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1、第4節(jié) 蛋白質(zhì)工程的崛起一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由滿足人類生產(chǎn)和生活的需要例如:改造干擾素(半胱氨酸)體外很難保存干擾素(絲氨酸)體外可以保存半年玉米中賴氨酸含量比較低天冬氨酸激酶(352位的蘇氨酸)二氫吡啶二羧酸合成酶(104位的天冬酰胺)改造改造天冬氨酸激酶(異亮氨酸)二氫吡啶二羧酸合成酶(異亮氨酸)玉米中賴氨酸含量可提高數(shù)倍蛋白質(zhì)工程是應(yīng)怎樣的需求而崛起的? 蛋白質(zhì)工程的崛起主要是工業(yè)生產(chǎn)和基礎(chǔ)理論研究的需要。而結(jié)構(gòu)生物學(xué)對(duì)大量蛋白質(zhì)分子的精確立體結(jié)構(gòu)及其復(fù)雜的生物功能的分析結(jié)果,為設(shè)計(jì)改造天然蛋白質(zhì)提供了藍(lán)圖。分子遺傳學(xué)的以定點(diǎn)突變?yōu)橹行牡幕虿僮骷夹g(shù)為蛋白質(zhì)工程提供了手段。在已研究過的
2、幾千種酶中,只有極少數(shù)可以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn),絕大多數(shù)酶都不能應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn),這些酶雖然在自然狀態(tài)下有活性,但在工業(yè)生產(chǎn)中沒有活性或活性很低。這是因?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)中每一步的反應(yīng)體系中常常會(huì)有酸、堿或有機(jī)溶劑存在,反應(yīng)溫度較高,在這種條件下,大多數(shù)酶會(huì)很快變性失活。提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性是工業(yè)生產(chǎn)中一個(gè)非常重要的課題。一般來說,提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性包括:延長(zhǎng)酶的半衰期,提高酶的熱穩(wěn)定性,延長(zhǎng)藥用蛋白的保存期,抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性喪失等。1、你知道人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃嗎?它與蛋白質(zhì)工程有什么關(guān)系?我國科學(xué)家承擔(dān)了什么任務(wù)? 旁欄思考題 人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃是繼人類基因組計(jì)劃之后,生命科學(xué)乃至自然科學(xué)領(lǐng)域一項(xiàng)
3、重大的科學(xué)命題。2001年,國際人類蛋白質(zhì)組組織宣告成立。之后,該組織正式提出啟動(dòng)了兩項(xiàng)重大國際合作行動(dòng):一項(xiàng)是由中國科學(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”是國際上第一個(gè)人類組織器官的蛋白質(zhì)組計(jì)劃,由我國賀福初院士牽頭,這是中國科學(xué)家第一次領(lǐng)銜的重大國際科研協(xié)作計(jì)劃,總部設(shè)在北京,目前有16個(gè)國家和地區(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)。 人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃的深入研究將是對(duì)蛋白質(zhì)工程的有力
4、推動(dòng)和理論支持。二、蛋白質(zhì)工程的基本原理天然蛋白質(zhì)的合成過程二、蛋白質(zhì)工程的基本原理蛋白質(zhì)工程流程圖基因DNA氨基酸序列多肽鏈蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)預(yù)期蛋白質(zhì)功能分子設(shè)計(jì)DNA合成2.對(duì)天然蛋白質(zhì)進(jìn)行改造,你認(rèn)為應(yīng)該直接對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行操作,還是通過對(duì)基因的操作來實(shí)現(xiàn)?答:毫無疑問應(yīng)該從對(duì)基因的操作來實(shí)現(xiàn)對(duì)天然蛋白質(zhì)改造,主要原因如下:(1)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(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行了改造,而且改造過的蛋白質(zhì)可以遺傳下去。如果對(duì)蛋白質(zhì)直接改造,即使改造成功,被改造過的蛋白質(zhì)分子還是無法遺傳的。(2)對(duì)基因進(jìn)行改造比對(duì)蛋白質(zhì)直接改造要容易操作,難度要小得多。旁欄思考題 二、蛋白質(zhì)工程的
