第三章蛋白质的分子设计修改

蛋白质分子设计第一节分子设计概况第二节基于天然蛋白质结构的分子设计第三节全新蛋白质设计第四节计算蛋白质设计第五节基于结构的药物分子设计随着理论化学方法六十年来不断发展，加上近年来计算机技术突飞猛进，分子设计已经从炼金术士的梦想走上实际的研究和应用。世界最大的二十家药厂无一例外地运用分子设计的方法把药物筛选的范围缩小到原先的1/5到1/10。从电子结构出发，设计具有特殊性质的新材料、新化合物也开始走向现实。分子设计也称为分子建模(MolecularModeling)，目前已经成为有的外国大学化学系的课程。它包括理论化学方法和计算机化学方法。理论化学方法包括量子化学、统计热力学和非平衡统计力学等。第一节分子设计概况Molecularmodelingisatechniqueforderiving,representingandmanipulatingthestructuresandreactionsofmolecules,andthosepropertiesthataredependentonthesethreedimensionalstructures.■MolecularModeling的基本定义第一节分子设计概况“moleculargraphics“(分子制图法)or”molecularvisualizations”(分子造影术)“computationalchemistry”(计算化学)“computationalquantumchemistry”(计算量子化学)“theoreticalchemistry”(理论化学)“molecularsimulation”relatestheuseofmolecularmodelingtechniquestodescribingandunderstandingthestatisticalbehaviorandpropertiesofmoleculesona“macroscopic”scale.(分子模拟)“Moleculardynamics”dealswiththosetime-dependentpropertiesofmolecules,andusesmanyofthetechniquesofmoleculemodelingandstatisticalmechanics(统计力学).■MolecularModeling的别称第一节分子设计概况■AdvantagesofComputerModels第一节分子设计概况Geometricallyaccurate(onlylimitedbyknowledge)CapableofprecisemanipulationConformationalenergiesmaybecalculatedReadilysuperimposed(compareconformations,properties,volumes,etc)(容易叠加)Onemoleculemaybepositionedpreciselywithrespecttoasetofspacialrequirements(enzyme-substrate,activatedcomplex,etc)Easilyandconvenientlystored,edited,andduplicated■Typicalmodelingexercisescouldinvolve:第一节分子设计概况1.Predictionandvisualizationofshape/properties2.Comparisonofshape/properties3.Examination/predictionofmolecularinteractionsandreactions4.Investigationofunstableorexcitedmolecules5.Modelingofdynamicsystems(vibrations振动diffusion扩散,conformationalchanges,reactions)■分子设计常用软件第一节分子设计概况•免费显示软件Rasmol,Resin•化学分子显示及分子力学计算PCModelanonymousftp:ftp.ipc.pku.edu.cnunder:/pub/software/PCModel•分子设计软件包Tinker–Softwaretoolsformoleculardesign•Java-basedon-linebiomolecularmodelingpackage–B~nwhite/Biomer■ApplicationsofModeling第一节分子设计概况1.Newdrugs2.Chemicalsensorsandprobes3.Chromatographicagents色谱分析试剂4.Enzymes/Catalysts5.Stereoselectivesynthesis立体选择合成6.Pesticides7.Microelectronics8.Advancedmaterials…………………………■小结第一节分子设计概况分子设计历史–计算化学(量子化学,分子力学等)–结构化学(晶体学，谱学等)–计算机技术(计算数学，软硬件，数据库，图形学等)分子设计应用领域–药物设计(有机分子，多肽等)–材料设计(固体，表面，晶体，高分子等)–生物大分子设计(酶，蛋白质等)–其它(有机反应合成路线等)★分子设计只是一种工具，它不能代替实验手段，更不能取代科学家的思考。比如一个科学家要设计一种具有新的催化性质的酶，他必须了解催化过程及机理；了解蛋白质的结构化学、生物化学等多方面的知识。因此蛋白质设计的成功与否，必须要有理论与实验的紧密结合。