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1、第七章 蛋白质工程和基于结构的药物设计,蛋白质工程是20世纪80年代初诞生的一个新兴生物技术领域。这一领域在医药卫生和工农业上具有广阔的应用前景，同时对分子生物学的基础理论研究提供了强有力的新手段。 20世纪80年代，结构生物学揭示了大量蛋白质分子的精确立体结构及其与复杂生物功能的关系，为设计改造天然蛋白质提供了蓝图。 同时分子遗传学发展了以定位诱变为中心的基因操作技术，为通过基因修饰改造蛋白质提供了工具。 以上两方面的融合，促成了蛋白质工程这一新兴生物技术领域的诞生。 近年来随着药物设计开发的需要，基于生物大分子结构知识的药物设计已成为药物开发的重要领域，由于这种设计途径在很大程度上与蛋白质
2、工程有着深刻和广泛的联系，因此往往在学术上与蛋白质工程一起讨论。,蛋白质工程,什么是蛋白质工程？ 蛋白质分子设计 蛋白质工程的应用 蛋白质工程目前的问题,什么是蛋白质工程？,蛋白质工程是以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础，通过分子设计和由设计结果所指导的基因修饰和基因合成，对天然蛋白质加以定向改造，构建并最终生产出性能比自然界存在的蛋白质更加优良、更加符合人类社会需要的新型蛋白质的学科领域。 通俗地说，蛋白质工程就是对自然界存在的蛋白质加以改造，或者制造结构和性能全新的蛋白质。,蛋白质工程研究的基本途径,蛋白质 分子设计,结构测定、 结构功能关 系研究,期望的 结构,氨基酸 序列
3、,DNA 序列,基因工程： 克隆和表达,蛋白质 纯化,功能分析,天然蛋白质分子的三维结构及其与生物功能的关系是蛋白质工程的基础和蓝图 蛋白质分子设计为蛋白质工程的实施提供设计方案,预期功能,新蛋白质,蛋白质分子设计,利用计算机模拟技术设计突变蛋白质或全新蛋白质以获得预期的结构和功能。 基于天然蛋白质结构的分子设计 目的：优化蛋白质的性能，改善它们的药效动力学性质等 步骤： 从天然蛋白质的三维结构（实验测定或预测）出发，利用计算机模拟技术确定突变位点及替换的氨基酸。 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。 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
4、识及理论计算预测新蛋白质可能具有的性质。 全新蛋白质设计或蛋白质从头设计 目的： 合成具有新奇的结构和功能的蛋白质 探索蛋白质的折叠机理反折叠研究,突变蛋白质设计中常用同源模建方法预测突变蛋白质的结构,Helices-conserved,Sheets-conserved,Loops, coils-variable,1987年美国杜邦公司的DeCrado 等人设计了一个74个残基的非天 然蛋白质，它具有期望的4股a 螺旋结构。 Helix: -GELEELLKKLKELLKG- Loop: -PRR- A: 16个残基的肽形成的四聚体 B: 32个残基的肽形成的二聚体 C: 74残基的蛋白质形成
5、四螺旋束,蛋白质工程的应用,医药卫生领域 胰岛素的蛋白质工程：长效胰岛素 天花粉的蛋白质工程：克服毒副作用 抗体的人源化：消除过敏反应 工农业领域 凝乳酶：乳制品生产 枯草杆菌蛋白酶：洗衣粉添加剂 菌紫质（BR）：新一代计算机的分子电子材料,蛋白质工程目前的问题,蛋白质分子设计的准确性有待提高 蛋白质分子的折叠密码尚未破译，目前还不能从氨基酸序列精确地预测三维结构 设计的蛋白质与天然蛋白质比较，缺乏结构的独特性和明显的功能优越性，目前还没有通过蛋白质设计得到所希望的有重要应用价值的新蛋白质。 蛋白质类药物自身有很多缺点 易分解性 免疫副反应 难以穿透细胞膜 因此目前相当大的注意力从蛋白质工程开
6、始转向非蛋白质工程，即利用蛋白质工程的技术来开发非蛋白类的小分子药物。药物设计与蛋白质工程已经出现了一种融合的趋势。,基于结构的药物设计,基于结构的药物设计是结构生物学最直接的医学应用，在制药工业上有广阔的应用前景。 什么是基于结构的药物设计？ 药物与靶标分子的对接及需考虑的问题 一种治疗AIDS的药物HIV蛋白酶抑制剂的设计开发 “超阿斯匹林”药物的设计开发,什么是基于结构的药物设计？,传统的药物开发方式：,天然产物,化学合成物,大量的实验筛选过程,先导化合物,先导化合物的优化,预临床研究,临床试验（一期，二期，三期）,上市的新药,筛选1.52万种化合物，花费1015年时间，耗资35亿美元,
