《蛋白质工程的崛起新》由会员分享，可在线阅读，更多相关《蛋白质工程的崛起新（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、基因工程基因工程的成果的成果 基因工程在原则上基因工程在原则上只能生产只能生产自然界已存在的蛋白质。自然界已存在的蛋白质。 这些蛋白质的结构和功能符合这些蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完特定物种生存的需要，却不一定完全符合全符合人类生产和生活人类生产和生活的需要。的需要。 基因工程的局限性：基因工程的局限性：阅读阅读P26P26第二段思考：第二段思考：科学家在干扰素的保存和科学家在干扰素的保存和玉米的赖氨酸玉米的赖氨酸的产量的产量上面临什么样的问题？如何解决上面临什么样的问题？如何解决这些问题？这些问题？一、蛋白质工程崛起的缘由一、蛋白质工程崛起的缘由蛋白质功能蛋白质功能不
2、能满足需求不能满足需求解决：改变蛋白质的解决：改变蛋白质的结构结构改造方案：改造方案：改造改造干扰素（半胱氨酸）干扰素（半胱氨酸）体外很难保存体外很难保存干扰素（丝氨酸）干扰素（丝氨酸）体外可以保存体外可以保存半年半年玉米中赖氨酸含量比较低玉米中赖氨酸含量比较低天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶（352352位的苏氨酸）位的苏氨酸）二氢吡啶二羧酸合成酶二氢吡啶二羧酸合成酶（104104位的天冬酰胺）位的天冬酰胺）天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶（异亮氨酸）（异亮氨酸）二氢吡啶二羧酸合成酶二氢吡啶二羧酸合成酶（异亮氨酸）（异亮氨酸）玉米中赖氨酸含量可提高玉米中赖氨酸含量可提高数倍数倍改造改造改造改造问题：如何对天
3、然问题：如何对天然蛋白质的结构蛋白质的结构进行改造？进行改造？(你认为你认为直接对蛋白质分子直接对蛋白质分子进行操作，还是通过进行操作，还是通过对对基因的操作基因的操作来实现？能否说出你的理由？来实现？能否说出你的理由？)答：毫无疑问应该从答：毫无疑问应该从对基因的操作对基因的操作来实现对来实现对天然蛋白质改造，主要原因如下：天然蛋白质改造，主要原因如下：（1）任何一种天然）任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，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。如果对蛋白质造过的蛋白质可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造，
4、即使改造成功，被改造过的蛋白直接改造，即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传的。质分子还是无法遗传的。（基因改造（基因改造可遗传；可遗传； 蛋白质改造蛋白质改造不可遗传）不可遗传）（2）对基因进行改造比对蛋白质直接改造要）对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作，容易操作，难度要小得多。难度要小得多。1、蛋白质工程的、蛋白质工程的途径途径预期蛋白质预期蛋白质功能功能设计预期的蛋白质设计预期的蛋白质结构结构推测应有的推测应有的氨基酸序列氨基酸序列找到相应的找到相应的脱氧核苷酸序脱氧核苷酸序列列(得到相应目的基因得到相应目的基因)基因基因DNADNA氨基酸序列氨基酸序列多肽链多肽链蛋白质
5、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mRNAmRNA转录转录翻译翻译折叠折叠DNADNA合成合成分子设计分子设计-中心法则的逆推中心法则的逆推二、蛋白质工程的基本原理二、蛋白质工程的基本原理基因工程操作程序基因工程操作程序得到符合人们需求的蛋白质得到符合人们需求的蛋白质结构决定功能结构决定功能中心法则中心法则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：GCUGCU、GCCGCC、GCAGCA、GCG GCG 色氨酸：色氨酸：UGG UGG 赖氨酸：赖氨酸：AAAAAA、
6、AAG AAG 甲硫氨酸：甲硫氨酸：AUG AUG 苯丙氨酸：苯丙氨酸：UUUUUU、UUCUUC 讨论：讨论：1、请写出决定这一段肽链的、请写出决定这一段肽链的mRNA片段和基因片段的片段和基因片段的核苷酸序列。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、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（造目的基因（DNA）？）？（1 1）mRNAmRNA序列为：序列为： GCUGCU（或（或C C或或A A或或G G）UGGAAAUGGAAA（或（或G G）AUGUUUAUGUUU（或（或C C） 脱氧核苷酸序列：脱氧核苷酸序列： CGACGA（或（或G G或或T T
