生物技術(shù)導(dǎo)論教案

1、蛋白質(zhì)工程教學(xué)目的：1、了解蛋白質(zhì)工程的概念、蛋白質(zhì)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、基本原理；2、理解蛋白質(zhì)的研究方法； 3、了解蛋白質(zhì)組學(xué) ；4、通過(guò)適當(dāng)組織討論讓同學(xué)們積極參與課堂，掌握和了解一些基本的蛋白質(zhì)工程運(yùn)用。教學(xué)重點(diǎn)：1、蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)；2、蛋白質(zhì)組學(xué)；3、蛋白質(zhì)的研究方法；教學(xué)難點(diǎn)： 1、改變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法；2、蛋白質(zhì)功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。講解內(nèi)容：主要內(nèi)容簡(jiǎn)介本次課講授生物技術(shù)導(dǎo)論（P154-167），包括 教學(xué)內(nèi)容蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、蛋白質(zhì)的研究方法、蛋白質(zhì)工程的運(yùn)用實(shí)例、蛋白質(zhì)組學(xué)； 其中重點(diǎn)講授：蛋白質(zhì)的研究方法、蛋白質(zhì)組學(xué)。詳細(xì)內(nèi)容（一）蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) 1、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu) （1）結(jié)構(gòu)

2、：蛋白質(zhì)分子是由氨基酸首尾相連縮合而成的共價(jià)多肽鏈，但是天然蛋白質(zhì)分子并不是走向隨機(jī)的松散多肽鏈。每一種天然蛋白質(zhì)都有自己特有的空間結(jié)構(gòu)或稱三維結(jié)構(gòu)，這種三維結(jié)構(gòu)通常被稱為蛋白質(zhì)的構(gòu)象，即蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。（2）功能：各種生命功能、生命現(xiàn)象、生命活動(dòng)都和蛋白質(zhì)有關(guān)：a.蛋白質(zhì)執(zhí)行著酶的功能。b.通過(guò)激素調(diào)節(jié)代謝作用。c.產(chǎn)生相應(yīng)的抗體。d.構(gòu)建各種生物膜。2、蛋白質(zhì)工程概念：蛋白質(zhì)工程就是以蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能為基礎(chǔ)，利用基因工程的手段，按照人類自身的需要，定向地改造天然的蛋白質(zhì)，甚至創(chuàng)造新的、自然界本不存在的、具有優(yōu)良特性的蛋白質(zhì)分子。3、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ) （1） 蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)（primary

3、 structure) 定義：蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)是指氨基酸按一定的順序通過(guò)肽鍵相連而成的多肽鏈，也是蛋白質(zhì)最基本的結(jié)構(gòu)。圖1：蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)（2） 蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)（secondary structure） 定義： 二級(jí)結(jié)構(gòu)是指多肽鏈借助于氫鍵沿一維方向排列成具有周期性的結(jié)構(gòu)的構(gòu) 象，是多肽鏈局部的空間結(jié)構(gòu)（構(gòu)象） 主要形式：-螺旋、-折疊、-轉(zhuǎn)角等 多媒體展示蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)圖二：蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)（3）蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)（tertiary structure） 三級(jí)結(jié)構(gòu)主要針對(duì)球狀蛋白質(zhì)，是指整條多肽鏈由二級(jí)結(jié)構(gòu)元件構(gòu)建成的總?cè)S結(jié)構(gòu) 。 圖三：蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)（4）蛋白質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu)（quaternary

4、 structure） 四級(jí)結(jié)構(gòu)是指在亞基和亞基之間通過(guò)疏水作用等次級(jí)鍵結(jié)合成為有序排列的特 定的空間結(jié)構(gòu)。四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)中每個(gè)球狀蛋白質(zhì)稱為亞基。圖四：蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)4、蛋白質(zhì)分子間的相互作用 亞基間的聚合可以被解離，可以重新聚合；四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子亞基間可以雜交；多肽與蛋白質(zhì)分子間可以聚合。（二）蛋白質(zhì)工程的研究方法 1、蛋白質(zhì)工程的研究策略 反向生物學(xué)技術(shù)： 確定蛋白質(zhì)的功能蛋白質(zhì)應(yīng)有的高級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)應(yīng)具備的 折疊狀態(tài)應(yīng)有的氨基酸序列應(yīng)有的堿基排列， 可以創(chuàng)造自然界不存在的蛋白質(zhì)。 即根據(jù)特定的生物功能，設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)的氨基酸序列和空間結(jié)構(gòu)。2、蛋白質(zhì)全新設(shè)計(jì) （1）設(shè)計(jì)目標(biāo)的選擇 包

5、括：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)，目前主要側(cè)重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般從蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)開始，模擬蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性 功能設(shè)計(jì)主要進(jìn)行天然蛋白質(zhì)功能的模擬 2）蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)技術(shù)與方法 序列最簡(jiǎn)化法 ： 3）改變現(xiàn)有蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)（主要） 基本步驟：（1）分離純化目標(biāo)蛋白。（2）分析目標(biāo)蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)。（3）分析目標(biāo)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。 （4）根據(jù)蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引物，克隆目的基因。（5）根據(jù)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系以及蛋白質(zhì)改造的目的設(shè)計(jì)改造方案。（6）對(duì)目的基因進(jìn)行人工定點(diǎn)突變。（7）改造后的基因在宿主細(xì)胞中的表達(dá)。（8）分離純化表達(dá)的蛋白質(zhì)并分析其功能，評(píng)價(jià)是否達(dá)到設(shè)計(jì)目

