人教版教學課件[名校聯盟]福建省三明市泰寧一中生物選修三14蛋白質工程的崛起課件

1、思考：如果想讓某一個生物的性狀思考：如果想讓某一個生物的性狀在另外一個生物的身上表達，常用在另外一個生物的身上表達，常用的方法有哪些？的方法有哪些？1、在種內可以用什么方法？、在種內可以用什么方法？ 雜交育種雜交育種 2、在種間可以用什么方法？、在種間可以用什么方法？基因工程育種基因工程育種 基因工程的實質基因工程的實質： 將一種生物的將一種生物的 轉移到轉移到另一種生物體內，后者產生它本不另一種生物體內，后者產生它本不能產的能產的 ，進而表現，進而表現出出 ?；蚧虻鞍踪|蛋白質新的性狀新的性狀試回顧總結基因工程的豐碩成果試回顧總結基因工程的豐碩成果基因工程在原則上只能生產自基因工程在原則上

2、只能生產自然界已存在的蛋白質。然界已存在的蛋白質。 這些蛋白質的這些蛋白質的結構和功能結構和功能符合符合特定物種特定物種生存的需要，卻不一定完生存的需要，卻不一定完全符合全符合人類生產和生活人類生產和生活的需要。的需要?；蚬こ痰木窒扌裕夯蚬こ痰木窒扌裕簅干擾素（半胱氨酸）干擾素（半胱氨酸）體外很難保存體外很難保存干擾素（絲氨酸）干擾素（絲氨酸）體外可以保存半年體外可以保存半年改造改造賴氨酸的合成機理：賴氨酸的合成機理：天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶二氫吡啶二羧酸合成酶二氫吡啶二羧酸合成酶前體物質前體物質賴氨酸賴氨酸負反饋調節(jié)負反饋調節(jié)天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶（352位的蘇氨酸）位的蘇氨酸）二氫吡

3、啶二羧酸合成酶二氫吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）位的天冬酰胺）改造改造天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶（異亮氨酸）（異亮氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶二氫吡啶二羧酸合成酶（異亮氨酸）（異亮氨酸） 目前科學家嘗試通過目前科學家嘗試通過對蛋白質對蛋白質結構結構的改造，來的改造，來延長酶的半衰期，提高酶延長酶的半衰期，提高酶的熱穩(wěn)定性，延長藥用蛋的熱穩(wěn)定性，延長藥用蛋白的保存期，抵御由于重白的保存期，抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性要氨基酸氧化引起的活性喪失等，取得了一定的進喪失等，取得了一定的進展。展。 這些在科學研究和工業(yè)生產中亟這些在科學研究和工業(yè)生產中亟待解決的難題均無法通過待解決的難題均無法通

4、過基因工程基因工程來來完成。于是新一輪的探索拉開了序幕，完成。于是新一輪的探索拉開了序幕，人們開始著眼于人們開始著眼于對現有蛋白質的改造對現有蛋白質的改造，以及以及制造目前從天然蛋白質中找不到制造目前從天然蛋白質中找不到的蛋白質的蛋白質。就這樣，。就這樣，蛋白質工程蛋白質工程應運應運而生，并迅速崛起。而生，并迅速崛起。中中心法則告訴我們遺傳信息的流動方向如圖心法則告訴我們遺傳信息的流動方向如圖 ：結論結論：蛋白質的功能是由蛋白質的蛋白質的功能是由蛋白質的_決定的，決定的，蛋白質的結構是由蛋白質的結構是由_決定的決定的。結構結構dna（基因）（基因）2 2、蛋白質工程的目標：、蛋白質工程的目標：

5、 根據人們對蛋白質根據人們對蛋白質功能功能的特定需的特定需求，對蛋白質的求，對蛋白質的分子結構分子結構進行進行分子設分子設計計。 對天然蛋白質進行改造，你對天然蛋白質進行改造，你認為應該直接對認為應該直接對蛋白質分子蛋白質分子進行進行操作，還是通過對操作，還是通過對基因基因的操作來的操作來實現？為什么？實現？為什么？需要通過對基因的操作來實現。討論：討論： 某多肽鏈的一段氨基酸序列是：某多肽鏈的一段氨基酸序列是：- -丙氨酸丙氨酸- -色氨酸色氨酸- -賴氨酸賴氨酸- -甲硫氨酸甲硫氨酸- -苯丙氨酸苯丙氨酸- -丙氨酸：丙氨酸：gcu、gcc、gca、gcg 色氨酸：色氨酸：ugg 賴氨酸：

