蛋白質(zhì)工程的崛起新人教選修

蛋白質(zhì)工程的崛起課件新人教選修第1頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月§1.4蛋白質(zhì)工程的崛起一、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2頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月思考：如果想讓某一個(gè)生物的性狀在另外一個(gè)生物的體內(nèi)表達(dá)，常用的育種方法有哪些？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3頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月基因工程的實(shí)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)生的

，進(jìn)而表現(xiàn)出

。基因蛋白質(zhì)新的性狀第4頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月試回顧總結(jié)基因工程的豐碩成果植物方面提高植物的抗蟲(chóng)、抗病、抗逆性改良植物的品質(zhì)動(dòng)物方面提高動(dòng)物生長(zhǎng)速度改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)藥物用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物作器官移植的供體研制藥物基因治療第5頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

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)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(lèi)生產(chǎn)和生活的需要。

基因工程的局限性：第6頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月例一：干擾素是由動(dòng)物體內(nèi)的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(shí)，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(gè)半胱氨酸變成絲氨酸，在-70oC的條件下，可以體外保存半年。第7頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月玉米中賴氨酸的含量比較低。賴氨酸的合成機(jī)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）例二：賴氨酸含量提高多倍第8頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在已研究過(guò)的幾千種酶中，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(méi)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。第9頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月目前科學(xué)家嘗試通過(guò)對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的改造，來(lái)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，取得了一定的進(jìn)展。第10頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月延長(zhǎng)干擾素的體外保存時(shí)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(lèi)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(wú)法通過(guò)基因工程來(lái)完成。于是新一輪的探索拉開(kāi)了序幕，人們開(kāi)始著眼于對(duì)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(yùn)而生，并迅速崛起。第11頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、蛋白質(zhì)工程的基本原理（一）原理：中心法則的逆推1、操作思路基因蛋白質(zhì)決定修飾或合成設(shè)計(jì)改造或制造逆推尋找2、操作流程基因DNA氨基酸序列多肽鏈蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)預(yù)期功能生物功能mRNA轉(zhuǎn)錄翻譯折疊DNA合成分子設(shè)計(jì)（二）概念：第12頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、蛋白質(zhì)的功能多樣性？--結(jié)構(gòu)蛋白、催化、調(diào)節(jié)、免疫、運(yùn)輸2、結(jié)構(gòu)決定功能，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)多樣性的原因？氨基酸肽鏈（≥1條）蛋白質(zhì)脫水縮合盤(pán)曲、折疊種類(lèi)、數(shù)目、排序不同盤(pán)曲、折疊后空間結(jié)構(gòu)不同直接原因3、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、功能多樣性的根本原因？第13頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月蛋白質(zhì)的功能是由蛋白質(zhì)的_____決定的，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)是由_____________決定的。結(jié)構(gòu)DNA（基因）第14頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（二）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)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)（理論基礎(chǔ)），通過(guò)基因修飾或基因合成，對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造或制造一種新的蛋白質(zhì)（工程原理），以滿足人類(lèi)對(duì)生產(chǎn)和生活的需求（工程目的）。前提：手段：目的：了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能基因修飾或基因合成定向改造或制造蛋白質(zhì)第15頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月討論：1、怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請(qǐng)把相應(yīng)的堿基序列寫(xiě)出來(lái)。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、UUCGCU（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)第16頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(lèi)的需要改造它，通過(guò)人工合成的方法或可以通過(guò)基因的定點(diǎn)誘變技術(shù)來(lái)改變后從基因文庫(kù)中獲取。第17頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月基因會(huì)發(fā)生突變，突變可以自發(fā)，也可以誘發(fā)，這是每個(gè)稍有生物學(xué)知識(shí)的人都知道的常識(shí)。但在加拿大生物化學(xué)家M·史密斯（1932－2000）發(fā)明定點(diǎn)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)等方法誘使基因突變。這類(lèi)方法屬于隨機(jī)突變，是盲目的。而史密斯發(fā)明的定點(diǎn)突變法卻是有目的的，該法可經(jīng)由設(shè)計(jì)好的引物，在任何一個(gè)基因片段上通過(guò)PCR技術(shù)進(jìn)行隨意或設(shè)計(jì)好的突變。

第18頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第19頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月異想天開(kāi)

能不能根據(jù)人類(lèi)需要的蛋白質(zhì)食品的結(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(lèi)所需要的蛋白質(zhì)食品呢？理論上是可行的，但目前還沒(méi)有真正成功的例子。第20頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、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(duì)胰島素的改造

天然胰島素制劑在儲(chǔ)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(guò)臨床實(shí)驗(yàn)。第21頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）對(duì)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(gè)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(diǎn)的基礎(chǔ)上提出改造水蛭素主要變異體HV2的設(shè)計(jì)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(lái)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(yàn)活性提高4倍，在動(dòng)物模型上檢驗(yàn)抗血栓形成的效果，提高20倍。第22頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（3）對(duì)生長(zhǎng)激素的改造生長(zhǎng)激素通過(guò)對(duì)它特異受體的作用促進(jìn)細(xì)胞和機(jī)體的生長(zhǎng)發(fā)育，然而它不僅可以結(jié)合生長(zhǎng)激素受體，還可以結(jié)合許多種不同類(lèi)型細(xì)胞的催乳激素受體，引發(fā)其他生理過(guò)程。在治療過(guò)程中為減少副作用，需使人的重組生長(zhǎng)激素只與生長(zhǎng)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(guò)改造加以區(qū)別。由于人的生長(zhǎng)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(zhǎng)激素受體結(jié)合則無(wú)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)先設(shè)想一致，但要開(kāi)發(fā)作為臨床用藥還有大量的工作要做。第23頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（2）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(diǎn)，因此有極為廣闊的發(fā)展前景。第24頁(yè)，課件共26頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、蛋白質(zhì)工程的現(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高級(jí)結(jié)構(gòu)，而科學(xué)家目前對(duì)大多數(shù)蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)了解很少，要設(shè)計(jì)出更加符合人類(lèi)需要的蛋白質(zhì)還需要經(jīng)過(guò)艱辛的探索。第25頁(yè)