1.4　蛋白質(zhì)工程的崛起.ppt

1、蛋白質(zhì)工程的崛起,一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由,1、閱讀教材P26中干擾素和玉米中氨基酸的含量的實(shí)例？,一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由,例如：,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）,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,基因工程的缺陷：,1、基因工程在原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)。,2、天然蛋白質(zhì)不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要。,蛋白質(zhì)工程就是為了生產(chǎn)出符合人類生產(chǎn)和生活需要的蛋白質(zhì)，甚至是自然界不存在的蛋白質(zhì)。,蛋白質(zhì)工程的目的,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

2、質(zhì)分子進(jìn)行操作，還是通過對基因的操作來實(shí)現(xiàn)？,應(yīng)該從對基因的操作來實(shí)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。,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(jì)。,1、目標(biāo)：,2、原理：,蛋白質(zhì)工程的流程,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)

3、,蛋白質(zhì)工程原理,天然蛋白質(zhì)的合成途徑：,蛋白質(zhì)工程的途徑：,蛋白質(zhì)的功能是DNA決定的，那么要制 造出新的蛋白質(zhì)，就要改造DNA，所以蛋 白質(zhì)工程的原理應(yīng)該是中心法則的逆推。,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。,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,DNA的一條鏈： CGA(或G或T或C)ACCTTT(或C)TACAAA(或G),mRNA： GCU(或C或A或G)UGGAAA（或G）AU

4、GUUU（或C）,基因定點(diǎn)誘變技術(shù)的常用方法是PCR法。,突變點(diǎn)：,人工合成的引物上,手段：,PCR技術(shù)（定點(diǎn)突變試劑盒）,目的：,獲得定點(diǎn)突變的基因,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）？,可以通過人工合成的方法獲取或基因的定點(diǎn)誘變技術(shù)來改變。,三、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)，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)，以滿足人類對生產(chǎn)和生活的需求。,前提：,原理：,目的：,了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能,改造基因（基因修飾或基因合成）,定向改造或制造蛋白質(zhì),（第二代基因工程）,蛋白質(zhì)工程的

5、主要步驟通常包括： （1）從生物體中分離純化目的蛋白； （2）測定其氨基酸序列； （3）借助核磁共振和X射線晶體衍射等手段，盡可能地了解蛋白質(zhì)的二維結(jié)構(gòu)和三維晶體結(jié)構(gòu);,（4）設(shè)計(jì)各種處理?xiàng)l件，了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化，包括折疊與去折疊等對其活性與功能的影響； （5）設(shè)計(jì)編碼該蛋白的基因改造方案，如點(diǎn)突變； （6）分離、純化新蛋白，功能檢測后投入實(shí)際使用。,蛋白質(zhì)工程的實(shí)質(zhì),對編碼蛋白質(zhì)的基因進(jìn)行改造,（二）蛋白質(zhì)改造工程舉例 1水蛭素改造 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

6、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）間形成氫鍵來幫助水蛭素N端肽段的正確取向，從而提高抗凝血效率，試管試驗(yàn)活性提高了4倍，在動物模型上檢驗(yàn)抗血栓形成的效果，提高20倍。,2生長激素改造 生長激素通過對它特異受體的作用促進(jìn)細(xì)胞和機(jī)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

7、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(shí)驗(yàn)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。,3胰島素改造 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(shí)驗(yàn)。,4治癌酶的改造 癌癥的基因治

8、療分二個方面：藥物作用于癌細(xì)胞，特異性地抑制或殺死癌細(xì)胞；藥物保護(hù)正常細(xì)胞免受化學(xué)藥物的侵害，可以提高化學(xué)治療的劑量。皰疹病毒（HSV）胸腺嘧啶激酶（TK）可以催化胸腺嘧啶和其它結(jié)構(gòu)類似物磷酸化而使這些堿基3-OH缺乏,從而阻斷DNA的合成，殺死癌細(xì)胞。HSVTK催化能力可以通過基因突變來提高。從大量的隨機(jī)突變中進(jìn)行篩選出一種酶,在酶活性部位附近有6個氨基酸被替換，催化能力20倍以上。,比較基因工程和蛋白質(zhì)工程,三、蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展和前景,1、前景誘人：如用此技術(shù)制成的 ，具有 、耗電少和 的特點(diǎn)。 2、難度很大：主要是目前科學(xué)家對大多數(shù)蛋白質(zhì)的 的了解還很不夠。,電子元件,體積小,效率高,高

9、級結(jié)構(gòu),蛋白質(zhì)工程目前的現(xiàn)狀：成功的例子不多，為什么？,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)家目前對大多數(shù)蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)了解很少。,思考：,提示：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)的高級結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，人類對蛋白質(zhì)的高級結(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)出一個嶄新而又具有生命功能作用的蛋白質(zhì)，而且一個嶄新的蛋白質(zhì)會帶來什么危害也是人們所擔(dān)心的。,異想天開（P27）,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)

10、生產(chǎn)和基礎(chǔ)理論研究的需要。 而結(jié)構(gòu)生物學(xué)對大量蛋白質(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：延長酶的半衰期，提高酶的熱穩(wěn)定性，延長藥用蛋白的

11、保存期，抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性喪失等。,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？,？,答：基因工程是遵循中心法則， 從DNAmRNA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)的預(yù)期功能蛋白質(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)。,探究：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

12、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。 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。,1、 蛋白質(zhì)工程中直接需要進(jìn)行操作的對象是（） 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),練習(xí)：,2、 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,3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、蛋白質(zhì)工程就是酶工程的延伸 C、蛋白質(zhì)工程就是用蛋白酶對蛋白質(zhì)進(jìn)行 改造 D、蛋白質(zhì)工程只能生產(chǎn)天然的蛋白質(zhì),4蛋白質(zhì)工程的基本流程正確的是（） 蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)DNA合成預(yù)期蛋白質(zhì)功能根據(jù)氨基酸序列推出脫氧核苷酸序列 A B C D,5蛋白質(zhì)工程是在基因工程基礎(chǔ)上，延伸出來的第二代基因工程，其結(jié)果產(chǎn)生的蛋白質(zhì)是（