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,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,*,1.4蛋白质工程的崛起,基因工程,的成果,基因工程在原则上,只能生产自然界已存在的蛋白质。,这些蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合,人类生产和生活,的需要。,基因工程的局限性：,阅读,P26,第二段思考：,科学家在干扰素的保存和,玉米的赖氨酸的产量,上面临什么样的问题？如何解决这些问题？,一、蛋白质工程崛起的缘由,蛋白质功能,不能满足需求,解决：改变蛋白质的,结构,改造方案：,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,问题：如何对天然,蛋白质的结构,进行改造？,思考与讨论,(,你认为,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？能否说出你的理由？,),答：毫无疑问应该从,对基因的操作,来实现对天然蛋白质改造，主要原因如下：,（,1,）任何一种天然,蛋白质都是由基因编码的，,改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造过的蛋白质可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传的。,（基因改造,可遗传；,蛋白质改造,不可遗传）,（,2,）对基因进行改造比对蛋白质直接改造要,容易操作，,难度要小得多。,1,、蛋白质工程的,途径,预期蛋白质,功能,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,(,得到相应目的基因,),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,-,中心法则的逆推,二、蛋白质工程的基本原理,基因工程操作程序,得到符合人们需求的蛋白质,结构决定功能,中心法则,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,-,丙氨酸：,GCU,、,GCC,、,GCA,、,GCG,色氨酸：,UGG,赖氨酸：,AAA,、,AAG,甲硫氨酸：,AUG,苯丙氨酸：,UUU,、,UUC,讨论：,1,、请写出决定这一段肽链的,mRNA,片段和基因片段的核苷酸序列。,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,）？,思考与讨论（模拟蛋白质工程的思路）,（,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，,通过,人工合成的方法或从基因库中获取,，或者,就可以根据人类的需要改造它（可以通过定点突变）。,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，以满足人类对生产和生活的需求。,4,、蛋白质工程的概念,了解蛋白质的结构和功能,改造基因（基因修饰或基因合成）,前提,：,途径,/,实质,：,目的,：,定向改造或制造全新的蛋白质，满足人类的生产生活需求,5,、基因工程与蛋白质工程的区别,基因工程,蛋白质工程,实质,结果,联系,通过,改造基因,，可,以定向改造天然蛋,白质，甚至创造自,然界不存在的蛋白质,将,目的基因,从供体,转移到受体细胞，并在受体细胞中表达（基因重组）,只能生产自然界,已存在,的蛋白质,蛋白质工程是在基因工程基础上，延,伸出的,第二代,基因工程,能生产自然界,不存在,的蛋白质,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,已经存在的蛋白质经过改造得到的,，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。,异想天开,而也正是因为，我们对蛋白质的结构和功能之间的对应关系掌握的非常少，所以导致我们从蛋白质的预期功能出发时，,不能一步到位的设计好蛋白质的结构和氨基酸序列,，而只能设计一系列的候选的蛋白质结构，最终再从得到的蛋白质中去筛选出符合我们要求的蛋白质。,预期蛋白质,功能,设计一系列预期的蛋白质结构,；,推测各个相应的氨基酸序列,；（设计一系列的模拟肽）,找到相应的脱氧核苷酸序列(,得到一系列,相应的,候选目的基因,),基因工程操作程序,得到许多的蛋白质；筛选出符合人们需求的蛋白质,确认,三、蛋白质工程的进展和前景,1,、进展：,（,1,）,对胰岛素的改造，使其成为速效型药品,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,23,-,28,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。,（,2,）水蛭素改造,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,提高抗凝血效率,，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。,2,、前景诱人：,探索将蛋白质工程应用于,微电子,方面。,3,、难度很大：,主要是目前科学家对大多数,蛋白质的高级结构,的了解还很不够。,用蛋白质工程制造的电子元件具有,体积小、,耗电少和效率高,的特点。,P28思考探究,你知道酶工程吗?绝大多数酶都是蛋白质，酶工程和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。（如,加酶洗衣粉,）,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。,随堂练习,1,蛋白质工程中直接需要进行操作的对象是（）,氨基酸结构,B,蛋白质空间结构,C,肽链结构,D,基因结构,2、蛋白质工程的基本流程正确的是（）,蛋白质分子结构设计 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.,C,3,、关于基因工程和蛋白质工程的说法正确的是,A,都是分子水平上的操作,B,基因工程就是改造基因的分子结构,C,蛋白质工程就是改造蛋白质的分子结构,D,基因工程能产生自然界根本不存在的基因，蛋白质工程能产生自然界已存在的蛋白质,A,4,、,关于生物体内存在的天然蛋白质，下列说法不正确的是（）,A,是生物在长期进化过程中形成的,B,它们的结构和功能符合特定物种生存的需要,C,构成天然蛋白质的氨基酸目前发现的有,20,种,D,一定完全符合人类生产和生活的需要,D,5,、关于蛋白质工程的进展和应用，下列说法不正确的是（）,A,科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效药品,B,生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于微电子方面,C,蛋白质工程技术已经非常成熟，目前正被大力推广应用,D,蛋白质工程是一项难度很大的工程，目前成功的例子不多,C,