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1、1,第4节 蛋白质工程的崛起,2,一、蛋白质工程的崛起的缘由,1、基因工程产物 基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。,这些天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的,它们的结构和功能符合特定物种生存的需要,却不一定完全符合人类生产和生活的需要。,3,满足人类生产和生活的需要,2.例如：,改造,玉米中赖氨酸含量比较低,天冬氨酸激酶 （352位的苏氨酸）,二氢吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）,改造,改造,天冬氨酸激酶（异亮氨酸）,二氢吡啶二羧酸合成酶（异亮氨酸）,玉米中赖氨酸含量可提高数倍,4,3:工业用酶,许多工业用酶是在改变天然酶的特性后，才使之适应生产和使用需要的。,5,在已研究
2、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，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。这是因为工业生产中每一步的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，提高蛋白质的稳定性包括：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。,6,二、蛋白质工程的基本原理,1、蛋白质工程的目标P26,根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计。,2、天然蛋白质的合成过程,基因表达（转
3、录和翻译）形成氨基酸序列的多肽链形成具有高级结构的蛋白质行使生物功能,7,、蛋白质工程的基本途径,预期的蛋白质功能,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）,8,蛋白质工程与正常基因表达对比,9,4、蛋白质工程的概念,是指以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。,10,三、蛋白质工程的进展和前景,1、科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效型药品。,2、生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于微电子方面。,3、蛋白质工程目前成功的例子不多,原因是
4、对蛋白质的高级结构了解不够。但随着科学技术的深入发展，它将会给人类带来更多的福音。,11,旁栏思考题,你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程有什么关系？我国科学家承担了什么任务？,人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，生命科学乃至自然科学领域一项重大的科学命题。2001年，国际人类蛋白质组组织宣告成立。之后，该组织正式提出启动了两项重大国际合作行动：一项是由中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划”；另一项是以美国科学家牵头执行的“人类血浆蛋白质组计划”，由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。,12,“人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一个人类组织器官的蛋白质组计划，由我国贺福初院士牵头，这是
5、中国科学家第一次领衔的重大国际科研协作计划，总部设在北京，目前有16个国家和地区的80多个实验室报名参加。它的科学目标是揭示并确认肝脏的蛋白质，为重大肝病预防、诊断、治疗和新药研发的突破提供重要的科学基础。 人类蛋白质组计划的深入研究将是对蛋白质工程的有力推动和理论支持。,13,思考：对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？,应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质改造，主要原因如下： （1）任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造过的蛋白质可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无
6、法遗传的。 （2）对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作，难度要小得多。,14,讨论：某多肽链的一段氨基酸序列是：丙氨酸色氨酸赖氨酸甲硫氨酸苯丙氨酸,（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。,首先应该根据三联密码子推出mRNA序列，每种氨基酸都有对应的三联密码子，只要查一下遗传密码子表，就可以将上述氨基酸序列的编码序列查出来。再根据碱基互补配对规律推出脱氧核苷酸序列。但是由于上述氨基酸序列中有几个氨基酸是由多个三联密码子编码，因此其碱基排列组合起来就比较复杂，至少可以排列出16种。,15,GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C）,mRN
