选修三14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,*,知识回顾,基因工程的实质是什么？,将,一种生物的基因,转移到,另一种生物体内,，,后者可以产生它本来不能产生的蛋白质，进,而表现出新的性状,。,思考：,基因工程产生的蛋白质是否完全,符合人类生产和生活的需要？,专题,1,基因工程,1.4,蛋白质工程的崛起,一、蛋白质工程崛起的缘由,1,基因工程的局限性：,a,、,基因工程在原则上只能生产自然,界已存在的蛋白质,b,、天然蛋白质不一定完全符合人类,生产和生活的需要,2,蛋白质工程的目的：,生产符合人们生活需要的并,非自然界,已存在,的蛋白质,干扰素,利用大肠杆菌及酵母菌生产干扰素,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）,改造,改造,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,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。,二、蛋白质工程的基本原理,1,蛋白质工程的目标：,根据人们对蛋白质功能,的特殊需求，对蛋白质的结构进行分子设计。,2,前提：,了解蛋白质的结构和功能,原理：,改造基因（基因修饰或基因合成）,目的：,定向改造或制造蛋白质,（原理：基因改造）,蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与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,以满足人类的生产和生活的需求。,蛋白质工程流程图：,蛋白质,三维结构,氨基酸序列,多肽链,基因,DNA,预期功能,DNA,合成,分子设计,mRN,A,生物功能,转录,翻译,折叠,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,找到相应的脱氧核苷酸序列,蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什么不同？,？,答：,基因工程是遵循,中心法则,，从,DNAmRNA,蛋白质折叠产生功能，基本上是生产出自然界已有的蛋白质。,蛋白质工程是按照以下思路进行的：,确定蛋白质的功能蛋白质应有的高级结构蛋白质应具备的折叠状态应有的氨基酸序列应有的碱基排列，可以创造自然界不存在的蛋白质。,蛋白质工程的主要步骤通常包括：,（,1,）从生物体中分离纯化目的蛋白；,（,2,）测定其氨基酸序列；,（,3,）借助核磁共振和,X,射线晶体衍射等手段，尽可,能地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构,;,（,4,）设计各种处理条件，了解蛋白质的结构变化，包,括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响；,（,5,）设计编码该蛋白的基因改造方案，如,定点突变,；,（,6,）分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。,蛋白质改造工程的实例：,1,水蛭素的改造,水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂，它有多种变异体，由,65,或,66,个氨基酸残基组成。水蛭素在临床上可作为抗栓药物用于治疗血栓疾病。为提高水蛭素活性，在综合各变异体结构特点的基础上提出改造水蛭素主要变异体,HV2,的设计方案，,将,47,位的,Asn,（天冬酰胺）变成,Lys,（赖氨酸），,使其与分子内第,4,或第,5,位,Thr,（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素,N,端肽段的正确取向，从而提高凝血效率，试管试验活性提高,4,倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高,20,倍。,蛋白质改造工程的实例：,2,生长激素改造,生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机体的生长发育，然而它不仅可以结合生长激素受体，还可以结合许多种不同类型细胞的催乳激素受体，引发其他生理过程。在治疗过程中为减少副作用，需使人的重组生长激素只与生长激素受体结合，尽可能减少与其他激素受体的结合。经研究发现，二者受体结合区有一部分重叠，但并不完全相同，有可能通过改造加以区别。由于人的生长激素和催乳激素受体结合需要锌离子参与作用，而它与生长激素受体结合则无需锌离子参与，,于是考虑取代充当锌离子配基的氨基酸侧链，如第,18,和第,21,位,His,（组氨酸）和第,17,位,Glu,（谷氨酸）。,实验结果与预先设想一致，但要开发作为临床用药还有大量的工作要做。,蛋白质改造工程的实例：,3,胰岛素改造,天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体，延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了其降血糖作用，也增加了抗原性，这是,胰岛素,B23-B28,氨基酸残基结构,所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基，则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速效胰岛素已通过临床实验。,蛋白质改造工程的实例：,4,治癌酶的改造,癌症的基因治疗分二个方面：药物作用于癌细胞，特异性地抑制或杀死癌细胞；药物保护正常细胞免受化学药物的侵害，可以提高化学治疗的剂量。疱疹病毒（,HSV,）胸腺嘧啶激酶（,TK,）可以催化胸腺嘧啶和其它结构类似物磷酸化而使这些碱基,3,-OH,缺乏,从而阻断,DNA,的合成，杀死癌细胞。,HSV,TK,催化能力可以通过基因突变来提高。从大量的随机突变中进行筛选出一种酶,在,酶活性部位附近有,6,个氨基酸被替换,，催化能力,20,倍以上。,三、蛋白质工程的进展与前景,蛋白质工程目前的现状：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。,比较基因工程和蛋白质工程：,基因工程,蛋白质工程,相同点,都要改造基因，都属于分子水平,产生新的,基因型，无新基因,基因（型）,产生的蛋白质,原有的,新的,联系,蛋白质工程以基因工程为基础，,是基因工程的应用和延伸,课堂练习：,1,、以下关于蛋白质工程的说法正确的是：,(),A.,蛋白质工程以基因工程为基础,B.,蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造,C.,蛋白质工程只能生产天然的蛋白质,D.,蛋白质工程的实质是改造蛋白质,A,课堂练习：,2,、蛋白质工程的基本流程正确的是：,(),设计蛋白质分子结构 ,DNA,合成,预期蛋白质功能 据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列,A.,B.,C.,D.,D,