1.4蛋白质工程的崛起课件(终稿）.ppt

1 4蛋白质工程的崛起 专题1基因工程 活动1 如果想让某一个生物的性状在另外一个生物的身上表达 常用的方法有哪些 2010 1 10 2 山西省孝义市第二中学 基因工程成果丰硕 植物方面提高植物的抗虫 抗病 抗逆性改良植物的品质动物方面提高动物生长速度改善畜产品的品质用转基因动物生产药物用转基因动物作器官移植的供体研制药物基因治疗 2010 1 10 3 山西省孝义市第二中学 一 蛋白质工程崛起的缘由科学家面临新的问题 在已研究过的几千种酶中 只有极少数可以应用于工业生产 绝大多数酶都不能应用于工业生产 这些酶虽然在自然状态下有活性 但在工业生产中没有活性或活性很低 2010 1 10 4 山西省孝义市第二中学 干扰素是由效应t细胞产生的糖蛋白 可阻断细胞分裂间期 抑制dna复制 从而可用于治疗疾病 但干扰素在体外很难保存 2010 1 10 5 山西省孝义市第二中学 玉米中赖氨酸的含量比较低 2010 1 10 6 山西省孝义市第二中学 在已研究过的几千种酶中 只有极少数可以应用于工业生产 绝大多数酶都不能应用于工业生产 这些酶虽然在自然状态下有活性 但在工业生产中没有活性或活性很低 这是因为工业生产中每一步的反应体系中常常会有酸 碱或有机溶剂存在 反应温度较高 在这种条件下 大多数酶会很快变性失活 提高蛋白质的稳定性是工业生产中一个非常重要的课题 一般来说 提高蛋白质的稳定性包括 延长酶的半衰期 提高酶的热稳定性 延长药用蛋白的保存期 抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性丧失等 2010 1 10 7 山西省孝义市第二中学 干扰素是一种抗病毒 抗肿瘤的药物 将人的干扰素的cdna在大肠杆菌中进行表达 产生的干扰素的抗病毒活性为106u mg 只相当于天然产品的十分之一 虽然在大肠杆菌中合成的 干扰素量很多 但多数是以无活性的二聚体形式存在 为什么会这样 如何改变这种状况 研究发现 干扰素蛋白质中有3个半胱氨酸 第17位 31位和141位 推测可能是有一个或几个半胱氨酸形成了不正确的二硫键 研究人员将第17位的半胱氨酸 通过基因定点突变改变成丝氨酸 结果使大肠杆菌中生产的 干扰素的抗病性活性提高到108u mg 并且比天然 干扰素的贮存稳定性高很多 2010 1 10 8 山西省孝义市第二中学 例如 玉米中赖氨酸含量比较低 天冬氨酸激酶 352位的苏氨酸 二氢吡啶二羧酸合成酶 104位的天冬酰胺 天冬氨酸激酶 异亮氨酸 二氢吡啶二羧酸合成酶 异亮氨酸 玉米中赖氨酸含量可提高数倍 2010 1 10 9 山西省孝义市第二中学 概念蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础 通过基因修饰或基因合成 对现有蛋白质进行改造或制造一种新的蛋白质 以满足人类对生产和生活的需求 前提 原理 目的 了解蛋白质的结构和功能 改造基因 基因修饰或基因合成 定向改造或制造蛋白质 二 蛋白质工程的基本原理 2010 1 10 10 山西省孝义市第二中学 基因dna 氨基酸序列多肽链 蛋白质三维结构 预期功能 生物功能 转录 翻译 折叠 dna合成 分子设计 二 蛋白质工程的基本原理 mrna 2010 1 10 11 山西省孝义市第二中学 蛋白质工程流程图 从预期的蛋白质功能出发设计预期的蛋白质结构推测应有的氨基酸序列找到相应的脱氧核苷酸序列 2010 1 10 12 山西省孝义市第二中学 讨论 1 怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列 请把相应的碱基序列写出来 活动2某多肽链的一段氨基酸序列是 丙氨酸 色氨酸 赖氨酸 甲硫氨酸 苯丙氨酸 丙氨酸 gcu gcc gca gcg色氨酸 ugg赖氨酸 aaa aag甲硫氨酸 aug苯丙氨酸 uuu uuc 2010 1 10 13 山西省孝义市第二中学 每种氨基酸都有对应的三联密码子 只要查一下遗传密码子表 就可以将上述氨基酸序列的编码序列查出来 但是由于上述氨基酸序列中有几个氨基酸是由多个三联密码子编码 因此其碱基排列组合起来就比较复杂 至少可以排列出16种 同学们可以根据学过的排列组合知识自己排列一下 首先应该根据三联密码子推出mrna序列为gcu 或c或a或g uggaaa 或g auguuu 或c 再根据碱基互补配对规律推出脱氧核苷酸序列 cga 