选修三蛋白质工程崛起上课.pptx

一、蛋白质工程的崛起的缘由一、蛋白质工程的崛起的缘由1 1、基因工程产物、基因工程产物 基因工程在原则上只能生产基因工程在原则上只能生产自然界自然界已存在的已存在的蛋白质蛋白质。这些这些天然蛋白质天然蛋白质是生物在长期进化过程是生物在长期进化过程中形成的中形成的,它们的结构和功能符合特定物它们的结构和功能符合特定物种生存的需要种生存的需要,却却不一定完全符合人类生不一定完全符合人类生产和生活的需要。产和生活的需要。第1页/共30页满足人类生产和生活的需要2.例如：改造干扰素（半胱氨酸）体外很难保存干扰素（丝氨酸）体外可以保存半年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）改造改造天冬氨酸激酶（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第2页/共30页3:3:工业用酶工业用酶许多许多工业用酶工业用酶是在改变天然酶的特性后，才使之适应生产和使用需要是在改变天然酶的特性后，才使之适应生产和使用需要的。的。第3页/共30页 在已研究过的几千种酶中，只有极少数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，可以应用于工业生产，绝大多数酶都不能应绝大多数酶都不能应用于工业生产，用于工业生产，这些酶虽然在自然状态下有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。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的反应体系中常这是因为工业生产中每一步的反应体系中常常会有常会有酸、碱或有机溶剂存在，反应温度较酸、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高，在这种条件下，大多数酶会很快变性失活活。提高蛋白质的稳定性是工业生产中一个。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，非常重要的课题。一般来说，提高蛋白质的提高蛋白质的稳定性稳定性包括：包括：延长酶的半衰期，提高酶的热延长酶的半衰期，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。重要氨基酸氧化引起的活性丧失等。第4页/共30页二、蛋白质工程的基本原理二、蛋白质工程的基本原理1 1、蛋白质工程的目标、蛋白质工程的目标P26P26 根据人们对根据人们对蛋白质功能蛋白质功能的特定需求，的特定需求，对蛋白质的对蛋白质的结构结构进行分子设计。进行分子设计。2 2、天然蛋白质的合成过程、天然蛋白质的合成过程DNADNA（基因）（基因）转录转录mRNAmRNA翻译翻译蛋白质蛋白质基因基因表达（转录和翻译）表达（转录和翻译）形成氨基酸序列的多肽形成氨基酸序列的多肽链链形成具有高级结构的蛋白质形成具有高级结构的蛋白质行使生物功能行使生物功能第5页/共30页、蛋白质工程的基本途径、蛋白质工程的基本途径预期的蛋白质功能预期的蛋白质功能设计预期的蛋白质结构设计预期的蛋白质结构推测应有的氨基酸序列推测应有的氨基酸序列找到相对应的脱氧核苷酸序列找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）（基因）第6页/共30页蛋白质工程与正常基因表达对比第7页/共30页4 4、蛋白质工程的概念、蛋白质工程的概念 是指以蛋白质分子的结构规律及其是指以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系作为基础，生物功能的关系作为基础，通过基因通过基因修饰或基因合成，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，或制造一种新的蛋白质，以满改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。足人类的生产和生活的需求。第8页/共30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、科学家通过对胰岛素的改造，已使其成、科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效型药品。为速效型药品。2 2、生物和材料科学家正积极探索将蛋白质、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。工程应用于微电子方面。3 3、蛋白质工程目前成功的例子不多蛋白质工程目前成功的例子不多,原因是原因是对蛋白质的高级结构了解不够。但随着科学对蛋白质的高级结构了解不够。但随着科学技术的深入发展，它将会给人类带来更多的技术的深入发展，它将会给人类带来更多的福音。福音。第9页/共30页旁栏思考题旁栏思考题 你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程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？有什么关系？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，生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一项重大的科学命题。命科学乃至自然科学领域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。之后，年，国际人类蛋白质组组织宣告成立。