生物 基因工程 1.4 蛋白质工程的崛起 新人教版选修3.ppt

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1、3.1.4蛋白质工程的崛起一、蛋白质工程崛起的缘由一、蛋白质工程崛起的缘由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）基因工程的实质：将一种生物的 转移到另转移到另一种生物体内，使后者产生本不能产生的一种生物体内，使后者产生本不能产生的 ，进而表现出新的进而表现出新的 。（2）基因工程的不足：在原则上只能生产自然界已存）基因工程的不足：在原则上只能生产自然界已存在的在的 。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天然蛋白质是生物在长期 过程中形成的，过程中形成的，它们的它们的 符合特定物种符合特定物种 的需要，却的需要，却不不一定完全符合一定完全

2、符合人类生产和生活的需要。人类生产和生活的需要。3、蛋白质工程的目的、蛋白质工程的目的 生产生产符合人类符合人类生产和生活的生产和生活的需要需要的的 。基因基因蛋白质蛋白质性状性状蛋白质蛋白质进化进化结构和功能结构和功能生存生存蛋白质蛋白质一、蛋白质工程崛起的缘由一、蛋白质工程崛起的缘由蛋白质工程：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。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（基因修饰或基因合成）改造基因（基因修饰或基因合成）定向改造或制造蛋

3、白质定向改造或制造蛋白质蛋白质工程的实质是对编码蛋白质的基因进行改造。蛋白质工程的流程蛋白质工程的流程基因基因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蛋白质工程原理蛋白质工程原理天然蛋白质的合成途径：天然蛋白质的合成途径：基因表达（转录和翻译）形成基因表达（转录和翻译）形成氨基酸序列氨基酸序列的多肽的多肽链形成具有高级链形成具有高级结构结构的蛋白质行使生物的蛋白质行使生物功能功能预期的蛋白质预期的蛋白质功能功能出发设计预期的蛋白质出发设计预期的蛋白质结构结构推测推测应有的应有

4、的氨基酸序列氨基酸序列找到相应的脱氧核苷找到相应的脱氧核苷酸酸序列酸序列酸蛋白质工程的途径：蛋白质工程的途径：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：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）从生物体中分离纯化分离纯化目的目的蛋白蛋白；（2）测定测定其氨基酸其氨基酸序列序列；（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了解蛋白质的二维重组和三维晶体蛋白质的二维重组和三维晶体结构结构;（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，包包括折叠与去折叠等括折叠

5、与去折叠等对其活性与功能的影响对其活性与功能的影响；（5）设计设计编码该蛋白的编码该蛋白的基因改造方案基因改造方案，如定点突变；，如定点突变；（6）分离、纯化新蛋白分离、纯化新蛋白，功能检测功能检测后投入实际使用。后投入实际使用。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，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，将水蛭素47位的Asn（天冬酰胺）变成Lys（赖氨酸），使其与分子内第4或第5位Thr（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素N端肽段的正确取向，从而提高抗凝血效率，试管试验活性提高了4倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高20倍。胰岛素改造天然胰岛素制剂在储存中

6、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，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床实验。1、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2、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，又被称为第二代基

7、因工程3、以下关于蛋白质工程的说法正确的是（）A、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C、蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造D、蛋白质工程只能生产天然的蛋白质4、蛋白质工程的基本流程正确的是（）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ABCD5、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（）A氨基酸种类增多B氨基酸种类减少C仍为天然存在蛋白质D可合成天然不存在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

8、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构建表达载体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蛋白质结构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定向改造生物的遗传特性，获得人类所需的生性，获得人类所需的生物类型或生物产品物类型或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,延伸出来的第延伸

9、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二代基因工程。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。的蛋白质，必须通过基因的修饰或基因的合成。生产自然界没有的蛋生产自然界没有的蛋白质白质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，生命科学乃至自然领域一人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，生命科学乃至自然领域一项重大的科学命题。项重大的科学命题。2001年，国际人类蛋白质组组织宣告成立。年，国际人类

10、蛋白质组组织宣告成立。2003年，年，该组织正式提出启动了两项重大国际合作行动：一项是由中国科学家牵该组织正式提出启动了两项重大国际合作行动：一项是由中国科学家牵头执行的头执行的“人类肝脏蛋白质组计划人类肝脏蛋白质组计划”；另一项是以美国科学家牵头的；另一项是以美国科学家牵头的“人类血将蛋白质组计划人类血将蛋白质组计划”，由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。，由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。“人类肝脏蛋白质组计划人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一个人类组织器官的蛋白质组计是国际上第一个人类组织器官的蛋白质组计划，由我国贺福初院士牵头，这是中国科学家第一次领衔重大国际科研划，由我国贺福初院士牵头

11、，这是中国科学家第一次领衔重大国际科研协作计划，总部设在北京。它的科学目标是揭示并确认肝脏的蛋白质，协作计划，总部设在北京。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、治疗和新药研发的突破提供重要的科学基础。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。随后，相继启动了由德国、瑞士、英国、加拿大和日本等国牵头的各类随后，相继启动了由德国、瑞士、英国、加拿大和日本等国牵头的各类蛋白质组计划。人类蛋白质组计划的深入研究将是对蛋白质工程的有力蛋白质组计划。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。推动和理论支持。基因定点诱变技术的常用方法是基因定

12、点诱变技术的常用方法是PCR法。法。突变点：突变点：人工合成的引物上人工合成的引物上手段：手段：PCRPCR技术（定点突变试剂盒）技术（定点突变试剂盒）目的：目的：获得定点突变的基因获得定点突变的基因可以通过人工合成的方法获取或基因的定点诱变技术来改变。基因定点诱变技术的理解基因定点诱变技术的理解(苏教版苏教版)项目项目内容内容条条件件原料原料酶酶引物引物能量能量 操作方法操作方法 法法结果结果适应范围适应范围后代中半数为诱变的分子后代中半数为诱变的分子脱氧核苷酸脱氧核苷酸聚合酶和连接酶聚合酶和连接酶含突变顺序的分子片段含突变顺序的分子片段空间结构完全清楚的蛋白质空间结构完全清楚的蛋白质思考：

13、基因定点诱变技术与基因突变的比较思考：基因定点诱变技术与基因突变的比较比较比较基因定点诱变基因定点诱变基因突变基因突变相相同同点点发生的发生的过程过程结果结果不不同同点点场所场所手段手段方向方向DNA复制过程中复制过程中产生新基因，从而产生新性状产生新基因，从而产生新性状生物体外生物体外生物体内生物体内定向改造定向改造不定向性不定向性PCR技术技术物理化学方法物理化学方法基因会发生突变，突变可以自发，也可以诱发，这是每个稍基因会发生突变，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。但在加拿大生物化学家有生物学知识的人都知道的常识。但在加拿大生物化学家M史密斯（史密斯（19

14、322000）发明定点突变法之前，突变株的产）发明定点突变法之前，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。这类方生必须经由自然界或用化学等方法诱使基因体突变。这类方法属于随机突变，突变株必须在生物性状上有所改变，才能法属于随机突变，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或遗传方法找到此确定有突变发生，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。也就是说，这种突变是盲突变处，否则无法确定突变位置。也就是说，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，在任何一个基因片段上进行随意或设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，也就是说，这种突变是预先设定好的，所以也计好的突变，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性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的。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基因或现在，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。蛋白质的功能。