蛋白質(zhì)工程的崛起課

關(guān)于蛋白質(zhì)工程的崛起課第1頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六蛋白質(zhì)工程的崛起第2頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由二、蛋白質(zhì)工程的基本原理三、蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展和前景第3頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六思考：如果想讓某一個生物的性狀在另外一個生物的身上表達(dá)，常用的方法有哪些？1、在種內(nèi)可以用什么方法？

雜交育種

2、在種間可以用什么方法？基因工程育種

一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由第4頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六基因工程的實質(zhì)：

將一種生物的

轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者產(chǎn)生它本不能產(chǎn)的

，進(jìn)而表現(xiàn)出

?；虻鞍踪|(zhì)新的性狀第5頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六試回顧總結(jié)基因工程的豐碩成果植物方面提高植物的抗蟲、抗病、抗逆性改良植物的品質(zhì)動物方面提高動物生長速度改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)用轉(zhuǎn)基因動物生產(chǎn)藥物用轉(zhuǎn)基因動物作器官移植的供體研制藥物基因治療第6頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六

基因工程在原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)。

這些蛋白質(zhì)是生物在長期的進(jìn)化中形成的，他們的結(jié)構(gòu)和功能符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。

基因工程的局限性：第7頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六例如：干擾素是由動物體內(nèi)的效應(yīng)T細(xì)胞產(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(dāng)困難。

如果將其分子上的一個半胱氨酸成變絲氨酸，在-70oC的條件下，可以保存半年。第8頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六玉米中賴氨酸的含量比較低。賴氨酸的合成機理：天冬氨酸激酶二氫吡啶二羧酸合成酶前體物質(zhì)賴氨酸負(fù)反饋調(diào)節(jié)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）改造天冬氨酸激酶（異亮氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶（異亮氨酸）第9頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六延長干擾素的體外保存時間提高玉米中賴氨酸的含量提高工業(yè)生產(chǎn)中蛋白質(zhì)類酶的穩(wěn)定性

這些在科學(xué)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，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，蛋白質(zhì)工程應(yīng)運而生，并迅速崛起。第10頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六二、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，對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子設(shè)計。1、目標(biāo)：第11頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六思考：對天然蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，你認(rèn)為應(yīng)該直接對蛋白質(zhì)分子進(jìn)行操作，還是通過對基因的操作來實現(xiàn)？

應(yīng)該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：（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）對基因進(jìn)行改造比對蛋白質(zhì)直接改造要容易操作，難度要小得多。第12頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六

主要原因：①基因編碼蛋白質(zhì)，改造了基因即對蛋白質(zhì)進(jìn)行了改造，而且改造過的蛋白質(zhì)可以遺傳下去。②容易操作，難度要小得多。第13頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六2、原理：改造基因（基因修飾或基因合成）第14頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄DNARNA翻譯蛋白質(zhì)復(fù)制復(fù)制天然蛋白質(zhì)的合成遵循中心法則第15頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六轉(zhuǎn)錄DNARNA翻譯肽鏈折疊等具有空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)表達(dá)生物特有的功能或性狀天然蛋白質(zhì)的合成過程遵循中心法則，并需經(jīng)過高級空間結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變第16頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六３.蛋白質(zhì)工程流程

:第17頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)氨基酸序列多肽鏈基因DNA預(yù)期功能DNA合成分子設(shè)計mRNA生物功能轉(zhuǎn)錄翻譯折疊圖1-29蛋白質(zhì)工程流程圖第18頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六

途徑:預(yù)期的蛋白質(zhì)功能設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)推測應(yīng)有的氨基酸序列找到相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）第19頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六討論：1、怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請把相應(yīng)的堿基序列寫出來。

討論：某多肽鏈的一段氨基酸序列是：……-丙氨酸-色氨酸-賴氨酸-甲硫氨酸-苯丙氨酸-……丙氨酸：GCU、GCC、GCA、GCG色氨酸：UGG賴氨酸：AAA、AAG甲硫氨酸：AUG苯丙氨酸：UUU、UUC第20頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C）mRNA序列脫氧核苷酸序列GCT(或C或A或G)TGGAAA(或G)ATGTTT(或C)CGA(或G或T或C)ACCTTT（或C)TACAAA(或G)2.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（DNA）？

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，通過人工合成的方法或可以通過基因的定點誘變技術(shù)來改變后從基因文庫中獲取。第21頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六基礎(chǔ)：蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能第22頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六

