第十二讲蛋白质分子设计课件.ppt
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- 第十二 蛋白质 分子 设计 课件
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1、第十二讲蛋白质分子设计1. 蛋白质分子设计的蛋白质分子设计的概念和意义概念和意义2. 蛋白质设计的蛋白质设计的分类分类3. 蛋白质设计的蛋白质设计的基础基础4. 蛋白质分子设计的蛋白质分子设计的流程流程5. 蛋白质分子设计蛋白质分子设计思路思路6. 本节小结本节小结第一节 概述一、蛋白质分子设计的概念和意义一、蛋白质分子设计的概念和意义1 1、概念、概念l实现蛋白质实现蛋白质分子改造目标分子改造目标的的一整套方法、计划、措施和指导方针一整套方法、计划、措施和指导方针。l以蛋白质结构和功能的关系为基础,以蛋白质结构和功能的关系为基础,通过通过蛋白质模型蛋白质模型和和结构预测结构预测等方法,等方法
2、, 构建构建具有新功能具有新功能的蛋白质的蛋白质的技术的技术。l如何理解如何理解 ?分子设计包括:目标、思想、程序、方法、措施、验证和分析一系列过程。分子设计包括:目标、思想、程序、方法、措施、验证和分析一系列过程。u是蓝图是蓝图 如:建筑工程的设计蓝图如:建筑工程的设计蓝图 宏伟构思和诱人的前景宏伟构思和诱人的前景u是理论是理论 理论上的设计理论上的设计指导实践过程指导实践过程u是实践是实践 实践上的验证实践上的验证提出问题提出问题与建筑工程的蓝图不同与建筑工程的蓝图不同实施验收实施验收 ( (也有豆腐渣工程也有豆腐渣工程不是设计的问题不是设计的问题) )是设计是设计实践实践验证验证再设计再
3、设计再实践再实践再验证的过程再验证的过程是一个是一个设计设计验证验证反复进行反复进行的过程。的过程。获得新功能蛋白质分子及其分子模型获得新功能蛋白质分子及其分子模型2 2、意义:(、意义:(通过通过分子设计分子设计、人工改造蛋白)人工改造蛋白)理论上:解析蛋白质结构和功能关系理论上:解析蛋白质结构和功能关系实践上:满足生产实践的需求实践上:满足生产实践的需求是是蛋白质工程领域蛋白质工程领域的的核心问题核心问题与与前沿领域前沿领域是一门新兴的研究领域,是众是一门新兴的研究领域,是众结构生物学、信息生物学、结构生物学、信息生物学、分子生物学、蛋白质化学、细胞生物学、免疫学等分子生物学、蛋白质化学、
4、细胞生物学、免疫学等随其他学科的发展而不断地发展,其内容也在不断地更新。随其他学科的发展而不断地发展,其内容也在不断地更新。设计和实践成功的实例:设计和实践成功的实例:DNADNA结合蛋白结合蛋白、血红素结合蛋白、氧化还原活性蛋白、血红素结合蛋白、氧化还原活性蛋白?为什么组成天然蛋白质只?为什么组成天然蛋白质只2020种氨基酸,种氨基酸,却具有却具有高度多样性高度多样性,功能如此广泛又各不相同?,功能如此广泛又各不相同?蛋白质一级结构与高级结构的关系?蛋白质一级结构与高级结构的关系?蛋白质高级结构与功能的关系?蛋白质高级结构与功能的关系?蛋白质一级结构与功能的关系?蛋白质一级结构与功能的关系?
