蛋白质工程的崛起讲课.pptx

复习回顾1、蛋白质的基本结构单位？元素组成？2、蛋白质结构多样的原因？3、蛋白质有哪些功能？4、蛋白质如何合成？涉及哪些细胞器？第1页/共42页第2页/共42页一、蛋白质工程崛起的缘由一、蛋白质工程崛起的缘由二、蛋白质工程的基本原理二、蛋白质工程的基本原理三、蛋白质工程的进展和前三、蛋白质工程的进展和前景景第3页/共42页思考：如果想让某一个生物的性状在另外一个生物的身上表达，常用的方法有哪些？1、在种内可以用什么方法？杂交育种 2、在种间可以用什么方法？基因工程育种 一、蛋白质工程崛起的缘由第4页/共42页基因工程的实质基因工程的实质：将一种生物的 转移到另一种生物体内，后者产生它本不能产的 ，进而表现出 。基因蛋白质新的性状第5页/共42页试回顾总结基因工程的丰硕成果植物方面提高植物的抗虫、抗病、抗逆性改良植物的品质动物方面提高动物生长速度改善畜产品的品质用转基因动物生产药物用转基因动物作器官移植的供体研制药物基因治疗第6页/共42页 基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。这些蛋白质是生物在长期的进化中形成的，他们的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。基因工程的局限性：基因工程的局限性：第7页/共42页例如：干扰素是由动物体内的效应T T细胞产生的一种糖蛋白，几乎能抵抗所有病毒引起的感染。同时，在治疗癌症方面也有十分可观的疗效。但是，干扰素在体外保存相当困难。如果将其分子上的一个半胱氨酸成变丝氨酸，在-70oC的条件下，可以保存半年。第8页/共42页玉米中赖氨酸的含量比较低。赖氨酸的合成机理：天冬氨酸激酶二氢吡啶二羧酸合成酶前体物质赖氨酸负反馈调节天冬氨酸激酶（352位的苏氨酸）二氢吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）改造天冬氨酸激酶（异亮氨酸）二氢吡啶二羧酸合成酶（异亮氨酸）第9页/共42页延长干扰素的体外保存时间提高玉米中赖氨酸的含量提高工业生产中蛋白质类酶的稳定性 这些在科学研究和工业生产中亟待解决的难题均无法通过基因工程来完成。于是新一轮的探索拉开了序幕，人们开始着眼于对现有蛋白质的改造，以及制造目前从天然蛋白质中找不到的蛋白质。就这样，蛋白质工程蛋白质工程应运而生，并迅速崛起。第10页/共42页二、蛋白质工程的基本原理根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计。1、目标：第11页/共42页思考：思考：对对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋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？应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质改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：造，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，而且改造过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，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容）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。易操作，难度要小得多。第12页/共42页 主要原因：基因编码蛋白质，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。容易操作，难度要小得多。第13页/共42页2、原理：改造基因（基因修饰或基因合成）第14页/共42页逆转录转录DNADNARNARNA翻译蛋白质复制复制天然蛋白质的合成遵循中心法则第15页/共42页转录DNADNARNARNA翻译肽链折叠等具有空间结构的蛋白质表达生物特有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第16页/共42页.蛋白质工程流程:第17页/共42页蛋白质蛋白质三维结构三维结构氨基酸序氨基酸序列多肽链列多肽链基因基因DNADNA预期预期功能功能DNADNA合成合成分子分子设计设计mRNA生物生物功能功能转录转录翻译翻译折叠折叠图图1-291-29蛋白质工程流程图蛋白质工程流程图第18页/共42页途径途径: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19页/共42页讨论：1、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。讨论：讨论：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第20页/共42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，怎样才能合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（成或改造目的基因（DNADNA）？）？确定目的基因的碱基序列后，就可以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，通过根据人类的需要改造它，通过人工合成的人工合成的方法方法或可以通过基因的或可以通过基因的定点诱变定点诱变技术来改技术来改变后从基因文库中获取。变后从基因文库中获取。第21页/共42页基础：蛋白质的结构和功能第22页/共42页 基因会发生突变，突变可以自发，也可以诱发，这是基因会发生突变，突变可以自发，也可以诱发，这是每个稍有生物学知识的人都知道的常识。但在加拿大生物每个稍有生物学知识的人都知道的常识。但在加拿大生物化学家化学家M M史密斯（史密斯（1932193220002000）发明）发明定点突变法定点突变法之前，之前，突变株的产生必须经由自然界或用化学等方法诱使基因体突变株的产生必须经由自然界或用化学等方法诱使基因体突变。这类方法属于突变。这类方法属于随机突变随机突变，突变株必须在生物性状上，突变株必须在生物性状上有所改变，才能确定有突变发生，但除非用分子生物方法有所改变，才能确定有突变发生，但除非用分子生物方法或遗传方法找到此突变处，否则无法确定突变位置。也就或遗传方法找到此突变处，否则无法确定突变位置。也就是说，是说，这种突变是盲目的。而史密斯发明的定点突变法却这种突变是盲目的。而史密斯发明的定点突变法却是有目的的，该法可经由设计好的寡核苷酸，在任何一个是有目的的，该法可经由设计好的寡核苷酸，在任何一个基因片段上进行随意或设计好的突变基因片段上进行随意或设计好的突变，也就是说，这种突，也就是说，这种突变是预先设定好的，所以也有人将该法称为变是预先设定好的，所以也有人将该法称为“反遗传法反遗传法”。有意思的是这一给生命科学研究及应用领域带来革命有意思的是这一给生命科学研究及应用领域带来革命性突破的方法竟然是史密斯和其同事在喝咖啡时闲聊出来性突破的方法竟然是史密斯和其同事在喝咖啡时闲聊出来的。现在，几乎每个生物实验室都会用定点突变法来研究的。现在，几乎每个生物实验室都会用定点突变法来研究基因或蛋白质的功能。基因或蛋白质的功能。第23页/共42页异亮氨酸半胱氨酸第24页/共42页4.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及其生蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系物功能的关系作为基础，通过作为基础，通过基因修饰或基因合基因修饰或基因合成成，对，对现有现有蛋白质进行改造，或制造一种蛋白质进行改造，或制造一种新新的蛋的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。白质，以满足人类的生产和生活的需求。