蛋白质分子设计资料重点

第一节蛋白质工程的物质基础概念：蛋白质工程(Protein Engineering)是以蛋白质的结构与功能的关系研究为基础，利用基因工程技术对现存蛋白质加以改造，组建成新型蛋白质的现代生物技术。

（一）蛋白质的来源（5min）微生物：生长周期短，容易实现遗传操作，可以产生胞外酶。

植物：生长周期长，季节性强。

动物：医学方面的蛋白质。

（二）蛋白质的结构（5min）一级结构，二级结构，超二级结构，结构域，三级结构，四级结构（三）蛋白质的功能（10min）蛋白质的生物学功能：①具有生物催化功能；②具有调节功能；③具有运输功能；④具有运动功能；⑤可作为机体的结构成分；⑥具有防御和保护功能；⑦可作为生物体发育和生长的营养物质。

（四）蛋白质的结构与功能的关系（5min）蛋白质的生物功能与结构紧密相关第二节蛋白质工程的原理（一）蛋白质工程的理论依据（5min）基因指导蛋白质的合成（二）蛋白质工程设计原理（5min）蛋白质分子设计：基因水平，蛋白质水平蛋白质分子设计的三种类型：小改，中改，大改第三节蛋白质工程的程序和操作方法（一）蛋白质工程的程序（10min）筛选纯化目的蛋白，研究其特性；制备晶体，氨基酸测序，X射线晶体衍射分析、核磁共振分析等研究，获得蛋白质结构与功能相关数据；结合生物信息学的方法对蛋白质的改造进行分析；由氨基酸序列及其化学结构预测蛋白质的空间结构，确定蛋白质结构与功能的关系，进而从中找出可以修饰的位点和可能的途径；根据氨基酸序列设计核酸引物或探针，并从cDNA文库或基因文库中获取编码该蛋白的基因序列；在基因改造方案设计的基础上，对编码蛋白的基因序列进行改造，并在不同的表达系统中表达；分离纯化表达产物，并对表达产物的结构和功能进行检测。

（二）蛋白质工程的操作方法（5min)理论基础：生物化学和结构生物学；蛋白质结构模拟预测平台：计算机辅助设计软件；提高设计的效率和正确性：分子生物学和基因工程技术，生物信息学。

试述蛋白质分子设计的概念和它的基本内容1. 哎呀呀，你知道蛋白质分子设计吗？这就好像是我们给蛋白质这个“小宝贝”来个大变身！比如说，就像给一个普通的玩具熊精心打扮，让它变得超级特别！它的概念呢，就是人为地对蛋白质的结构和功能进行改造和设计呀，是不是很神奇？基本内容包括对蛋白质的氨基酸序列进行改造，就像是给玩具熊换一件更酷的衣服一样。

2. 嘿，蛋白质分子设计，这可不是一般的酷哦！它就像是个魔法棒，可以让蛋白质变得不一样！举个例子，就像我们打造一个独一无二的机器人，给它各种厉害的功能。

它的基本内容呢，有对蛋白质的活性中心进行修饰，这相当于给这个神奇的“机器”关键部位进行优化升级啊。

3. 哇塞，蛋白质分子设计呀，是超级有趣的事情呢！好比是我们给一只普通的小狗训练出各种高难度技能！它的概念呢，简单说就是有目的地去改变蛋白质哦。

基本内容还包括构建全新的蛋白质结构，这感觉就像凭空创造出一只全新的、超级厉害的宠物一样令人兴奋。

4. 来呀，了解一下蛋白质分子设计嘛！你想想，这不就是给蛋白质来个大改造嘛，像给一辆普通汽车改装成超级赛车！而它的基本内容里，优化蛋白质的稳定性，就如同让赛车在高速行驶中更稳定、更可靠，多棒啊！5. 哎呀呀，蛋白质分子设计呀，可有意思啦！可以把它想象成我们给一个普通的房子进行大改造，变得超级豪华！它的概念当然就是有计划地对蛋白质进行改变啦。

基本内容中的改变蛋白质的折叠方式，就像是重新设计房子的布局一样重要呢。

6. 嘿嘿，蛋白质分子设计，这简直太让人着迷啦！就如同我们把一个平凡的角色打造成超级英雄！它的概念就是主动地去塑造蛋白质，而其基本内容里的融合不同蛋白质的功能域，不就像给超级英雄赋予各种无敌的能力一样嘛！总之，蛋白质分子设计太神奇、太有意义啦，可以让我们创造出各种我们想要的蛋白质来帮助我们解决好多问题呢！。