5、2、意义、意义理论上理论上:天然蛋白的天然蛋白的缺陷缺陷 生物进化过程中,自然选择了生物进化过程中,自然选择了数量众多数量众多、种类各异种类各异的天然蛋白质。的天然蛋白质。 天然蛋白质在天然蛋白质在的条件下的条件下应用,应用,(适合于生物环境适合于生物环境)改造蛋白的优势改造蛋白的优势工业生产工业生产高温高压条件高温高压条件,其结构和功能改变,其结构和功能改变,达不到理想的效果达不到理想的效果。为了更好地发挥蛋白质的作用,需要对蛋白质进行为了更好地发挥蛋白质的作用,需要对蛋白质进行人为人为改造。改造。 如:药物、食品工业和污水处理中的如:药物、食品工业和污水处理中的酶、疫苗、生物传感器酶、疫苗
6、、生物传感器等进行蛋白等进行蛋白分子设计改造,分子设计改造,发挥良好的作用发挥良好的作用。 如:经改造如:经改造稳定性好的酶稳定性好的酶,可从,可从价格便宜价格便宜的的棕榈油中棕榈油中生产出生产出价格昂贵价格昂贵的的可可脂可可脂,创造很高的经济效益。,创造很高的经济效益。2、意义、意义实践上:实践上: 如:荷兰一家公司设计了一种与如:荷兰一家公司设计了一种与漂白剂漂白剂一同起作用一同起作用的的去污酶去污酶(对酶上(对酶上两两个氨基酸个氨基酸修改,使这种酶具有修改,使这种酶具有较高抵抗力)较高抵抗力),在洗涤过程中不受破坏。,在洗涤过程中不受破坏。 如:如:医学上医学上,蛋白质工程也具有广泛的应
7、用前景。比如,用人工手段去,蛋白质工程也具有广泛的应用前景。比如,用人工手段去改造改造蛋白质蛋白质,开辟了,开辟了诊断诊断和和治疗癌症治疗癌症的的新新途径。途径。单链抗体单链抗体核素核素免疫影像?免疫影像?单链抗体单链抗体毒素毒素免疫治疗?免疫治疗?我国的蛋白质工程达到我国的蛋白质工程达到国际先进水平国际先进水平, 如:重组人胰岛素如:重组人胰岛素和和溶血栓药物溶血栓药物、重组人尿激酶重组人尿激酶等。等。 对这些蛋白质改造对这些蛋白质改造离不开离不开蛋白质分子设计。蛋白质分子设计。因此,蛋白质分子设计在因此,蛋白质分子设计在生产实践生产实践中具有重要意义中具有重要意义 二、蛋白质设计的分类二、
8、蛋白质设计的分类包括包括两种两种分类方式分类方式1 1、根据对蛋白质、根据对蛋白质改造的程度改造的程度分为分为三类三类l第一类为第一类为“小改小改”,即通过,即通过定位突变定位突变或或化学修饰化学修饰来实现;来实现;l第二类为第二类为“中改中改”,即不同蛋白质的,即不同蛋白质的结构域结构域进行进行拼接拼接组装,改变蛋白组装,改变蛋白质的功能特性的方法;质的功能特性的方法;如:蛋白质融合技术实现如:蛋白质融合技术实现l第三类为第三类为“大改大改”,即,即全新设计全新设计具有具有特定功能特定功能的蛋白质的蛋白质仿生仿生2 2、根据、根据改造对象改造对象分为分为两类两类l基于天然蛋白质结构的分子设计
9、基于天然蛋白质结构的分子设计l全新蛋白质的分子设计全新蛋白质的分子设计3 3、两种分类方法是统一的、两种分类方法是统一的 三、蛋白质设计的基础三、蛋白质设计的基础u理解(一级结构理解(一级结构高级结构高级结构功能的关系)功能的关系)蛋白质分子设计的基础蛋白质分子设计的基础u理解理解 结构是功能的基础结构是功能的基础蛋白质独特的蛋白质独特的性质和功能性质和功能是其是其特定特定结构的结构的反映反映。l每一种天然蛋白质生物学活性,决定于蛋白质的每一种天然蛋白质生物学活性,决定于蛋白质的结构结构特点特点20种种aa各具各具特殊特殊的侧链,的侧链,侧链侧链基团的基团的理化性质理化性质和和空间排布空间排布
10、各各不相同不相同,可形成多种,可形成多种多样的多样的空间结构空间结构,具有,具有不同不同生物学活性。生物学活性。一级结构不同,蛋白质功能和活性存在差异,甚至完全不同。一级结构不同,蛋白质功能和活性存在差异,甚至完全不同。l每种蛋白质具有每种蛋白质具有特定的结构,特定的结构,执行其执行其特定的功能特定的功能甚至甚至一级结构上一级结构上个别个别aa变化变化 特定功能的特定功能的丧失或改变丧失或改变。最经典的例子:最经典的例子:镰刀型红细胞贫血病,即患者镰刀型红细胞贫血病,即患者Hb 2条条链链第第6位位蛋白酶:个别蛋白酶:个别aa突变(关键突变(关键aa),酶活性丧失),酶活性丧失* 要求:查找一
