区域。（2）功能上的重要位置。（3）其它位置对蛋白质突变体的影响。（4）替换或加减残基对构造特征的影响。2.能量优化和蛋白质动力学方法预测修饰后蛋白质的构造。3.预测构造与原始蛋白质构造比拟，预测新蛋白质性质。上述设计工作完成后，再进展蛋白质合成或突变实验，别离、纯化并对新蛋白质定性。二、蛋白质设计原理1.内核假设。假设蛋白质独特的折叠形式主要由蛋白质内核中的残基相互作用决定。所谓内核指蛋白质在进化过程中的保守区域，由氢键连接的二级构造单元组成。2．所有蛋白质内部都是密堆积且没有重叠。3．所有内部的氢键都是最大满足的〔主链和侧.word.zl.链〕。4．疏水和亲水基团需要合理地分布在溶剂的可及与不可及外表。分布代表了疏水效应的主要驱动力。要在原子水平上区分疏水和亲水局部；外表安排少许疏水基团、内部安排少许亲水基团。5．金属蛋白质中配位残基的替换要满足金属配位几何。6．对于金属蛋白，围绕金属中心的第二壳层的相互作用是最重要的。金属的第二壳层通常涉及蛋白主链的相互作用，有时也参与同侧链或水分子的相互作用。这些相互作用符合蛋白质折叠的热力学要求；氢键固定在空间的配位位置。7．最优的氨基酸侧链几何排列。蛋白质侧链构象决定于立体势垒和氨基酸的位置。8．构造及功能的专一性。三、蛋白质设计中的构造—功能关系研究蛋白质的序列、三维构造、热力学与功能性质之间的关系对蛋白质工程、蛋白质设计非常重要。选择突变残基，最重要的信息来自于构造特征。通过定位突变鉴定蛋白质功能残基、探讨作用机理。这些研究为研究蛋白质—蛋白质相互作用、酶催化的本质提供理论根底，也为蛋白质工程和蛋白质设计提供理论依据，也可用于药物开发。定位突变技术分类为对一个或多个氨基酸进展：〔1〕插入；〔2〕删除；〔3〕替换。功能上的分析：最重要的是数据的解释。所有突变检测中共同存在的困难在于：如何区别功能残基替换引起的效应及蛋白质构象变化引起的效应？对于三维构造未知的蛋白质，这个问题特别严重（1）不能确定残基的立体位置；（2）残基所处的周围环境不确定；（3）残基对溶剂的暴露程度；（4）残基间的相互作用。目前的检测方法：〔1〕在某些情况下，溶解度与突变蛋白质的稳定表达可作为构造整体性的一种标志。因为突变可能破坏蛋白质的球形整体构造，引起蛋白质失活、不溶性以及在细胞种降解。突变引起的构造变化可通过蛋白质种引进另一种突变来检测。这种多重突变中单一突变是有加性的，偏离这个规那么说明残基间相互作用引起构象的变化。〔2〕热力学分析可用于测量突变蛋白质的热稳定性及化学变化自由能，并可作为构象整体性的检测。〔3〕X射线晶体学及NMR谱可直接提供突...
