蛋白質工程的崛起精品課件

1、蛋白質工程的崛起,活動1:閱讀P26. 回答:為什么要進行蛋白質工程?,一、蛋白質工程崛起的緣由,這些蛋白質只是適應生物自身的需要，但不一定完全符合人類生產和生活需要，所以需要加以改造。,一、蛋白質工程崛起的緣由,1、基因工程的應用 （1）基因工程的實質：,將一種生物的基因轉移到另一種生物體內，使后者產生本不能產生的蛋白質，進而表現(xiàn)出新的性狀。,在原則上只能生產自然界已存在的蛋白質。,（2）基因工程的不足：,天然蛋白質是生物在長期進化過程中形成的，它們的結構和功能符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合人類生產和生活的需要。,2、天然蛋白質的不足,3、蛋白質工程的目的,生產符合人類生產和生活的

2、需要的蛋白質。,例如：,改造,玉米中賴氨酸含量比較低,天冬氨酸激酶 （352位的蘇氨酸）,二氫吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）,天冬氨酸激酶 （異亮氨酸）,二氫吡啶二羧酸合成酶（異亮氨酸）,玉米中賴氨酸含量可提高數(shù)倍,改造,改造,問題1：,解決：,蛋白質功能 不能滿足需求,改變蛋白質的結構,-半胱氨酸-,體外很難保存,？如何改造,-絲氨酸-,體外可以保存半年,問題2：如何對天然蛋白質的結構進行改造？,干擾素,干擾素（改）,思考與討論,(你認為直接對蛋白質分子進行操作，還是通過對基因的操作來實現(xiàn)？能否說出你的理由？),答：毫無疑問應該從對基因的操作來實現(xiàn)對天然蛋白質改造，主要原因如下： （

3、1）任何一種天然蛋白質都是由基因編碼的，改造了基因即對蛋白質進行了改造，而且改造過的蛋白質可以遺傳下去。如果對蛋白質直接改造，即使改造成功，被改造過的蛋白質分子還是無法遺傳的。 （基因改造可遺傳； 蛋白質改造不可遺傳） （2）對基因進行改造比對蛋白質直接改造要容易操作，難度要小得多。,-半胱氨酸-,體外很難保存,？如何改造,-絲氨酸-,體外可以保存半年,問題3、你能推測出干擾素基因改造前和改造后的該部分序列嗎？ （半胱氨酸：UGU；絲氨酸：UCU）,干擾素,干擾素（改）,思考與討論,某多肽鏈的一段氨基酸序列是： -丙氨酸-色氨酸-賴氨酸-甲硫氨酸-苯丙氨酸- 丙氨酸：GCU、GCC、GCA、G

4、CG 色氨酸：UGG 賴氨酸：AAA、AAG 甲硫氨酸：AUG 苯丙氨酸：UUU、UUC,討論： 1、請寫出決定這一段肽鏈的mRNA片段和基因片段的核苷酸序列。 2、確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改 造目的基因（DNA）？,思考與討論,（1）mRNA序列為： GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C） 脫氧核苷酸序列： CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）TACAAA（或G） （2）確定目的基因的堿基序列后，就可以根據(jù)人類的需要改造它，通過人工合成的方法或可以通過基因的定點誘變技術來改變后從基因文庫中獲取。,二、蛋白質工程的基本原理,根據(jù)人們對蛋白質功能的特

5、定需求，對蛋白質的結構進行分子設計。,1、目標：,2、原理(實質)：,改造基因（基因修飾或基因合成）,逆轉錄,轉錄,DNA,RNA,翻譯,蛋白質,復制,復制,天然蛋白質的合成遵循中心法則,轉錄,DNA,RNA,翻譯,肽鏈,折疊等,具有空間結構的蛋白質,表達生物特有的功能或性狀,天然蛋白質的合成過程,遵循中心法則，并需經過高級空間結構的轉變,. 途徑:,預期的蛋白質功能,設計預期的蛋白質結構,推測應有的氨基酸序列,找到相對應的脫氧核苷酸序列（基因）,蛋白質 三維結構,氨基酸序 列多肽鏈,基因 DNA,預期功能,分子設計,mRNA,生物功能,轉錄,翻譯,折疊,圖1-29蛋白質工程流程圖,蛋白質工程

