蛋白质工程的崛起 (2)精选课件.ppt

关于蛋白质工程的崛起(2)第一页，本课件共有29页基因工程基因工程的成果的成果第二页，本课件共有29页 基因工程在原则上基因工程在原则上只能生产自只能生产自然界已存在的蛋白质。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：第三页，本课件共有29页第四页，本课件共有29页阅读阅读P26P26第二自然段思考：第二自然段思考：科学家在干扰素的保存和玉米的赖氨酸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？如何解决的产量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第五页，本课件共有29页例如：例如：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问题1：解决：解决：蛋白质功能蛋白质功能不能满足需求不能满足需求改变蛋白质的改变蛋白质的结构结构第六页，本课件共有29页-半胱氨酸半胱氨酸-体外很难保存体外很难保存？如何改造？如何改造-丝氨酸丝氨酸-体外可以保存半年体外可以保存半年问题问题2：如何对天然：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？干扰素干扰素干扰素（改）干扰素（改）(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？)第七页，本课件共有29页答：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天来实现对天然蛋白质改造，主要原因如下：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，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。第八页，本课件共有29页-半胱氨酸半胱氨酸-体外很难保存体外很难保存？如何改造？如何改造-丝氨酸丝氨酸-体外可以保存半年体外可以保存半年问题问题3、你能推测出干扰素基因改造前和改造后、你能推测出干扰素基因改造前和改造后的该部分序列吗？的该部分序列吗？（半胱氨酸：（半胱氨酸：UGU；丝氨酸：；丝氨酸：UCU）干扰素干扰素干扰素（改）干扰素（改）第九页，本课件共有29页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、AAG AAG 甲硫氨酸：甲硫氨酸：AUG AUG 苯丙氨酸：苯丙氨酸：UUUUUU、UUC UUC 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片段和基因片段的核片段和基因片段的核苷酸序列。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）？）？第十页，本课件共有29页（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，就可以根据人）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，通过类的需要改造它，通过人工合成的方法或从基因库人工合成的方法或从基因库中获取。中获取。第十一页，本课件共有29页1、蛋白质工程的、蛋白质工程的途径途径预期预期蛋白质蛋白质功能功能设计设计预期的蛋白质预期的蛋白质结构结构推测推测应有的应有的氨基酸序列氨基酸序列找到找到相应的相应的脱氧核苷酸序列脱氧核苷酸序列(合合成基因成基因)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P27第十二页，本课件共有29页3、实质：、实质：2、目标、目标P26：根据人们对根据人们对 的特定需求，的特定需求，对蛋白质的对蛋白质的 进行分子设计。进行分子设计。基因改造基因改造蛋白质功能蛋白质功能 结构结构第十三页，本课件共有29页蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功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。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 P27P27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：目的：目的：定向改造或制造蛋白质定向改造或制造蛋白质第十四页，本课件共有29页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，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然界界不不存存在在的的蛋蛋白白质质将将目目 的的 基基 因因从从 供供 体体转转移移到到受受体体细细胞胞，并并在在受受体体细细胞胞中中表表达达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重组重组创新创新第十五页，本课件共有29页 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白因，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？质食品呢？理论上讲可以，但目前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。一些报道利用细菌生产人类需要的蛋白质往往都是自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自然不存在的蛋白质。主要原因是蛋白质的高级结构高级结构非常复杂，人类对蛋白质的高级结构和在生物体内如何行非常复杂，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。是人们所担心的。第十六页，本课件共有29页三、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P28P28：（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六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，这是胰岛缓了其降血糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素素B23-B28氨基酸残基结构所致。利用蛋白质工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。胰岛素快速起作用。该速效胰岛素已通过临床实该速效胰岛素已通过临床实验。验。第十七页，本课件共有29页（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，它有多种变异体，由它有多种变异体，由6565或或6666个氨基酸残基组成。水蛭个氨基酸残基组成。水蛭素在临床上可作为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。为提为提高水蛭素活性，在综合各变异体结构特点的基础上提高水蛭素活性，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出改造水蛭素主要变异体HV2HV2的设计方案，将的设计方案，将4747位的位的AsnAsn（天冬酰胺）变成（天冬酰胺）变成LysLys（赖氨酸），使其与分子内第（赖氨酸），使其与分子内第4 4或第或第5 5位位ThrThr（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素N N端端肽段的正确取向，从而提高凝血效率，试管试验活肽段的正确取向，从而提高凝血效率，试管试验活性提高性提高4 4倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高提高2020倍。倍。第十八页，本课件共有29页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结蛋白质的高级结构构的了解还很不够。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。第十九页，本课件共有29页 1 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？人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，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生命科学乃至自然科学领域一项重大的科学命题。一项重大的科学命题。20012001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。20032003年，该组织正式提出启动了两项重大国际年，该组织正式提出启动了两项重大国际合作行动：一项是合作行动：一项是由中国科学家牵头由中国科学家牵头执行的执行的“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另一项是以美国科学家牵头执行的家牵头执行的“人类血浆蛋白质组计划人类血浆蛋白质组计划”，由由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。四、知识拓展第二十页，本课件共有29页“人类肝脏蛋白质组计划人类肝脏蛋白质组计划”是国际上是国际上第一个人类组织器官的蛋白质组计划，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，这是中国科学家由我国贺福初院士牵头，这是中国科学家第一次领衔的重大国际科研协作计划，总第一次领衔的重大国际科研协作计划，总部设在部设在北京北京，目前有，目前有16个国家和地区的个国家和地区的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、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诊断、治疗和新药研发的突破提供重要的科学基础。科学基础。人类蛋白质组计划的深入研究将是对蛋白质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。工程的有力推动和理论支持。第二十一页，本课件共有29页2 2、你知道酶工程吗、你知道酶工程吗?绝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，借助工程学的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，而没有经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，然后由酶的分子结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。构来确定相应基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改造。对已存在的蛋白质分子的改造。当当然，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。工程成为蛋白质工程的一部分。第二十二页，本课件共有29页小结小结1、蛋白质工程崛起的缘由、蛋白质工程崛起的缘由2、蛋白质工程的原理：、蛋白质工程的原理：中心法则的逆推中心法则的逆推预期预期的蛋白质的蛋白质功能功能出发出发推测推测应有的应有的氨基酸序列氨基酸序列设计设计预期的蛋白质预期的蛋白质结构结构找到找到相应的相应的脱氧核苷酸序列脱氧核苷酸序列3、蛋白质工程的进展和前景、蛋白质工程的进展和前景第二十三页，本课件共有29页练习检测练习检测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 第二十四页，本课件共有29页2、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 第二十五页，本课件共有29页3、关于基因工程和蛋白质工程的说法正确的、关于基因工程和蛋白质工程的说法正确的是（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因，蛋白质工程能产生自然界已存在的蛋白质白质A第二十六页，本课件共有29页4、关于生物体内存在的天然蛋白质，下列说法关于生物体内存在的天然蛋白质，下列说法不正确的是（不正确的是（）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D第二十七页，本课件共有29页5、关于蛋白质工程的进展和应用，下列说法不、关于蛋白质工程的进展和应用，下列说法不正确的是（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程应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，目前正被大力蛋白质工程技术已经非常成熟，目前正被大力推广应用推广应用D蛋白质工程是一项难度很大的工程，目前成蛋白质工程是一项难度很大的工程，目前成功的例子不多功的例子不多C第二十八页，本课件共有29页感感谢谢大大家家观观看看第二十九页，本课件共有29页