14蛋白质工程的崛起

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,基因,工,工程,的,的实,质,质,：,将一,种,种生,物,物的转移,到,到另,一,一种,生,生物,体,体内,，,，后,者,者产,生,生它,本,本不,能,能产,的,的，进,而,而表,现,现出。,基因,蛋白,质,质,新,的,的,性,性,状,状,回,顾,顾,：,基,因,因,工,工,程,程,的,成,成,果,果,基,因,因,工,工,程,程,在,在,原,原,则,则,上,上只,能,能,生,生,产,产,自,自,然,然,界,界,已,已,存,存,在,在,的,的,蛋,蛋,白,白,质,质,。,。,这,些,些,蛋,蛋,白,白,质,质,的,的,结,结,构,构,和,和,功,功,能,能,符,符,合,合,特,特,定,定,物,物,种,种,生,生,存,存,的,的,需,需,要,要,，,，,却,却,不,不,一,一,定,定,完,完,全,全,符,符,合,合人,类,类,生,生,产,产,和,和,生,生,活,活的,需,需,要,要,。,。,基,因,因,工,工,程,程,的,的,局,局,限,限,性,性,：,：,1.4,蛋,蛋,白,白,质,质,工,工,程,程,的,的,崛,崛,起,起,阅,读,读P26,第,第,二,二,自,自,然,然,段,段,思,思,考,考,：,：,科,学,学,家,家,在,在,干,干,扰,扰,素,素,的,的,保,保,存,存,和,和,玉,玉,米,米,的,的,赖,赖,氨,氨,酸,酸,的,的,产,产,量,量,上,上,面,面,临,临,什,什,么,么,样,样,的,的,问,问,题,题,？,？,如,如,何,何,解,解,决,决,这,这,些,些,问,问,题,题,？,？,一,、,、,蛋,蛋,白,白,质,质,工,工,程,程,崛,崛,起,起,的,的,缘,缘,由,由,例,如,如,：,：,改,造,造,干扰素（半胱氨酸）,体外很难保存,干扰素（丝氨酸）,-70,体外可以保存,半年,玉,米,米,中,中,赖,赖,氨,氨,酸,酸,含,含,量,量,比,比,较,较,低,低,天冬氨酸,激,激酶,（352,位,位的苏氨,酸,酸）,二氢吡啶,二,二羧酸合,成,成酶（104位的,天,天冬酰胺,）,）,天冬氨酸,激,激酶,（异亮氨,酸,酸）,二氢吡啶,二,二羧酸合,成,成酶（异,亮,亮氨酸）,玉米中赖,氨,氨酸含量,可,可提高数倍,改造,改造,问题1：,解决：,蛋白质功,能,能,不能满足,需,需求,改变蛋白,质,质的结构,-半胱氨,酸,酸-,体外很难,保,保存,？如何改,造,造,-丝氨,酸,酸-,体外可以,保,保存半年,问题2：,如,如何对天,然,然蛋白质的,结,结构进行改造,？,？,干扰素,干扰素（,改,改）,思考与讨,论,论,(你认为直接对蛋,白,白质分子进行操作,，,，还是通,过,过对基因的操,作,作来实现？,能,能否说出,你,你的理由,？,？),答：毫无疑,问,问应该从对基因的操,作,作来实现对天,然,然蛋白质改,造,造，主要原,因,因如下：,（1）任何,一,一种天然蛋白质都是,由,由基因编码,的,的，改造了基因,即,即对蛋白质,进,进行了改造,，,，而且改造,过,过的蛋白质,可,可以遗传下,去,去。如果对,蛋,蛋白质直接,改,改造，即使,改,改造成功，,被,被改造过的,蛋,蛋白质分子,还,还是无法遗,传,传的。,（基因改造,可遗传；,蛋白质改造,不可遗传,）,）,（2）对基,因,因进行改造,比,比对蛋白质,直,直接改造要容易操作，难度要小得,多,多。,-,半,半胱氨酸-,体外很难保,存,存,？如何改造,-丝氨酸-,体外可以保,存,存半年,问题3、你,能,能推测出干,扰,扰素基因改,造,造前和改造,后,后的该部分,序,序列吗？