(精品)1.4　蛋白质工程的崛起 (4).pptx

1.4 蛋白质工程的崛起玉米中赖氨酸的含量比较低。玉米中赖氨酸的含量比较低。干扰素在体外很难保存干扰素在体外很难保存。工业生产中每一步的反应体系中常常会有酸、碱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，在这种条件下，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大多数酶会很快变性失活。资料：资料：提高蛋白质的稳定性提高蛋白质的稳定性是工业生产中一个非常重要的是工业生产中一个非常重要的课题。课题。一般来说，提高蛋白质的稳定性包括：延长酶的半一般来说，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，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，因此抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性丧失等，因此就需要对蛋白质加以改造就需要对蛋白质加以改造。1983年年Ulmer首先提出首先提出蛋白质工程蛋白质工程这个名词。什么这个名词。什么叫蛋白质工程？它同基因工程有何区别和联系？叫蛋白质工程？它同基因工程有何区别和联系？又是如何设计和施工的？又是如何设计和施工的？1、基因工程的应用、基因工程的应用（1）基因工程的实质：将一种生物的基因转移到另一种）基因工程的实质：将一种生物的基因转移到另一种生物体内，使后者产生本不能产生的蛋白质，进而表现生物体内，使后者产生本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状。出新的性状。（2）基因工程的不足：）基因工程的不足：在原则上只能生产自然界在原则上只能生产自然界已存在已存在的蛋白质的蛋白质。2、天然蛋白质的不足：、天然蛋白质的不足：天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，它们的天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，它们的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符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。合人类生产和生活的需要。一、蛋白质工程崛起的缘由一、蛋白质工程崛起的缘由改造改造干扰素（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（352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（104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数倍玉米中赖氨酸含量可提高数倍改造改造改造改造3、蛋白质工程的目的：生产符合人类生产和生活、蛋白质工程的目的：生产符合人类生产和生活的需要的的需要的蛋白质蛋白质。二、蛋白质工程的基本原理二、蛋白质工程的基本原理1、目标：、目标：根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的白质的结构结构进行分子设计。进行分子设计。2、原理：、原理：改造基因（基因改造基因（基因修饰修饰或基因或基因合成合成）。）。3、流程：、流程：预期蛋白质功能预期蛋白质功能设计设计预期的蛋白质结构预期的蛋白质结构推测应推测应有的氨基酸序列有的氨基酸序列找到对应的脱氧核苷酸序列。找到对应的脱氧核苷酸序列。蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什么不同？蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什么不同？答：基因工程是遵循中心法则，答：基因工程是遵循中心法则，DNAmRNA蛋白质蛋白质折叠产生功能，折叠产生功能，基本上是生产出自然界已有的蛋白质。基本上是生产出自然界已有的蛋白质。蛋白质工程是按照以下思路进行的：蛋白质工程是按照以下思路进行的：确定蛋白质的功能确定蛋白质的功能蛋白质应有的高级结构蛋白质应有的高级结构蛋白质应蛋白质应具备的折叠状态具备的折叠状态应有的氨基酸序列应有的氨基酸序列应有的碱基排列，应有的碱基排列，可以创造自然界不存在的蛋白质可以创造自然界不存在的蛋白质基因基因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流程：流程：蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构 蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构 胰胰岛岛素素的的三三级级结结构构血红蛋白质的四级结构血红蛋白质的四级结构 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）从生物体中分离纯化目的蛋白；）从生物体中分离纯化目的蛋白；（2）测定其氨基酸序列；）测定其氨基酸序列；（3）借借助助核核磁磁共共振振和和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蛋白质的二维重组和三维晶体结构了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构;（4）设设计计各各种种处处理理条条件件，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对其活性与功能的影响；折叠与去折叠等对其活性与功能的影响；（5）设计编码该蛋白的基因改造方案，如定点突变；）设计编码该蛋白的基因改造方案，如定点突变；（6）分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。）分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。讨论：讨论：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苯丙氨酸酸（1）怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？请）怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？请把相应的碱基序列写出来。有多少种？把相应的碱基序列写出来。有多少种？（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）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）脱氧核苷酸序列：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）（2）确定目的基因的碱基序列后，就可以根据人类的）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，通过人工合成的方法或从基因库中获取。需要改造它，通过人工合成的方法或从基因库中获取。蛋白质工程的概念蛋白质工程的概念蛋白质工程是指以蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律蛋白质分子的结构规律及其与及其与生生物功能的关系物功能的关系作为基础，通过作为基础，通过基因修饰基因修饰或或基因合成基因合成，对现有蛋白质进行对现有蛋白质进行改造改造或或制造制造一种一种新的蛋白质新的蛋白质，以，以满足人类满足人类对生产和生活的对生产和生活的需求需求。前提：前提：了解蛋白质的结构和功能了解蛋白质的结构和功能原理：原理：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）目的：目的：定向改造或制造蛋白质定向改造或制造蛋白质蛋白质蛋白质改造工程改造工程举例举例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，它有多种变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，由异体，由65或或66个氨基酸残基组成。水蛭素在临床上可作为抗个氨基酸残基组成。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的设计方的设计方案，将案，将47位的位的Asn（天冬酰胺）变成（天冬酰胺）变成Lys（赖氨酸），使其与分（赖氨酸），使其与分子内第子内第4或第或第5位位Thr（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端肽端肽段的正确取向，从而提高凝血效率，试管试验活性提高段的正确取向，从而提高凝血效率，试管试验活性提高4倍，在倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高20倍。倍。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长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，还可以结合许多种发育，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。在治疗过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生长激素受体程中为减少副作用，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。经研究发现，二者结合，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，但并不完全相同，有可能通过改造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乳激素受体结合需要锌离子加以区别。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，而它与生长激素受体结合则无需锌离子参与，于是参与作用，而它与生长激素受体结合则无需锌离子参与，于是考虑考虑取代充当锌离子配基的氨基酸侧链取代充当锌离子配基的氨基酸侧链，如第如第18和第和第21位位His（组氨酸）和第（组氨酸）和第17位位Glu（谷氨酸）（谷氨酸）。实验结果与预先设想。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。一致，但要开发作为临床用药还有大量的工作要做。3胰岛素改造胰岛素改造 天然天然胰岛素制剂在储存中易形成胰岛素制剂在储存中易形成二聚体二聚体和和六聚六聚体体，延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了，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，这是胰岛素其降血糖作用，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改变这些残基变这些残基，则可降低其聚合作用，使胰岛素快速，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。起作用。该速效胰岛素已通过临床实验。蛋白质工程蛋白质工程除了用于改造天然蛋白质或设计制除了用于改造天然蛋白质或设计制造新的蛋白质外，其本身还是造新的蛋白质外，其本身还是研究蛋白质结构功能研究蛋白质结构功能的一种强有力的工具的一种强有力的工具，它在解决生物理论方面所起，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方法相提并论。的作用，可以和任何重大的生物研究方法相提并论。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、前景诱人：如用蛋白质工程技术制成的、前景诱人：如用蛋白质工程技术制成的电子元件电子元件，具有，具有体积小体积小、耗电少和耗电少和效率高效率高的特点。的特点。2、难度很大：主要是目前科学家对大多数蛋白质的、难度很大：主要是目前科学家对大多数蛋白质的高级结构高级结构的了解的了解还很不够。还很不够。比较基因工程和蛋白质工程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 DNA 表达出蛋白质表达出蛋白质项目项目基因工程基因工程蛋白质工程蛋白质工程目标目标结果结果联系联系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白质生产自然界中已有的蛋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。蛋白质，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质生产自然界没有的蛋白质