或g或t或c accttt 或c tacaaa 或g 2010 1 10 14 山西省孝义市第二中学 2 确定目的基因的碱基序列后 怎样才能合成或改造目的基因 dna 确定目的基因的碱基序列后 就可以通过人工合成的方法获取或从基因库中获取 2010 1 10 15 山西省孝义市第二中学 基因会发生突变 突变可以自发 也可以诱发 这是每个稍有生物学知识的人都知道的常识 但在加拿大生物化学家m 史密斯 1932 2000 发明定点突变法之前 突变株的产生必须经由自然界或用化学等方法诱使基因体突变 这类方法属于随机突变 突变株必须在生物性状上有所改变 才能确定有突变发生 但除非用分子生物方法或遗传方法找到此突变处 否则无法确定突变位置 也就是说 这种突变是盲目的 而史密斯发明的定点突变法却是有目的的 该法可经由设计好的寡核苷酸 在任何一个基因片段上进行随意或设计好的突变 也就是说 这种突变是预先设定好的 所以也有人将该法称为 反遗传法 有意思的是这一给生命科学研究及应用领域带来革命性突破的方法竟然是史密斯和其同事在喝咖啡时闲聊出来的 现在 几乎每个生物实验室都会用定点突变法来研究基因或蛋白质的功能 2010 1 10 16 山西省孝义市第二中学 蛋白质工程的主要步骤通常包括 1 从生物体中分离纯化目的蛋白 2 测定其氨基酸序列 3 借助核磁共振和x射线晶体衍射等手段 尽可能地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构 4 设计各种处理条件 了解蛋白质的结构变化 包括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响 5 设计编码该蛋白的基因改造方案 如定点突变 6 分离 纯化新蛋白 功能检测后投入实际使用 2010 1 10 17 山西省孝义市第二中学 2010 1 10 18 山西省孝义市第二中学 蛋白质工程举例1 水蛭素改造水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂 它有多种变异体 由65或66个氨基酸残基组成 水蛭素在临床上可作为抗栓药物用于治疗血栓疾病 为提高水蛭素活性 在综合各变异体结构特点的基础上提出改造水蛭素主要变异体hv2的设计方案 将47位的asn 天冬酰胺 变成lys 赖氨酸 使其与分子内第4或第5位thr 苏氨酸 间形成氢键来帮助水蛭素n端肽段的正确取向 从而提高凝血效率 试管试验活性提高4倍 在动物模型上检验抗血栓形成的效果 提高20倍 三 蛋白质工程的进展与前景 2010 1 10 19 山西省孝义市第二中学 2 生长激素改造生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机体的生长发育 然而它不仅可以结合生长激素受体 还可以结合许多种不同类型细胞的催乳激素受体 引发其他生理过程 在治疗过程中为减少副作用 需使人的重组生长激素只与生长激素受体结合 尽可能减少与其他激素受体的结合 经研究发现 二者受体结合区有一部分重叠 但并不完全相同 有可能通过改造加以区别 由于人的生长激素和催乳激素受体结合需要锌离子参与作用 而它与生长激素受体结合则无需锌离子参与 于是考虑取代充当锌离子配基的氨基酸侧链 如第18和第21位his 组氨酸 和第17位glu 谷氨酸 实验结果与预先设想一致 但要开发作为临床用药还有大量的工作要做 三 蛋白质工程的进展与前景 2010 1 10 20 山西省孝义市第二中学 3 胰岛素改造天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体 延缓胰岛素从注射部位进入血液 从而延缓了其降血糖作用 也增加了抗原性 这是胰岛素b23 b28氨基酸残基结构所致 利用蛋白质工程技术改变这些残基 则可降低其聚合作用 使胰岛素快速起作用 该速效胰岛素已通过临床实验 三 蛋白质工程的进展与前景 2010 1 10 21 山西省孝义市第二中学 4 治癌酶的改造癌症的基因治疗分二个方面 药物作用于癌细胞 特异性地抑制或杀死癌细胞 药物保护正常细胞免受化学药物的侵害 可以提高化学治疗的剂量 疱疹病毒 hsv 胸腺嘧啶激酶 tk 可以催化胸腺嘧啶和其它结构类似物磷酸化而使这些碱基3 oh缺乏 从而阻断dna的合成 杀死癌细胞 hsv tk催化能力可以通过基因突变来提高 从大量的随机突变中进行筛选出一种酶 在酶活性部位附近有6个氨基酸被替换 