,（半胱氨酸,：,：UGU；,丝,丝氨酸：UCU）,干扰素,干扰素（改,）,）,思考与讨论,某多肽链的,一,一段氨基酸,序,序列是：,-丙氨,酸,酸-色氨酸-赖氨酸-,甲,甲硫氨酸-,苯,苯丙氨酸-,丙氨酸：GCU、GCC、GCA,、,、GCG,色,色氨,酸,酸：UGG,赖氨酸：AAA、AAG 甲硫,氨,氨酸：AUG,苯,苯丙氨酸：UUU、UUC,讨论：,1、请写出,决,决定这一段,肽,肽链的mRNA片段和,基,基因片段的,核,核苷酸序列,。,。,2、确定目,的,的基因的碱,基,基序列后，,怎,怎样才能合,成,成或改,造目的基因,（,（DNA）,？,？,思考与讨论,（1）mRNA序列为,：,：,GCU（或C或A或G,）,）UGGAAA（或G,）,）AUGUUU（或C,）,）,脱氧核苷酸,序,序列：,CGA（或G或T或C,）,）ACCTTT（或C,）,）TACAAA（或G,）,）,（2）确定,目,目的基因的,碱,碱基序列后,，,，就可以根,据,据人类的需,要,要改造它，,通,通过人工合成的,方,方法或从基,因,因库中获取,。,。,1、蛋白质,工,工程的途径,预期蛋白质功能,设计预期的蛋白,质,质结构,推测应有的氨基酸序列,找到相应的脱氧核苷酸,序,序列(合成,基,基因),基因,DNA,氨基酸序列,多肽链,蛋白质,三维结构,预期功能,生物功能,mRNA,转录,翻译,折叠,DNA合成,分子设计,-,中,中心法则的,逆,逆推,二、蛋白质,工,工程的基本,原,原理P27,3、实质：,2、目标P26：,根据人们对的特定需求,，,，,对蛋白质的进行分子设,计,计。,基因改造,蛋白质功能,结构,蛋白质工程,是,是指以蛋白,质,质分子的结,构,构规律及其,与,与生物功能,的,的关系作为,基,基础，通过,基,基因修饰或,基,基因合成，,对,对现有蛋白,质,质进行改造,或,或制造一种,新,新的蛋白质,，,，以满足人,类,类对生产和,生,生活的需求,。,。,4、蛋白质,工,工程的概念P27,了解蛋白质,的,的结构和功,能,能,改造基因（,基,基因修饰或,基,基因合成）,前提：,途径,：,目的：,定向改造或,制,制造蛋白质,5、基因工,程,程与蛋白质,工,工程的区别,基因工程,蛋白质工程,实质,结果,联系,通过,改造基因,，以,定向改造天,然,然蛋白,质，甚至创,造,造自然,界不存在的,蛋,蛋白质,将,目的基因,从供体,转移到受体,细,细胞，并,在受体细胞,中,中表达,只能生产自,然,然界,已存在,的蛋白质,蛋白质工程,是,是在基因工,程,程基础上，,延,延,伸出的,第二代,基因工程,能生产自然,界,界,不存在,的蛋白质,重组,创新,能不能根据,人,人类需要的,蛋,蛋白质的结,构,构，设计相,应,应的基因，,导,导入合适的,细,细菌中，让,细,细菌生产人,类,类所需要的,蛋,蛋白质食品,呢,呢？,理论上讲可,以,以，但目前,还,还没有真正,成,成功的例子,。,。一些报道利,用,用细菌生产,人,人类需要的,蛋,蛋白质往往,都,都是自然界,已,已经存在的,蛋,蛋白质，并,非,非完全是人,工,工设计出来,而,而自然不存,在,在的蛋白质,。,。主要原因,是,是蛋白质的高级结构非常复杂，,人,人类对蛋白,质,质的高级结,构,构和在生物,体,体内如何行,使,使功能知之,甚,甚少，很难,设,设计出一个,崭,崭新而又具,有,有生命功能,作,作用的蛋白,质,质，而且一,个,个崭新的蛋,白,白质会带来,什,什么危害也,是,是人们所担,心,心的。,异想天开,三、蛋白质,工,工程的进展,和,和前景,1、进展P28：,（1）,对胰岛素的,改,改造，使其,成,成为速效型,药,药品。,天然胰岛素,制,制剂在储存,中,中易形成二,聚,聚体和六聚,体,体，延缓胰,岛,岛素从注射,部,部位进入血,液,液，从而延,缓,缓了其降血,糖,糖作用，也,增,增加了抗原,性,性，这是胰,岛,岛素B23-B28氨,基,基酸残基结,构,构所致。利,用,用蛋白质工,程,程技术改变,这,这些残基，,则,则可降低其,聚,聚合作用，,使,使胰岛素快,速,速起作用。