之后，该组织正式提出启动了两项重大国际合作行动：该组织正式提出启动了两项重大国际合作行动：一项是由一项是由中国科学家中国科学家牵头执行的牵头执行的“人类肝脏蛋白人类肝脏蛋白质组计划质组计划”；另一项是以美国科学家牵头执行的；另一项是以美国科学家牵头执行的“人类血浆蛋白质组计划人类血浆蛋白质组计划”，由此拉开了人类蛋，由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。白质组计划的帷幕。第10页/共30页“人类肝脏蛋白质组计划人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一个人是国际上第一个人类组织器官的蛋白质组计划，由我国贺福类组织器官的蛋白质组计划，由我国贺福初院士牵头，这是中国科学家第一次领衔的初院士牵头，这是中国科学家第一次领衔的重大国际科研协作计划，总部设在北京，目重大国际科研协作计划，总部设在北京，目前有前有1616个国家和地区的个国家和地区的8080多个实验室报名参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、诊断、治疗和新药研质，为重大肝病预防、诊断、治疗和新药研发的突破提供重要的科学基础。发的突破提供重要的科学基础。人类蛋白质组计划的深入研究将人类蛋白质组计划的深入研究将是对蛋白质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11页/共30页思考：对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋思考：对天然蛋白质进行改造，你认为应该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？白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？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基因编码的，）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，而且改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造过改造过的蛋白质可以遗传下去的蛋白质可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造，。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即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传的。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容易操作，难度要小得多易操作，难度要小得多。第12页/共30页讨论讨论：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酸苯丙氨酸（1 1）怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？）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。请把相应的碱基序列写出来。首先应该根据三联密码子推出首先应该根据三联密码子推出mRNAmRNA序列，序列，每种氨基每种氨基酸都有对应的三联密码子，只要查一下遗传密码子酸都有对应的三联密码子，只要查一下遗传密码子表，就可以将上述氨基酸序列的编码序列查出来。表，就可以将上述氨基酸序列的编码序列查出来。再根据碱基互补配对规律推出脱氧核苷酸序列再根据碱基互补配对规律推出脱氧核苷酸序列。但。但是由于上述氨基酸序列中有几个氨基酸是由多个三是由于上述氨基酸序列中有几个氨基酸是由多个三联密码子编码，因此其碱基排列组合起来就比较复联密码子编码，因此其碱基排列组合起来就比较复杂，至少可以排列出杂，至少可以排列出1616种种。第13页/共30页GCUGCU（或（或C C或或A A或或G G）UGGAAAUGGAAA（或（或G G）AUGUUUAUGUUU（或（或C C）mRNAmRNA序列序列 脱氧核苷酸脱氧核苷酸序列序列GCT(GCT(或或C C或或A A或或G)TGGAAA(G)TGGAAA(或或G)ATGTTT(G)ATGTTT(或或C)C)CGA(CGA(或或G G或或T T或或C)ACCTTTC)ACCTTT（或（或C)TACAAA(C)TACAAA(或或G)G)（2 2）确定目的基因的碱基序列后，怎样才能）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（合成或改造目的基因（DNADNA）？）？确定目的基因的碱基序列后，就可以根据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，通过人类的需要改造它，通过人工合成的方法人工合成的方法或从基因库中获取。或从基因库中获取。第14页/共30页异想天开异想天开:能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设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？产人类所需要的蛋白质食品呢？理论上讲可以理论上讲可以，但，但目前还没有真正成功的例子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自然不存在的蛋白质。工设计出来而自然不存在的蛋白质。