蛋白质工程的崛起课件课件精选课件.ppt

关于蛋白质工程的崛起课件第一页，本课件共有38页蛋白质工程的崛起蛋白质工程的崛起第二页，本课件共有38页 你知道人类蛋白质组计你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程有什划吗？它与蛋白质工程有什么关系？我国科学家承担了么关系？我国科学家承担了什么任务？什么任务？人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之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中的一项重大后，生命科学乃至自然科学领域中的一项重大的科学命题。的科学命题。20012001年，国际人类蛋白质组组年，国际人类蛋白质组组织宣告成立。之后，该组织正是提出启动两织宣告成立。之后，该组织正是提出启动两项重大国际合作行为：一项是有中国科学家项重大国际合作行为：一项是有中国科学家牵头执行的牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划人类肝脏蛋白质组计划”；另；另一项是以美国科学家牵头执行的一项是以美国科学家牵头执行的“人类血浆人类血浆蛋白质组计划蛋白质组计划”。第三页，本课件共有38页蛋白质工程是应怎样的需求而崛起的？蛋白质工程是应怎样的需求而崛起的？蛋白质工程的崛起主要是工业生产和基础理论研究的需要。蛋白质工程的崛起主要是工业生产和基础理论研究的需要。而结构生物学对大量蛋白质分子的精确立体结构及其复杂的生而结构生物学对大量蛋白质分子的精确立体结构及其复杂的生物功能的分析结果，为设计改造天然蛋白质提供了蓝图。分子物功能的分析结果，为设计改造天然蛋白质提供了蓝图。分子遗传学的以定点突变为中心的基因操作技术为蛋白质工程提供遗传学的以定点突变为中心的基因操作技术为蛋白质工程提供了手段。了手段。在已研究过的几千种酶中，只有极少数可以应用于工业生产，绝大在已研究过的几千种酶中，只有极少数可以应用于工业生产，绝大多数酶都不能应用于工业生产，这些酶虽然在自然状态下有活性，多数酶都不能应用于工业生产，这些酶虽然在自然状态下有活性，但在工业生产中没有活性或活性很低。这是因为工业生产中每一步但在工业生产中没有活性或活性很低。这是因为工业生产中每一步的反应体系中常常会有酸、碱或有机溶剂存在，反应温度较高，在的反应体系中常常会有酸、碱或有机溶剂存在，反应温度较高，在这种条件下，大多数酶会很快变性失活。提高蛋白质的稳定性是工这种条件下，大多数酶会很快变性失活。提高蛋白质的稳定性是工业生产中一个非常重要的课题。一般来说，提高蛋白质的稳定性包业生产中一个非常重要的课题。一般来说，提高蛋白质的稳定性包括：延长酶的半衰期，提高酶的热稳定性，延长药用蛋白的保存期，括：延长酶的半衰期，提高酶的热稳定性，延长药用蛋白的保存期，抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性丧失等。抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性丧失等。第四页，本课件共有38页2010-1-105干扰素是由效应干扰素是由效应T T细胞产生的糖蛋白，可阻断细细胞产生的糖蛋白，可阻断细胞分裂间期，抑制胞分裂间期，抑制DNADNA复制，从而可用于治疗复制，从而可用于治疗疾病。但干扰素在体外很难保存。疾病。但干扰素在体外很难保存。在已研究过的几千种酶中，只有极少数可以应在已研究过的几千种酶中，只有极少数可以应用于工业生产，绝大多数酶都不能应用于工业用于工业生产，绝大多数酶都不能应用于工业生产，这些酶虽然在自然状态下有活性，但在生产，这些酶虽然在自然状态下有活性，但在工业生产中没有活性或活性很低。工业生产中没有活性或活性很低。科学家面临新的问题科学家面临新的问题第五页，本课件共有38页2010-1-10山西省孝义市第二中学6玉米中赖氨酸的含量比较低玉米中赖氨酸的含量比较低第六页，本课件共有38页2010-1-10山西省孝义市第二中学7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）体外可以保存半年体外可以保存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）改造改造改造改造天冬氨酸激酶（异亮氨酸）天冬氨酸激酶（异亮氨酸）二氢吡啶二羧酸合成酶（异二氢吡啶二羧酸合成酶（异亮氨酸）亮氨酸）玉米中赖氨酸含量可提高数倍玉米中赖氨酸含量可提高数倍第七页，本课件共有38页概念概念:蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其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，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。以满足人类对生产和生活的需求。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改造基因(基因修饰或基因合成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二、蛋白质工程的基本原理二、蛋白质工程的基本原理蛋白质工程是在基因工程的基础蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的上，延伸出来的第二代基因工程第二代基因工程。第八页，本课件共有38页蛋白质工程的内容主要有两方面：蛋白质工程的内容主要有两方面：根据需要设计具有特定氨基酸序列和空间结构的根据需要设计具有特定氨基酸序列和空间结构的蛋白质蛋白质而氨基酸排序由基因决定，所以还需要而氨基酸排序由基因决定，所以还需要改造改造相相应应基因中脱氧核苷酸序列或人工合成基因中脱氧核苷酸序列或人工合成所需要的自然所需要的自然界原本界原本不存在的基因片段不存在的基因片段，用于蛋白质工程。，用于蛋白质工程。第九页，本课件共有38页应该应该从对基因的操作来实现从对基因的操作来实现对天然蛋白质改造，对天然蛋白质改造，主要原因如下：主要原因如下：（1 1）任何一种天然蛋白质都是由）任何一种天然蛋白质都是由基因基因编码的，改造编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造过的蛋白质改造过的蛋白质可以遗传下去可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造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。