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1、蛋白质工程,活动,1. 描述基因工程的操作步骤。,目的基因的获取 基因表达载体的构建 将目的基因导入受体细胞 目的基因的检测与鉴定,活动,活动,2. 讨论基因工程产生的蛋白质的特点。,基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。,蛋白质工程的崛起,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。,例如：,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）,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,以蛋白质分子的结构规律及其与生
2、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，以满足人类对生产和生活的需求。,前提：,原理：,目的：,了解蛋白质的结构和功能,改造基因(基因修饰或基因合成),定向改造或制造蛋白质,一、蛋白质工程的概念,蛋白质工程是指通过物理化学与生物化学等技术了解蛋白质的结构和功能，并借助计算机辅助设计、基因定点诱变和重组DNA技术改造基因，以定向改造天然蛋白质，甚至创造自然界不存在的蛋白质的技术。,实施蛋白质工程的前提条件,了解蛋白质的结构和功能的关系,X射线衍射仪,核磁共振仪器,蛋白质结构,天然蛋白质的合成途径：,蛋白质工程的途径：,氨基酸序列多肽链,蛋白质三维结
3、构,预期功能,二、蛋白质工程的基本原理,（1）从生物体中分离纯化目的蛋白； （2）测定其氨基酸序列； （3）借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段，尽可能 地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构;,（4）设计各种处理条件，了解蛋白质的结构变化， 包括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响； （5）设计编码该蛋白的基因改造方案，如点突变； （6）分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。,三、蛋白质工程的主要步骤,已知：某多肽链的一段氨基酸序列 -丙氨酸-色氨酸-赖氨酸-甲硫氨酸-苯丙氨酸-,各氨基酸的可能的密码子 丙氨酸：GCU、GCC、GCA、GCG 色氨酸：UGG 赖氨酸：AAA、AAG 甲硫氨酸：
4、AUG 苯丙氨酸：UUU、UUC,讨论： 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序列为：GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C） 再根据碱基互补配对规律推出脱氧核苷酸序列：CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）TACAAA（或G）。,讨论： 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）？,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。,蛋白质工程的实质,对编码蛋白质的基因进行改造,对蛋白质进行改造,基因定点诱变技术的示意图,基因定点诱变技术的理解,后代中半数为诱
5、变的分子,脱氧核苷酸,聚合酶和连接酶,含突变顺序的分子片段,空间结构完全清楚的蛋白质,思考：基因定点诱变技术与基因突变的比较,DNA复制过程中,产生新基因，从而产生新性状,生物体外,生物体内,定向改造,不定向性,PCR技术,物理化学方法,2、蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什么不同？,活动 比较基因工程和蛋白质工程,蛋白质工程的应用,酵母菌,丙糖磷酸异构酶,热稳定性提高50,工业生产上,鼠抗体,人抗体,嵌合抗体,制药领域上,蛋白质工程的进展与前景,蛋白质工程目前的现状：成功的例子不多，主要是因为蛋白质发挥其功能需要依赖于正确的空间结构，而科学家目前对大多数蛋白质的空间结构了解很少。,蛋
6、白质改造工程举例 1水蛭素改造 水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂，它有多种变异体，由65或66个氨基酸残基组成。水蛭素在临床上可作为抗栓药物用于治疗血栓疾病。为提高水蛭素活性，在综合各变异体结构特点的基础上提出改造水蛭素主要变异体HV2的设计方案，将47位的Asn（天冬酰胺）变成Lys（赖氨酸），使其与分子内第4或第5位Thr（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素N端肽段的正确取向，从而提高凝血效率，试管试验活性提高4倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高20倍。,2生长激素改造 生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机体的生长发育，然而它不仅可以结合生长激素受体，还可以结合许多种不同
7、类型细胞的催乳激素受体，引发其他生理过程。在治疗过程中为减少副作用，需使人的重组生长激素只与生长激素受体结合，尽可能减少与其他激素受体的结合。经研究发现，二者受体结合区有一部分重叠，但并不完全相同，有可能通过改造加以区别。由于人的生长激素和催乳激素受体结合需要锌离子参与作用，而它与生长激素受体结合则无需锌离子参与，于是考虑取代充当锌离子配基的氨基酸侧链，如第18和第21位His（组氨酸）和第17位Glu（谷氨酸）。实验结果与预先设想一致，但要开发作为临床用药还有大量的工作要做。,3胰岛素改造 天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体，延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了其降血糖作用，也增
8、加了抗原性，这是胰岛素B23-B28氨基酸残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基，则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速效胰岛素已通过临床实验。,4治癌酶的改造 癌症的基因治疗分二个方面：药物作用于癌细胞，特异性地抑制或杀死癌细胞；药物保护正常细胞免受化学药物的侵害，可以提高化学治疗的剂量。疱疹病毒（HSV）胸腺嘧啶激酶（TK）可以催化胸腺嘧啶和其它结构类似物磷酸化而使这些碱基3-OH缺乏,从而阻断DNA的合成，杀死癌细胞。HSVTK催化能力可以通过基因突变来提高。从大量的随机突变中进行筛选出一种酶,在酶活性部位附近有6个氨基酸被替换，催化能力20倍以上。 蛋白质工程的发展很快，研
9、究工作很多，以上仅介绍了几个例子。蛋白质工程除了用于改造天然蛋白质或设计制造新的蛋白质外，其本身还是研究蛋白质结构功能的一种强有力的工具，它在解决生物理论方面所起的作用，可以和任何重大的生物研究方法相提并论。,1. 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,练习：,1. 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,练习：,D,2. 下列关于蛋白质工程的说法错误的是（） A. 蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构，使之更加符合人类的需要 B. 蛋白质工程是
10、在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子的结构 C. 蛋白质工程能产生出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子 D. 蛋白质工程与基因工程密不可分，又被称为第二代基因工程,2. 下列关于蛋白质工程的说法错误的是（） A. 蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构，使之更加符合人类的需要 B. 蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子的结构 C. 蛋白质工程能产生出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子 D. 蛋白质工程与基因工程密不可分，又被称为第二代基因工程,B,3. 蛋白质工程的基本流程正确的是 （） 蛋白质分子结构设计DNA合成 预期蛋白质功能 根据氨基酸序列推出脱氧
11、核苷酸序列 A. B. C. D. ,3. 蛋白质工程的基本流程正确的是 （） 蛋白质分子结构设计DNA合成 预期蛋白质功能 根据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列 A. B. C. D. ,C,4. 蛋白质工程是在基因工程基础上，延伸出来的第二代基因工程，其结果产生的蛋白质是（） A. 氨基酸种类增多 B. 氨基酸种类减少 C. 仍为天然存在蛋白质 D. 可合成天然不存在蛋白质,4. 蛋白质工程是在基因工程基础上，延伸出来的第二代基因工程，其结果产生的蛋白质是（） A. 氨基酸种类增多 B. 氨基酸种类减少 C. 仍为天然存在蛋白质 D. 可合成天然不存在蛋白质,D,1.你知道人类蛋白质组计划吗？
12、它与蛋白质工程有什么关系？我国科学家承担了什么任务？,思考,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。2003年，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。,2. 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？,答：毫无疑问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
13、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法遗传的。 （2）对基因进行改造比对蛋白质直接进行改造要容易操作，难度要小得多。,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？,异想天开,理论讲可以，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。,