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(xué)知識的人都知道的常識。但在加拿大生物化學(xué)家M·史密斯（1932－2000）發(fā)明定點突變法之前，突變株的產(chǎn)生必須經(jīng)由自然界或用化學(xué)等方法誘使基因體突變。這類方法屬于隨機突變，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。也就是說，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(shè)計好的寡核苷酸，在任何一個基因片段上進(jìn)行隨意或設(shè)計好的突變，也就是說，這種突變是預(yù)先設(shè)定好的，所以也有人將該法稱為“反遺傳法”。有意思的是這一給生命科學(xué)研究及應(yīng)用領(lǐng)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的?，F(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。第23頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六異亮氨酸半胱氨酸第24頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六4.蛋白質(zhì)工程的概念蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過基因修飾或基因合成，對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，或制造一種新的蛋白質(zhì)，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(jìn)行改造第25頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六比較基因工程和蛋白質(zhì)工程基因工程蛋白質(zhì)工程相同點都要改造基因，都屬于分子水平產(chǎn)生新的基因型，無新基因基因（型）產(chǎn)生的蛋白質(zhì)原有的新的聯(lián)系蛋白質(zhì)工程以基因工程為基礎(chǔ)，是基因工程的應(yīng)用和延伸第26頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六異想天開

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？

理論上是可行的，但目前還沒有真正成功的例子。第27頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六三、蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展和前景1、蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展：（1）對胰島素的改造

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(jìn)入血液，從而延緩了其降血糖作用，也增加了抗原性，這是胰島素B23-B28氨基酸殘基結(jié)構(gòu)所致。利用蛋白質(zhì)工程技術(shù)改變這些殘基，則可降低其聚合作用，使胰島素快速起作用。該速效胰島素已通過臨床實驗。第28頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六（2）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制劑，它有多種變異體，由65或66個氨基酸殘基組成。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，在綜合各變異體結(jié)構(gòu)特點的基礎(chǔ)上提出改造水蛭素主要變異體HV2的設(shè)計方案，將47位的Asn（天冬酰胺）變成Lys（賴氨酸），使其與分子內(nèi)第4或第5位Thr（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，試管試驗活性提高4倍，在動物模型上檢驗抗血栓形成的效果，提高20倍。第29頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六（3）對生長激素的改造

生長激素通過對它特異受體的作用促進(jìn)細(xì)胞和機體的生長發(fā)育，然而它不僅可以結(jié)合生長激素受體，還可以結(jié)合許多種不同類型細(xì)胞的催乳激素受體，引發(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(jié)合，盡可能減少與其他激素受體的結(jié)合。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，二者受體結(jié)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(jié)合需要鋅離子參與作用，而它與生長激素受體結(jié)合則無需鋅離子參與，于是考慮取代充當(dāng)鋅離子配基的氨基酸側(cè)鏈，如第18和第21位His（組氨酸）和第17位Glu（谷氨酸）。實驗結(jié)果與預(yù)先設(shè)想一致，但要開發(fā)作為臨床用藥還有大量的工作要做。第30頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六（4）應(yīng)用于微電子方面

生物和材料科學(xué)家正積極探索將蛋白質(zhì)工程應(yīng)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、耗電少和效率高的特點，因此有極為廣闊的發(fā)展前景。第31頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六2.基因工程是遵循中心法則，從DNA→mRNA→蛋白質(zhì)→折疊產(chǎn)生功能，基本上是生產(chǎn)出自然界已有的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)工程是按照以下思路進(jìn)行的：確定蛋白質(zhì)的功能→蛋白質(zhì)應(yīng)有的高級結(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)。思考與探究

第32頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六3.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)藥工業(yè)中。

第33頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六

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)工程的重點則在于對已存在的蛋白質(zhì)分子的改造。當(dāng)然，隨著蛋白質(zhì)工程的發(fā)展，其成果也會應(yīng)用到酶工程中，使酶工程成為蛋白質(zhì)工程的一部分。第34頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六1．關(guān)于生物體內(nèi)存在的天然蛋白質(zhì)，下列說法不正確的是（）A．是生物在長期進(jìn)化過程中形成的B．它們的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種生存的需要C．構(gòu)成天然蛋白質(zhì)的氨基酸目前發(fā)現(xiàn)的有20種D．一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要練習(xí)檢測D第35頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六2．蛋白質(zhì)工程中直接需要進(jìn)行操作的對象是Ａ．氨基酸結(jié)構(gòu)

B．蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)

C．肽鏈結(jié)構(gòu)

D．基因結(jié)構(gòu)

Ｄ3．下列關(guān)于蛋白質(zhì)工程的說法錯誤的是（）A．蛋白質(zhì)工程能定向改造蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)，使之更加符合人類的需要B．蛋白質(zhì)工程是在分子水平上對蛋白質(zhì)分子直接進(jìn)行操作，定向改變分子的結(jié)構(gòu)C．蛋白質(zhì)工程能產(chǎn)生出自然界中不曾存在過的新型蛋白質(zhì)分子D．蛋白質(zhì)工程與基因工程密不可分，又被稱為第二代基因工程Ｂ第36頁，共41頁，2022年，5月20日，4點44分，星期六4、以下關(guān)于蛋白質(zhì)工程的說法正確的是（）A、蛋白質(zhì)工程以基因工程為基礎(chǔ)B、蛋白