蛋白質(zhì)工程的崛起ppt(講課)要點

1、19651965年，生物科學界發(fā)生了一件轟年，生物科學界發(fā)生了一件轟動全球的大事！動全球的大事！人工合成了結晶牛胰島素，這是第人工合成了結晶牛胰島素，這是第一個在實驗室中用人工方法合成的一個在實驗室中用人工方法合成的蛋白質(zhì)蛋白質(zhì), , 實現(xiàn)了世界上首次人工合成實現(xiàn)了世界上首次人工合成蛋白質(zhì)的壯舉。蛋白質(zhì)的壯舉。復習回顧復習回顧1、蛋白質(zhì)的基本結構單位？元素組成？、蛋白質(zhì)的基本結構單位？元素組成？2、蛋白質(zhì)結構多樣的原因？、蛋白質(zhì)結構多樣的原因？3、蛋白質(zhì)有哪些功能？、蛋白質(zhì)有哪些功能？4、蛋白質(zhì)如何合成？涉及哪些細胞器？、蛋白質(zhì)如何合成？涉及哪些細胞器？一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由一、蛋白質(zhì)工程崛

2、起的緣由二、蛋白質(zhì)工程的基本原理二、蛋白質(zhì)工程的基本原理三、蛋白質(zhì)工程的進展和前景三、蛋白質(zhì)工程的進展和前景思考：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(nèi)可以用什么方法？、在種內(nèi)可以用什么方法？ 2、在種間可以用什么方法？、在種間可以用什么方法？ 基因工程的實質(zhì)基因工程的實質(zhì)： 將一種生物的將一種生物的 轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者產(chǎn)生它本不另一種生物體內(nèi)，后者產(chǎn)生它本不能產(chǎn)的能產(chǎn)的 ，進而表現(xiàn)，進而表現(xiàn)出出 。試回顧總結基因工程的豐碩成果植物方面植物方面提高植物的抗蟲、抗病、抗

3、逆性提高植物的抗蟲、抗病、抗逆性改良植物的品質(zhì)改良植物的品質(zhì)動物方面動物方面提高動物生長速度提高動物生長速度改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)用轉(zhuǎn)基因動物生產(chǎn)藥物用轉(zhuǎn)基因動物生產(chǎn)藥物用轉(zhuǎn)基因動物作器官移植的供體用轉(zhuǎn)基因動物作器官移植的供體研制藥物研制藥物基因治療基因治療 基因工程在原則上只能生產(chǎn)自基因工程在原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)。然界已存在的蛋白質(zhì)。 這些蛋白質(zhì)是生物在長期的進這些蛋白質(zhì)是生物在長期的進化中形成的，他們的化中形成的，他們的結構和功能結構和功能符符合特定物種生存的需要，卻不一定合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要。完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要。 基

4、因工程的局限性：基因工程的局限性：例如：v干擾素是由動物體內(nèi)的效應干擾素是由動物體內(nèi)的效應T T細胞細胞產(chǎn)生的一種糖蛋白，幾乎能抵抗所產(chǎn)生的一種糖蛋白，幾乎能抵抗所有病毒引起的感染。同時，在治療有病毒引起的感染。同時，在治療癌癥方面也有十分可觀的療效。但癌癥方面也有十分可觀的療效。但是，干擾素在體外保存相當困難。是，干擾素在體外保存相當困難。ov玉米中賴氨酸的含量比較低。玉米中賴氨酸的含量比較低。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(zhì)前體物質(zhì)賴氨酸賴氨酸負反饋調(diào)節(jié)負反饋調(diào)節(jié)天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶（352位的蘇氨酸）位的蘇氨

5、酸）二氫吡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）v延長干擾素的體外保存時間延長干擾素的體外保存時間v提高提高玉米中賴氨酸的含量玉米中賴氨酸的含量v提高工業(yè)生產(chǎn)中蛋白質(zhì)類酶的穩(wěn)定性提高工業(yè)生產(chǎn)中蛋白質(zhì)類酶的穩(wěn)定性 這些在科學研究和工業(yè)生產(chǎn)中亟這些在科學研究和工業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的難題均無法通過基因工程來待解決的難題均無法通過基因工程來完成。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，人們開始著眼于對現(xiàn)有蛋白質(zhì)的改造，人們開始著眼于