催化能力20倍以上 蛋白质工程的发展很快 研究工作很多 以上仅介绍了几个例子 蛋白质工程除了用于改造天然蛋白质或设计制造新的蛋白质外 其本身还是研究蛋白质结构功能的一种强有力的工具 它在解决生物理论方面所起的作用 可以和任何重大的生物研究方法相提并论 三 蛋白质工程的进展与前景 2010 1 10 22 山西省孝义市第二中学 三 蛋白质工程的进展与前景 生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于微电子方面 用蛋白质工程方法制成的电子元件 具有体积小 耗电少和效率高的特点 因此有极为广阔的发展前景蛋白质工程目前的现状 成功的例子不多 主要是因为蛋白质发挥其功能需要依赖于正确的空间结构 而科学家目前对大多数蛋白质的空间结构了解很少 2010 1 10 23 山西省孝义市第二中学 活动3比较基因工程和蛋白质工程 2010 1 10 24 山西省孝义市第二中学 1 蛋白质工程中直接需要进行操作的对象是 a 氨基酸结构b 蛋白质空间结构c 肽链结构d 基因结构 练习 2010 1 10 25 山西省孝义市第二中学 1 蛋白质工程中直接需要进行操作的对象是 a 氨基酸结构b 蛋白质空间结构c 肽链结构d 基因结构 练习 d 2010 1 10 26 山西省孝义市第二中学 2 下列关于蛋白质工程的说法错误的是 a 蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构 使之更加符合人类的需要b 蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作 定向改变分子的结构c 蛋白质工程能产生出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子d 蛋白质工程与基因工程密不可分 又被称为第二代基因工程 2010 1 10 27 山西省孝义市第二中学 2 下列关于蛋白质工程的说法错误的是 a 蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构 使之更加符合人类的需要b 蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作 定向改变分子的结构c 蛋白质工程能产生出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子d 蛋白质工程与基因工程密不可分 又被称为第二代基因工程 b 2010 1 10 28 山西省孝义市第二中学 3 以下关于蛋白质工程的说法正确的是 a 蛋白质工程以基因工程为基础b 蛋白质工程就是酶工程的延伸c 蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造d 蛋白质工程只能生产天然的蛋白质 2010 1 10 29 山西省孝义市第二中学 3 以下关于蛋白质工程的说法正确的是 a 蛋白质工程以基因工程为基础b 蛋白质工程就是酶工程的延伸c 蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造d 蛋白质工程只能生产天然的蛋白质 a 2010 1 10 30 山西省孝义市第二中学 4 蛋白质工程的基本流程正确的是 蛋白质分子结构设计 dna合成 预期蛋白质功能 根据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列a b c d 2010 1 10 31 山西省孝义市第二中学 4 蛋白质工程的基本流程正确的是 蛋白质分子结构设计 dna合成 预期蛋白质功能 根据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列a b c d c 2010 1 10 32 山西省孝义市第二中学 5 蛋白质工程是在基因工程基础上 延伸出来的第二代基因工程 其结果产生的蛋白质是 a 氨基酸种类增多b 氨基酸种类减少c 仍为天然存在蛋白质d 可合成天然不存在蛋白质 2010 1 10 33 山西省孝义市第二中学 5 蛋白质工程是在基因工程基础上 延伸出来的第二代基因工程 其结果产生的蛋白质是 a 氨基酸种类增多b 氨基酸种类减少c 仍为天然存在蛋白质d 可合成天然不存在蛋白质 d 2010 1 10 34 山西省孝义市第二中学 