蛋白质工程复习资料一级结构：蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺序。

二级结构：一段连续的肽单位借助于氢键，排列成的具有周期性结构的构象。

超二级结构：相邻的二级结构单位组合在一起，彼此相互作用，行为规则排列的组合体，以同一结构模式出现在不同的蛋白质中。

结构域：二级结构和结构模体以特定的方式组织连接，在蛋白质分子中形成两个或多个在空间上可以明显区分的三级折叠实体。

三级结构：蛋白质的多肽链在各种二级结构的基础上再进一步盘曲或折叠形成具有一定规律的三维空间结构。

四级结构：由两条或两条以上具有独立三级结构的多肽链组成的蛋白质就是寡聚蛋白质分子中多肽链间通过次级键相互组合而形成的空间结构。

蛋白质的变性：天然蛋白质分子受到某些物理因素或者化学因素的影响时，会引起蛋白质天然构象的破坏，导致生物活性的降低或完全丧失的过程。

蛋白质的复性：当变性因素除去后，变性蛋白又可以重新恢复到天然构象的现象。

第二遗传密码：氨基酸顺序与蛋白质三维结构之间存在着对应关系。

分子伴侣：一类可介导蛋白质的正确折叠与装配，但并不构成被介导的蛋白质组分的蛋白。

小改：进行蛋白质修饰或基因定位突变中改：进行蛋白质分子裁剪拼接晶体：离子，原子和分子这些微粒在三维空间中周期性重复排列形成的结构。

盐析现象：蛋白质在高浓度中性盐溶液中会沉淀析出的现象。

盐溶现象：在蛋白质水溶液中加入晒量的中性盐（如硫酸铵，硫酸钠，氯化钠）会增加蛋白质分子表面的电荷，增强蛋白质分子与水分子的作用，从而使蛋白质在水溶液中的溶解度增大的现象。

蛋白质芯片：也叫蛋白质微阵列，是将大量蛋白质有规则地固定到某种介质载体上，利用蛋白质与蛋白质，酶与底物，蛋白质与其他小分子之间的相互作用检测分析蛋白质的一种芯片。

噬菌体技术：将目的基因克隆在丝状噬菌体衣壳蛋白的基因中，是外源基因产物与衣壳蛋白融合，伸展在噬菌体表面，可用来直接检测表达产物的某些活性。

蛋白质组：基因组表达的全部蛋白质及其存在方式。

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。

与其它化学试剂比较：（1）分子量非常大；（2）在机体内稳定；（3）专一性的优劣。

分子生物学的发展弥补了上述缺点，如定位突变、PCR使蛋白质可能工程化生产。

蛋白质设计（蛋白质的结构、功能预测）涉及多学科的交叉领域，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）基于天然蛋白质结构的分子设计；（2）蛋白质从头设计。

存在问题：与天然蛋白质比较：（1）缺乏结构独特性；（2）缺乏明显的功能优越性。

第一节基于天然蛋白质结构的分子设计一、概述蛋白质结构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．对要求的活性进行筛选。

2．对蛋白质进行表征，如测定序列、三维结构、稳定性及催化活性。

3．专一型突变产物。

4．计算机模拟。

5．蛋白质的三维结构。

在PDB中搜索，无纪录即进行X射线、NMR方法或预测并构建三维结构模型。

6．蛋白质结构与功能的关系。

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的确定。

（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）替换或加减残基对结构特征的影响。

2．能量优化和蛋白质动力学方法预测修饰后蛋白质的结构。

3．预测结构与原始蛋白质结构比较，预测新蛋白质性质。

上述设计工作完成后，再进行蛋白质合成或突变实验，分离、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，由氢键连接的二级结构单元组成。

蛋白质分子设计蛋白质分子设计是指通过人工设计方法来构建具有特定结构和功能的蛋白质分子。

蛋白质是生物体内最重要的分子之一，具有广泛的生物功能，包括催化反应、传递信号、结构支撑等。

通过蛋白质分子设计，可以实现对蛋白质结构和功能的精确控制，从而用于生物学研究、药物开发、材料科学等领域。

蛋白质分子设计的核心是通过合理的计算和模拟方法预测和优化蛋白质的结构和功能。

传统的蛋白质分子设计主要依赖实验手段，如X射线晶体学和核磁共振等技术来解析蛋白质结构，然后通过有限的突变实验获得特定功能的蛋白质。

近年来，随着计算机科学和生物信息学的发展，蛋白质分子设计领域涌现出许多计算模拟和算法模型，可以通过计算筛选和优化大量可能的蛋白质序列和结构，实现新型蛋白质分子的设计和构建。