7、A序列,脱氧核苷酸序列,（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）？,确定目的基因的碱基序列后，就可以根据人类的需要改造它，通过人工合成的方法或从基因库中获取。,16,异想天开:能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应的基因，导入合适的细菌中，让细菌生产人类所需要的蛋白质食品呢？,理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。一些报道利用细菌生产人类需要的蛋白质往往都是自然界已经存在的蛋白质，并非完全是人工设计出来而自然不存在的蛋白质。主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对蛋白质的高级结构和在生物体内如何行使功能知之甚少，很难设计出一个崭新而又具有生命功能作用的蛋白
8、质，而且一个崭新的蛋白质会带来什么危害也是人们所担心的。,17,在基础理论研究方面，蛋白质工程是研究多种蛋白质的结构和功能、蛋白质折叠、蛋白质分子设计等一系列分子生物学基本问题的一种新型的、强有力的手段。通过对蛋白质工程的研究，可以深入地揭示生命现象的本质和生命活动的规律。,18,2.基因工程是遵循中心法则， 从DNAmRNA蛋白质折叠产生功能，基本上是生产出自然界已有的蛋白质。 蛋白质工程是按照以下思路进行的： 确定蛋白质的功能蛋白质应有的高级结构蛋白质应具备的折叠状态应有的氨基酸序列应有的碱基排列， 可以创造自然界不存在的蛋白质。,19,3.通常所说的酶工程是用工程菌生产酶制剂，而没有经过
9、由酶的功能来设计酶的分子结构，然后由酶的分子结构来确定相应基因的碱基序列等步骤。因此，酶工程的重点在于对已存酶的合理充分利用，而蛋白质工程的重点则在于对已存在的蛋白质分子的改造。当然，随着蛋白质工程的发展，其成果也会应用到酶工程中，使酶工程成为蛋白质工程的一部分。,20,蛋白质的结构,血红蛋白质的四级结构,血红蛋白分子就是由二个由141个氨基酸残基组成的亚基和二个由146个氨基酸残基组成的亚基按特定的接触和排列组成的一个球状蛋白质分子，每个亚基中各有一个含亚铁离子的血红素辅基。,返回,21,1.与“限制性内切酶”作用部位完全相同的酶是：（ ） A反转录酶 BRNA聚合酶 CDNA连接酶 D解旋
10、酶 2.除下列哪一项外，转基因工程的运载体必须具备的条件是：（ ） A能在宿主细胞中复制并保存 、B具有多个限制酶切点，以便与外源基因连接 C具有标记基因，便于进行筛选 D是环状形态的DNA分子,C,D,22,3.目的基因与运载体结合所需的条件是：（ ） 同一种限制酶 具有标记基因的质粒 RNA聚合酶 目的基因 DNA连接酶 四种脱氧核苷酸 ATP A B C D,D,23,4.能够使植物体表达动物蛋白的育种方法是（ ） A单倍体育种 B杂交育种 C基因工程育种 D多倍体育种 5.科学家用纳米技术制造出一种“生物导弹”，可以携带DNA分子。把它注射入组织中，可以通过细胞的内吞作用的方式进入细胞
11、内，DNA被释放出来，进入到细胞核内，最终整合到细胞染色体中，成为细胞基因组的一部分，DNA整合到细胞染色体中的过程，属于( ) A基因突变 B基因重组 C基因互换 D染色体变异,C,B,24,6.苏云金芽孢杆菌的抗虫基因导入棉花细胞是否已表达，其检测方法是：（ ） A是否有抗生素抗性 B是否能检测到标记基因 C是否有相应的性状 D是否能分离到目的基因,C,25,7.如果科学家通过转基因工程，成功地把一名女性血友病患者的造血干细胞进行改造，使其凝血功能恢复正常。那么，她后来所生的儿子中：（ ） A全部正常 B一半正常 C全部有病 D不能确定,C,26,8. 1987年，美国科学家将萤火虫的萤光
12、素基因转入烟草植物细胞，获得高水平的表达。长成的植物通体光亮，堪称自然界的奇迹。这一研究成果表明：（ ） 萤火虫与烟草植物的DNA结构基本相同 萤火虫与烟草植物共用一套遗传密码 烟草植物体内合成了萤光素 萤火虫和烟草植物合成蛋白质的方式基本相同 A和 B和 C和D,D,27,9. DNA探针能检测到标本上的：（ ） A遗传密码 B遗传信息 C蛋白质序列 D细胞结构 10.切取牛的生长激素和人的生长激素基因，用显微注射技术将它们分别注入小鼠的受精卵中，从而获得了“超级鼠”，此项技术遵循的原理是（ ） A基因突变：DNARNA蛋白质 B基因工程：RNARNA蛋白质 C细胞工程：DNARNA蛋白质
13、D基因工程：DNARNA蛋白质,B,D,28,11多聚酶链式反应（PCR）是一种体外迅速扩增DNA片段的技术。PCR过程一般经历下述三十多次循环：95下使模板DNA变性、解链55下复性（引物与DNA模板链结合）72下引物链延伸（形成新的脱氧核苷酸链）。下列有关PCR过程的叙述中不正确的是：（ ） A变性过程中破坏的是DNA分子内碱基对之间的氢键，也可利用解旋酶实现 B复性过程中引物与DNA模板链的结合是依靠碱基互补配对原则完成 C延伸过程中需要DNA聚合酶、ATP、四种核糖核苷酸 DPCR与细胞内DNA复制相比所需要酶的最适温度较高,C,29,12.蛋白质工程中直接需要进行操作的对象是（ ） A、氨基酸结构 B、蛋白质空间结构 C、肽链结构 D、基因结构,D,30,13. 蛋白质工程的基本操作程序正确是 （ ） 蛋白质分子结构合成 DNA合成 mRNA合成 蛋白质的预期功能 根据氨基酸的序列推出脱氧核苷酸的序列 A、 B、 C、 D、,C,