6、對現(xiàn)有蛋白質(zhì)的改造，以及制造目前從天然蛋白質(zhì)中找不到以及制造目前從天然蛋白質(zhì)中找不到的蛋白質(zhì)。就這樣，的蛋白質(zhì)。就這樣，蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程應運應運而生，并迅速崛起。而生，并迅速崛起。二、蛋白質(zhì)工程的基本原理二、蛋白質(zhì)工程的基本原理 根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求，根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求，對對蛋白質(zhì)的結構進行分子設計蛋白質(zhì)的結構進行分子設計。 1、目標：、目標：思考：思考：對對天然蛋白質(zhì)進行改造，你認為應該直接對蛋天然蛋白質(zhì)進行改造，你認為應該直接對蛋白質(zhì)分子進行操作，還是通過對基因的操作來實現(xiàn)？白質(zhì)分子進行操作，還是通過對基因的操作來實現(xiàn)？ 應該從對基因的操作來實現(xiàn)對天然蛋白質(zhì)改應該

7、從對基因的操作來實現(xiàn)對天然蛋白質(zhì)改造，主要原因如下：造，主要原因如下：（1 1）任何一種天然蛋白質(zhì)都是由基因編碼的，）任何一種天然蛋白質(zhì)都是由基因編碼的，改造了基因即對蛋白質(zhì)進行了改造，而且改造過改造了基因即對蛋白質(zhì)進行了改造，而且改造過的蛋白質(zhì)可以遺傳下去。如果對蛋白質(zhì)直接改造，的蛋白質(zhì)可以遺傳下去。如果對蛋白質(zhì)直接改造，即使改造成功，被改造過的蛋白質(zhì)分子還是無法即使改造成功，被改造過的蛋白質(zhì)分子還是無法遺傳的。遺傳的。（2 2）對基因進行改造比對蛋白質(zhì)直接改造要容）對基因進行改造比對蛋白質(zhì)直接改造要容易操作，難度要小得多。易操作，難度要小得多。 主要原因：主要原因：基因編碼蛋白質(zhì)，基因編碼

8、蛋白質(zhì)，改造了基因即對蛋白質(zhì)進行了改造，改造了基因即對蛋白質(zhì)進行了改造，而且改造過的蛋白質(zhì)可以遺傳下去。而且改造過的蛋白質(zhì)可以遺傳下去。容易操作，難度要小得多。容易操作，難度要小得多。2、原理：、原理：改造基因改造基因（基因修飾或基因合成）（基因修飾或基因合成）逆轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄DNADNARNARNA翻譯翻譯蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)復制復制復制復制天然蛋白質(zhì)的合成天然蛋白質(zhì)的合成遵循中心法則遵循中心法則轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄DNADNARNARNA翻譯翻譯肽鏈肽鏈折疊折疊等等具有空間結具有空間結構的蛋白質(zhì)構的蛋白質(zhì)表達生物特有表達生物特有的功能或性狀的功能或性狀天然蛋白質(zhì)的合成過程天然蛋白質(zhì)的合成過程遵循中心法則，

9、并需經(jīng)過高級空間結構的轉(zhuǎn)變遵循中心法則，并需經(jīng)過高級空間結構的轉(zhuǎn)變.蛋白質(zhì)工程流程蛋白質(zhì)工程流程 :蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)三維結構三維結構氨基酸序氨基酸序列多肽鏈列多肽鏈基因基因DNADNA預期預期功能功能DNADNA合成合成分子分子設計設計mRNA生物生物功能功能轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄翻譯翻譯折疊折疊 途徑途徑:預期的蛋白質(zhì)功能預期的蛋白質(zhì)功能設計預期的蛋白質(zhì)結構設計預期的蛋白質(zhì)結構推測應有的氨基酸序列推測應有的氨基酸序列找到相對應的脫氧核苷酸序列找到相對應的脫氧核苷酸序列（基因）（基因）討論：討論：1、怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸、怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？序列？ 請把相應的堿基序列寫出來。請

10、把相應的堿基序列寫出來。 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：賴氨酸：AAA、AAG 甲硫氨酸：甲硫氨酸：AUG 苯丙氨酸：苯丙氨酸：UUU、UUC GCUGCU（或（或C C或或A A或或G G）UGGAAAUGGAAA（或（或G G）AUGUUUAUGUUU（或（或C C） mRNAmRNA序列序列 脫氧核苷酸脫氧核苷酸序列序列GCT (GCT (或或C C或或A A或或G) TGGAAA (G) T