7、或或C C）ACCTTTACCTTT（或（或C C）TACAAATACAAA（或（或G G）（2 2）确定目的基因的碱基序列后，）确定目的基因的碱基序列后，通过通过人工合成人工合成的方法或从基因库中获取的方法或从基因库中获取，或者，或者就可以根据人类的就可以根据人类的需要改造它（可以通过定点突变）。需要改造它（可以通过定点突变）。蛋白质工程是指以蛋白质分子的蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构结构规律及其与生规律及其与生物物功能功能的关系作为基础，通过的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行对现有蛋白质进行改造改造或制造一种或制造一种新新的蛋白质，以的蛋白质，以满
8、足人类对生产和生活的需求。满足人类对生产和生活的需求。4 4、蛋白质工程的概念、蛋白质工程的概念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）前提前提：途径途径/实质实质：目的目的：定向改造或制造全新的蛋白质，满定向改造或制造全新的蛋白质，满足人类的生产生活需求足人类的生产生活需求5、基因工程与蛋白质工程的区别、基因工程与蛋白质工程的区别基基因因工工程程蛋蛋白白质质工工程程实实质质结结果果联联系系通通 过过改改 造造 基基 因因， 可可以以 定定 向向 改改 造造 天天 然然 蛋蛋白白 质质 ， 甚甚 至至 创创 造造 自自然界不存在的
9、蛋白质然界不存在的蛋白质将将目目的的基基因因从从供供体体转移到受体细胞，转移到受体细胞，并在受体细胞中表并在受体细胞中表达（基因重组）达（基因重组）只只能能生生产产自自然然界界已已存存在在的的蛋蛋白白质质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，延延伸伸出出的的第第二二代代基基因因工工程程能能 生生 产产 自自 然然 界界不不存存在在的的蛋蛋白白质质 能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应的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？白质食品呢？ 理论上讲可以，但目前
10、还没有真正成功的例子。理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。一一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经过改造得到的已经存在的蛋白质经过改造得到的，并非完全是人工设，并非完全是人工设计出来而自然不存在的蛋白质。计出来而自然不存在的蛋白质。主要原因是蛋白质的主要原因是蛋白质的高级结构高级结构非常复杂，人类对蛋白质非常复杂，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，而且设计出一个崭新而又具有生命功能作用的蛋白质，
11、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。一个崭新的蛋白质会带来什么危害也是人们所担心的。 而也正是因为，我们对蛋白质的结构和功能之间的对应关而也正是因为，我们对蛋白质的结构和功能之间的对应关系掌握的非常少，所以导致我们从蛋白质的预期功能出发系掌握的非常少，所以导致我们从蛋白质的预期功能出发时，时，不能一步到位的设计好蛋白质的结构和氨基酸序列不能一步到位的设计好蛋白质的结构和氨基酸序列，而只能设计一系列的候选的蛋白质结构，最终再从得到的而只能设计一系列的候选的蛋白质结构，最终再从得到的蛋白质中去筛选出符合我们要求的蛋白质。蛋白质中去筛选出符合我们要求的蛋白质。预期蛋预期蛋白质白质功功
12、能能设计一系设计一系列预期的列预期的蛋白质结蛋白质结构构；推测推测各个相应各个相应的氨基酸的氨基酸序列序列；（设计一（设计一系列的模系列的模拟肽）拟肽）找到相找到相应的脱应的脱氧核苷氧核苷酸序列酸序列(得到一得到一系列系列相相应的应的候候选目的选目的基因基因)基因基因工程工程操作操作程序程序得到许多得到许多的蛋白质；的蛋白质；筛选出符筛选出符合人们需合人们需求的蛋白求的蛋白质质确认确认三、蛋白质工程的进展和前景三、蛋白质工程的进展和前景1 1、进展：、进展： （1 1）对胰岛素的改造，使其成为速效型药品对胰岛素的改造，使其成为速效型药品 天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和天然胰岛素制剂在储存
13、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，也增加了抗原性，这而延缓了其降血糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素是胰岛素23-28氨基酸残基结构所致。利用蛋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。作用，使胰岛素快速起作用。该速效胰岛素已该速效胰岛素已通过临床实验。通过临床实验。（2）水蛭素改造）水蛭素改造 水蛭素是水蛭唾液腺分泌的水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂，凝血酶特异抑制剂，它有多种它有多种变异体变异体，由，由6565
