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第一章 蛋白质结构基础1

第一节 蛋白质结构的基本组件1

一、20种天然常见氨基酸1

1 基本结构1

2 基本性质2

3 单一构型和旋转异构体6

二、肽单位和多肽链7

1 肽链和肽单位7

2 多肽链的构象8

三、α螺旋10

1 基本结构参数10

2 螺旋偶极子11

3 两亲性螺族12

4 倾向于形成α螺旋的氨基酸12

5 310螺旋和π螺旋12

四、β层13

1 β链13

2 平行β层和反平行β层13

五、环肽链15

1 回折15

2 β发夹18

3 环肽链的构象和优势氨基酸20

六、疏水内核20

第二节 蛋白质结构的组织和主要类型21

一、蛋白质结构的层次体系22

1 一级结构22

2 二级结构23

3 结构模体23

4 结构域26

5 三级结构28

6 四级结构28

二、蛋白质结构分类29

1 按结构域分类29

2 系统性分类30

三、三类主要蛋白质结构31

1 α型结构32

2 α/β型结构35

3 β型结构38

第三节 蛋白质结构的形成——多肽链的生物合成与折叠42

一、多肽链的生物合成43

1 遗传密码与基因43

2 编码信息的转录44

3 编码信息的翻译45

二、多肽链的折叠——蛋白质三维结构的形成45

1 蛋白质折叠的热力学基础46

2 蛋白质折叠的动力学因素47

3 帮助折叠的蛋白质和酶49

三、蛋白质结构与蛋白质工程51

1 从预期结构到适配序列——蛋白质工程的基本困难51

2 改变蛋白质结构的一些途径51

3 增加蛋白质稳定性的基本途径53

参考文献55

第二章 蛋白质分子设计56

第一节 基本天然蛋白质结构的分子结构57

一、概述57

二、蛋白质设计原理59

三、蛋白质设计中的结构-功能关系研究60

1 根据结构信息确定残基的突变61

2 其他实验方法鉴定功能残基62

3 利用蛋白质同源性鉴定功能残基63

四、天然蛋白质的剪裁64

第二节 全新蛋白质设计65

一、引言65

二、蛋白质结构的从头设计65

1 二级结构模块单元的自组装66

2 配体诱导组装72

3 通过共价交叉连接实现肽的自组装72

4 在合成模板上肽的组装73

5 线性多肽折叠为球状结构75

6 基于组合库的全新蛋白质设计77

三、蛋白质的功能设计79

1 通过反向似合天然蛋白质设计新的功能79

2 键合及催化的从头设计80

3 在全新蛋白质中引入结合位点80

4 催化活性蛋白质的设计82

5 膜蛋白及离子通道的设计82

6 新材料的设计84

第三节 计算蛋白质设计84

一、能量表达84

二、能量优化85

三、序列优化86

四、序列-结构专一性87

五、底物专一性设计87

六、金融结合位点的设计87

参考文献87

第三章 蛋白质的修饰和表达88

第一节 蛋白质修饰的化学途径88

一、功能基团的特异性修饰88

1 多位点取代88

2 单一的或限制性取代89

3 次级取代91

二、基于蛋白质片段的嵌合修饰92

1 嵌合蛋白质——非共价缔合系统92

2 二硫键与嵌合蛋白质的形成92

3 嵌合蛋白质——通过化学激活形成肽键93

4 嵌合蛋白质——通过酶连接反应形成肽键93

5 通过非肽键形成嵌合蛋白质94

第二节 蛋白质改造的分子生物学途径94

一、编码基因的专一性位点和区域性定向突变94

1 编码基因的专一性位点突变94

2 区域性定向突变101

二、基因融合和基因剪接102

1 利用基因融合技术表达外源基因的缘由102

2 基因融合的策略102

3 产生蛋白质分子嵌合体的方法103

4 蛋白质内含子介导的蛋白质分子间的链接104

三、tRNA介导定点搀入非天然氨基酸105

第三节 重组蛋白质的表达式105

一、目标蛋白质大大肠杆菌中的表达105

1 表达载体的一般特点106

2 与外源基因有效表达的相关因素108

3 改善表达水平及溶解性的方法111

二、目标蛋白质在酵母细胞中的表达112

1 有关酵母表达载体的复制、转录、筛选元件112

2 外源mRNA在酵母细胞中的翻译114

3 外源蛋白质在酵母中的分泌表达114

4 翻译后修饰115

三、重组蛋白质在哺乳动物细胞中的表达116

1 选择哺乳动物细胞表达体系的优点116

2 两个主要的哺乳动物细胞表达系统116

四、噬菌体显示119

1 关于表达载体119

2 噬菌体显示技术的操作120

3 噬菌体显示技术的应用121

参考文献121

第四章 突变蛋白质的物理化学性质分析123

第一节 蛋白质溶液的热力学123

一、热运动与蛋白质构象124

二、热力学函数与热力学平衡126

三、热容量128

四、van t Hoff焓129