成功，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传的。（2 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容易操作，难度要小得多作，难度要小得多。第十页，本课件共有38页逆转录逆转录转录转录DNADNARNARNA翻译翻译肽链肽链复制复制复制复制折叠折叠等等具有空间结构具有空间结构的蛋白质的蛋白质表达生物特有表达生物特有的功能或性状的功能或性状天然蛋白质的合成过程天然蛋白质的合成过程遵循中心法则，并需经过高级空间结构的转变遵循中心法则，并需经过高级空间结构的转变第十一页，本课件共有38页12蛋白质工程流程图1.1.从预期的蛋白质功能出发从预期的蛋白质功能出发2.2.设计预期的蛋白质结构设计预期的蛋白质结构3.3.推测应有的氨基酸序列推测应有的氨基酸序列4.4.找到相应的脱氧核苷酸序列找到相应的脱氧核苷酸序列第十二页，本课件共有38页 比较基因工程和蛋白质工程基因工程基因工程蛋白质工程蛋白质工程相同点相同点都要改造基因，都属于分子水平都要改造基因，都属于分子水平产生新的产生新的基因型，无新基因基因型，无新基因基因（型）基因（型）产生的蛋白质产生的蛋白质原有的原有的新的新的联系联系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，是基因工程的应用和延伸是基因工程的应用和延伸2010-1-1013第十三页，本课件共有38页项目项目基因工程基因工程蛋白质工程蛋白质工程操作起点操作起点操作核心操作核心过程过程目标目标结果结果联系联系目的基因目的基因预期的蛋白质功能预期的蛋白质功能基因表达载体基因表达载体基因基因获取目的基因获取目的基因构建表达载体构建表达载体导入受体细胞导入受体细胞目的基因的检测与表达目的基因的检测与表达预期蛋白质功能预期蛋白质功能设计蛋白质结构设计蛋白质结构推测氨基酸序列推测氨基酸序列推测核苷酸序列推测核苷酸序列合成合成DNA 表达出蛋白质表达出蛋白质定向改造生物的遗传特性，定向改造生物的遗传特性，获得人类所需的生物类型或获得人类所需的生物类型或生物产品生物产品定向改造或生产人类所定向改造或生产人类所需的蛋白质需的蛋白质生产自然界中已有的蛋生产自然界中已有的蛋白质白质蛋白质工程是在基因工程的基础上蛋白质工程是在基因工程的基础上,延伸出来的第二延伸出来的第二代基因工程。因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋代基因工程。因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质，必须通过基因的修饰或基因的合成。白质，必须通过基因的修饰或基因的合成。生产自然界没有的蛋白生产自然界没有的蛋白质质第十四页，本课件共有38页2010-1-10山西省孝义市第二中学15第十五页，本课件共有38页蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构 第十六页，本课件共有38页蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构 第十七页，本课件共有38页胰胰岛岛素素的的三三级级结结构构第十八页，本课件共有38页血红蛋白质的四级结构血红蛋白质的四级结构 血红蛋白分子就是血红蛋白分子就是由二个由由二个由141个氨基个氨基酸残基组成的酸残基组成的亚基亚基和二个由和二个由146个氨基个氨基酸残基组成的酸残基组成的亚基亚基按特定的接触和排按特定的接触和排列组成的一个球状列组成的一个球状蛋白质分子，每个蛋白质分子，每个亚基中各有一个含亚基中各有一个含亚铁离子的血红素亚铁离子的血红素辅基。辅基。第十九页，本课件共有38页1、蛋白质工程的诞生是有其理论与技术条件的，蛋白质工程的诞生是有其理论与技术条件的，它是随着它是随着分子生物学分子生物学、晶体学晶体学以及以及计算机技术计算机技术的发展而诞生的，与的发展而诞生的，与基因组学基因组学、蛋白质组学蛋白质组学、生物信息学生物信息学的发展等因素有关的发展等因素有关2 2、现状：成功的例子不多，、现状：成功的例子不多，主要是因为蛋白质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发挥其功能需要依赖于正确的空间结构，而科而科学家目前对大多数蛋白质的空间结构了解很少学家目前对大多数蛋白质的空间结构了解很少。三、蛋白质工程的进展与前景第二十页，本课件共有38页2010-1-10山西省孝义市第二中学21蛋白质工程举例蛋白质工程举例1 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，它有多种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，由变异体，由6565或或6666个氨基酸残基组成。水蛭素在临床上可个氨基酸残基组成。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（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素成氢键来帮助水蛭素N N端肽段的正确取向，从而提高凝血端肽段的正确取向，从而提高凝血效率，试管试验活性提高效率，试管试验活性提高4 4倍，在动物模型上检验抗血栓形倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高成的效果，提高2020倍。倍。第二十一页，本课件共有38页2010-1-10山西省孝义市第二中学222 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（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。作为临床用药还有大量的工作要做。第二十二页，本课件共有38页2010-1-10山西省孝义市第二中学233 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，延缓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，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，这是胰岛素也增加了抗原性，这是胰岛素B23-B28B23-B28氨基酸残基结构所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。