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1、蛋白质工程的崛起蛋白质工程的崛起蛋白质工程的崛起一29张蛋白质工程就是为了生产出符合人蛋白质工程就是为了生产出符合人类生产和生活需要的蛋白质，甚至是类生产和生活需要的蛋白质，甚至是自然界不存在的蛋白质。自然界不存在的蛋白质。蛋白质工程的崛起一29张基因工程在原则上只能生产自然界已存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。定完全符合人类生产和生活的需要。一、蛋白质工程崛
2、起的缘由一、蛋白质工程崛起的缘由蛋白质工程的崛起一29张二、蛋白质工程的概念二、蛋白质工程的概念蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过基及其与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。生产和生活的需求。前提前提：原理原理：目的：目的：了解蛋白质的结构和功能了解蛋白质的结构和功能改造基因（基因修饰或基因合成）改造基因（基因修饰或基因合成）定向改造或制造蛋白质定向改造或制造蛋白质蛋白
3、质工程的崛起一29张 蛋白质的功能是蛋白质的功能是DNA决定的，那么要制决定的，那么要制造出新的蛋白质，就要改造造出新的蛋白质，就要改造DNA，所以蛋，所以蛋白质工程的原理应该是中心法则的逆推。白质工程的原理应该是中心法则的逆推。蛋白质工程的崛起一29张三、蛋白质工程的基本原理三、蛋白质工程的基本原理基因基因DNA氨基酸序列氨基酸序列多肽链多肽链蛋白质蛋白质三维结构三维结构预期功能预期功能生物功能生物功能mRNA转录转录翻译翻译折叠折叠DNA合成合成分子设计分子设计蛋白质工程的崛起一29张讨论：讨论：1、怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？、怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？ 请把相
4、应的碱基序列写出来。请把相应的碱基序列写出来。 某多肽链的一段氨基酸序列是：某多肽链的一段氨基酸序列是：-丙氨酸丙氨酸-色氨酸色氨酸-赖氨酸赖氨酸-甲硫氨酸甲硫氨酸-苯丙氨酸苯丙氨酸-丙氨酸：丙氨酸：GCU、GCC、GCA、GCG 色氨酸：色氨酸：UGG 赖氨酸：赖氨酸：AAA、AAG 甲硫氨酸：甲硫氨酸：AUG 苯丙氨酸：苯丙氨酸：UUU、UUC 蛋白质工程的崛起一29张每种氨基酸都有对应的三联密码子每种氨基酸都有对应的三联密码子,只要查一下遗传只要查一下遗传密码子表密码子表,就可以将上述氨基酸序列的编码序列查出就可以将上述氨基酸序列的编码序列查出来。但是由于上述氨基酸序列中有几个氨基酸是由
5、来。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多个三联密码子编码,因此其碱基排列组合起来就比因此其碱基排列组合起来就比较复杂较复杂,至少可以排列出至少可以排列出16种。同学们可以根据学过种。同学们可以根据学过的排列组合知识自己排列一下。首先应该根据三联的排列组合知识自己排列一下。首先应该根据三联密码子推出密码子推出mRNA序列为序列为GCU（或（或C或或A或或G）UGGAAA（或（或G）AUGUUU（或（或C），再根据），再根据碱基互补配对规律推出脱氧核苷酸序列：碱基互补配对规律推出脱氧核苷酸序列：CGA（或（或G或或T或或C）ACCTTT（或（或C）TACAAA（或（或G）。
6、）。蛋白质工程的崛起一29张基因定点诱变技术的常用方法是基因定点诱变技术的常用方法是PCR法。法。突变点：突变点：人工合成的引物上人工合成的引物上手段：手段：PCRPCR技术（定点突变试剂盒）技术（定点突变试剂盒）目的：目的：获得定点突变的基因获得定点突变的基因2、确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合、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（成或改造目的基因（DNA）？）？可以通过人工合成的方法获取或基因的定可以通过人工合成的方法获取或基因的定点诱变技术来改变。点诱变技术来改变。蛋白质工程的崛起一29张基因会发生突变，突变可以自发，也可以诱发，这是每个稍基因会发生突变，突变可以自
7、发，也可以诱发，这是每个稍有生物学知识的人都知道的常识。但在加拿大生物化学家有生物学知识的人都知道的常识。但在加拿大生物化学家M史密斯（史密斯（19322000）发明定点突变法之前，突变株的产）发明定点突变法之前，突变株的产生必须经由自然界或用化学等方法诱使基因体突变。这类方生必须经由自然界或用化学等方法诱使基因体突变。这类方法属于随机突变，突变株必须在生物性状上有所改变，才能法属于随机突变，突变株必须在生物性状上有所改变，才能确定有突变发生，但除非用分子生物方法或遗传方法找到此确定有突变发生，但除非用分子生物方法或遗传方法找到此突变处，否则无法确定突变位置。也就是说，这种突变是盲突变处，否则
8、无法确定突变位置。也就是说，这种突变是盲目的。而史密斯发明的定点突变法却是有目的的，该法可经目的。而史密斯发明的定点突变法却是有目的的，该法可经由设计好的寡核苷酸，在任何一个基因片段上进行随意或设由设计好的寡核苷酸，在任何一个基因片段上进行随意或设计好的突变，也就是说，这种突变是预先设定好的，所以也计好的突变，也就是说，这种突变是预先设定好的，所以也有人将该法称为有人将该法称为“反遗传法反遗传法”。有意思的是这一给生命科学研究及应用领域带来革命性有意思的是这一给生命科学研究及应用领域带来革命性突破的方法竟然是史密斯和其同事在喝咖啡时闲聊出来的。突破的方法竟然是史密斯和其同事在喝咖啡时闲聊出来的
