蛋白質(zhì)工程的崛起精品課件

1、蛋白質(zhì)工程的崛起,活動(dòng)1:閱讀P26. 回答:為什么要進(jìn)行蛋白質(zhì)工程?,一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由,這些蛋白質(zhì)只是適應(yīng)生物自身的需要，但不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活需要，所以需要加以改造。,一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由,1、基因工程的應(yīng)用 （1）基因工程的實(shí)質(zhì)：,將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，使后者產(chǎn)生本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進(jìn)而表現(xiàn)出新的性狀。,在原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)。,（2）基因工程的不足：,天然蛋白質(zhì)是生物在長(zhǎng)期進(jìn)化過程中形成的，它們的結(jié)構(gòu)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(chǎn)和生活的需要。,2、天然蛋白質(zhì)的不足,3、蛋白質(zhì)工程的目的,生產(chǎn)符合人類生產(chǎn)和生活的

2、需要的蛋白質(zhì)。,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(zhì)功能 不能滿足需求,改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu),-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(duì)天然蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造？,干擾素,干擾素（改）,思考與討論,(你認(rèn)為直接對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行操作，還是通過對(duì)基因的操作來實(shí)現(xiàn)？能否說出你的理由？),答：毫無疑問應(yīng)該從對(duì)基因的操作來實(shí)現(xiàn)對(duì)天然蛋白質(zhì)改造，主要原因如下： （

3、1）任何一種天然蛋白質(zhì)都是由基因編碼的，改造了基因即對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行了改造，而且改造過的蛋白質(zhì)可以遺傳下去。如果對(duì)蛋白質(zhì)直接改造，即使改造成功，被改造過的蛋白質(zhì)分子還是無法遺傳的。 （基因改造可遺傳； 蛋白質(zhì)改造不可遺傳） （2）對(duì)基因進(jìn)行改造比對(duì)蛋白質(zhì)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(cè)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(qǐng)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(diǎn)誘變技術(shù)來改變后從基因文庫中獲取。,二、蛋白質(zhì)工程的基本原理,根據(jù)人們對(duì)蛋白質(zhì)功能的特

5、定需求，對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子設(shè)計(jì)。,1、目標(biāo)：,2、原理(實(shí)質(zhì))：,改造基因（基因修飾或基因合成）,逆轉(zhuǎn)錄,轉(zhuǎn)錄,DNA,RNA,翻譯,蛋白質(zhì),復(fù)制,復(fù)制,天然蛋白質(zhì)的合成遵循中心法則,轉(zhuǎn)錄,DNA,RNA,翻譯,肽鏈,折疊等,具有空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì),表達(dá)生物特有的功能或性狀,天然蛋白質(zhì)的合成過程,遵循中心法則，并需經(jīng)過高級(jí)空間結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變,. 途徑:,預(yù)期的蛋白質(zhì)功能,設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),推測(cè)應(yīng)有的氨基酸序列,找到相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）,蛋白質(zhì) 三維結(jié)構(gòu),氨基酸序 列多肽鏈,基因 DNA,預(yù)期功能,分子設(shè)計(jì),mRNA,生物功能,轉(zhuǎn)錄,翻譯,折疊,圖1-29蛋白質(zhì)工程流程圖,蛋白質(zhì)工程

6、是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過基因修飾或基因合成，對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類對(duì)生產(chǎn)和生活的需求。,4、蛋白質(zhì)工程的概念 P27,了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)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(zhì),5、基因工程與蛋白質(zhì)工程的區(qū)別,基因工程,蛋白質(zhì)工程,實(shí)質(zhì),結(jié)果,聯(lián)系,通過改造基因，以 定向改造天然蛋白 質(zhì)，甚至創(chuàng)造自然 界不存在的蛋白質(zhì),將目的基因從供體 轉(zhuǎn)移到受體細(xì)胞，并 在受體細(xì)胞中表達(dá),只能生產(chǎn)自然界 已存在的蛋白質(zhì),蛋白質(zhì)工程是在基因工程基礎(chǔ)上，延 伸出的第二代基因工程,能生產(chǎn)自然界 不存在的蛋白質(zhì),重組,創(chuàng)新,能不能根

