基因工程实际应用以及蛋白质工程个人精品

1、 68% 22% 7% 3% 1、提高农作物的抗逆能力（抗虫） 转基因抗虫苹果转基因抗虫棉花 所采用的抗虫基因主要有： 1、提高农作物的抗逆能力（抗病） 抗病毒 ： 抗真菌 ： 抗细菌 ： 1、提高农作物的抗逆能力（其他抗逆转基因作物） 2、利用转基因改良植物的品质 2、利用转基因改良植物的品质 v 胰岛素是治疗糖尿病的特效药，长期以来只能依靠从猪、 牛等动物的胰腺中提取，100Kg胰腺只能提取4-5g的胰 岛素，产量低价格高。将合成的胰岛素基因导入大肠杆菌 ，每2000L培养液就能产生100g胰岛素，使其价格降低 了30%-50%! 含有51个氨基酸，两条 肽链，化学本质是蛋白 质。所以只能

2、静脉注射 胰岛素。 v 重症联合免疫缺陷（SCID ）患者缺乏正常的人体免 疫功能，只要稍被细菌或 者病毒感染，就会发病死 亡。这个病的机理是细胞 的一个常染色体上编码腺 苷酸脱氨酶的基因（ada） 发生了突变。可以通过基 因工程的方法治疗。 基因工程的实质： 将一种生物的基因转移到另一种生物体内 ，使后者产生本身不能产生的蛋白质，从 而表现出新的性状。 基因工程的实质： 在原则上只能产生自然界已存在的蛋白质。 基因工程 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

3、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。 天然蛋白质的不足 一般来说，提高蛋白质的稳定性包括： 1、延长酶的半衰期 2、提高酶的热稳定性 3、延长药用蛋白的保存期 4、抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性丧失等 通过物理化学与生物化学等技术了解 蛋白质的结构与功能，并借助计算机辅助 设计、基因定点诱变和重组DNA技术改造 基因，以定向改造天然蛋白质，甚至创造 自然界不存在的蛋白质的技术。其中基因 工程是关键技术。 原理: : 由于基因决定蛋白质，因此，要对蛋 白质的结构进行改造，

4、最终还必须通过基 因来完成。 通过基因工程来改造蛋白质 原理: : 由于基因决定蛋白质，因此，要对蛋 白质的结构进行改造，最终还必须通过基 因来完成。 预期蛋白质功能设计 预期的蛋白质 推测应有的 氨基酸 序列找到对应的脱氧 核苷酸序列。 途径: : 预期 功能 DNA合成 分子设计 蛋白质 三维结构 氨基酸序列 多肽链 基因 DNADNA mRNAmRNA 生物 功能转 录 翻 译 折 叠 从生物体中分离纯化目的蛋白； 测定其氨基酸序列； 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; 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

5、与功能的影响； 设计编码该蛋白的基因改造方 案，如点突变； 分离、纯化新蛋白，功能 检测后投入实际使用。 讨论 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 （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。 （2）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。 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

6、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）。 提示（1） 提示（2） 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。 蛋白质改造工程举例 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

7、作用，使胰岛素快速起作用。该速效胰岛素 已通过临床实验。 1胰岛素改造 2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。 3生长激素改造 生长激素通过对它特异受体的作用促进

8、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。 4治癌酶的改造 癌

9、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 。HSVTK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

10、面所起的作用，可以和任何重大 的生物研究方法相提并论。 蛋白质工程现状 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。 蛋白质工程的前景 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。 当前，蛋白质工程修饰、改造 的蛋白质为数不算多，但

11、进展较快 。随着基因组测序的国际联合行动 的快速进展，也带来并已出现了蛋 白质高速发展的新阶段。 蛋白质工程进展 1医药方面 许多蛋白质工程的目标是设法提高 蛋白质的稳定性。在酶反应器中可延长 酶的半衰期或增强其热稳定性，也可以 延长治疗用蛋白质的贮存寿命或重要氨 基酸抗氧化失活的能力。在这个领域已 取得了一些重要研究成果。用蛋白质工 程来改造特殊蛋白质为制造特效抗癌药 物开辟了新途径。 2在农业方面 蛋白质工程正在成为改造农业，大幅 度提高粮食产量的新途径。近年来，美国 坎布里奇的雷普里根公司的科研人员立题 ，以蛋白质工程作为设计优良微生物农药 的新思路，他们实施对微生物蛋白质结构 进行修改

12、，仅此一举，使微生物农药的杀 虫率提高了10倍。 蛋白质工程在工业上的应用取得的成果 亦是很多。现以改变酶的动力学特性研制出 高效除污酶为例说明其应用价值。 另外，美国、日本等国家的科学工作者利 用蛋白质工程研制生物元件来取代“硅芯片” ，研制生物计算机，开发生物传感器的蛋白质 都取得了重大进展。还有利用蛋白质（酶）生 产模仿羊毛、蚕丝、蜘蛛丝，其强度高、质量 轻，均是蛋白质工程取得的应用性研究成果。 比较基因工程和蛋白质工程 基因工程蛋白质工程 相同点都要改造基因，都属于分子水平 产生新的基因型，无新基因基因（型） 产生的蛋白质原有的新的 联系 蛋白质工程以基因工程为基础， 是基因工程的应用

13、和延伸 基因表达（转录和翻译）形成氨基酸序列的多肽链 天然蛋白质的合成途径： 形成具有高级结构的蛋白质行使生物功能 蛋白质工程的途径： 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酸 1. .蛋白质工程的目标是根据对蛋白质（ ） 的特定需求，对蛋白 质的（ ）进行分子设计。 如：玉米的赖氨酸含量低，原因是赖氨酸合 成过程中的两个关键的酶（ ） 和（ ）的活性受赖氨 酸浓度的影响，如果将（ ） 中的第352位的苏氨酸变为（ ）， 把（ ）中第104位的天 冬酰胺变成（ ）就可以提高玉米中 的氨基酸含量2-5倍。 功能的特定需求 结构 天冬氨酸激酶 二氢吡啶二羧酸合成酶 天冬氨酸激酶 异亮氨酸 二氢吡啶二羧酸合成酶 异亮氨酸 D B 联系： 区别： 蛋白质工程以基因工程为基础 ，是基因工程的应用和延伸 提示： 1. 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