5、基本原理蛋白質(zhì)工程流程圖基因DNA氨基酸序列多肽鏈蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)預(yù)期蛋白質(zhì)功能分子設(shè)計(jì)DNA合成蛋白質(zhì)工程的概念: 是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ),通過基因修飾或基因合成,對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造一種新的蛋白質(zhì),以滿足人類的生產(chǎn)和生活的需求。(第二代基因工程)蛋白質(zhì)工程的內(nèi)容主要有兩方面:一是根據(jù)需要設(shè)計(jì)具有特定氨基酸序列和空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)二是確定蛋白質(zhì)的化學(xué)組及空間結(jié)構(gòu)與生物功能之間的關(guān)系,在此基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)從氨基酸序列預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)和生理功能,設(shè)計(jì)合成具有特定生物功能的全新蛋白質(zhì),而氨基酸排序由基因決定,所以還需要改造控制蛋白質(zhì)合成的相應(yīng)基因中脫氧核苷酸序列或人工合
6、成所需要的自然界原本不存在的基因片段,用與蛋白質(zhì)工程。蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展與前景蛋白質(zhì)工程目前的現(xiàn)狀:成功的例子不多,主要是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)發(fā)揮其功能需要依賴于正確的空間結(jié)構(gòu),而科學(xué)家目前對(duì)大多數(shù)蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)了解很少。作業(yè): 蛋白質(zhì)工程操作程序的基本思路與基因工程有什么不同?蛋白質(zhì)工程與基因工程相比,合成的蛋白質(zhì)有何特點(diǎn)? 你知道酶工程嗎?絕大多數(shù)酶都是蛋白質(zhì),酶工程與蛋白質(zhì)工程有什么區(qū)別? 酶工程就是指將酶所具有的生物催化作用,借助工程學(xué)的手段,應(yīng)用于生產(chǎn)、生活、醫(yī)療診斷和環(huán)境保護(hù)等方面的一門科學(xué)技術(shù)。概括地說,酶工程是由酶制劑的生產(chǎn)和應(yīng)用兩方面組成的。酶工程的應(yīng)用主要集中于食品工業(yè)、輕工業(yè)以及醫(yī)
7、藥工業(yè)中。 通常所說的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(shè)計(jì)酶的分子結(jié)構(gòu),然后由酶的分子結(jié)構(gòu)來確定相應(yīng)基因的堿基序列等步驟。因此,酶工程的重點(diǎn)在于對(duì)已存酶的合理充分利用,而蛋白質(zhì)工程的重點(diǎn)則在于對(duì)已存在的蛋白質(zhì)分子的改造。當(dāng)然,隨著蛋白質(zhì)工程的發(fā)展,其成果也會(huì)應(yīng)用到酶工程中,使酶工程成為蛋白質(zhì)工程的一部分。 異想天開能不能根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)相應(yīng)的基因,導(dǎo)入合適的細(xì)菌中,讓細(xì)菌生產(chǎn)人類所需要的蛋白質(zhì)食品呢?理論上講可以,但目前還沒有真正成功的例子。一些報(bào)道利用細(xì)菌生產(chǎn)人類需要的蛋白質(zhì)往往都是自然界已經(jīng)存在的蛋白質(zhì),并非完全是人工設(shè)計(jì)出來而自然不存在的蛋白質(zhì)。主要原因是蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,人類對(duì)蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)和在生物體內(nèi)如何行使功能知之甚少,很難設(shè)計(jì)出一個(gè)嶄新而又具有生命功能作用的蛋白質(zhì),而且一個(gè)嶄新的蛋白質(zhì)會(huì)帶來什么危害也是人們所擔(dān)心的。 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu) 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu) 蛋白質(zhì)的
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