蛋白质分子设计的方法包括构建和改造蛋白质的三维结构、设计特定功能的蛋白质以及改变蛋白质的稳定性和抗体性等。

常用的蛋白质分子设计方法包括角蛋白设计、限制酶编辑、蛋白质折叠和函数预测等。

此外，还有一些特殊的蛋白质分子设计技术，如蛋白质折叠速度的预测、蛋白质结构的稳定性和抗体性的设计等。

蛋白质分子设计在药物开发领域有着广泛的应用。

通过设计新型的蛋白质药物，可以针对特定的疾病靶点实现更高的选择性和效果，有助于提高药物疗效和减少副作用。

此外，蛋白质分子设计还可以用于改善传统药物的性质，如提高药物的溶解度、稳定性和口服吸收等。

蛋白质分子设计还在材料科学和能源领域有着广泛的应用，比如用于设计新型的光电材料和催化剂等。

尽管蛋白质分子设计领域取得了一定的进展，但仍然存在着一些挑战和限制。

蛋白质的结构和功能具有很高的复杂性，目前的计算模拟和算法模型还无法完全解决蛋白质分子设计的所有问题。

此外，蛋白质的折叠和反应过程涉及到许多非线性的物理化学过程，存在着计算复杂度和时间消耗的问题。

因此，蛋白质分子设计领域仍然需要进一步的研究和发展，以实现更准确和高效的蛋白质设计方法。

名解蛋白质工程：蛋白质工程是以蛋白质的结构与功能的关系研究为基础，利用基因工程技术对现存蛋白质加以改造，组建成新型蛋白质的现代生物技术。

蛋白质超二级结构：相邻的二级结构单元组合在一起，彼此相互作用，形成规则排列的组合体，以同一结构模式出现在不同的蛋白质中，这些组合体称为超二级结构，或结构模体。

结构域：指二级结构和结构模体以特定的方式组织连接，在蛋白质分子中形成两个或多个在空间上可以明显区分的三级折叠实体。

结构域是蛋白质折叠中的一个结构层次，介于超二级结构和三级结构之间，是蛋白质三级结构的基本单位，也是蛋白质功能的基本单位。

分子伴侣：是一类相互之间有关系的蛋白分子，能识别正在合成的多肽或部分折叠的多肽并与多肽的一定部位相结合，帮助这些多肽转运、折叠或组装，但其本身并不参与最终产物的形成。

定向进化：在实验室中模仿自然进化的关键步骤-突变、重组和筛选，在较短时间内完成漫长的自然进化过程，有效地改造蛋白质，使之适于人类的需要。

这种策略只针对特定蛋白质的特定性质，因而被称为定向进化。

第二遗传密码：氨基酸顺序与蛋白质三维结构之间存在着对应关系，人们称之为第二遗传密码或折叠密码。

蛋白质的化学修饰：凡通过活性基团的引入或去除，而使蛋白质一级结构发生改变的过程统称为蛋白质的化学修饰。

基因突变的概念：基因突变是指由于DNA碱基对的置换、增添或缺失而引起的基因结构的变化。

蛋白质组学：蛋白质组学定量检测蛋白质水平上的基因表达，从而揭示生物学行为(如疾病过程和药物效应)，以及基因表达调控的机制的学科。

双向电泳：是等电聚焦电泳和SDS-PAGE的组合，即先进行等电聚焦电泳（按照pI分离），然后再进行SDS-PAGE（按照分子大小），经染色得到的电泳图是个二维分布的蛋白质图。

蛋白质芯片：也叫蛋白质微阵列，是将大量蛋白质有规则地固定到某种介质载体上，利用蛋白质与蛋白质、酶与底物、蛋白质与其他小分子之间的相互作用检测分析蛋白质的一种芯片。

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。

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。

蛋白质的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 design）。

有关全新蛋白质设计的内容请参见文献，本文不赘述。

常见的蛋白质工程改造包括提高蛋白的热、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-功能关系研究等。

由于对蛋白质结构-功能关系的了解不够深入，成功的实例还不很多，因此更需要在蛋白质分子设计的方法学上开展深入研究。

蛋白质的分子设计可分为两个层次，一种是在已知立体结构基础上所进行的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工作，另一种是在未知立体结构的情形下借助于一级结构的序列信息及生物化学性质所进行的分子设计工作。

此处只探讨第一类分子设计，因为在利用三级结构信息的同时也运用了一级结构序列及有关生化信息，第一类的分子设计工作实际上已包含了第二类工作，而后者实际上是在不得已的情形下所进行的努力。

蛋白质分子设计的过程简单说来就是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达到目的。

一般的分子设计工作可以按以下五个步骤进行：（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对比、分析往往是一种有效的途径。