床实验。第二十三页，本课件共有38页2010-1-10山西省孝义市第二中学24生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程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。用蛋白质工程方法制成应用于微电子方面。用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高体积小、耗电少和效率高的的特点，因此有极为广阔的发展前景特点，因此有极为广阔的发展前景蛋白质工程目前的现状：成功的例子不多，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。质的空间结构了解很少。第二十四页，本课件共有38页2010-1-10山西省孝义市第二中学251.蛋白质工程中直接需要进行操作蛋白质工程中直接需要进行操作的对象是（）的对象是（）A.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：第二十五页，本课件共有38页2010-1-10山西省孝义市第二中学261.蛋白质工程中直接需要进行操作蛋白质工程中直接需要进行操作的对象是（）的对象是（）A.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：D第二十六页，本课件共有38页2010-1-10山西省孝义市第二中学272.下列关于蛋白质工程的说法错误的是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，定向改变分子的结质分子直接进行操作，定向改变分子的结构构C.蛋白质工程能产生出自然界中不曾存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，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又被称为第二代基因工程第二十七页，本课件共有38页2010-1-10山西省孝义市第二中学282.下列关于蛋白质工程的说法错误的是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被称为第二代基因工程B第二十八页，本课件共有38页3.以下关于蛋白质工程的说法正以下关于蛋白质工程的说法正确的是（）确的是（）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.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.蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造白质进行改造D.蛋白质工程只能生产天然的蛋白蛋白质工程只能生产天然的蛋白质质 2010-1-1029山西省孝义市第二中学第二十九页，本课件共有38页2010-1-10山西省孝义市第二中学303.以下关于蛋白质工程的说法正以下关于蛋白质工程的说法正确的是（确的是（）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.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.蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造质进行改造D.蛋白质工程只能生产天然的蛋白蛋白质工程只能生产天然的蛋白质质 A第三十页，本课件共有38页2010-1-10山西省孝义市第二中学314.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A.B.C.D.第三十一页，本课件共有38页2010-1-10山西省孝义市第二中学324.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A.B.C.D.C第三十二页，本课件共有38页2010-1-10山西省孝义市第二中学335.蛋白质工程是在基因工程基础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，其上，延伸出来的第二代基因工程，其结果产生的蛋白质是（）结果产生的蛋白质是（）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.可合成天然不存在蛋白质可合成天然不存在蛋白质第三十三页，本课件共有38页2010-1-10山西省孝义市第二中学345.蛋白质工程是在基因工程基础上，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，其结果产延伸出来的第二代基因工程，其结果产生的蛋白质是（）生的蛋白质是（）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.可合成天然不存在蛋白质可合成天然不存在蛋白质D第三十四页，本课件共有38页1 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练习检测练习检测D第三十五页，本课件共有38页练习检测练习检测3 3下列关于蛋白质工程的说法错误的是（）下列关于蛋白质工程的说法错误的是（）A 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，使使之之更更加加符合人类的需要符合人类的需要B 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子直直接接进进行操作，定向改变分子的结构行操作，定向改变分子的结构C 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的新新型型蛋蛋白白质分子质分子D 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，又又被被称称为为第第二二代代基基因工程因工程第三十六页，本课件共有38页7、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，目前成功蛋白质工程是一项难度很大的工程，目前成功的例子不多的例子不多练习检测练习检测C第三十七页，本课件共有38页2010-1-10感谢大家观看第三十八页，本课件共有38页