6、的人工定點(diǎn)突變方法。（三）蛋白質(zhì)工程技術(shù)的應(yīng)用1、胰蛋白酶 2、金屬硫蛋白 3、人白細(xì)胞介素-2 4、組織纖溶酶原激活因子 5、枯草桿菌蛋白酶。（四）蛋白質(zhì)組學(xué)（Proteomics） 1、人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃概述： 2001年，國(guó)際人類蛋白質(zhì)組組織宣告成立。之后，該組織正式提出啟動(dòng)了 兩項(xiàng)重大國(guó)際合作行動(dòng)：一項(xiàng)是由中國(guó)科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃”；另一項(xiàng)是以美國(guó)科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類血漿蛋白質(zhì)組計(jì)劃”，由此拉開 了人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃的帷幕。 “人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃” 是國(guó)際上第一個(gè)人類組織器官的蛋白質(zhì)組計(jì)劃，由我國(guó)賀福初院士牽頭，這是中國(guó)科學(xué)家第一次領(lǐng)銜的重大國(guó)際科研協(xié)作計(jì)劃，總部設(shè)在

7、北京，目前有 16 個(gè)國(guó)家和地區(qū)的 80 多個(gè)實(shí)驗(yàn)室報(bào)名參加。它的科學(xué)目標(biāo)是揭示并確認(rèn)肝臟的蛋白質(zhì)，為重大肝病預(yù)防、診斷、治療和新藥研發(fā)的突破提供重要的科學(xué)基礎(chǔ)。2、蛋白質(zhì)組學(xué)的研究?jī)?nèi)容包括：（1）蛋白質(zhì)鑒定：可以利用一維電泳和二維電泳并結(jié)合 Western 等技術(shù)，利用蛋白質(zhì)芯片和抗體芯片及免疫共沉淀等技術(shù)對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行鑒定研究。（2）翻譯后修飾：很多 mRNA 表達(dá)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)要經(jīng)歷翻譯后修飾如磷酸化，糖基化，酶原激活等。翻譯后修飾是蛋白質(zhì)調(diào)節(jié)功能的重要方式。（3）蛋白質(zhì)功能確定：如分析酶活性和確定酶底物，細(xì)胞因子的生物分析，配基 -受體結(jié)合分析，基因表達(dá)產(chǎn)物-蛋白質(zhì)的功能分析。另外對(duì)蛋白質(zhì)

8、表達(dá)出來(lái)后在 細(xì)胞內(nèi)的定位研究也在一定程度上有助于蛋白質(zhì)功能的了解。熒光蛋白表達(dá)系統(tǒng) 就是研究蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)定位的一個(gè)很好的工具。（4）分子醫(yī)學(xué)的發(fā)展。如尋找藥物的靶分子。很多藥物本身就是蛋白質(zhì)，而很多藥物的靶分子也是蛋白質(zhì)。藥物也可以干預(yù)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用。4、蛋白質(zhì)組學(xué)研究技術(shù)（1）蛋白質(zhì)組研究中的樣品制備。（2）蛋白質(zhì)組研究中的樣品分離和分析雙向凝膠電泳質(zhì)譜技術(shù)、二維色譜相色譜毛細(xì)管電泳 (LC-CE) (2D-LC)、二維毛細(xì)管電泳 (2D-CE)。5、蛋白質(zhì)組學(xué)發(fā)展趨勢(shì)在基礎(chǔ)研究方面，蛋白質(zhì)組研究技術(shù)被應(yīng)用到各種生命科學(xué)領(lǐng)域。在應(yīng)用研究方面，蛋白質(zhì)組學(xué)將成為尋找疾病分子標(biāo)記和藥物靶標(biāo)最有效的方法之一。在技術(shù)發(fā)展方面，蛋白質(zhì)組學(xué)的研究方法將出現(xiàn)多種技術(shù)并存，各有優(yōu)勢(shì)和局限的特點(diǎn)（五）、討論：1、蛋白質(zhì)工程發(fā)展趨勢(shì)。2、蛋白質(zhì)組學(xué)研究的研究意義。3、相互交流對(duì)于這節(jié)課的體會(huì)和認(rèn)知。課堂小結(jié)：本章簡(jiǎn)要介紹了蛋白質(zhì)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、基本原理，概括地描述了蛋白質(zhì)工程的技術(shù)。通過(guò)舉例闡明了利用蛋白質(zhì)工程和基因工程技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的蛋白質(zhì)加以定向改造、設(shè)計(jì)。還概述了蛋白質(zhì)組學(xué)研究技術(shù)，希望同學(xué)們?cè)谏线^(guò)這節(jié)課后能對(duì)蛋白質(zhì)工程有著一個(gè)初步了解和具體運(yùn)用。復(fù)習(xí)思考題：1、簡(jiǎn)單敘述蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本組件。2、舉例說(shuō)明對(duì)現(xiàn)有