1 你知道人类蛋白质组计划吗 它与蛋白质工程有什么关系 我国科学家承担了什么任务 旁栏思考题 2010 1 10 35 山西省孝义市第二中学 人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后 生命科学乃至自然领域一项重大的科学命题 2001年 国际人类蛋白质组组织宣告成立 2003年 该组织正式提出启动了两项重大国际合作行动 一项是由中国科学家牵头执行的 人类肝脏蛋白质组计划 另一项是以美国科学家牵头的 人类血浆蛋白质组计划 由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕 2010 1 10 36 山西省孝义市第二中学 人类肝脏蛋白质组计划 是国际上第一个人类组织器官的蛋白质组计划 由我国贺福初院士牵头 这是中国科学家第一次领衔重大国际科研协作计划 总部设在北京 它的科学目标是揭示并确认肝脏的蛋白质 为重大肝病预防 诊断 治疗和新药研发的突破提供重要的科学基础 2010 1 10 37 山西省孝义市第二中学 随后 相继启动了由德国 瑞士 英国 加拿大和日本等国牵头的各类蛋白质组计划 人类蛋白质组计划的深入研究将是对蛋白质工程的有力推动和理论支持 2010 1 10 38 山西省孝义市第二中学 2 对天然蛋白质进行改造 你认为应该直接对蛋白质分子进行操作 还是通过对基因的操作来实现 2010 1 10 39 山西省孝义市第二中学 答 毫无疑问应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质改造 主要原因如下 1 任何一种天然蛋白质都是由基因编码的 改造了基因即对蛋白质进行了改造 而且改造过的蛋白质可以遗传下去 如果对蛋白质直接改造 即使改造成功 被改造过的蛋白质分子还是无法遗传的 2 对基因进行改造比对蛋白质直接进行改造要容易操作 难度要小得多 2010 1 10 40 山西省孝义市第二中学 能不能根据人类需要的蛋白质的结构 设计相应的基因 导入合适的细菌中 让细菌生产人类所需要的蛋白质食品呢 异想天开 2010 1 10 41 山西省孝义市第二中学 理论讲可以 但目前还没有真正成功的例子 一些报道利用细菌生产人类需要的蛋白质往往都是自然界已经存在的蛋白质 并非完全是人工设计出来而自然不存在的蛋白质 主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂 人类对蛋白质的高级结构和在生物体内如何行使功能知之甚少 很难设计出一个崭新而又具有生命功能作用的蛋白质 而且一个崭新的蛋白质会带来什么危害也是人们所担心的 2010 1 10 42 山西省孝义市第二中学 思考与探究1 蛋白质工程是应怎样的需求而崛起的 提示 供教师在教学中参考 蛋白质工程的崛起主要是工业生产和基础理论研究的需要 而结构生物学对大量蛋白质分子的精确立体结构及其复杂的生物功能的分析结果 为设计改造天然蛋白质提供了蓝图 分子遗传学的以定点突变为中心的基因操作技术为蛋白质工程提供了手段 在已研究过的几千种酶中 只有极少数可以应用于工业生产 绝大多数酶都不能应用于工业生产 这些酶虽然在自然状态下有活性 但在工业生产中没有活性或活性很低 这是因为工业生产中每一步的反应体系中常常会有酸 碱或有机溶剂存在 反应温度较高 在这种条件下 大多数酶会很快变性失活 提高蛋白质的稳定性是工业生产中一个非常重要的课题 一般来说 提高蛋白质的稳定性包括 延长酶的半衰期 提高酶的热稳定性 延长药用蛋白的保存期 抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性丧失等 下面举一个如何通过蛋白质工程来提高重组 干扰素专一活性和稳定性的例子 干扰素是一种抗病毒 抗肿瘤的药物 将人的干扰素的cdna在大肠杆菌中进行表达 产生的干扰素的抗病毒活性为106u mg 只相当于天然产品的十分之一 虽然在大肠杆菌中合成的 干扰素量很多 但多数是以无活性的二聚体形式存在 为什么会这样 如何改变这种状况 研究发现 干扰素蛋白质中有3个半胱氨酸 第17位 31位和141位 推测可能是有一个或几个半胱氨酸形成了不正确的二硫键 研究人员将第17位的半胱氨酸 通过基因定点突变改变成丝氨酸 结果使大肠杆菌中生产的 干扰素的抗病性活性提高到108u mg 并且比天然 干扰素的贮存稳定性高很多 在基础理论研究方面 蛋白质工程是研究多种蛋白质的结