6、賴氨酸：aaa、aag 甲硫氨酸：甲硫氨酸：aug 苯丙氨酸：苯丙氨酸：uuu、uuc （1 1）怎樣得出）怎樣得出決定這一段肽鏈決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序的脫氧核苷酸序列？請把相應的列？請把相應的堿基序列寫出來。堿基序列寫出來。每種氨基酸都有對應的三聯密碼子每種氨基酸都有對應的三聯密碼子,只要查一下遺傳只要查一下遺傳密碼子表密碼子表,就可以將上述氨基酸序列的編碼序列查出就可以將上述氨基酸序列的編碼序列查出來。但是由于上述氨基酸序列中有幾個氨基酸是由來。但是由于上述氨基酸序列中有幾個氨基酸是由多個三聯密碼子編碼多個三聯密碼子編碼,因此其堿基排列組合起來就比因此其堿基排列組合起來就比較復雜較復

7、雜,至少可以排列出至少可以排列出16種。同學們可以根據學過種。同學們可以根據學過的排列組合知識自己排列一下。首先應該根據三聯的排列組合知識自己排列一下。首先應該根據三聯密碼子推出密碼子推出mrna序列為序列為gcu（或（或c或或a或或g）uggaaa（或（或g）auguuu（或（或c），再根據堿基），再根據堿基互補配對規(guī)律推出脫氧核苷酸序列：互補配對規(guī)律推出脫氧核苷酸序列：cga（或（或g或或t或或c）accttt（或（或c）tacaaa（或（或g）。）。（2 2） 確定目的基因的堿基確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改序列后，怎樣才能合成或改造目的基因（造目的基因（dnadna）？）？

8、 可以通過可以通過人工合成人工合成的方法的方法獲取或獲取或基因的定點誘變技術基因的定點誘變技術來來改變。改變。 基因會發(fā)生突變，突變可以自發(fā)，也可以誘發(fā)，這是基因會發(fā)生突變，突變可以自發(fā)，也可以誘發(fā)，這是每個稍有生物學知識的人都知道的常識。但在加拿大生物每個稍有生物學知識的人都知道的常識。但在加拿大生物化學家化學家m m史密斯（史密斯（1932193220002000）發(fā)明）發(fā)明定點突變法定點突變法之前，突之前，突變株的產生必須經由自然界或用化學等方法誘使基因體突變株的產生必須經由自然界或用化學等方法誘使基因體突變。這類方法屬于變。這類方法屬于隨機突變隨機突變，突變株必須在生物性狀上有，突變株

9、必須在生物性狀上有所改變，才能確定有突變發(fā)生，但除非用分子生物方法或所改變，才能確定有突變發(fā)生，但除非用分子生物方法或遺傳方法找到此突變處，否則無法確定突變位置。也就是遺傳方法找到此突變處，否則無法確定突變位置。也就是說，說，這種突變是盲目的這種突變是盲目的。而史密斯發(fā)明的定點突變法卻是而史密斯發(fā)明的定點突變法卻是有目的的有目的的，該法可，該法可經由設計好的寡核苷酸，在任何一個基經由設計好的寡核苷酸，在任何一個基因片段上進行隨意或設計好的突變因片段上進行隨意或設計好的突變，也就是說，這種突變，也就是說，這種突變是預先設定好的，所以也有人將該法稱為是預先設定好的，所以也有人將該法稱為“反遺傳法反

10、遺傳法”。有意思的是這一給生命科學研究及應用領域帶來革命有意思的是這一給生命科學研究及應用領域帶來革命性突破的方法竟然是史密斯和其同事在喝咖啡時閑聊出來性突破的方法竟然是史密斯和其同事在喝咖啡時閑聊出來的?，F在，幾乎每個生物實驗室都會用定點突變法來研究的?，F在，幾乎每個生物實驗室都會用定點突變法來研究基因或蛋白質的功能?；蚧虻鞍踪|的功能。（1 1）從生物體中分離純化目的蛋白；）從生物體中分離純化目的蛋白；（2 2）測定其氨基酸序列；）測定其氨基酸序列；（3 3）借助核磁共振和）借助核磁共振和x x射線晶體衍射等手段，盡可能射線晶體衍射等手段，盡可能地了解蛋白質的二維重組和三維晶體結構地了解蛋

11、白質的二維重組和三維晶體結構; ;（4 4）設計各種處理條件，了解蛋白質的結構變化，包）設計各種處理條件，了解蛋白質的結構變化，包括折疊與去折疊等對其活性與功能的影響；括折疊與去折疊等對其活性與功能的影響；（5 5）設計編碼該蛋白的基因改造方案，如定點突變；）設計編碼該蛋白的基因改造方案，如定點突變；（6 6）分離、純化新蛋白，功能檢測后投入實際使用。）分離、純化新蛋白，功能檢測后投入實際使用。異亮氨酸半胱氨酸蛋白質工程的概念蛋白質工程的概念n蛋白質工程是指以蛋白質分子的蛋白質工程是指以蛋白質分子的結構規(guī)律結構規(guī)律及其與及其與生物功能生物功能的關系作為基礎，通過的關系作為基礎，通過基基因修飾因