9、。现在，几乎每个生物实验室都会用定点突变法来研究基因或现在，几乎每个生物实验室都会用定点突变法来研究基因或蛋白质的功能。蛋白质的功能。蛋白质工程的崛起一29张蛋白质工程的主要步骤通常包括：蛋白质工程的主要步骤通常包括：蛋白质工程的主要步骤通常包括：蛋白质工程的主要步骤通常包括：（1 1）从生物体中）从生物体中分离纯化分离纯化目的目的蛋白蛋白；（2 2）测定测定其氨基酸其氨基酸序列序列；（3 3）借借助助核核磁磁共共振振和和X X射射线线晶晶体体衍衍射射等等手手段段，尽尽可可能能地地了解了解蛋白质的二维重组和三维晶体蛋白质的二维重组和三维晶体结构结构; ;（4 4）设设计计各各种种处处理理条条件
10、件，了了解解蛋蛋白白质质的的结结构构变变化化，包包括括折叠与去折叠等折叠与去折叠等对其活性与功能的影响对其活性与功能的影响；（5 5）设计设计编码该蛋白的编码该蛋白的基因改造方案基因改造方案，如定点突变；，如定点突变；（6 6）分离、纯化新蛋白分离、纯化新蛋白，功能检测功能检测后投入实际使用。后投入实际使用。蛋白质工程的崛起一29张蛋白质工程的崛起一29张 蛋白质工程的实质对编码蛋白质的基因进行改造对编码蛋白质的基因进行改造蛋白质工程的崛起一29张（二）蛋白质改造工程举例（二）蛋白质改造工程举例1水蛭素改造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，水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑
11、制剂，它有多种变异体，由它有多种变异体，由65或或66个氨基酸残基组成。水个氨基酸残基组成。水蛭素在临床上可作为抗栓药物用于治疗血栓疾病。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础上提出改造水蛭素主要变异体HV2的设计方案，的设计方案，将将47位的位的Asn（天冬酰胺）变成（天冬酰胺）变成Lys（赖氨酸），（赖氨酸），使其与分子内第使其与分子内第4或第或第5位位Thr（苏氨酸）间形成氢（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素键来帮助水蛭素N端肽段的正确取向，从而提高抗端肽段的正确取向
12、，从而提高抗凝血效率，试管试验活性提高了凝血效率，试管试验活性提高了4倍，在动物模型倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高上检验抗血栓形成的效果，提高20倍。倍。蛋白质工程的崛起一29张2 2生长激素改造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类型细胞的催乳激素受体，引发其他生理过程。许多种不同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在治疗过程中为减少副作用，需使
13、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。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，如第的氨基酸侧链，如第1818和第和第2121位位HisHis（组
14、氨酸）和第（组氨酸）和第1717位位GluGlu（谷氨酸）。实验结果与预先设想一致，但要开发作（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。为临床用药还有大量的工作要做。蛋白质工程的崛起一29张3胰岛素改造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，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，也增加了抗原性，这是胰岛素降血糖作用，也增加了抗原性，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
15、可降低其聚合作用，使胰岛素改变这些残基，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。快速起作用。该速效胰岛素已通过临床实验。蛋白质工程的崛起一29张蛋白质工程的发展很快，研究工作很多，以上仅蛋白质工程的发展很快，研究工作很多，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理论方面所起的作用，可以和任何重大的
16、生物研究方法相提并论。方法相提并论。蛋白质工程的崛起一29张三、蛋白质工程的进展和前景三、蛋白质工程的进展和前景蛋白质工程汇集了当代分子生物学等学科的蛋白质工程汇集了当代分子生物学等学科的一些前沿领域的最新成就，它把核酸与蛋白质一些前沿领域的最新成就，它把核酸与蛋白质结合、蛋白质空间结构与生物功能结合起来研结合、蛋白质空间结构与生物功能结合起来研究。蛋白质工程将蛋白质与酶的研究推进到崭究。蛋白质工程将蛋白质与酶的研究推进到崭新的时代，为蛋白质和酶在工业、农业和医药新的时代，为蛋白质和酶在工业、农业和医药方面的应用开拓了诱人的前景。蛋白质工程开方面的应用开拓了诱人的前景。蛋白质工程开创了按照人类
