1.4　蛋白质工程的崛起 (5).ppt

背景 年 月 日 中国首次人工合成了结晶蛋白质 牛胰岛素该实验的成功使中国成为第一个合成具有生物活力的蛋白质的国家 科学工作者将人工合成的产物注入小白鼠体内 当看到小白鼠因体内胰岛素增多而发生了惊厥的反应 证明了这种人工合成的产物就是具有生物活力的人工合成胰岛素 胰岛素的二级结构 胰岛素的三级结构 蛋白质的功能是由其高级结构决定 干扰素的体外保存 天然干扰素分子上一个半胱氨酸 人工干扰素分子 可在 70 保持半年 提高某种氨基酸含量 含量抑制 玉米中含量比较低 玉米中含量大大提高 利用基因工程合成的是自然界已存在的蛋白质 但是 天然蛋白质的结构和功能未必符合人类生产和生活羧需要 这就使到人类对蛋白质进行了改造 制造出天然蛋白质中找不到的蛋白质 1 4蛋白质工程的崛起 又叫第二代基因工程 蛋白质工程 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 以满足人类的生产和生活的需求 结构预测与设计 概念 基本过程 利用已知的蛋白质结构信息构建蛋白质的空间结构模型 基因工程 包括基因分离 诱变 克隆 表达等 它们是蛋白质工程的关键技术 蛋白质纯化 纯化蛋白质 对蛋白质结构和功能进行测定与分析 功能分析 分析蛋白质的生物学和化学特性 为进一步预测和设计奠定基础 结构分析 获得蛋白质分子的结构信息 确定蛋白质的结构 不断完善 原理 中心法则的逆推 蛋白质工程 蛋白质三维结构 氨基酸序列多肽链 基因DNA 预期功能 由于蛋白质的功能是由DNA决定的 那么要制造出新的蛋白质 就要改造DNA 与基因工程的区别 进展与前景 进展 前景 应用于微电子方面 制成体积小 耗电少 效率高的电子元件 工业化生产 通过改造酶的结构 有目的地提高酶的稳定性 生物制药 人工合成抗体或改造抗体 使之对某些肿瘤细胞具有特异的识别能力和杀伤力 蛋白质工程 蛋白质的设计类型 1 提高蛋白质的稳定性 将编码一种蛋白质的部分基因移植到另一种基因上 经过基因表达 产生新的融合蛋白质 3 蛋白质的从头设计 对已知结构的蛋白质进行少数氨基酸的替换 从而改善蛋白质的性质和功能 2 对不同来源的蛋白质进行拼接组装 期望转移相应的功能 即从氨基酸的排列顺序出发 设计制造出自然界不存在的全新蛋白质 使之具有特定的空间和预期功能 使设计出的人工蛋白质在活性 稳定性及抗原性都优于天然蛋白质 在基因水平上实现对蛋白质的改造 基因工程与蛋白质工程的区别与联系 剪刀 针线 运输工具 操作工具 操作环境 生物体外 操作对象 基因 操作水平 分子水平 结果 人类需要的基因产物 操作过程 无碱基顺序改变 有碱基顺序改变 产物 大自然已有蛋白质 按人类意愿设计或改造的蛋白质 涉及物种 不同物种之间 可同种可不同种 讨论题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 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 答 1 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 可以让学生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 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 就可以根据人类的需要改造它 通过人工合成的方法或从基因库中获取 课本问题答案 异想天开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 提示 理论上讲可以 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 课本问题答案 旁栏思考题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 提示 人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后 生命科学乃至自然科学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 之后 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执行的 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 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的重大国际科研协作计划 总部设在北京 目前有16个国家和地区的80多个实验室报名参加 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 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 课本问题答案 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 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改造要容易操作 难度要小得多 课本问题答案 3 你知道酶工程吗 绝大多数酶都是蛋白质 酶工程与蛋白质工程有什么区别 答 酶工程包括酶制剂的生产和应用两方面 其重点在于对已存在的酶的合理充分利用 蛋白质工程的重点则在于对已存在的蛋白质分子的改造 酶工程只多是蛋白质工程的一部分 课本问题答案 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 课本问题答案 一 思考与探究1 蛋白质工程是应怎样的需求而崛起的 2 蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什么不同 答 基因工程是遵循中心法则 从DNA mRNA 蛋白质 折叠产生功能 基本上是生产出自然界已有的蛋白质 蛋白质工程是按照以下思路进行的 确定蛋白质的功能 蛋白质应有的高级结构 蛋白质应具备的折叠状态 应有的氨基酸序列 应有的碱基排列 可以创造自然界不存在的蛋白质 课本问题答案 3 你知道酶工程吗 绝大多数酶都是蛋白质 酶工程与蛋白质工程有什么区别 提示 酶工程就是指将酶所具有的生物催化作用 借助工程学的手段 应用于生产 生活 医疗诊断和环境保护等方面的一门科学技术 概括地说 酶工程是由酶制剂的生产和应用两方面组成的 酶工程的应用主要集中于食品工业 轻工业以及医药工业中 淀粉酶 葡萄糖淀粉酶和葡萄糖异构酶这三个酶连续作用于淀粉 就可以代替蔗糖生产出高果糖浆 蛋白酶用于皮革脱毛胶以及洗涤剂工业 固定化酶还可以治疗先天性缺酶病或是器官缺损引起的某些功能的衰竭等 至于我们日常生活中所见到的加酶洗衣粉 嫩肉粉等 就更是酶工程最直接的体现