《蛋白質(zhì)工程的崛起》課件

1、蛋白質(zhì)工程的崛起,胰島素改造,天然胰島素制劑在儲(chǔ)存中易形成二聚體和六聚體，延緩胰島素從注射部位進(jìn)入血液，從而延緩了其降血糖作用，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(guò)臨床實(shí)驗(yàn)。這種制劑的形成正是利用了蛋白質(zhì)工程技術(shù)。,1.基因工程的實(shí)質(zhì)是什么？ 2.基因工程的不足是什么？ 3.天然蛋白質(zhì)的不足是什么？ 4.蛋白質(zhì)工程的目的是什么？,任務(wù)：閱讀教材第26頁(yè)第二段 時(shí)間：3分鐘 問題：,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

2、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(guò)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)和生活的需要的蛋白質(zhì)。,滿足人類生產(chǎn)和生活的需要,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,1.蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)是什么？ 2.蛋白質(zhì)工程

3、的原理？思考26頁(yè)第二個(gè)問號(hào) 3. 蛋白質(zhì)工程的基本途徑是什么？ 4.總結(jié)出什么是蛋白質(zhì)工程？,任務(wù)：閱讀教材第26頁(yè)第三段 時(shí)間：3分鐘 問題：,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：,思考：對(duì)天然蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，你認(rèn)為應(yīng)該直接對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行操作，還是通過(guò)對(duì)基因的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)？,應(yīng)該從對(duì)基因的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)天然蛋白質(zhì)改造，主要原因如下： （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(guò)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(guò)的蛋白質(zhì)分子還是無(wú)法遺傳的。 （2）對(duì)

4、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。,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：,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,復(fù)制,轉(zhuǎn)錄,DNA,復(fù)制,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(guò)程,遵循中心法則，并需經(jīng)過(guò)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)

5、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)工程的主要步驟通常包括： （1）從生物體中分離純化目的蛋白； （2）測(cè)定其氨基酸序列； （3）借助核磁共振和X射線晶體衍射等手段，盡可能地了解蛋白質(zhì)的二維重組和三維晶體結(jié)構(gòu);,（4）設(shè)計(jì)各種處理?xiàng)l件，了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化，包括折疊與去折疊等對(duì)其活性與功能的影響； （5）設(shè)計(jì)編碼該蛋白的基因改造方案，如定點(diǎn)突變； （6）分離、純化新蛋白，功能檢測(cè)后投入實(shí)際使用。,蛋白質(zhì)工程的概念,蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過(guò)基因修飾或基因

6、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)，以滿足人類的生產(chǎn)和生活的需求。,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、GCG 色氨酸：UGG 賴氨酸：AAA、AAG 甲硫氨酸：AUG 苯丙氨酸：UUU、UUC,討論：1、怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？ 請(qǐng)把相應(yīng)的堿基序列寫出來(lái)。,GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C）,mRNA序列,脫氧核苷酸序列,基因定點(diǎn)誘變技術(shù)的常用方法是PCR法。,突變點(diǎn)：,人工合成的引物上,手段：,PCR技術(shù)（定點(diǎn)突變?cè)噭┖校?目的：,獲得定點(diǎn)突變的基因,2

7、、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）？,可以通過(guò)人工合成的方法獲取或基因的定點(diǎn)誘變技術(shù)來(lái)改變。,三、蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展和前景,1.進(jìn)展,生長(zhǎng)激素改造,水蛭素改造,胰島素改造,治癌酶的改造,（二）蛋白質(zhì)改造工程舉例 1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(lái)幫助水蛭素N端肽段

8、的正確取向，從而提高抗凝血效率，試管試驗(yàn)活性提高了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生長(zhǎng)激素改造 生長(zhǎng)激素通過(guò)對(duì)它特異受體的作用促進(jìn)細(xì)胞和機(jī)體的生長(zhǎng)發(fā)育，然而它不僅可以結(jié)合生長(zhǎng)激素受體，還可以結(jié)合許多種不同類型細(xì)胞的催乳激素受體，引發(fā)其他生理過(guò)程。在治療過(guò)程中為減少副作用，需使人的重組生長(zhǎng)激素只與生長(zhǎng)激素受體結(jié)合，盡可能減少與其他激素受體的結(jié)合。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，二者受體結(jié)合區(qū)有一部分重疊，但并不完全相同，有可能通過(guò)改造加以區(qū)別。由于人的生長(zhǎng)激素和催乳激素受體結(jié)合需要鋅離子參與作用，而它與生長(zhǎng)激素受體結(jié)合則無(wú)需鋅離子參與，于是考慮取代充當(dāng)鋅離子配基的氨基酸側(cè)鏈，如第18和第21