11、GGAAA (或或G)ATGTTT (G)ATGTTT (或或C)C)CGA (CGA (或或G G或或T T或或C) ACCTTTC) ACCTTT（或（或C)TACAAA (C)TACAAA (或或G)G)2.2.確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改造目的基因（成或改造目的基因（DNADNA）？）？ 確定目的基因的堿基序列后，就可以確定目的基因的堿基序列后，就可以根據(jù)人類的需要改造它，通過根據(jù)人類的需要改造它，通過人工合成的人工合成的方法方法或可以通過基因的或可以通過基因的定點誘變定點誘變技術來改技術來改變后從基因文庫中獲取。變后從基因文庫中獲取。

12、基礎：基礎：蛋白質(zhì)的結構和功能蛋白質(zhì)的結構和功能 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(chǎn)生必須經(jīng)由自然界或用化學等方法誘使基因體突變株的產(chǎn)生必須經(jīng)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

13、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。而史密斯發(fā)明的定點突變法卻是這種突變是盲目的。而史密斯發(fā)明的定點突變法卻是有目的的，該法可經(jīng)由設計好的寡核苷酸，在任何一個基有目的的，該法可經(jīng)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

14、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(xiàn)在，幾乎每個生物實驗室都會用定點突變法來研究的。現(xiàn)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(zhì)的功能?；蚧虻鞍踪|(zhì)的功能。異亮氨酸半胱氨酸4.蛋白質(zhì)工程的概念蛋白質(zhì)工程的概念v蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結構規(guī)律及其生物蛋白質(zhì)分子的結構規(guī)律及其生物功能的關系功能的關系作為基礎，通過作為基礎，通過基因修飾或基因合成基因修飾或基因合成，對對現(xiàn)有現(xiàn)有蛋白質(zhì)進行改造，或制造一種蛋白質(zhì)進行改造，或制造一種新新的蛋白質(zhì)，的蛋白質(zhì)，以

15、滿足人類的生產(chǎn)和生活的需求。以滿足人類的生產(chǎn)和生活的需求。蛋白質(zhì)工程的實質(zhì)是對編碼蛋白質(zhì)的基因進行改造蛋白質(zhì)工程的實質(zhì)是對編碼蛋白質(zhì)的基因進行改造比較基因工程和蛋白質(zhì)工程比較基因工程和蛋白質(zhì)工程基因工程基因工程蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程相同點相同點都要改造基因，都屬于分子水平都要改造基因，都屬于分子水平產(chǎn)生新的產(chǎn)生新的基因型，無新基因基因型，無新基因基因（型）基因（型）產(chǎn)生的蛋白質(zhì)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)原有的原有的新的新的聯(lián)系聯(lián)系蛋白質(zhì)工程以基因工程為基礎，蛋白質(zhì)工程以基因工程為基礎，是基因工程的應用和延伸是基因工程的應用和延伸異想天開 能不能根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)能不能根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)的結構，設計相應的基

16、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(chǎn)人類所需適的細菌中，讓細菌生產(chǎn)人類所需要的蛋白質(zhì)食品呢？要的蛋白質(zhì)食品呢？ 理論上是可行的，但目前還沒理論上是可行的，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(zhì)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

17、。利用蛋白質(zhì)工程技術改變這些殘基，則可降低其聚蛋白質(zhì)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

18、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(nèi)第（賴氨酸），使其與分子內(nèi)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

19、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，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(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，二者受體結少與其他激素受體的結合。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，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

20、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基的氨基酸側鏈，如第酸側鏈，如第18和第和第21位位His（組氨酸）和第（組氨酸）和第17位位Glu（谷氨酸）。實驗結果與預先設想一致，但要開發(fā)作（谷氨酸）。實驗結果與預先設想一致，但要開發(fā)作為臨床用藥還有大量的工作要做。為臨床用藥還有大量的工作要做。（4）應用于微電子方面 生物和材料科學家正積極探索將蛋白質(zhì)工程應用于微電子方面。用蛋白質(zhì)工程方法制成的電子元件，具有體積小、耗電少和

