蛋白质工程的崛起新.ppt

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1、1.4蛋白质工程的崛起,基因工程的成果,基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。这些蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。,基因工程的局限性：,阅读P26第二段思考：科学家在干扰素的保存和玉米的赖氨酸的产量上面临什么样的问题？如何解决这些问题？,一、蛋白质工程崛起的缘由,蛋白质功能不能满足需求,解决：改变蛋白质的结构,改造方案：,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）,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,改造,改造,问题：如何对

2、天然蛋白质的结构进行改造？,思考与讨论,(你认为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？能否说出你的理由？),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。（基因改造可遗传；蛋白质改造不可遗传）（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。,1、蛋白质工程的途径,预期蛋白质功能,设计预期的蛋白质结构,推测应有的氨基酸序列,找到相应的脱氧核苷酸序列(得到相应目的基因)

3、,-中心法则的逆推,二、蛋白质工程的基本原理,基因工程操作程序,得到符合人们需求的蛋白质,结构决定功能中心法则,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-丙氨酸：GCU、GCC、GCA、GCG 色氨酸：UGG 赖氨酸：AAA、AAG 甲硫氨酸：AUG 苯丙氨酸：UUU、UUC,讨论：1、请写出决定这一段肽链的mRNA片段和基因片段的核苷酸序列。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）？,思考与讨论（模拟蛋白质工程的思路）,（1）mRNA序列为：GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C）脱氧核苷酸序列：CGA（或G或

4、T或C）ACCTTT（或C）TACAAA（或G）（2）确定目的基因的碱基序列后，通过人工合成的方法或从基因库中获取，或者就可以根据人类的需要改造它（可以通过定点突变）。,蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律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。,4、蛋白质工程的概念,了解蛋白质的结构和功能,改造基因（基因修饰或基因合成）,定向改造或制造全新的蛋白质，满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,蛋白质工程,实质,结果,联系,通过改造基因，可以定向改造天然蛋白质，甚至创造自然界不存在的蛋白

5、质,将目的基因从供体转移到受体细胞，并在受体细胞中表达（基因重组）,只能生产自然界已存在的蛋白质,蛋白质工程是在基因工程基础上，延伸出的第二代基因工程,能生产自然界不存在的蛋白质,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经过改造得到的，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

6、个崭新的蛋白质会带来什么危害也是人们所担心的。,异想天开,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时，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，最终再从得到的蛋白质中去筛选出符合我们要求的蛋白质。,预期蛋白质功能,设计一系列预期的蛋白质结构；推测各个相应的氨基酸序列；（设计一系列的模拟肽）,找到相应的脱氧核苷酸序列(得到一系列相应的候选目的基因),基因工程操作程序,得到许多的蛋白质；筛选出符合人们需求的蛋白质,确认,三、蛋白质工程的进展和前景,1、进展：（1）对胰岛素的改造，使其成为速效型药品,

7、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，也增加了抗原性，这是胰岛素23-28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。,（2）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

8、帮助水蛭素N端肽段的正确取向，从而提高抗凝血效率，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、前景诱人：探索将蛋白质工程应用于微电子方面。,3、难度很大：主要是目前科学家对大多数蛋白质的高级结构的了解还很不够。,用蛋白质工程制造的电子元件具有体积小、耗电少和效率高的特点。,P28思考探究你知道酶工程吗?绝大多数酶都是蛋白质，酶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，而没有经过由酶的功能来设计酶的分子结构，然后

9、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。,随堂练习,1蛋白质工程中直接需要进行操作的对象是（）氨基酸结构 B蛋白质空间结构 C肽链结构 D基因结构,2、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 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 A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 C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，蛋白质工程能产生自然界已存在的蛋白质,A,4、关于生物体内存在的天然蛋白质，下列说法不正确的是（）A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C构成天然蛋白质的氨基酸目前发现的有20种D一定完全符合人类生产和生活的需要,D,5、关于蛋白质工程的进展和应用，下列说法不正确的是（）A科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效药品B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C蛋白质工程技术已经非常成熟，目前正被大力推广应用D蛋白质工程是一项难度很大的工程，目前成功的例子不多,C,