《蛋白质工程的崛起》PPT课件.ppt

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？ 人类蛋白质组计划是继人类基因组计划 之后，生命科学乃至自然科学领域中的一项 重大的科学命题。 2001年，国际人类蛋白质 组组织宣告成立。之后，该组织正是提出启 动两项重大国际合作行为：一项是有中国科 学家牵头执行的 “ 人类肝脏蛋白质组计划 ” ； 另一项是以美国科学家牵头执行的 “ 人类血 浆蛋白质组计划 ” 。 “ 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划，由我国贺 福初院士牵头，这是中国科学家第一次领衔的 重大国际科研协作计划，总部设在北京，目前 有 16个国家和地区的 80多个实验室报名参加。 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 。 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 。 蛋白质工程就是在对蛋白质的化学 、 晶体学 、 动力学等结构与功能认识的基础上 ， 对蛋白质 人工改造与合成的产品 。 “ 后基因组时代 ” 将是 “ 蛋白质组学时代 ” ， 即从对基因信息的研究转向对蛋白质信息的研 究 ， 包括研究蛋白质结构 、 功能与应用及蛋白 质相互关系和作用 。 一、蛋白质工程崛起的缘由 满足人类 生产和生 活的需要 例如： 改造 干扰素（半胱氨酸） 体外很难保存 干扰素（丝氨酸） 体外可以保存半年 玉米中赖氨酸含量比较低 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） 天冬氨酸激酶 （异亮氨酸） 二氢吡啶二羧酸合成酶 （异亮氨酸） 玉米中赖氨酸含量可提高数倍 改造 改造 二、蛋白质工程的基本原理 对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？ 1、目标： 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。 蛋白质的一级结构 蛋白质的二级结构 胰 岛 素 的 三 级 结 构 血红蛋白质的四级结构 血红蛋白分子 就是由二个由 141个氨基酸残 基组成的 亚基 和二个由 146个 氨基酸残基组 成的 亚基按特 定的接触和排 列组成的一个 球状蛋白质分 子，每个亚基 中各有一个含 亚铁离子的血 红素辅基。 逆转录 转录 DNA RNA 翻译 肽链 复制 复制 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 遵循中心法则，并需经过高级空间结构的转变 2、蛋白质工程的原理：基因改造 3、基本途径： 从预期的蛋白质功能出发 设计预期的蛋白质结构 推测应有的氨基酸序列 找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因） 4、概念： 蛋白质工程是指 以蛋白质分子的结构规律 及其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， 以满足人类的生生产和生活 的需求 。 蛋白质工程是在基因工程的基础 上，延伸出来的 第二代基因工程 。 蛋白质工程的内容主要有两方面： 根据需要设计具有特定氨基酸序列和空间结构 的蛋白质 而氨基酸排序由基因决定，所以还需要改造相 应基因中脱氧核苷酸序列或人工合成所需要的自 然界原本不存在的基因片段，用于蛋白质工程。 三、蛋白质工程的进展和前景 1、 蛋白质工程的诞生是有其理论与技术条件的， 它是随着 分子生物学 、 晶体学 以及 计算机技术 的发展而诞生的，与 基因组学 、 蛋白质组学 、 生物信息学 的发展等因素有关 2、现状：成功的例子不多， 主要是因为蛋白质 发挥其功能需要依赖于正确的空间结构 ， 而科 学家目前对大多数蛋白质的空间结构了解很少 。 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 （ 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。有多少种？ （ 2）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（ DNA）？ （ 1） mRNA序列为： GCU（或 C或 A或 G） UGGAAA（或 G） AUGUUU（或 C） 脱氧核苷酸序列： CGA（或 G或 T或 C） ACCTTT（或 C） TACAAA（或 G） （ 2）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，通过人工合成的方法或从基因 库中获取。 异想天开 能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应 的基因，导入合适的细菌中，让细菌生产人类所需要 的蛋白质食品呢？ 理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。 一些报道利用细菌生产人类需要的蛋白质往往都是自 然界已经存在的蛋白质，并非完全是人工设计出来而 自然不存在的蛋白质。主要原因是蛋白质的高级结构 非常复杂，人类对蛋白质的高级结构和在生物体内如 何行使功能知之甚少，很难设计出一个崭新而又具有 生命功能作用的蛋白质，而且一个崭新的蛋白质会带 来什么危害也是人们所担心的。 蛋白质工程是应怎样的需求而崛起的？ 蛋白质工程的崛起主要是工业生产和基础理论研究的需要。 而结构生物学对大量蛋白质分子的精确立体结构及其复杂的生 物功能的分析结果，为设计改造天然蛋白质提供了蓝图。分子 遗传学的以定点突变为中心的基因操作技术为蛋白质工程提供 了手段。 在已研究过的几千种酶中，只有极少数可以应用于工业生产， 绝大多数酶都不能应用于工业生产，这些酶虽然在自然状态下 有活性，但在工业生产中没有活性或活性很低。这是因为工业 生产中每一步的反应体系中常常会有酸、碱或有机溶剂存在， 反应温度较高，在这种条件下，大多数酶会很快变性失活。提 高蛋白质的稳定性是工业生产中一个非常重要的课题。一般来 说，提高蛋白质的稳定性包括：延长酶的半衰期，提高酶的热 稳定性，延长药用蛋白的保存期，抵御由于重要氨基酸氧化引 起的活性丧失等。 你知道酶工程吗？绝大多数酶都是蛋白 质，酶工程与蛋白质工程有什么区别？ 酶工程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、生活、医疗诊断和环境保护等方 面的一门科学技术。概括地说，酶工程是由酶制剂的生 产和应用两方面组成的。酶工程的应用主要集中于食品 工业、轻工业以及医药工业中。 通常所说的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，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，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 则在于对已存在的蛋白质分子的改造。当然，随着蛋白 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。