该速效胰岛,素,素已通过临,床,床实验。,（2）水蛭,素,素改造,水蛭素是水,蛭,蛭唾液腺分,泌,泌的凝血酶特异,抑,抑制剂，它有多种变,异,异体，由65或66个,氨,氨基酸残基,组,组成。水蛭,素,素在临床上,可,可作为抗栓药物用,于,于治疗血栓,疾,疾病。为提高水蛭,素,素活性，在,综,综合各变异,体,体结构特点,的,的基础上提,出,出改造水蛭,素,素主要变异,体,体HV2的,设,设计方案，,将,将47位的Asn（天,冬,冬酰胺）变,成,成Lys（,赖,赖氨酸），,使,使其与分子,内,内第4或第5位Thr,（,（苏氨酸）,间,间形成氢键,来,来帮助水蛭,素,素N端肽段,的,的正确取向,，,，从而提高,凝,凝血效率，,试,试管试验活,性,性提高4倍,，,，在动物模,型,型上检验抗,血,血栓形成的,效,效果，提高20倍。,2、前景诱,人,人：,探索将蛋白,质,质工程应用,于,于微电子方面。,3、,难度很大：,主要是目前,科,科学家对大,多,多数蛋白质的高,级,级结构的了解还很,不,不够。,用蛋白质工,程,程制造的电,子,子元件具有体积小、,耗电少和效,率,率高的特点。,1、你知道,人,人类蛋白质,组,组计划吗？,它,它与蛋白质,工,工程有什么,关,关系？我国,科,科学家承担,了,了什么任务,？,？,人类蛋白质,组,组计划是继,人,人类基因组,计,计划之后，生命科学乃,至,至自然科学,领,领域一项重大的,科,科学命题。2001年,，,，国际人类,蛋,蛋白质组组,织,织宣告成立,。,。2003年,，,，该组织正,式,式提出启动,了,了两项重大,国,国际合作行,动,动：一项是,由中国科学,家,家牵头,执行的,“人类肝脏,蛋,蛋白质组计,划,划”,；另一项是以,美,美国科学家,牵,牵头执行的“人类血浆,蛋,蛋白质组计,划,划”，由此拉开了,人,人类蛋白质,组,组计划的帷,幕,幕。,四、知识拓,展,展,“人类肝脏,蛋,蛋白质组计,划,划”是国际,上,上第一个人类,组,组织器官,的,的蛋白质组,计,计划，由我国贺福,初,初院士牵头,，,，这是中国,科,科学家第一,次,次领衔的重,大,大国际科研,协,协作计划，,总,总部设在北京，目前有16个国家和,地,地区的80,多,多个实验室,报,报名参加。,它,它的科学目,标,标是揭示并,确,确认肝脏的,蛋,蛋白质，为,重,重大肝病预,防,防、诊断、,治,治疗和新药,研,研发的突破,提,提供重要的,科,科学基础。,人类蛋白质,组,组计划的深,入,入研究将是,对,对蛋白质工,程,程的有力推,动,动和理论支,持,持。,2、你知道,酶,酶工程吗?,绝,绝大多数酶,都,都是蛋白质,，,，酶工程和,蛋,蛋白质工程,有,有什么区别,？,？,酶,工,工,程,程,就,就,是,是,指,指,将,将,酶,酶,所,所,具,具,有,有,的,的,生,生,物,物,催,催,化,化,作,作,用,用,，,，,借,借,助,助,工,工,程,程,学,学,的,的,手,手,段,段,，,，,应,应,用,用,于,于,生,生,产,产,、,、,生,生,活,活,、,、,医,医,疗,疗,诊,诊,断,断,和,和,环,环,境,境,保,保,护,护,等,等,方,方,面,面,的,的,一,一,门,门,科,科,学,学,技,技,术,术,。,。,（,（,如,如加,酶,酶,洗,洗,衣,衣,粉,粉）,通,常,常,所,所,说,说,的,的,酶,酶,工,工,程,程,是,是,用,用,工,工,程,程,菌,菌,生,生,产,产,酶,酶,制,制,剂,剂,，,，,而,而,没,没,有,有,经,经,过,过,由,由,酶,酶,的,的,功,功,能,能,来,来,设,设,计,计,酶,酶,的,的,分,分,子,子,结,结,构,构,，,，,然,然,后,后,由,由,酶,酶,的,的,分,分,子,子,结,结,构,构,来,来,确,确,定,定,相,相,应,应,基,基,因,因,的,的,碱,碱,基,基,序,序,列,列,等,等,步,步,骤,骤,。