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1、第三节第三节 蛋白质工程蛋白质工程 1 简述蛋白质工程 2 举例说出蛋白质工程的应用 一 蛋白质的分子设计 1 蛋白质工程的概念 蛋白质工程就是根据蛋白质的精细结构和生物活性之间的关系 按照人类自身的需要 利用生物技术手段对蛋白质的 DNA 编码序列或直接对蛋白质进行有目的的改造 从而创造 出自然界本不存在的 具有优良特性的蛋白质分子 2 蛋白质工程的基础 蛋白质工程的基础是基因工程 所以蛋白质工程又叫第二代基因工程 思考 通过基因工程生产的蛋白质是自然界已有的 能不能想办法让生物产生前所未 有的 符合人们需要的蛋白质 提示 通过蛋白质工程可获得自然界不存在的 符合人们需的蛋白质 3 蛋白质的
2、分子设计方法 1 小范围改造 对已知结构的蛋白质进行少数氨基酸的替换 从而改善蛋白质的性 质和功能 2 拼接组装 对不同来源的蛋白质进行拼接组装 期望转移相应的功能 例如 将 编码一种蛋白质的部分基因移植到另一种基因上 经过基因表达 产生新的融合蛋白质 3 蛋白质从头设计 从氨基酸的排列顺序出发 设计制造出自然界不存在的全新蛋 白质 使之具有特定的空间结构和预期功能 二 蛋白质工程的应用 1 提高蛋白质的稳定性 对编码 T4溶菌酶的基因进行改造 将 T4溶菌酶第 3 位上的异亮氨酸改成半胱氨酸 使 T4溶菌酶获得了较强的耐热特征 2 改变蛋白质的活性 对 t PA 进行改造后 进入血浆后不与纤
3、溶酶原激活剂抑制物结合形成复合物 不失 去活性 3 合成嵌合抗体 保留鼠单克隆抗体的可变区 用人抗体的恒定区替换鼠单克隆抗体的恒定区 这种嵌 合抗体在人体内抗原性显著下降 抗体的特异识别功能没有丧失 思考 利用蛋白质工程改造或者设计制造出的人工蛋白质有哪些优点 提示 人工蛋白在活性 稳定性及抗原性等方面都优于天然蛋白质 1 蛋白质工程与基因工程的比较 蛋白质工程基因工程 蛋白质 合成自然界不存在的蛋白 质 合成天然存在的 蛋白质 实质改造基因 将目的基因从供 体生物转移到受 体生物 并在受 体生物中表达 操作程 序基本 确定蛋白质功能 设计预 期蛋白质结构 推测氨基 遵循中心法则 DNA mR
4、NA 蛋白 思路酸序列 找到对应的脱氧 核苷酸序列 人工合成目 的基因具有 转录 翻译 相应生物功能的蛋白质 质 产生生物活 性 应用及 现状 主要集中在对现有蛋白质 进行改造方面 目前真正 成功的例子较少 原因是 蛋白质的高级结构非常复 杂 人们对此知之甚少 已被广泛应用 转基因植物 动 物以及药品生产 等已商业化 但 基因治疗仅处于 临床试验阶段 二者都属于分子水平上的操作 蛋白质工程的本质是通过改造基因进而形成自然界不存在的蛋白质 所以被形象地 称为第二代基因工程 2 蛋白质工程是应怎样的需求而崛起的 在已研究过的几千种酶中 只有极少数可以应用于工业生产 绝大多数酶都不能应用 于工业生产
5、 这些酶虽然在自然状态下有活性 但在工业生产中没有活性或活性很低 这 是因为在工业生产的每一步反应体系中常常会有酸 碱或有机溶剂存在 反应温度较高 在这种条件下 大多数酶会很快变性失活 提高蛋白质的稳定性是工业生产中一个非常重 要的课题 一般来说 提高蛋白质稳定性的措施包括 延长酶的半衰期 提高酶的热稳定 性 延长药用蛋白的保存期 抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性丧失等 蛋白质工程的崛起主要是工业生产和基础理论研究的需要 而结构生物学对大量蛋白 质分子的精确立体结构及其复杂的生物功能的分析结果 为设计改造天然蛋白质提供了蓝 图 分子遗传学的以定点突变为中心的基因操作技术为蛋白质工程提供了手段