17、意愿改造、创造符合人类需要的创了按照人类意愿改造、创造符合人类需要的蛋白质的新时期。蛋白质的新时期。蛋白质工程的崛起一29张1、蛋蛋白白质质工工程程中中直直接接需需要要进进行行操操作作的的对对象是（）象是（）氨基酸结构氨基酸结构B蛋白质空间结构蛋白质空间结构C肽链结构肽链结构D基因结构基因结构 练习：练习：蛋白质工程的崛起一29张2、 下下列列关关于于蛋蛋白白质质工工程程的的说说法法错错误误的的是是（ ）A蛋蛋白白质质工工程程能能定定向向改改造造蛋蛋白白质质分分子子的的结结构构，使之更加符合人类的需要使之更加符合人类的需要B蛋蛋白白质质工工程程是是在在分分子子水水平平上上对对蛋蛋白白质质分分子
18、子直接进行操作，定向改变分子的结构直接进行操作，定向改变分子的结构C蛋蛋白白质质工工程程能能产产生生出出自自然然界界中中不不曾曾存存在在过过的新型蛋白质分子的新型蛋白质分子D蛋蛋白白质质工工程程与与基基因因工工程程密密不不可可分分，又又被被称称为第二代基因工程为第二代基因工程蛋白质工程的崛起一29张3 3以以下下关关于于蛋蛋白白质质工工程程的的说说法法正正确确的的是是（）A A、蛋白质工程以基因工程为基础、蛋白质工程以基因工程为基础B B、蛋白质工程就是酶工程的延伸、蛋白质工程就是酶工程的延伸C C、蛋蛋白白质质工工程程就就是是用用蛋蛋白白酶酶对对蛋蛋白白质质进进行行改造改造D D、蛋白质工程
19、只能生产天然的蛋白质、蛋白质工程只能生产天然的蛋白质 蛋白质工程的崛起一29张4 4蛋白质工程的基本流程正确的是（）蛋白质工程的基本流程正确的是（）蛋蛋白白质质分分子子结结构构设设计计DNA合合成成预预期期蛋蛋白白质功能质功能根据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列根据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列ABCD蛋白质工程的崛起一29张5 5蛋蛋白白质质工工程程是是在在基基因因工工程程基基础础上上，延延伸伸出出来来的的第第二二代代基基因因工工程程，其其结结果果产产生生的的蛋蛋白白质是（）质是（）A氨基酸种类增多氨基酸种类增多B氨基酸种类减少氨基酸种类减少C仍为天然存在蛋白质仍为天然存在蛋白质D可合成天然不存在
20、蛋白质可合成天然不存在蛋白质蛋白质工程的崛起一29张1、你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程有、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？什么关系？我国科学家承担了什么任务？旁栏思考题旁栏思考题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。重大的科学命题。2001年，国际人类蛋白质组组织宣告成立。年，国际人类蛋白质组组织宣告成立。2003年，该年，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组织正式提出启动了两项重大国际合作行动：一项是
21、由中国科学家牵头执行的行的“人类肝脏蛋白质组计划人类肝脏蛋白质组计划”；另一项是以美国科学家牵头的；另一项是以美国科学家牵头的“人类血人类血将蛋白质组计划将蛋白质组计划”，由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。，由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。“人类肝脏蛋白质组计划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，这是中国科学家第一次领衔重大国际计划，由我国贺福初院士牵头，这是中国科学家第一次领衔重大国际科研协作计划，总部设在北京。它的科学目标是揭示并确认肝脏的蛋科研协作计划，总部设在北京。它的科学目标是揭示并确认肝脏的蛋白
22、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。学基础。随后，相继启动了由德国、瑞士、英国、加拿大和日本等国牵头的随后，相继启动了由德国、瑞士、英国、加拿大和日本等国牵头的各类蛋白质组计划。人类蛋白质组计划的深入研究将是对蛋白质工各类蛋白质组计划。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。程的有力推动和理论支持。蛋白质工程的崛起一29张2、对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对、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蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作
23、来实现？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，主要原因如下造，主要原因如下（1）、任何一种天然蛋白质都是由基因）、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。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）、对基因进行改造比对蛋白质直接进行改造要容
24、易操作，难度要小得多。作，难度要小得多。蛋白质工程的崛起一29张异想天开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？白质食品呢？理论讲可以，但目前还没有真正成功的例子。一理论讲可以，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且一个崭新的蛋白质会带来什么危害也是人们所担心的。担心的。蛋白质工程的崛起一29张再见蛋白质工程的崛起一29张蛋白质工程的崛起一29张