蛋白质分子设计■蛋白质设计（即蛋白质的结构、功能预测）及结构与功能关系的研究非常必要蛋白质是一类非常有用的物质与化学试剂相比，蛋白质的分子量非常巨大，大多数不能通过化学方法生产专一性很强是蛋白质一大优点，但因此其应用范围却受到影响分子生物学的发展克服了上述缺点。特别是定位突变及PCR使得蛋白质可能工程化，但用随机方法从事蛋白质工程研究的效率非常低它涉及材料科学、化学、生物学、物理及计算机科学等。蛋白质设计涉及药物、食品工业用酶、污水处理、化学合成、疫苗、生物传感器等，设计的蛋白质不仅限于22种天然氨基酸，也可以包括非天然氨基酸以及有机/无机模板等。■蛋白质设计是多学科的交叉领域蛋白质分子设计■蛋白质设计的目的一是为蛋白质工程提供指导性信息；二是探索蛋白质的折叠机理。蛋白质设计分为基于天然蛋白质结构的分子设计及全新蛋白质设计或蛋白质从头设计(proteindenovodesign）。设计的蛋白质与天然蛋白质比较，缺乏结构的独特性及明显的功能优越性。所有设计的蛋白质有正确的形貌、显著的二级结构及合理的热力学稳定性，但一般说来它们三级结构的确定性较差■蛋白质设计目前存在的问题第二节基于天然蛋白质结构的分子设计即使蛋白质的三维结构已知，选择一个合适的突变体依然困难，这说明蛋白质设计任务的艰巨性，它涉及多种学科的配合，如计算机模拟专家、X射线晶体学家、蛋白质化学家、生物技术专家等的合作与配合。★1.蛋白质三维结构知识对于蛋白质工程绝对必要目前PDB(ProteinDataBank)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，则需要通过蛋白质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。■一、概述●在蛋白质设计开始之前，要对所要求的活性进行筛选●筛选以及纯化蛋白质需要进行细致的表征，测定它们的序列、三维结构、稳定性、催化活性等●专一性突变产物是蛋白质设计成败的关键●计算机模拟技术在蛋白质设计循环中占有重要位置。建立蛋白质三维结构模型，确立突变位点或区域以及预测突变后的蛋白质的结构与功能对蛋白质工程至关重要●在明确突变位点或蛋白质序列应改变的区域后，可以进行定位突变，但要得到具有预期结构与功能的蛋白质是不容易的，可能需要经过几轮的循环★2.蛋白质分子设计流程第二节基于天然蛋白质结构的分子设计第二节基于天然蛋白质结构的分子设计★3.蛋白质结构与功能的关系对于蛋白质工程及蛋白质分子设计都至关重要如果我们想改变蛋白质的性质，必须改变蛋白质的序列。Hartley等于1986年完成了一个我们所要的设计目标及解决的办法，如下表所示。该表至今仍有重要的参考价值。◆蛋白质设计的目标及解决办法第二节基于天然蛋白质结构的分子设计①从天然蛋白质的三维结构出发（实验测定或预测），利用计算机模拟技术确定突变位点及替换的氨基酸。这是非常关键的步骤，一般应注意几个问题。②利用能量优化及蛋白质动力学方法预测修饰后的蛋白质结构。③预测的结构与原始的蛋白质结构比较，利用蛋白质结构功能或结构稳定性相关知识及理论计算预测新蛋白质可能具有的性质。在上述设计工作完成后，要进行合成或突变实验并经分离、纯化及表征后得到所要求的新的蛋白质。★4.蛋白质突变体的设计步骤第二节基于天然蛋白质结构的分子设计①内核假设。所谓内核是指蛋白质在进化中保守的内部区域。在大多数清况，内核由氢键连接的二级结构单元组成。一个非常简单和有用的关于蛋白质折叠的假设是，假定蛋白质独特的折叠形式主要是由蛋白质内核中残基的相互作用所决定。②所有蛋白质内部都是密堆积（很少有空穴大到可以结合一个水分子或惰性气体），并且没有重叠。这个限制是由两个因素造成的。第一个因素是分子是从内部排出的，这是总疏水效应的一部分；第二个因素是由原子间的伦敦色散力所引起的，是由于短吸引力的优化。■二、蛋白质设计原理第二节基于天然蛋白质结构的分子设计③所有内部的氢键都是最大满足的（主链及侧链）。蛋白质的氢键形成涉及一个交换反应，溶剂键被蛋白质键所替代。随着溶剂键的断裂所带来的能量损失是由折叠状态的重组以及可能释放一个结合的水分子而引起的熵的增益来弥补。④疏水与亲水基团需要合理地分布在溶剂可及表面与不可及表面。这种分布代表了疏水效应的主要驱动力。这种分布的正确设计不是简单地使暴露残基亲水、使埋藏残基疏水。至少有两种原因使图像复杂化。首先，侧链不总是完全地亲水，例如赖氨酸有一个带电的胺基，但是连接到主链上的碳原子是疏水的。因此在建模过程中要在原子水平上区分侧链为疏水及亲水部分。第二，正确的分布是要安排少许疏水基团在表面，少许亲水基团在内部。■二、蛋白质设计原理第二节基于天然蛋白质结构的分子设计⑤在金属蛋白中，配位残基的替换要满足金属配位几何。这要求围绕金属中心放置合适数目的蛋白质侧链或溶剂分子，并符合正确的键长、键角以及整体的几何。⑥对于金属蛋白，围绕金属中心的第二壳层中的相互作用很重要。大部分配基含有多于一个与金属作用或形成氢键的基团。如果一个功能基团与金属结合，另几个功能基团可以自由地采取其他的相互作用方式。例如，组氨酸中的咪唑可以与Nε或者Nδ成键，另外可以形成氢键。总结金属蛋白的结构表明，这些第二基团总是参与围绕金属中心的氢键网络。氢键的第二壳层通常涉及与蛋白质主链的相互作用，有时也参与同侧链或水分子的相互作用。(这些相互作用起到两个作用。第一、符合蛋白质折叠的热力学要求；第二、这些氢键固定在空间的配位位置。)■二、蛋白质设计原理第二节基于天然蛋白质结构的分子设计⑦最优的氨基酸侧链几何排列。蛋白质中侧链构象是由空间两个立体因素所决定。首先侧链构象是由旋转每条链的立体势垒所决定，其择优构象可以通过实验统计测量，也可以由第一原理计算得到。第二个因素是由氨基酸在结构中的位置所决定。蛋白质内部的密堆