6、是指以蛋白質分子的結構規(guī)律及其與生物功能的關系作為基礎，通過基因修飾或基因合成，對現(xiàn)有蛋白質進行改造或制造一種新的蛋白質，以滿足人類對生產和生活的需求。,4、蛋白質工程的概念 P27,了解蛋白質的結構和功能,改造基因（基因修飾或基因合成）,定向改造或制造蛋白質,5、基因工程與蛋白質工程的區(qū)別,基因工程,蛋白質工程,實質,結果,聯(lián)系,通過改造基因，以 定向改造天然蛋白 質，甚至創(chuàng)造自然 界不存在的蛋白質,將目的基因從供體 轉移到受體細胞，并 在受體細胞中表達,只能生產自然界 已存在的蛋白質,蛋白質工程是在基因工程基礎上，延 伸出的第二代基因工程,能生產自然界 不存在的蛋白質,重組,創(chuàng)新,能不能根

7、據(jù)人類需要的蛋白質的結構，設計相應的基因，導入合適的細菌中，讓細菌生產人類所需要的蛋白質食品呢？,理論上講可以，但目前還沒有真正成功的例子。一些報道利用細菌生產人類需要的蛋白質往往都是自然界已經存在的蛋白質，并非完全是人工設計出來而自然不存在的蛋白質。主要原因是蛋白質的高級結構非常復雜，人類對蛋白質的高級結構和在生物體內如何行使功能知之甚少，很難設計出一個嶄新而又具有生命功能作用的蛋白質，而且一個嶄新的蛋白質會帶來什么危害也是人們所擔心的。,異想天開,三、蛋白質工程的進展和前景,1、進展P28： （1）對胰島素的改造，使其成為速效型藥品。,天然胰島素制劑在儲存中易形成二聚體和六聚體，延緩胰島素

8、從注射部位進入血液，從而延緩了其降血糖作用，也增加了抗原性，這是胰島素B23-B28氨基酸殘基結構所致。利用蛋白質工程技術改變這些殘基，則可降低其聚合作用，使胰島素快速起作用。該速效胰島素已通過臨床實驗。,（2）水蛭素改造,水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特異抑制劑，它有多種變異體，由65或66個氨基酸殘基組成。水蛭素在臨床上可作為抗栓藥物用于治療血栓疾病。為提高水蛭素活性，在綜合各變異體結構特點的基礎上提出改造水蛭素主要變異體HV2的設計方案，將47位的Asn（天冬酰胺）變成Lys（賴氨酸），使其與分子內第4或第5位Thr（蘇氨酸）間形成氫鍵來幫助水蛭素N端肽段的正確取向，從而提高凝血效率，試

9、管試驗活性提高4倍，在動物模型上檢驗抗血栓形成的效果，提高20倍。,2、前景誘人： 探索將蛋白質工程應用于微電子方面。,3、難度很大： 主要是目前科學家對大多數(shù)蛋白質的高級結構的了解還很不夠。,用蛋白質工程制造的電子元件具有體積小、 耗電少和效率高的特點。,1、你知道人類蛋白質組計劃嗎？它與蛋白質工程有什么關系？我國科學家承擔了什么任務？,人類蛋白質組計劃是繼人類基因組計劃之后，生命科學乃至自然科學領域一項重大的科學命題。2001年，國際人類蛋白質組組織宣告成立。2003年，該組織正式提出啟動了兩項重大國際合作行動：一項是由中國科學家牽頭執(zhí)行的“人類肝臟蛋白質組計劃”；另一項是以美國科學家牽頭

10、執(zhí)行的“人類血漿蛋白質組計劃”，由此拉開了人類蛋白質組計劃的帷幕。,四、知識拓展,“人類肝臟蛋白質組計劃”是國際上第一個人類組織器官的蛋白質組計劃，由我國賀福初院士牽頭，這是中國科學家第一次領銜的重大國際科研協(xié)作計劃，總部設在北京，目前有16個國家和地區(qū)的80多個實驗室報名參加。它的科學目標是揭示并確認肝臟的蛋白質，為重大肝病預防、診斷、治療和新藥研發(fā)的突破提供重要的科學基礎。,人類蛋白質組計劃的深入研究將是對蛋白質工程的有力推動和理論支持。,2、你知道酶工程嗎?絕大多數(shù)酶都是蛋白質，酶工程和蛋白質工程有什么區(qū)別？,酶工程就是指將酶所具有的生物催化作用，借助工程學的手段，應用于生產、生活、醫(yī)療診斷和環(huán)境保護等方面的一門科學技術。（如加酶洗衣粉） 通常所說的酶工程是用工程菌生產酶制劑，而沒有經過由酶的功能來設計酶的分子結構，然后由酶的分子結構來確定相應基因的堿基序列等步驟。 因此，酶工程的重點在于對已存酶的合理充分利用，而蛋