7、先导化合物：制药学研究人员用来作为一种药物的基础的化合物，通常是小分子。它表现出一些期望的生物活性，但还不能作为药物使用，它必须被化学修改以改进药效和其他药物性质，才能成为安全有效的药物。 基于结构的药物设计的发展 结构生物学的发展，使相当数量的生物大分子的三维结构已被测定，这些生物大分子很多是药物作用的靶标 药物靶标是药物在体内所作用的对象分子，这些分子往往是蛋白质或核酸，它们通常来自病毒或细菌，或者是一种异常的人体蛋白质 基于结构的药物设计就是充分利用靶标分子的详细的三维结构来开发药物的方法,目前500个药物的靶标 人类基因组计划预计将产生100,000个蛋白质，其中预期会发现5000个新
8、的药物靶标,蛋白质/多肽 95%,只有少数靶标的结构是已知的,基于结构的药物设计的过程,计算机图形学及理论计算进行药物设计,新化合物合成,药效测定,临床实验,没有预期药效,有预期药效,先导化合物的改造 以改进药效和其他 药物性质,靶标分子的三维结构模型,靶标的发现与鉴定,疾病的分子生物学研究,先导化合物,可上市的 新药物,预临床研究,基于结构的药物设计与传统药物开发方式的比较 传统方式：药物靶标结构未知，需要盲目的筛选大量的化合物，非常耗资、耗时。 基于结构的药物设计：靶标分子的三维结构已知，通过使用分子建模软件，可以理性地设计药物分子，大大减少了实验筛选的数量，节约了开发时间和开发资金。（1
9、215年46年） 靶标分子的类型 酶 抗体 致癌基因或抑癌基因表达产物 细胞表面受体 转录因子 原则上，只要是具有生物功能又已知结构的生物大分子，都可以设计与之互补的小分子来调节它们的生物功能。,药物与靶标分子的对接,药物与靶标分子的相互作用模型 锁钥模型 知道“锁”（靶标）的 结构后，我们就可以 设计钥匙（药物）的 结构。,药物与靶标的对接是在计算机上使用软件进行的，通过对接软件可以实现高通量的筛选,一种治疗AIDS的药物HIV蛋白酶抑制剂的设计开发,AIDS和AIDS病毒 AIDS： 1981年发现艾滋病 正式称谓：获得性免疫缺陷综合症 病因：由人类免疫缺陷病毒（HIV）引起 AIDS病毒
10、： HIV是一种逆转录病毒， 携带的遗传物质是RNA。,HIV的生命史,6.4.2 HIV蛋白酶抑制剂的设计和开发 靶标分子HIV蛋白酶的三维结构 1989年，测定了HIV蛋白酶的晶体结构。,HIV蛋白酶抑制剂的设计开发,Abbott公司的 设计方案：,Hoffman-LaRoche实验室：InviraseTM Merch和Co.公司：Crixivan,从1988年HIV蛋白酶被鉴定为药物靶标到 1996年早期，只花了不到8年的时间就在 市场上生产销售了3种药物。,6.4.3 HIV蛋白酶抑制剂的疗效和意义 1995年10月到1996年3月，美国食品药物管理局批准了头三种HIV蛋白酶抑制剂药物
11、。 HIV蛋白酶抑制剂没有成为很多人曾经希望的特效药，但它们还是代表了抗病毒疗法的巨大成功。 现在，蛋白酶抑制剂常常与其他抗HIV药物一起使用，产生一种“鸡尾酒组合”，对于清除病毒它比任何单独的药物更加有效。 意义：HIV蛋白酶抑制剂的开发成功是结构生物学能够改进传统药物开发的典型实例。它表明：从一些关于结构和理性药物设计的观念出发，你能够提出有潜力的药物，它按照预测的方式发挥功能。,6.4.4 未来的希望 HIV的抗药性是怎样产生的？,对抗药性的对治 科学家已经鉴定了HIV蛋白酶的数十个抗药性突变，如图所示。 一些研究人员现在在研制新一代的HIV蛋白酶抑制剂 能专一性地结合突变氨基酸的药物
12、能专一性地作用于对酶的功能很重要的氨基酸的药物 更有效力、更方便服用、更少副作用的药物,用“超阿斯匹林”治疗关节炎,类风湿性关节炎的病症 治疗关节炎的传统药物及其特点 非类固醇的抗炎症药物（NSAIDs）：阿斯匹林、布洛芬等。 NSAIDs具有副作用，会造成胃肠器官的损伤，包括引起出血性溃疡。,传统药物的作用机制 NSAIDs阻断两个紧密相关的环氧化酶的活动，这两个酶记为：COX-1和COX-2。 COX-2酶能激活引起炎症的分子和一个免疫反应，阻断它的活性后，NSAIDs就能减轻关节炎的炎症和疼痛。 COX-1酶能产生前列腺素，后者能保护胃的粘膜层不被消化酸腐蚀。阻断它的活性后，就引起溃疡。 一种“超阿斯匹林”药物Celebrex的开发 所谓“超阿斯匹林”药物：是指既保留NSAIDs的抗炎症性质又没有引起溃疡的副作用的药物。 要开发“超阿斯匹林”药物，就需要开发能关闭COX-2但不关闭COX-1的新药。Searle公司成功地开发了这样的一种药物：Celebrex。 Celebrex不是利用基于结构的药物设计方法开发的，而是用传统的药物化学方法筛选到的。,COX酶的三维结构和Celebrex的有效性 两种COX酶的三维结构的差异说明了为什么Celebrex能关闭COX-2但不关闭COX-1。 COX酶的结构还有助于设计新的、第二代和第三代药物。,