11、级结构中个别氨基酸突变蛋白,功能改变的实例要求:查找一级结构中个别氨基酸突变蛋白,功能改变的实例l一级结构一级结构不能不能完全完全了解了解蛋白质分子的生物学蛋白质分子的生物学活性活性和理化和理化性质性质多肽链并非呈线形伸展,而是折叠和盘曲多肽链并非呈线形伸展,而是折叠和盘曲构成特有的构成特有的蛋白质的蛋白质的生物学活性生物学活性和和理化性质理化性质主要决定于主要决定于空间结构空间结构的完整性的完整性? ,一级结构未发生改变一级结构未发生改变功能完全丧失功能完全丧失空间结构的作用空间结构的作用?l蛋白的性质和功能,很难蛋白的性质和功能,很难仅用仅用蛋白质的蛋白质的一一的排列顺序来的排列顺序来解释
12、解释l理解蛋白理解蛋白空间结构空间结构和和功能关系功能关系对蛋白质对蛋白质才是才是最重要的最重要的| 蛋白质一级结构蛋白质一级结构高级结构高级结构功能关系,是蛋白质分子设计的基础功能关系,是蛋白质分子设计的基础蛋白质分子设计面临的挑战虽然虽然解析解析蛋白质的蛋白质的结构结构逐年增加,但依然逐年增加,但依然无法满足无法满足蛋蛋白质白质分子设计分子设计的需要?的需要?现有现有蛋白质的分子设计蛋白质的分子设计大多数大多数主要依据一级结构主要依据一级结构。 一次性成功的把握很小一次性成功的把握很小?四、蛋白质分子设计的流程四、蛋白质分子设计的流程u蛋白质分子设计蛋白质分子设计庞大工程庞大工程u蛋白质分
13、子设计程序蛋白质分子设计程序l构建构建原蛋白质模型原蛋白质模型l建立和优化建立和优化突变体突变体模型模型l获得蛋白质的突变体获得蛋白质的突变体l结构和功能分析验证结构和功能分析验证通常,需要几次循环才能达到目的通常,需要几次循环才能达到目的蛋白质分子设计流程蛋白质分子设计流程需要计算机专家、需要计算机专家、X X射线晶体学家、射线晶体学家、 蛋白质化学家、生物技术专家相互配合蛋白质化学家、生物技术专家相互配合需要需要理论设计理论设计和和试验过程试验过程相结合,相结合, 才能达到改造蛋白质的目的。才能达到改造蛋白质的目的。1、l收集素材收集素材构建构建原蛋白质模型原蛋白质模型:l掌握和了解掌握和
14、了解蛋白质的一级结构、高级结构、功能域,理化特性、蛋白质的一级结构、高级结构、功能域,理化特性、结构和功能的关系、以及结构和功能的关系、以及同源蛋白同源蛋白的相关信息。的相关信息。l数据来源:查阅文献和相关数据库。数据来源:查阅文献和相关数据库。对于已知结构蛋白质,同源建模法或对于已知结构蛋白质,同源建模法或直接构建模型直接构建模型。未知结构的蛋白质,要么未知结构的蛋白质,要么先解析其晶体结构先解析其晶体结构,要么根据,要么根据已知的氨基酸序列已知的氨基酸序列进行结进行结构构预测预测。l设计突变体设计突变体建立突变体模型建立突变体模型借鉴现有的经验(借鉴现有的经验(规则规则)改变蛋白质结构改变
15、蛋白质结构 :优化蛋白的:优化蛋白的 稳定性、抗氧化性、对重金属稳定性、稳定性、抗氧化性、对重金属稳定性、pH稳定性、酶学性质稳定性、酶学性质如:如:Hartley等(等(1986年)完成有关蛋白质一些年)完成有关蛋白质一些重要性质的重要性质的设计目标设计目标及及解决办法表解决办法表具有一定的参考价值。具有一定的参考价值。(Next )l考虑不同氨基酸对蛋白质二级结构的影响考虑不同氨基酸对蛋白质二级结构的影响(第七讲结构预测)第七讲结构预测)Chou和和Fasman对对29种蛋白种蛋白一级结构一级结构和和二级结构之间的二级结构之间的关系关系进行统计分析,发现:进行统计分析,发现:a螺旋螺旋最强
16、生成者最强生成者:Glu、Met、Ala、Leu;最强破坏者最强破坏者:Gly、Pro;-折叠最强生成者:折叠最强生成者:Gly、Ala、Ser;-转角最强生成者:转角最强生成者:Gly、Pro、 Asp、Ser;最强破坏者:;最强破坏者: Ile、Val、Leu。蛋白质重要性质设计目标及解决办法蛋白质重要性质设计目标及解决办法设计目标设计目标解决办法解决办法Hartley et al.(1986)思考:为什么能改善蛋白性质思考:为什么能改善蛋白性质2 2、建立和优化突变体模型、建立和优化突变体模型(能量优化以及蛋白质动力学分析)(能量优化以及蛋白质动力学分析)l利用利用能量优化能量优化以及以
