1.4　蛋白质工程的崛起

1、1.4 蛋白质工程的崛起,大悟县楚才高级中学 金忠良,学习目标： 1.了解蛋白质工程崛起的缘由 2.理解蛋白质工程的原理和过程 3.尝试运用逆向思维分析和解决问题 4.了解蛋白质工程的进展和前景 学习重点： 1.蛋白质工程崛起的缘由（为什么要研究？） 2.蛋白质工程的基本原理。 学习难点： 1.蛋白质工程的基本原理,旁栏思考题,你知道国际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？,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

2、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。,活动1:阅读 P26第二段。 回答:为什么要进行蛋白质工程?,我们已经掌握了基因工程，它能够定向

3、的改变生物的性状，为什么还要去研究蛋白质工程，难道基因工程有什么不足之处？,一、蛋白质工程崛起的缘由,一、蛋白质工程崛起的缘由,1.基因工程的实质:,将一种生物的 转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的 ，进而表现出 。,基因,蛋白质,新性状,2. 基因工程的不足:,在原则上只能生产自然界已存在的 。,蛋白质,即天然蛋白质,3. 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。,进化,结构和功能,生存,4. 蛋白质工程的目的:,生产符合人类生产和生活需要的 。,蛋白质,天然蛋白质的不足的实例:,玉米中赖

4、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),玉米中赖氨酸含量分别提高5倍、2倍,许多工业用酶是在改变天然酶的特性后，才使之适应生产和使用需要的。,实例1:,实例2:,实例3:,不足的实例,1.蛋白质工程是应怎样的社会需求而崛起的？这说明社会需要与科技发展之间有什么关系？ 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

5、了手段。 这说明了社会需要会促进科技的发展，科技的发展又会进一步刺激社会需要。,活动2： P28 思考与探究,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。 应该通过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。 2.原理：改造基因（基因 或基因 ） 。,蛋白质,结构,修饰,合成,旁栏思考题：对天然蛋白质进行改造，你认

6、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？,3.天然蛋白质的合成过程(基因工程),基因 表达（转录和翻译） 形成氨基酸序列的多肽链 形成具有高级结构的蛋白质 行使生物功能,4.蛋白质工程的基本途径：,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 找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）,天然蛋白质的合成过程：,蛋白质工程的基本途径：,（基因工程）,遵循中心法则,中心法则的逆推,5、蛋白质工程的概念： 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，以满足人类的生产和生活的需求

7、。,二、蛋白质工程的基本原理,获得满足人类生产和生活需求的新的 。,(1)理解蛋白质工程概念的3个角度:,基础:,蛋白质分子的 及其与 的关系。,途径:,通过 或 ，对现有蛋白质进行 ，或制造一种新的蛋白质。,目的:,结构规律,生物功能,基因修饰,基因合成,“改造”,蛋白质,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,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。,首先应该根据三联密码子推出mRNA

8、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为CGA(或G或T或C)ACCTTT(或C)TACAAA(或G)。,活动3：P27讨论,【 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。,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:,二、蛋白质工程的基本原理,从预期的蛋白质功能出发，到找到相对应的 ，即 的逆推。,(2)原理:,基因,中心法则,(3)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,预期的蛋白质结构,氨基酸,

9、脱氧核苷酸,生产出自然界从来没有过的蛋白质。,(4)最终结果:,蛋白质 三维结构,氨基酸序列 多肽链,基因 DNA,预期功能,分子设计,mRNA,生物功能,转录,翻译,折叠,(5)蛋白质工程的流程（与天然蛋白合成区别）,蛋白质的功能是DNA决定的，那么要制造出新的蛋白质，就要改造DNA，所以蛋白质工程的原理应该是中心法则的逆推。,目的基因,预期的蛋白质功能,基因表达载体,基因,获取目的基因构建表达载体导入受体细胞目的基因的检测与鉴定,预期蛋白质功能 设计蛋白质结构 推测氨基酸序列 推测核苷酸序列 合成DNA 表达出蛋白质,定向改造生物的遗传特性，获得人类所需的生物类型或生物产品,定向改造或生产

10、人类所需的蛋白质,生产自然界中已有的蛋白质,蛋白质工程是在基因工程的基础上,延伸出来的第二代基因工程。因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质，必须通过基因修饰或基因合成。,生产自然界没有的蛋白质,基因工程与蛋白质工程的比较,小结：,1、进展：改造胰岛素成为速效药品。,2、前景：探索蛋白质工程应用于微电子方面。,3、目前面临的困难：主要是目前科学家对大多数蛋白质的 高级结构 的了解还很不够。,三、蛋白质工程的进展和前景,基因工程是遵循中心法则，从DNAmRNA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

11、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。,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？,活动4： P28 思考与探究,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？,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。通常所说的酶工程是用工程菌生产酶制剂，而没有经过由酶的功能来设计酶的分子结构，然后由酶的分子结构来确定相应基因的碱基序列等步骤。因此，酶工程的

12、重点在于对已存在酶的合理充分利用，而蛋白质工程的重点则在于对已存在的蛋白质分子的改造。当然，随着蛋白质工程的发展，其成果也会应用到酶工程中，使酶工程成为蛋白质工程的一部分。,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,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蛋白质工程中，对蛋白质的结构进行分子设计的依据是（） A人们对蛋白质功能的特定需求 B蛋白质中氨基酸序列 C信使RNA中核糖核苷酸序列 D基因中脱氧核苷酸序列,A,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