第二卷 化學與生命科學 第七章 蛋白質的結構預測和分子設計
1.蛋白質結構預測和分子設計的必要性
蛋白質所具有的功能在很大程度上取決於其空間結構，因此對於蛋白質空間結構的研究在蛋白質工程中有著極其重要的意義。X射線晶體學方法是至今為止研究蛋白質結構最有效的方法，所能達到的精度是任何其他方法所不能比擬的，它的缺點是蛋白質的晶體難以培養，晶體結構測定的周期較長。近年發展起來的多維核磁共振方法可以直接測定蛋白質在溶液中的構象，但是由於對樣品的需要量大、純度要求高，被測定的蛋白質的分子量一般不超過20000等原因，也受到很大限製。相比之下，蛋白質氨基酸序列被測定的數目由於DNA測序的實現而高速增長，生物工程的發展又迫切需要從結構上來認識所研究的對象，從而更有目的地對蛋白質進行改造。對蛋白質結構的研究是現代分子生物學的基礎之一，可以說分子生物學所進行的一切研究都離不開結構信息做指導。因而迫切需要一種不依賴晶體培養、迅速、簡便易行的測定蛋白質結構的方法。利用蛋白質的一級結構所提供的氨基酸序列信息來進行高級結構預測的方法就是應這種需要而發展起來的。
實驗表明某些蛋白質在體外的一定條件下解聚失活後可以自動折疊而恢複其原有高級結構與活性，這也就意味著蛋白質的氨基酸序列及環境決定其三維構象。C.B.Anfinsen等人早在1961年就指出了這一點。雖然近年來對蛋白質在體內折疊過程的研究發現體內有"分子伴侶"參與其過程，但"分子伴侶"在蛋白質分子伸展與折疊過程中可能隻是起到了消除不正確折疊與促成正確折疊的作用，或者隻是起到了穩定折疊中間體的作用，有關蛋白質高級結構的信息仍全部包含在其一級結構中。蛋白質的一級結構決定高級結構這一論點，仍然是進行蛋白質結構預測的理論基礎。
2.蛋白質結構預測的有關手段
蛋白質的結構預測是目前分子生物學研究中迫切需要解決的問題。已有許多科學家致力於這方麵的工作。北京大學化學係結構化學實驗室在這方麵也開展了不少工作，但由於蛋白質結構的複雜性，至今尚未有人找到類似於DNA與蛋白質序列對應關係的密碼子。目前的結構預測工作還是基於對已知蛋白質結構規律的總結、吸收、利用，即所謂的"基於結構知識的蛋白質結構預測"（Knowledge-Based Protein Modeling）。蛋白質結構預測研究的發展大體可分為兩個階段。
第一階段屬於對蛋白質空間結構進行消化的階段 隨著蛋白質晶體結構數據的積累，人們對於蛋白質的空間結構進行了大量的研究和分析，得出了許多經驗規律。例如，蛋白質的結構可分為4類：α，β，α/β，α+β；典型β蛋白質的結構由2個β折疊片構成，疏水殘基側鏈伸向2個β片的內部而構成疏水性核心；典型α蛋白的結構有α螺旋束等；α+β類蛋白的結構則是由2個平行的β折疊與1個α-螺旋構成的結構單元而形成的；β-轉角（β-turn）可以分為Ⅰ、Ⅰ′、Ⅱ、Ⅱ′、343Ⅲ等類型，這就使得人們對蛋白質的高級結構有了較為深入的認識。這方麵的工作在蛋白質晶體學發展的初期就開始了，現在仍在繼續。隨著新蛋白質晶體結構的測定以及對原有數據更深入的分析，不斷有新的結構類型被發現，對蛋白質結構規律的認識也將更加深入。同時也有人對已有的晶體結構數據進行了統計處理，發展了從蛋白質的一級結構預測其二級結構的方法。在以後的20多年中關於二級結構預測的方法又有了不少發展，但總的來說準確度均不超過65%，成為蛋白質空間結構預測的一個製約條件。
第二階段主要是試圖利用理論計算的方法得到蛋白質的高級結構模型分子力學方法在處理小分子體係上的成功運用，激勵著人們開始將其應用到蛋白質及核酸體係中，所根據的基本原理是蛋白質的活性構象對應於體係自由能最小的狀態，在某種條件下也可認為是能量最小的狀態。但由於蛋白質體係龐大，可變參數繁多，數學處理上的整體極小問題難以解決，所以無論是能量優化方法還是以後發展起來的分子動力學方法都無法從理論上解決使蛋白質折疊成正確構象的問題，隻能進行在已有大體正確的結構參數後的局部結構優化或動力學模擬。利用理論計算方法直接從一級結構得出蛋白質的空間結構的努力就目前的情況來看還有很大的困難。