12、修飾或或基因合成基因合成，對現有蛋白質進行，對現有蛋白質進行改改造或制造一種新的蛋白質造或制造一種新的蛋白質，以滿足人類對，以滿足人類對生產和生活的需求。生產和生活的需求。前提前提：了解蛋白質的結構和功能了解蛋白質的結構和功能原理原理：改造基因（基因修飾或基因合成）改造基因（基因修飾或基因合成）目的：目的： 定向改造或制造蛋白質定向改造或制造蛋白質 能不能根據人類需要的蛋白質能不能根據人類需要的蛋白質的結構，設計相應的基因，導入合的結構，設計相應的基因，導入合適的細菌中，讓細菌生產人類所需適的細菌中，讓細菌生產人類所需要的蛋白質食品呢？要的蛋白質食品呢？ 理論上是可行的，但目前還沒理論上是可行

13、的，但目前還沒有真正成功的例子。有真正成功的例子。1、蛋白質工程的進展：（1）對胰島素的改造胰島素的改造 天然胰島素制劑在儲存中易形成二聚體和天然胰島素制劑在儲存中易形成二聚體和六聚體，延緩胰島素從注射部位進入血液，從六聚體，延緩胰島素從注射部位進入血液，從而延緩了其降血糖作用，也增加了抗原性，這而延緩了其降血糖作用，也增加了抗原性，這是胰島素是胰島素b23-b28b23-b28氨基酸殘基結構所致。利用氨基酸殘基結構所致。利用蛋白質工程技術改變這些殘基，則可降低其聚蛋白質工程技術改變這些殘基，則可降低其聚合作用，使胰島素快速起作用。該合作用，使胰島素快速起作用。該速效胰島素速效胰島素已通過臨床

14、實驗。已通過臨床實驗。（2）對水蛭素的改造）對水蛭素的改造 水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特異抑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，由制劑，它有多種變異體，由65或或66個氨基酸殘個氨基酸殘基組成。水蛭素在臨床上可作為抗栓藥物用于基組成。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，在綜合各治療血栓疾病。為提高水蛭素活性，在綜合各變異體結構特點的基礎上提出改造水蛭素主要變異體結構特點的基礎上提出改造水蛭素主要變異體變異體hv2的設計方案，將的設計方案，將47位的位的asn（天冬酰（天冬酰胺）變成胺）變成lys（賴氨酸），使其與分子內第（賴氨酸），使其與分

15、子內第4或或第第5位位thr（蘇氨酸）間形成氫鍵來幫助水蛭素（蘇氨酸）間形成氫鍵來幫助水蛭素n端肽鏈的正確取向，從而提高抗凝血效率，端肽鏈的正確取向，從而提高抗凝血效率，試管試驗活性提高試管試驗活性提高4倍，在動物模型上檢驗抗血倍，在動物模型上檢驗抗血栓形成的效果，提高栓形成的效果，提高20倍。倍。（3）對生長激素的改造生長激素的改造 生長激素通過對它特異受體的作用促進細胞和機生長激素通過對它特異受體的作用促進細胞和機體的生長發(fā)育，然而它不僅可以結合體的生長發(fā)育，然而它不僅可以結合生長激素受體生長激素受體，還可以結合許多種不同類型細胞的還可以結合許多種不同類型細胞的催乳激素受體催乳激素受體，引

16、，引發(fā)其他生理過程。在治療過程中為減少副作用，需使發(fā)其他生理過程。在治療過程中為減少副作用，需使人的重組生長激素只與生長激素受體結合，盡可能減人的重組生長激素只與生長激素受體結合，盡可能減少與其他激素受體的結合。經研究發(fā)現，二者受體結少與其他激素受體的結合。經研究發(fā)現，二者受體結合區(qū)有一部分重疊，但并不完全相同，有可能通過改合區(qū)有一部分重疊，但并不完全相同，有可能通過改造加以區(qū)別。由于人的生長激素和催乳激素受體結合造加以區(qū)別。由于人的生長激素和催乳激素受體結合需要鋅離子參與作用，而它與生長激素受體結合則無需要鋅離子參與作用，而它與生長激素受體結合則無需鋅離子參與，于是考慮取代充當鋅離子配基的氨基需鋅離子參與，于是考慮取代充當鋅離子配