蛋白质从头设计

蛋白质从头设计成功地从头设计一个蛋白质或活性位点必须正确理解所有相关问题，尤其是理论及设计相当关键。由于设计的蛋白质是由一个算法(algorithm)、采用一组描述相互作用的参数而产生，因此在设计参数和蛋白质特性之间可以建立直接的实验联系。 (一)设计策略设计的一般策略是“设计循环”(designcycle)，就是理论设计和实验验证交互进行，逐步发展。首先由一个算法，基于某些理论和研究结果，设计出初始分子模型；然后实际构建这个分子，用各种手段分析，寻找成功或失败或不理想的原因；接着修改算法、参数、理论基础，改进模型，进行重新设计，如此循环反复。在这个过程中，复杂程度渐进提高，对蛋白质结构和功能的理解也逐渐深刻丰富起来。 (二)须考虑的相关因素具体设计中要考虑的因素较多，例如要正确选择二级结构倾向性的残基，正确布置适应目标结构的“二元模式"(binarypattern)。正确选择转角、帽结构以连接和终止螺旋，正确选择适应于堆积核心的疏水侧链。另外，还可以导人内部的极性作用，主要有二元模式、二级结构倾向性、互补堆积(complementarypacking)等。所谓二元模式指的是氨基酸的亲疏水性在编码结构中的作用。对残基的亲疏水性的考虑几乎是设计中的唯一标准，是最重要的因素。天然蛋白质折叠时，总是尽可能将疏水残基埋进内部，而将亲水残基暴露在表面。二元模式的作用可能主要在二级结构上发挥出来，二级结构具有周期性，沿主链残基的亲疏水性也是有周期性的，并与二级结构相适应。对已知结构数据库的统计分析表明，各种氨基酸在不同的二级结构中出现的频率是不同的，就是说各种氨基酸形成不同二级结构的倾向性是不同的，这就是所谓的二级结构倾向性。设计时应将合适的氨基酸安排在其倾向的二级结构中，特定的序列还可以成为某种二级结构的起始或终止信号。设计中还要考虑到“互补堆积”，即天然蛋白质核心中的侧链相互镶嵌地堆积在一起，几乎不留出什么空间。这种作用可使疏水作用尽量得大，又不至于引起拥挤。所以，对侧链的大小外形都是有一定要求的。尽管大多数极性侧链都是暴露在表面，而内部还有一些极性侧链构成盐桥或氢键网络。这些内部的盐桥或氢键网络并不能使蛋白质稳定，而是建立了一种构象特异性。对已知结构数据库的统计分析发现，内部的极性残基比在表面的极性残基要保守得多，不少成功的设计工作都是内部引入了有限的几个极性残基。成功的设计须仔细地考虑各种因素，但是目前人们对蛋白质结构并没有完全理解，每一条经验规律都存在着许多例外情况，所以有人也认为过细的考虑纯属多余。 (三)设计方法目前所有的算法都基于一种思路，首先选择某种主链骨架作为目标结构，随后固定骨架，寻找能够折叠成这种结构的氨基酸组合。这就是目前蛋白质从头设计具体步骤的主要两步，即所谓的“逆折叠”(inversefolding)方法。寻找目标组合的直接想法是穷举法，检查合适大小范围内的每种组合，选出正确的组合。但实际上，即使设计一个小肽，穷举法也几乎是不可能的。一条特定的肽链所能采取的构象的数目是极其巨大的。以相对较小的100个残基的肽链为例，由20个天然氨基酸组成，就有20100(大于10130)种可能性。如果每种可能合成一个分子，把这些分子放到一个盒子里，这个盒子会比数个宇宙还大!更何况每个残基位置上都可能有许多转子，这个组合数就太大了。解决的办法是先考虑“二元模式”和氨基酸的二级结构倾向性，各个位置上不是每个氨基酸都适合的，考虑到这些特性后，每个位置上就只有不多的氨基酸须进一步检验了。