五、折叠/退折叠转变129

六、量热法与折叠过程热力学131

第二节 蛋白质折叠动理学133

一、折叠动理研究技术134

二、两态动理136

三、过渡态138

1 折叠过程与过渡态138

2 对折叠过渡态的性质分析139

四、折叠中间态142

1 熔球态142

2 快态与慢态143

3 二硫键引起的中间态144

4 多结构域蛋白的折叠145

五、折叠的基本过程147

1 接触形成147

2 螺旋-锭环转变148

3 β发卡形成148

第三节 突变、稳定性和折叠149

一、热力学参数在分子水平上的解释150

1 静电相互作用150

2 范德华相互作用151

3 氢键152

4 疏水效应152

5 二硫键154

二、突变与热稳定性155

1 疏水突变156

2 氢键突变157

3 适应极端条件的突变体159

三、突变与折叠过程161

1 过渡态的突变分析161

2 突变对稳定性和折叠过程的影响164

参考文献165

第五章 天然和重组蛋白质结构测定166

第一节 X射线晶体结构分析166

一、概念——基本原理166

1 X射线166

2 X射线衍射167

3 周期函数和富里哀定理168

4 晶体169

5 天然和重组蛋白质X射线晶体结构分析的特殊性169

二、蛋白质结晶和晶体生长171

1 对原材料的要求172

2 晶体生长的生物化学条件173

3 晶体生长的物理条件173

4 技术和方法174

5 蛋白质晶体的鉴定174

三、衍射数据收集175

1 晶体的收集和处理175

2 X射线源的选择175

3 衍射线记录装置及其使用方法176

4 衍射数据收集的全自动化考虑177

四、确定位相178

1 数据的统一和还原178

2 同晶置换法179

3 分子置换法182

4 差值电子密度法183

5 多波长反常散射法183

6 全自动化数据处理和位相计算185

五、电子密度图诠释185

1 电子密度修饰185

2 分辨率186

3 分析电子密度图186

4 全自动化程序发展前景188

六、结构模型精化188

1 R因子188

2 限制性量小二乘修正189

3 全自动化软件189

4 结构模型表达189

参考文献190

第二节 核磁共振波谱的溶液结构解析190

一、概述——蛋白质溶液三级结构测定191

1 蛋白质的结构信息191

2 核磁共振的波谱信息192

3 由波谱参数提取蛋白质的结构信息193

4 由核磁共振数据计算蛋白质的三级结构196

二、基本的多维核磁共振实验198

1 二维同核（1H-1H）核磁共振实验199

2 二维异核（1H-15N/13C）核磁共振实验203

3 三维异核（1H-13C-15N）核磁共振实验205

4 四维异核（1H-13C-15N）核磁共振实验211

5 TROSY类型的多维核磁共振实验213

三、多维核磁共振波谱解析简介215

1 核磁共振谱峰的序列指认215

2 立体定向（stereospecific）指认217

3 NOE交叉峰的指认及峰强度的正确测定220

参考文献224

第三节 蛋白质结构预测225

一、蛋白质结构预测方法准确性的评估227

二、序列相似性对比227

三、蛋白质二级结构预测231

1 统计方法232

2 基于已有知识的预测方法（knowledge-based method）233

3 混合方法（hybrid system method）233

四、蛋白质三级结构预测234

五、蛋白质结构预测与药物设计236

六、蛋白质数据库237

1 核酸序列数据库237

2 蛋白质序列数据库237

3 蛋白质结构数据库（PDB）237

4 蛋白质二级结构数据库（DSSP）239

参考文献239

第六章 蛋白质工程在医药工业中的应用241

第一节 医用抗体的蛋白质工程242

一、抗体的产生和抗体的结构简介243

1 多肽构件的随机组合产生大量不同抗体243

2 抗原结合的特异性是由超可变结构域决定的243

3 恒定区的作用是稳定抗体分子244

4 稳定区介导效应器功能244

二、从抗血清到重组抗体244

三、抗体工程245

1 鼠-人嵌合抗体245

2 来自鼠抗体可变结构域的骨架区可被人源化246

3 抗体的三维结构可在计算机上建模247

第二节 组织纤维蛋白溶酶原激活因子的蛋白质工程248

一、有关重组t-PA248

二、产生t-PA突变体的基本原理248

三、t-PA蛋白质工程的几个方面249

1 减慢清除的t-PA变体249

2 血纤维特异性250

第三节 基于蛋白质结构的小分子药物设计251

一、用DOCK发现先导化合物252

二、Haloperidol衍生物对HIV-1 PR的抑制252

参考文献253

中西文名词对照254