蛋白质工程的实质是对编码蛋白质的基因进行改造第25页/共42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第26页/共42页异想天开异想天开 能不能根据人类需要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适的细菌中，让细菌生产人类所需要的蛋白质食品呢？要的蛋白质食品呢？理论上是可行的，但目前还没有真正成功的例子。第27页/共42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、蛋白质工程的进展：（1）对胰岛素的改造胰岛素的改造 天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和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，这而延缓了其降血糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素是胰岛素B23-B28B23-B28氨基酸残基结构所致。利用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。该合作用，使胰岛素快速起作用。该速效胰岛素速效胰岛素已通过临床实验。已通过临床实验。第28页/共42页（2）对）对水蛭素的改造水蛭素的改造 水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑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，由制剂，它有多种变异体，由65或或66个氨基酸残个氨基酸残基组成。水蛭素在临床上可作为抗栓药物用于基组成。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结构特点的基础上提出改造水蛭素主要变异体变异体HV2的设计方案，将的设计方案，将47位的位的Asn（天冬酰（天冬酰胺）变成胺）变成Lys（赖氨酸），使其与分子内第（赖氨酸），使其与分子内第4或或第第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端肽链的正确取向，从而提高抗凝血效率，端肽链的正确取向，从而提高抗凝血效率，试管试验活性提高试管试验活性提高4倍，在动物模型上检验抗血倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高栓形成的效果，提高20倍。倍。第29页/共42页（3）对生长激素的改造生长激素的改造 生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机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体的生长发育，然而它不仅可以结合生长激素受体生长激素受体，还可以结合许多种不同类型细胞的还可以结合许多种不同类型细胞的催乳激素受体催乳激素受体，引，引发其他生理过程。在治疗过程中为减少副作用，需使发其他生理过程。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结合，尽可能减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，二者受体结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，而它与生长激素受体结合则无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的氨基需锌离子参与，于是考虑取代充当锌离子配基的氨基酸侧链，如第酸侧链，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）。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30页/共42页（4）应用于微电子方面 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的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点，因此有极为广阔的发展前景。第31页/共42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折叠产生功能功能，基本上是，基本上是生产生产出出自然界已有的蛋自然界已有的蛋白质白质。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蛋白质应有的高级结构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。思考与探究思考与探究 第32页/共42页3.3.酶工程酶工程就是指将酶所具有的生物催化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、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生活、医疗诊断和环境保护等方面的一门科学技术。门科学技术。概括地说，酶工程是由概括地说，酶工程是由酶制剂的生酶制剂的生产和应用产和应用两方面组成的。酶工程的应用两方面组成的。酶工程的应用主要集中于主要集中于食品工业、轻工业以及医药食品工业、轻工业以及医药工业工业中。中。第33页/共42页 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子结构，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，列等步骤。因此，酶工程的重点在于对已存酶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对已存在的蛋白质分子的改造。当然，随着蛋。当然，随着蛋白质工程的发展，其成果也会应用到酶工程中，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。使酶工程成为蛋白质工程的一部分。第34页/共42页1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练习检测D第35页/共42页2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v3下列关于蛋白质工程的说法错误的是（）vA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vB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vC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vD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第36页/共42页v4 4、以下关于蛋白质工程的说法正确的是（）vA A、蛋白质工程以基因工程为基础vB B、蛋白质工程就是酶工程的延伸vC C、蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造vD D、蛋白质工程只能生产天然的蛋白质 第37页/共42页v5 5、蛋白质工程的基本流程正确的是（）v蛋白质分子结构设计DNA合成预期蛋白质功能根据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列vA B v C D第38页/共42页v6 6、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，其结果产生的蛋白质是（）vA氨基酸种类增多 vB氨基酸种类减少vC仍为天然存在蛋白质 vD可合成天然不存在蛋白质第39页/共42页7、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第40页/共42页第41页/共42页感谢您的观看！第42页/共42页