7、據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的基因，導(dǎo)入合適的細(xì)菌中，讓細(xì)菌生產(chǎn)人類所需要的蛋白質(zhì)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(bào)道利用細(xì)菌生產(chǎn)人類需要的蛋白質(zhì)往往都是自然界已經(jīng)存在的蛋白質(zhì)，并非完全是人工設(shè)計(jì)出來而自然不存在的蛋白質(zhì)。主要原因是蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，人類對(duì)蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)和在生物體內(nèi)如何行使功能知之甚少，很難設(shè)計(jì)出一個(gè)嶄新而又具有生命功能作用的蛋白質(zhì)，而且一個(gè)嶄新的蛋白質(zhì)會(huì)帶來什么危害也是人們所擔(dān)心的。,異想天開,三、蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展和前景,1、進(jìn)展P28： （1）對(duì)胰島素的改造，使其成為速效型藥品。,天然胰島素制劑在儲(chǔ)存中易形成二聚體和六聚體，延緩胰島素

8、從注射部位進(jìn)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(jié)構(gòu)所致。利用蛋白質(zhì)工程技術(shù)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(shí)驗(yàn)。,（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(gè)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出改造水蛭素主要變異體HV2的設(shè)計(jì)方案，將47位的Asn（天冬酰胺）變成Lys（賴氨酸），使其與分子內(nèi)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(yàn)活性提高4倍，在動(dòng)物模型上檢驗(yàn)抗血栓形成的效果，提高20倍。,2、前景誘人： 探索將蛋白質(zhì)工程應(yīng)用于微電子方面。,3、難度很大： 主要是目前科學(xué)家對(duì)大多數(shù)蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)的了解還很不夠。,用蛋白質(zhì)工程制造的電子元件具有體積小、 耗電少和效率高的特點(diǎn)。,1、你知道人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃嗎？它與蛋白質(zhì)工程有什么關(guān)系？我國科學(xué)家承擔(dān)了什么任務(wù)？,人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃是繼人類基因組計(jì)劃之后，生命科學(xué)乃至自然科學(xué)領(lǐng)域一項(xiàng)重大的科學(xué)命題。2001年，國際人類蛋白質(zhì)組組織宣告成立。2003年，該組織正式提出啟動(dòng)了兩項(xiàng)重大國際合作行動(dòng)：一項(xiàng)是由中國科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃”；另一項(xiàng)是以美國科學(xué)家牽頭

10、執(zhí)行的“人類血漿蛋白質(zhì)組計(jì)劃”，由此拉開了人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃的帷幕。,四、知識(shí)拓展,“人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃”是國際上第一個(gè)人類組織器官的蛋白質(zhì)組計(jì)劃，由我國賀福初院士牽頭，這是中國科學(xué)家第一次領(lǐng)銜的重大國際科研協(xié)作計(jì)劃，總部設(shè)在北京，目前有16個(gè)國家和地區(qū)的80多個(gè)實(shí)驗(yàn)室報(bào)名參加。它的科學(xué)目標(biāo)是揭示并確認(rèn)肝臟的蛋白質(zhì)，為重大肝病預(yù)防、診斷、治療和新藥研發(fā)的突破提供重要的科學(xué)基礎(chǔ)。,人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃的深入研究將是對(duì)蛋白質(zhì)工程的有力推動(dòng)和理論支持。,2、你知道酶工程嗎?絕大多數(shù)酶都是蛋白質(zhì)，酶工程和蛋白質(zhì)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(xué)的手段，應(yīng)用于生產(chǎn)、生活、醫(yī)療診斷和環(huán)境保護(hù)等方面的一門科學(xué)技術(shù)。（如加酶洗衣粉） 通常所說的酶工程是用工程菌生產(chǎn)酶制劑，而沒有經(jīng)過由酶的功能來設(shè)計(jì)酶的分子結(jié)構(gòu)，然后由酶的分子結(jié)構(gòu)來確定相應(yīng)基因的堿基序列等步驟。 因此，酶工程的重點(diǎn)在于對(duì)已存酶的合理充分利用，而蛋