9、位His（組氨酸）和第17位Glu（谷氨酸）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)先設(shè)想一致，但要開發(fā)作為臨床用藥還有大量的工作要做。,3胰島素改造 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(guò)臨床實(shí)驗(yàn)。,4治癌酶的改造 癌癥的基因治療分二個(gè)方面：藥物作用于癌細(xì)胞，特異性地抑制或殺死癌細(xì)胞；藥物保護(hù)正常細(xì)胞免受化學(xué)藥物的侵害，可以提高化學(xué)治療的劑量。皰疹病毒（HSV）胸腺嘧啶激酶（TK）可以催化胸腺嘧啶和其它結(jié)構(gòu)類似

10、物磷酸化而使這些堿基3-OH缺乏,從而阻斷DNA的合成，殺死癌細(xì)胞。HSVTK催化能力可以通過(guò)基因突變來(lái)提高。從大量的隨機(jī)突變中進(jìn)行篩選出一種酶,在酶活性部位附近有6個(gè)氨基酸被替換，催化能力20倍以上。,2.前景,制作電子元件,3.現(xiàn)狀,蛋白質(zhì)工程目前成功的例子不多,原因是對(duì)蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)了解不夠。要設(shè)計(jì)出更加符合人類需求的蛋白質(zhì)還需經(jīng)過(guò)艱辛的探索。,應(yīng)用于微電子方面,具有 、耗電少和 的特點(diǎn),體積小,效率高,1、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由,2、蛋白質(zhì)工程的原理：,中心法則的逆推,預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā),推測(cè)應(yīng)有的氨基酸序列,設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),找到相應(yīng)的脫氧核苷酸序列,3、蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展和前景

11、,1 關(guān)于生物體內(nèi)存在的天然蛋白質(zhì)，下列說(shuō) 法不正確的是（ ） A是生物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中形成的 B它們的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種生存的需要 C構(gòu)成天然蛋白質(zhì)的氨基酸目前發(fā)現(xiàn)的有20種 D一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要,D,2蛋白質(zhì)工程中直接需要進(jìn)行操作的對(duì)象是 氨基酸結(jié)構(gòu) B蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu) C肽鏈結(jié)構(gòu) D基因結(jié)構(gòu),3下列關(guān)于蛋白質(zhì)工程的說(shuō)法錯(cuò)誤的是（） A蛋白質(zhì)工程能定向改造蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)，使之更加符合人類的需要 B蛋白質(zhì)工程是在分子水平上對(duì)蛋白質(zhì)分子直接進(jìn)行操作，定向改變分子的結(jié)構(gòu) C蛋白質(zhì)工程能產(chǎn)生出自然界中不曾存在過(guò)的新型蛋白質(zhì)分子 D蛋白質(zhì)工程與基因工程密不可分，又被稱為第二代基因工程,4、以下關(guān)于蛋白質(zhì)工程的說(shuō)法正確的是（ ) A、蛋白質(zhì)工程以基因工程為基礎(chǔ) B、蛋白質(zhì)工程就是酶工程的延伸 C、蛋白質(zhì)工程就是用蛋白酶對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行改造 D、蛋白質(zhì)工程只能生產(chǎn)天然的蛋白質(zhì),5、蛋白質(zhì)工程的基本流程正確的是（） 蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)DNA合成預(yù)期蛋白質(zhì)功能根據(jù)氨基酸序列推出脫氧核苷酸序列 A B C D,6、蛋白質(zhì)工程是在基因工程基礎(chǔ)上，延伸出來(lái)的第二代基因工程，其結(jié)果產(chǎn)生的蛋白