17、及蛋白质动力学蛋白质动力学分析的方法分析的方法预测预测 修饰后修饰后的蛋白质的结构的蛋白质的结构 将将预测结构预测结构与原始蛋白质的与原始蛋白质的结构比较结构比较 利用蛋白质结构利用蛋白质结构功能或结构功能或结构稳定性相关知识稳定性相关知识预测新蛋白可能预测新蛋白可能具有的性质和功能具有的性质和功能3 3、获得蛋白质突变体、获得蛋白质突变体蛋白质分子设计蛋白质分子设计仅停留仅停留在在理论层面理论层面上,没有试验证据,这种设计是上,没有试验证据,这种设计是没没有任何意义有任何意义的。的。根据设计,根据设计,合成蛋白质,合成蛋白质,或改造蛋白质突变体的或改造蛋白质突变体的基因序列基因序列,表达突变
18、,表达突变体蛋白,然后分离、纯化得到所要求的蛋白质。体蛋白,然后分离、纯化得到所要求的蛋白质。获得突变体的方法和手段获得突变体的方法和手段(详见:详见:蛋白质纯化与克隆修饰)蛋白质纯化与克隆修饰)分子生物学方法分子生物学方法:获得基因、定点突变、导入宿主细胞、表达基:获得基因、定点突变、导入宿主细胞、表达基因的产物因的产物蛋白质蛋白质分离纯化分离纯化:采用分离纯化的方法:采用分离纯化的方法分离突变蛋白质分离突变蛋白质测试测试4 4、结构和功能分析、结构和功能分析蛋白质分子设计的流程蛋白质分子设计的流程对对纯化纯化的蛋白质突变体进行的蛋白质突变体进行结构和功能结构和功能的的分析和测试分析和测试,
19、与与原原蛋白质比较,是否达到蛋白质比较,是否达到预期预期改造的目的。改造的目的。若得到的蛋白质突变体若得到的蛋白质突变体没有实现预期没有实现预期的功能,则需要的功能,则需要重新设计和改造重新设计和改造;若若达到预期达到预期,则获得一种具有特定功能的,则获得一种具有特定功能的新蛋白新蛋白。 蛋白质分子设计是一门蛋白质分子设计是一门试验性试验性科学,是科学,是理论理论设计设计过程与过程与实验过程实验过程相结合相结合的产物。的产物。 理论设计理论设计与与实验过程实验过程两部分相辅相成,才构成了蛋白质两部分相辅相成,才构成了蛋白质分子设计的分子设计的全过程。全过程。再深入理解:再深入理解:(符合认识论
20、的过程(符合认识论的过程实践实践认识认识再实践再实践再认识的过程)再认识的过程)学习与知识(学习与知识()的应用过程(掌握规律、利用规律、改造自然、做自然的主人)的应用过程(掌握规律、利用规律、改造自然、做自然的主人) 遇到问题、思考问题、采取对策、解决问题的过程遇到问题、思考问题、采取对策、解决问题的过程 做一个实验:设计做一个实验:设计实验实验再设计再设计再实验再实验 任何事情:仅仅停留在理论层面上是任何事情:仅仅停留在理论层面上是毫无意义毫无意义的的!认识具有能动性认识具有能动性意识对物质具有反作用意识对物质具有反作用只要精神不滑坡,办法总比问题多只要精神不滑坡,办法总比问题多体会体会深
21、刻理解:深刻理解:试验性科学试验性科学 = =理论设计理论设计 + + 实验验证实验验证(一)获得原蛋白质的结构与功能信息(一)获得原蛋白质的结构与功能信息一级和高级结构、功能结构域、同源蛋白、基因、理化性质一级和高级结构、功能结构域、同源蛋白、基因、理化性质 (二)(二)建立原蛋白分子的结构模型建立原蛋白分子的结构模型(原蛋白结构模型)(原蛋白结构模型) 模型来源:模型来源:PDBPDB或文献或文献实验测试三维结构实验测试三维结构衍射、衍射、NMRNMR预测:如:同源蛋白进行三维结构预测预测:如:同源蛋白进行三维结构预测 (三)(三)结构模型信息分析结构模型信息分析结构特点结构特点模体模体结
22、构域结构域功能活性区域及分布功能活性区域及分布影响因素影响因素二硫键数目和位置二硫键数目和位置(四)(四)选择设计目标选择设计目标(依据和实践经验)(依据和实践经验)(确定(确定突变位点突变位点或或序列序列,功能区功能区 二硫键二硫键数目和位置)数目和位置)五、设计思路五、设计思路(9 9个步骤个步骤)(五)突变体(序列)设计(五)突变体(序列)设计l设计的原则设计的原则1.1.充分考虑充分考虑氨基酸的氨基酸的极性极性,以,以利于利于形成形成特定特定的的空间结构空间结构 - -螺旋(螺旋(Leu GluLeu Glu),), - -折叠(折叠(Val IleVal Ile),), - -转角(
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