6、题型一 设计蛋白质结构 例 1 某多肽链的一段氨基酸序列是 甲硫氨酸 色氨酸 苯丙氨酸 色氨 酸 1 怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列 请把相应的碱基序列写出来 2 确定目的基因的碱基序列后 怎样才能合成或改造目的基因 DNA 解析 解析 蛋白质工程就是通过生物技术手段来研究 确定和改造蛋白质构造 以完善其 功能 有目的地制备特定的蛋白质 由氨基酸序列知 翻译该蛋白质的 mRNA 的碱基序列 为 AUGUGGUUUUGG 或 AUGUGGUUCUGG 由 mRNA 的碱基序列可知转录产生 mRNA 的 DNA 分子的碱基序列 答案 答案 1 根据氨基酸序列反推 mRNA 碱基序列 再反推
7、 DNA 上碱基序列 其 DNA 碱 基序列为 或 2 根据 DNA 的碱基序列或改造后的 DNA 的碱基序列 利用四种脱氧核苷酸进行人工 合成 反思领悟 反思领悟 蛋白质的分子设计可以分成三类 小范围改造 对不同来源的蛋白质 进行拼接组装 从头设计蛋白质 制造出自然界不存在的全新蛋白质 题型二 蛋白质工程的应用 例 2 干扰素是动物体内的一种蛋白质 可以用来治疗病毒的感染和癌症 但在体外 保存相当困难 科学家发现将干扰素的一个半胱氨酸变成丝氨酸 其在 70 的条件下可 以保存半年 你来设想一下 能不能让动物生产能够长期储存的干扰素 采用什么方法 解析 解析 根据题意 已知干扰素的氨基酸序列
8、再把干扰素的半胱氨酸换成丝氨酸 反 推 mRNA 的碱基序列 再反推 DNA 的碱基序列 然后进行基因改造 将改造后的基因导入动 物细胞 就能生产在 70 条件下能保存半年的干扰素 答案 答案 能让动物生产在 70 条件下能保存半年的干扰素 采用的方法是用干扰素的 氨基酸的序列反推 mRNA 的碱基序列 再反推 DNA 的碱基序列 然后进行基因改造 将改造 后的基因导入动物细胞 就能生产能长期储存的干扰素 反思领悟 反思领悟 改造蛋白质结构应从根本上改变基因结构 因为基因能够控制蛋白质的合 成 1 下面关于基因工程和蛋白质工程的叙述正确的是 A 蛋白质工程就是基因工程 B 蛋白质工程利用了基因
9、工程技术手段 C 蛋白质工程生产的都是自然界存在的蛋白质 D 基因工程和蛋白质工程之间没有任何联系 解析 解析 蛋白质工程就是根据蛋白质的精细结构与功能之间的关系 利用基因工程的手 段 按照人类自身的需要 定向地改造天然的蛋白质 甚至创造新的 自然界本不存在的 具有优良特性的蛋白质分子 蛋白质工程与基因工程密不可分 答案 答案 B 2 蛋白质工程的产物是 A 天然蛋白质 B 改造过的蛋白质或新的蛋白质 C 改造过的蛋白质 D 新的蛋白质 答案 答案 B 3 蛋白质工程在实施中最大的难题是 A 生产的蛋白质无法应用 B 发展前景太窄 C 对于大多数蛋白质的高级结构不清楚 D 无法人工合成目的基因 答案 答案 C 4 蛋白质工程的基本途径是 预期蛋白质的功能 推测应有的氨基酸序列 表达 转录和翻译 找到相 对应的脱氧核苷酸序列 基因 形成预期功能的蛋白质 设计预期的蛋白质结构 A B C D 解析 解析 蛋白质工程的基本途径 从预期的蛋白质功能出发 设计预期的蛋白质结构 推测应有的氨基酸序列 找到相对应的脱氧核苷酸序列 基因 表达 转录和翻译 形成预期功能的蛋白质 答案 答案 C