21、效率高的特點，因此有極為廣闊的發(fā)展前景。2.2.基因工程基因工程是遵循中心法則，是遵循中心法則， 從從DNADNAmRNAmRNA蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)折疊產(chǎn)生折疊產(chǎn)生功能功能，基本上是，基本上是生產(chǎn)生產(chǎn)出出自然界已有的蛋自然界已有的蛋白質(zhì)白質(zhì)。蛋白質(zhì)工程是按照以下思路進行的：蛋白質(zhì)工程是按照以下思路進行的： 確定蛋白質(zhì)的功能確定蛋白質(zhì)的功能蛋白質(zhì)應有的蛋白質(zhì)應有的高級結構高級結構蛋白質(zhì)應具備的折疊狀態(tài)蛋白質(zhì)應具備的折疊狀態(tài)應有的氨基酸序列應有的氨基酸序列應有的堿基排列應有的堿基排列，可以可以創(chuàng)造自然界不存在的蛋白質(zhì)創(chuàng)造自然界不存在的蛋白質(zhì)。思考與探究思考與探究 3.3.酶工程酶工程就是指將酶所具有的生

22、物催化就是指將酶所具有的生物催化作用，借助工程學的手段，應用于生產(chǎn)、作用，借助工程學的手段，應用于生產(chǎn)、生活、醫(yī)療診斷和環(huán)境保護等方面的一生活、醫(yī)療診斷和環(huán)境保護等方面的一門科學技術。門科學技術。 概括地說，酶工程是由概括地說，酶工程是由酶制劑的生酶制劑的生產(chǎn)和應用產(chǎn)和應用兩方面組成的。酶工程的應用兩方面組成的。酶工程的應用主要集中于主要集中于食品工業(yè)、輕工業(yè)以及醫(yī)藥食品工業(yè)、輕工業(yè)以及醫(yī)藥工業(yè)工業(yè)中。中。 通常所說的通常所說的酶工程是用工程菌生產(chǎn)酶制劑酶工程是用工程菌生產(chǎn)酶制劑，而沒有經(jīng)過由酶的功能來設計酶的分子結構，而沒有經(jīng)過由酶的功能來設計酶的分子結構，然后由酶的分子結構來確定相應基因的

23、堿基序然后由酶的分子結構來確定相應基因的堿基序列等步驟。因此，列等步驟。因此，酶工程的重點在于對已存酶酶工程的重點在于對已存酶的合理充分利用，而蛋白質(zhì)工程的重點則在于的合理充分利用，而蛋白質(zhì)工程的重點則在于對已存在的蛋白質(zhì)分子的改造對已存在的蛋白質(zhì)分子的改造。當然，隨著蛋。當然，隨著蛋白質(zhì)工程的發(fā)展，其成果也會應用到酶工程中，白質(zhì)工程的發(fā)展，其成果也會應用到酶工程中，使酶工程成為蛋白質(zhì)工程的一部分。使酶工程成為蛋白質(zhì)工程的一部分。 1 關于生物體內(nèi)存在的天然蛋白質(zhì)，下列說法關于生物體內(nèi)存在的天然蛋白質(zhì)，下列說法不正確的是（不正確的是（ ）A是生物在長期進化過程中形成的是生物在長期進化過程中形成

24、的B它們的結構和功能符合特定物種生存的需要它們的結構和功能符合特定物種生存的需要C構成天然蛋白質(zhì)的氨基酸目前發(fā)現(xiàn)的有構成天然蛋白質(zhì)的氨基酸目前發(fā)現(xiàn)的有20種種D一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要練習檢測練習檢測D2蛋白質(zhì)工程中蛋白質(zhì)工程中直接直接需要進行操作的對象是需要進行操作的對象是 氨基酸結構氨基酸結構 B蛋白質(zhì)空間結構蛋白質(zhì)空間結構 C肽鏈結構肽鏈結構 D基因結構基因結構 v3下列關于蛋白質(zhì)工程的說法下列關于蛋白質(zhì)工程的說法錯誤錯誤的是（）的是（）vA蛋白質(zhì)工程能定向改造蛋白質(zhì)分子的結構，使之蛋白質(zhì)工程能定向改造蛋白質(zhì)分子的結構，使之更加符合人類的需要更加符合人類的需要vB蛋白質(zhì)工程是在分子水平上對蛋白質(zhì)分子直接進蛋白質(zhì)工程是在分子水平上對蛋白質(zhì)分子直接進行操作，定向改變分子的結構行操作，定向改變分子的結構vC蛋白質(zhì)工程能產(chǎn)生出自然界中不曾存在過的新