生物蛋白质工程的崛起新人教选修

1、基因工程的实质基因工程的实质： 将一种生物的将一种生物的 转移到转移到 另一种生物体内，后者产生它本不另一种生物体内，后者产生它本不 能产的能产的 ，进而表现，进而表现 出出 。 基因基因 蛋白质蛋白质 新的性状新的性状 试回顾总结基因工程的丰硕成果试回顾总结基因工程的丰硕成果 基因工程在原则上只能生产自基因工程在原则上只能生产自 然界已存在的蛋白质。然界已存在的蛋白质。 这些蛋白质的这些蛋白质的结构和功能结构和功能符合符合 特定物种特定物种生存的需要，却不一定完生存的需要，却不一定完 全符合全符合人类生产和生活人类生产和生活的需要。的需要。 基因工程的局限性：基因工程的局限性： o 赖氨酸的

2、合成机理：赖氨酸的合成机理： 天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶 二氢吡啶二羧酸合成酶二氢吡啶二羧酸合成酶 前体物质前体物质赖氨酸赖氨酸 负反馈调节负反馈调节 天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶 （352位的苏氨酸）位的苏氨酸） 二氢吡啶二羧酸合成酶二氢吡啶二羧酸合成酶 （104位的天冬酰胺）位的天冬酰胺） 改造改造 天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶 （异亮氨酸）（异亮氨酸） 二氢吡啶二羧酸合成酶二氢吡啶二羧酸合成酶 （异亮氨酸）（异亮氨酸） 目前科学家尝试通过目前科学家尝试通过 对蛋白质对蛋白质结构结构的改造，来的改造，来 延长酶的半衰期，提高酶延长酶的半衰期，提高酶 的热稳定性，延长药用蛋的热稳定性，延长药用蛋 白的

3、保存期，抵御由于重白的保存期，抵御由于重 要氨基酸氧化引起的活性要氨基酸氧化引起的活性 丧失等，取得了一定的进丧失等，取得了一定的进 展。展。 这些在科学研究和工业生产中亟这些在科学研究和工业生产中亟 待解决的难题均无法通过待解决的难题均无法通过基因工程基因工程来来 完成。于是新一轮的探索拉开了序幕，完成。于是新一轮的探索拉开了序幕， 人们开始着眼于人们开始着眼于对现有蛋白质的改造对现有蛋白质的改造， 以及以及制造目前从天然蛋白质中找不到制造目前从天然蛋白质中找不到 的蛋白质的蛋白质。就这样，。就这样，蛋白质工程蛋白质工程应运应运 而生，并迅速崛起。而生，并迅速崛起。 中中心法则告诉我们遗传信

4、息的流动方向如图心法则告诉我们遗传信息的流动方向如图 ： 结论结论： 蛋白质的功能是由蛋白质的蛋白质的功能是由蛋白质的_决定的，决定的， 蛋白质的结构是由蛋白质的结构是由_决定的决定的。 结构结构 DNA（基因）（基因） 2 2、蛋白质工程的目标：、蛋白质工程的目标： 根据人们对蛋白质根据人们对蛋白质功能功能的特定需的特定需 求，对蛋白质的求，对蛋白质的分子结构分子结构进行进行分子设分子设 计计。 对天然蛋白质进行改造，你对天然蛋白质进行改造，你 认为应该直接对认为应该直接对蛋白质分子蛋白质分子进行进行 操作，还是通过对操作，还是通过对基因基因的操作来的操作来 实现？为什么？实现？为什么？ 需

5、要通过对基因的操作来实现。 3、蛋白质工程流程、蛋白质工程流程 讨论：讨论： 某多肽链的一段氨基酸序列是：某多肽链的一段氨基酸序列是： - -丙氨酸丙氨酸- -色氨酸色氨酸- -赖氨酸赖氨酸- -甲硫氨酸甲硫氨酸- - 苯丙氨酸苯丙氨酸- - 丙氨酸：丙氨酸：GCU、GCC、GCA、GCG 色氨酸：色氨酸：UGG 赖氨酸：赖氨酸：AAA、AAG 甲硫氨酸：甲硫氨酸：AUG 苯丙氨酸：苯丙氨酸：UUU、UUC （1 1）怎样得出）怎样得出 决定这一段肽链决定这一段肽链 的脱氧核苷酸序的脱氧核苷酸序 列？请把相应的列？请把相应的 碱基序列写出来。碱基序列写出来。 （2 2） 确定目的基因的碱基确定

6、目的基因的碱基 序列后，怎样才能合成或改序列后，怎样才能合成或改 造目的基因（造目的基因（DNADNA）？）？ 可以通过可以通过人工合成人工合成的方法的方法 获取或获取或基因的定点诱变技术基因的定点诱变技术来来 改变。改变。 基因会发生突变，突变可以自发，也可以诱发，这是基因会发生突变，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 化学家化学家M M史密斯（史密斯（1932193220002000）发明）发明定点突变法定点突变法之前，突之前，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株的产生必