主要原因主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对蛋白质，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，而且用的蛋白质，而且一个崭新的蛋白质会带来什一个崭新的蛋白质会带来什么危害也是人们所担心的么危害也是人们所担心的。第15页/共30页在基础理论研究方面，蛋白质工程是研究多种蛋白质的结构和功能、蛋白质在基础理论研究方面，蛋白质工程是研究多种蛋白质的结构和功能、蛋白质折叠、蛋白质分子设计等一系列分子生物学基本问题的一种新型的、强有力折叠、蛋白质分子设计等一系列分子生物学基本问题的一种新型的、强有力的手段。通过对蛋白质工程的研究，可以深入地揭示生命现象的本质和生命的手段。通过对蛋白质工程的研究，可以深入地揭示生命现象的本质和生命活动的规律。活动的规律。第16页/共30页2.2.基因工程基因工程是遵循中心法则，是遵循中心法则，从从DNAmRNADNAmRNA蛋白质蛋白质折叠产生功能折叠产生功能，基本上是，基本上是生产生产出出自然界已有的蛋白质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具备的折叠状态蛋白质应具备的折叠状态应有的氨基应有的氨基酸序列酸序列应有的碱基排列应有的碱基排列，可以可以创造自然界不存在的蛋白质创造自然界不存在的蛋白质。第17页/共30页3.3.通常所说的通常所说的酶工程是用工程菌生产酶制剂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，而没有经过由酶的功能来设计酶的分子结构，然后由酶的分子结构来确定相应基因的碱基序列等步骤。因此，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。因此，酶工程的酶工程的重点在于对已存酶的合理充分利用，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，随着分子的改造。当然，随着蛋白质工程蛋白质工程的发展，其的发展，其成果也会应用到酶工程中，使酶工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程成为蛋白质工程的一部分。第18页/共30页血红蛋白质的四级结构 血红蛋白分子就是由二个由141个氨基酸残基组成的亚基和二个由146个氨基酸残基组成的亚基按特定的接触和排列组成的一个球状蛋白质分子，每个亚基中各有一个含亚铁离子的血红素辅基。返回第19页/共30页1.与“限制性内切酶”作用部位完全相同的酶是：（）A反转录酶BRNA聚合酶CDNA连接酶D解旋酶2.除下列哪一项外，转基因工程的运载体必须具备的条件是：（）A能在宿主细胞中复制并保存、B具有多个限制酶切点，以便与外源基因连接C具有标记基因，便于进行筛选D是环状形态的DNA分子CD第20页/共30页3.目的基因与运载体结合所需的条件是：（）同一种限制酶具有标记基因的质粒RNA聚合酶目的基因DNA连接酶四种脱氧核苷酸ATPABCDD第21页/共30页4.能够使植物体表达动物蛋白的育种方法是（）A单倍体育种B杂交育种C基因工程育种D多倍体育种5.科学家用纳米技术制造出一种“生物导弹”，可以携带DNA分子。把它注射入组织中，可以通过细胞的内吞作用的方式进入细胞内，DNA被释放出来，进入到细胞核内，最终整合到细胞染色体中，成为细胞基因组的一部分，DNA整合到细胞染色体中的过程，属于()A基因突变B基因重组C基因互换D染色体变异CB第22页/共30页6.苏云金芽孢杆菌的抗虫基因导入棉花细胞是否已表达，其检测方法是：（）A是否有抗生素抗性B是否能检测到标记基因C是否有相应的性状D是否能分离到目的基因C第23页/共30页7.如果科学家通过转基因工程，成功地把一名女性血友病患者的造血干细胞进行改造，使其凝血功能恢复正常。那么，她后来所生的儿子中：（）A全部正常B一半正常C全部有病D不能确定C第24页/共30页8.1987年，美国科学家将萤火虫的萤光素基因转入烟草植物细胞，获得高水平的表达。长成的植物通体光亮，堪称自然界的奇迹。这一研究成果表明：（）萤火虫与烟草植物的DNA结构基本相同萤火虫与烟草植物共用一套遗传密码烟草植物体内合成了萤光素萤火虫和烟草植物合成蛋白质的方式基本相同A和 B和C和DD第25页/共30页9.DNA探针能检测到标本上的：（）A遗传密码B遗传信息C蛋白质序列D细胞结构 10.切取牛的生长激素和人的生长激素基因，用显微注射技术将它们分别注入小鼠的受精卵中，从而获得了“超级鼠”，此项技术遵循的原理是（）A基因突变：DNARNA蛋白质B基因工程：RNARNA蛋白质C细胞工程：DNARNA蛋白质D基因工程：DNARNA蛋白质BD第26页/共30页11多聚酶链式反应（PCR）是一种体外迅速扩增DNA片段的技术。PCR过程一般经历下述三十多次循环：95下使模板DNA变性、解链55下复性（引物与DNA模板链结合）72下引物链延伸（形成新的脱氧核苷酸链）。下列有关PCR过程的叙述中不正确的是：（）A变性过程中破坏的是DNA分子内碱基对之间的氢键，也可利用解旋酶实现B复性过程中引物与DNA模板链的结合是依靠碱基互补配对原则完成C延伸过程中需要DNA聚合酶、ATP、四种核糖核苷酸DPCR与细胞内DNA复制相比所需要酶的最适温度较高C第27页/共30页12.蛋白质工程中直接需要进行操作的对象是（）A、氨基酸结构B、蛋白质空间结构C、肽链结构D、基因结构D第28页/共30页13.蛋白质工程的基本操作程序正确是（）蛋白质分子结构合成DNA合成mRNA合成蛋白质的预期功能根据氨基酸的序列推出脱氧核苷酸的序列A、B、C、D、C第29页/共30页感谢您的观看！第30页/共30页