第4节蛋白质工程的崛起.ppt

蛋白质工程的崛起 一 蛋白质工程崛起的缘由 1 基因工程的应用 1 基因工程的实质 将一种生物的转移到另一种生物体内 使后者产生本不能产生的 进而表现出新的 2 基因工程的不足 在原则上只能生产自然界已存在的 2 天然蛋白质的不足天然蛋白质是生物在长期过程中形成的 它们的符合特定物种的需要 却不一定完全符合人类生产和生活的需要 3 蛋白质工程的目的生产符合人类生产和生活的需要的 基因 蛋白质 性状 蛋白质 进化 结构和功能 生存 蛋白质 一 蛋白质工程崛起的实例 1 干扰素是动物体内的一种蛋白质 可用于治疗病毒的感染和癌症 但在体外保存相当困难 通过蛋白质工程改造后 该蛋白质可在 70 的条件下保存半年 2 玉米中赖氨酸的含量比较低 原因是玉米体内的天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性 受细胞内赖氨酸含量的影响较大 当赖氨酸含量达到一定量时 就会抑制这两种酶的活性 从而影响赖氨酸含量的提高 经过蛋白质工程改造这两种酶后 可使玉米叶片和种子中游离赖氨酸的含量分别提高5倍和2倍 二 蛋白质工程的基本原理 1 目标 根据人们对功能的特定需求 对蛋白质的进行分子设计 2 操作对象 基因 基因或基因 3 基本途径 预期蛋白质功能 设计 推测应有的序列 找到对应的序列 基因 蛋白质 结构 修饰 合成 预期的蛋白质结构 氨基酸 脱氧核苷酸 对天然蛋白质进行改造 你认为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 克里克的中心法则 天然蛋白质的合成途径 蛋白质工程的流程 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 mRNA 转录 翻译 折叠 DNA合成 分子设计 蛋白质工程的途径 蛋白质工程的概念 基础 蛋白质工程的实质 第二代基因工程 途径 目标 蛋白质的结构和功能的关系 基因修饰或基因合成 改造或制造新的蛋白质 满足人类的生产或生活的需要 是对编码蛋白质的基因进行改造 并将此基因导入受体细胞中生产相应的蛋白质产品 因此蛋白质工程离不开基因工程 三 蛋白质工程的进展和前景 前景诱人 如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 通过对胰岛素的改造 已使其成为速效型药品 难度较大 蛋白质工程存在的困难主要是目前科学家对大多数蛋白质的高级结构 空间结构 的了解还很不够 二 蛋白质工程的基本原理 活动2 对照P27蛋白质工程流程图 说出主要步骤 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结构和三维晶体结构 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 如点突变 6 分离 纯化新蛋白 功能检测后投入实际使用 活动3 对照密码表 至少写出三种决定 丙氨酸 色氨酸 赖氨酸 甲硫氨酸 苯丙氨酸 的脱氧核苷酸序列 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 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 可以通过人工合成的方法获取或基因的定点诱变技术来改变 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 蛋白质改造工程举例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 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 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 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 蛋白质工程的进展和前景 蛋白质工程汇集了当代分子生物学等学科的一些前沿领域的最新成就 它把核酸与蛋白质结合 蛋白质空间结构与生物功能结合起来研究 蛋白质工程将蛋白质与酶的研究推进到崭新的时代 为蛋白质和酶在工业 农业和医药方面的应用开拓了诱人的前景 蛋白质工程开创了按照人类意愿改造 创造符合人类需要的蛋白质的新时期 1 改造酶结构 提高酶的热稳定性和催化活性 2 生物制药 鼠 人嵌合抗体 1 关于生物体内存在的天然蛋白质 下列说法不正确的是 A 是生物在长期进化过程中形成的B 它们的结构和功能符合特定物种生存的需要C 构成天然蛋白质的氨基酸目前发现的有20种D 一定完全符合人类生产和生活的需要 练习检测 D 2 蛋白质工程中直接需要进行操作的对象是 氨基酸结构B 蛋白质空间结构C 肽链结构D 基因结构 3 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 4 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 5 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 6 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