7、须经由自然界或用化学等方法诱使基因体突 变。这类方法属于变。这类方法属于随机突变随机突变，突变株必须在生物性状上有，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。也就是遗传方法找到此突变处，否则无法确定突变位置。也就是 说，说，这种突变是盲目的这种突变是盲目的。而史密斯发明的定点突变法却是而史密斯发明的定点突变法却是 有目的的有目的的，该法可，该法可经由设计好的寡核苷酸，在任何一个基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因片段上进行随意或设计

8、好的突变，也就是说，这种突变，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是预先设定好的，所以也有人将该法称为“反遗传法反遗传法”。 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。基因或蛋白质的功能。 异亮氨酸 半胱氨酸 蛋白质工程是指以蛋白质 分子的_及其与_ 的关系作为基础，通过_ 或_，对现有蛋白质进 行_，

9、或制造一种_， 以满足生产和生活的需求。 结构规律 生物功能 基因修饰 基因合成 改造新的蛋白质 能不能根据人类需要的蛋白质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适的细菌中，让细菌生产人类所需 要的蛋白质食品呢？要的蛋白质食品呢？ 理论上是可行的，但目前还没理论上是可行的，但目前还没 有真正成功的例子。有真正成功的例子。 1、蛋白质工程的进展： （1）对胰岛素的改造胰岛素的改造 天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和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，从六聚体，延缓胰岛素从注

10、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，这而延缓了其降血糖作用，也增加了抗原性，这 是胰岛素是胰岛素B23-B28B23-B28氨基酸残基结构所致。利用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。该合作用，使胰岛素快速起作用。该速效胰岛素速效胰岛素 已通过临床实验。已通过临床实验。 （2）对）对水蛭素的改造水蛭素的改造 水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑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，由制剂，它有多种变异体，由65或或66个氨基酸残个氨基酸残 基组成。水蛭

11、素在临床上可作为抗栓药物用于基组成。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结构特点的基础上提出改造水蛭素主要 变异体变异体HV2的设计方案，将的设计方案，将47位的位的Asn（天冬酰（天冬酰 胺）变成胺）变成Lys（赖氨酸），使其与分子内第（赖氨酸），使其与分子内第4或或 第第5位位Thr（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素 N端肽链的正确取向，从而提高抗凝血效率，端肽链的正确取向，从而提高抗凝血效率， 试管试验活性提高试管试验活性提高4倍，在

12、动物模型上检验抗血倍，在动物模型上检验抗血 栓形成的效果，提高栓形成的效果，提高20倍。倍。 （3）对生长激素的改造生长激素的改造 生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机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体的生长发育，然而它不仅可以结合生长激素受体生长激素受体， 还可以结合许多种不同类型细胞的还可以结合许多种不同类型细胞的催乳激素受体催乳激素受体，引，引 发其他生理过程。在治疗过程中为减少副作用，需使发其他生理过程。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

13、激素受体的结合。经研究发现，二者受体结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，如第酸侧链，如第18和第和第21位位His（组氨酸）和第（组氨酸）和第17位位Glu （谷氨酸）。实验结果与预先设想一致，但要开发

14、作（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。为临床用药还有大量的工作要做。 （4）应用于微电子方面 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。 3、蛋白质工程的前景： 基因工程的实质基因工程的实质： 将一种生物的将一种生物的 转移到转移到 另一种生物体内，后者产生它本不另一种生物体内，后者产生它本不 能产的能产的 ，进而表现，进而表现 出出 。 基因基因 蛋白质蛋白质 新的性状新的性状 基因工程在原则上只能生产自基因工程在原则上只能生产自 然界已

15、存在的蛋白质。然界已存在的蛋白质。 这些蛋白质的这些蛋白质的结构和功能结构和功能符合符合 特定物种特定物种生存的需要，却不一定完生存的需要，却不一定完 全符合全符合人类生产和生活人类生产和生活的需要。的需要。 基因工程的局限性：基因工程的局限性： 异亮氨酸 半胱氨酸 能不能根据人类需要的蛋白质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适的细菌中，让细菌生产人类所需 要的蛋白质食品呢？要的蛋白质食品呢？ 理论上是可行的，但目前还没理论上是可行的，但目前还没 有真正成功的例子。有真正成功的例子。 （3）对生长激素的改造生

16、长激素的改造 生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机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体的生长发育，然而它不仅可以结合生长激素受体生长激素受体， 还可以结合许多种不同类型细胞的还可以结合许多种不同类型细胞的催乳激素受体催乳激素受体，引，引 发其他生理过程。在治疗过程中为减少副作用，需使发其他生理过程。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