14、或或6666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蛭素在临床上可作为抗栓药物用于治疗血栓疾病。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HV2HV2的设计方案，的设计方案，将将4747位的位的AsnAsn（天冬酰胺）变成（天冬酰胺）变成LysLys（赖氨酸）（赖氨酸），使，使其与分子内第其与分子内第4 4或第或第5 5位位ThrThr（苏氨酸）间形成氢键（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素来帮助水蛭素N N端肽段的正确取向，从而端肽段的正确取向，从而提
15、高抗凝提高抗凝血效率血效率，试管试验活性提高，试管试验活性提高4 4倍，在动物模型上检倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高验抗血栓形成的效果，提高2020倍。倍。2 2、前景诱人：、前景诱人： 探索将蛋白质工程应用于探索将蛋白质工程应用于微电子微电子方面。方面。 3 3、难度很大：、难度很大： 主要是目前科学家对大多数主要是目前科学家对大多数蛋白质的高级蛋白质的高级结构结构的了解还很不够。的了解还很不够。 用蛋白质工程制造的电子元件具有用蛋白质工程制造的电子元件具有体积小、体积小、耗电少和效率高耗电少和效率高的特点。的特点。P28P28思考探究思考探究你知道酶工程吗你知道酶工程吗? ?绝
16、大多数酶都是蛋白质，酶绝大多数酶都是蛋白质，酶工程和蛋白质工程有什么区别？工程和蛋白质工程有什么区别？ 酶工程就是指将酶所具有的生物催化作用，借助酶工程就是指将酶所具有的生物催化作用，借助工程学的手段，应用于生产、生活、医疗诊断和环境工程学的手段，应用于生产、生活、医疗诊断和环境保护等方面的一门科学技术。（如保护等方面的一门科学技术。（如加酶洗衣粉加酶洗衣粉） 通常所说的酶工程是用工程菌生产酶制剂，而没通常所说的酶工程是用工程菌生产酶制剂，而没有经过由酶的功能来设计酶的分子结构，然后由酶的有经过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。分子结构来确定相应基
17、因的碱基序列等步骤。 因此，因此，酶工程的重点酶工程的重点在于对在于对已存酶的合理充分利用，已存酶的合理充分利用，而而蛋白质工程的重点蛋白质工程的重点则在于则在于对已存在的蛋白质分子的对已存在的蛋白质分子的改造。改造。当然，随着蛋白质工程的发展，其成果也会应当然，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。用到酶工程中，使酶工程成为蛋白质工程的一部分。随堂练习随堂练习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象是是（ ） 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 2、蛋白质工程的基
18、本流程正确的是（、蛋白质工程的基本流程正确的是（ ） 蛋白质分子结构设计蛋白质分子结构设计 DNA合成合成 预期蛋白质功能预期蛋白质功能 据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列 A. B. C. D.C 3、关于基因工程和蛋白质工程的说法正确的是、关于基因工程和蛋白质工程的说法正确的是 A都是分子水平上的操作都是分子水平上的操作 B基因工程就是改造基因的分子结构基因工程就是改造基因的分子结构 C蛋白质工程就是改造蛋白质的分子结构蛋白质工程就是改造蛋白质的分子结构 D基因工程能产生自然界根本不存在的基因，基因工程能产生自然界根本不存在的基因，蛋白质工程能产生自然界已存在的蛋
19、白质蛋白质工程能产生自然界已存在的蛋白质A4、关于生物体内存在的天然蛋白质，下列说法不关于生物体内存在的天然蛋白质，下列说法不正确的是（正确的是（ ）A是生物在长期进化过程中形成的是生物在长期进化过程中形成的B它们的结构和功能符合特定物种生存的需要它们的结构和功能符合特定物种生存的需要C构成天然蛋白质的氨基酸目前发现的有构成天然蛋白质的氨基酸目前发现的有20种种D一定完全符合人类生产和生活的需要一定完全符合人类生产和生活的需要D5、关于蛋白质工程的进展和应用，下列说法、关于蛋白质工程的进展和应用，下列说法不正确的是（不正确的是（ ）A科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效药品速效药品B生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工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程应用于微电子方面C蛋白质工程技术已经非常成熟，目前正被蛋白质工程技术已经非常成熟，目前正被大力推广应用大力推广应用D蛋白质工程是一项难度很大的工程，目前蛋白质工程是一项难度很大的工程，目前成功的例子不多成功的例子不多C
