14蛋白质工程的崛起

1、基因工程干扰素基因工程干扰素 干扰素治疗病毒感染简直是干扰素治疗病毒感染简直是“万能灵药万能灵药”！过！过去从人血中提取，去从人血中提取，300l300l血才提取血才提取1mg1mg！其！其“珍贵珍贵”程度自不用多说。程度自不用多说。在体外保存相当困难！如何解决？在体外保存相当困难！如何解决？ 结论：结论：生物产生的天然蛋白质是在长生物产生的天然蛋白质是在长期进化过程中产生的，它的结构和功期进化过程中产生的，它的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一能符合特定物种生存的需要，却不一定能完全满足人类生产生活的需要。定能完全满足人类生产生活的需要。解决方法：解决方法：对现有的蛋白质进行改造，制造

2、出目对现有的蛋白质进行改造，制造出目前从天然蛋白质中找不到的蛋白质。前从天然蛋白质中找不到的蛋白质。 这样人们由开始了新一轮的探索，蛋白质工这样人们由开始了新一轮的探索，蛋白质工程应运而生了。程应运而生了。 满足人类满足人类生产和生生产和生活的需要活的需要改造改造干扰素（半胱氨酸）干扰素（半胱氨酸）体外很难保存体外很难保存干扰素（丝氨酸）干扰素（丝氨酸）体外可以保存半年体外可以保存半年玉米中赖氨酸含量比较低玉米中赖氨酸含量比较低天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶（352352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（104104位的天冬酰胺）位的天冬酰胺）天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶

3、（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）玉米中赖氨酸含量可提高数倍玉米中赖氨酸含量可提高数倍改造改造改造改造一、蛋白质工程崛起的缘由一、蛋白质工程崛起的缘由旁栏思考题旁栏思考题 你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程有什么关系？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？我国科学家承担了什么任务？ 1.人类蛋白质组计划是继人类基因组计划人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，之后，生命科学乃至自然科学领域生命科学乃至自然科学领域一项重大一项重大的科学命题。的科学命题。20012001年，国际人类蛋白质组组年，国

4、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：一项是两项重大国际合作行动：一项是由中国科学由中国科学家牵头家牵头执行的执行的“人类肝脏蛋白质组计划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另一项是以美国科学家牵头执行的“人类血人类血浆蛋白质组计划浆蛋白质组计划”，由此拉开了人类蛋白质，由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。组计划的帷幕。 3.“人类肝脏蛋白质组计划人类肝脏蛋白质组计划”是国际上是国际上第一个人类组织器官的蛋白质组计划，第一个人类组织器官的蛋白质组计划，由由我国贺福初院士牵头，这是中国科学家第一我国贺福初

5、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，总部设在次领衔的重大国际科研协作计划，总部设在北京北京，目前有，目前有16个国家和地区的个国家和地区的80多个实验多个实验室报名参加。它的科学目标是揭示并确认肝室报名参加。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。和新药研发的突破提供重要的科学基础。 2.人类蛋白质组计划的深入研究将是对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。蛋白质工程的有力推动和理论支持。二、蛋白质工程的基本原理二、蛋白质工程的基本原理 对天然蛋白质

6、进行改造，对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质分子你认为应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的进行操作，还是通过对基因的操作来实现？操作来实现？1、目标：、目标： 根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计。白质的结构进行分子设计。应该应该从对基因的操作来实现从对基因的操作来实现对天然蛋白质改造，对天然蛋白质改造，主要原因如下：主要原因如下：（1 1）任何一种天然蛋白质都是由）任何一种天然蛋白质都是由基因基因编码的，编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造过改造过的蛋白质可以遗传下去

7、的蛋白质可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造，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即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传的。遗传的。（2 2）对基因进行改造比对蛋白质直接改造要）对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容容易操作，难度要小得多易操作，难度要小得多。 蛋白质蛋白质三维结构三维结构氨基酸序列氨基酸序列多肽链多肽链基因基因dna预期预期功能功能dna合成合成分子设计分子设计mrna生物生物功能功能转录转录翻译翻译中心法则中心法则折叠折叠蛋白质工程基本途径蛋白质工程基本途径天然蛋白质合成途径？天然蛋白质合成途径？基因改造基因改造（基因修饰或基因合成）（基因修

8、饰或基因合成）从预期的蛋白质功能出发从预期的蛋白质功能出发设计预期的蛋白质结构设计预期的蛋白质结构找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）推测应有的氨基酸序列推测应有的氨基酸序列（1 1）怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？请）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。有多少种？把相应的碱基序列写出来。有多少种？（2 2）确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改）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（造目的基因（dnadna）？）？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

9、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：gcugcu、gccgcc、gcagca、gcggcg 色氨酸：色氨酸：ugg ugg 赖氨酸：赖氨酸：aaaaaa、aagaag 甲硫氨酸：甲硫氨酸：aug aug 苯丙氨酸：苯丙氨酸：uuuuuu、uucuuc gcugcu（或（或c c或或a a或或g g）uggaaauggaaa（或（或g g）auguuuauguuu（或（或c c） mrnamrna序列序列 脱氧核苷酸脱氧核苷酸序列序列gct (gct (或或c c或或a a或或g) tggaaa (g) tggaaa (或或g)atgttt (g)atgttt (或或c

10、)c)cga (cga (或或g g或或t t或或c) acctttc) accttt（或（或c)tacaaa (c)tacaaa (或或g)g)2.确定目的基因的碱基序列后，就可以根据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，通过人类的需要改造它，通过人工合成的方法人工合成的方法或可以通过基因的或可以通过基因的定点诱变定点诱变技术来改变后技术来改变后从基因文库中获取。从基因文库中获取。1.蛋白质工程的概念蛋白质工程的概念 蛋白质工程是指以蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因，通过基因修

11、饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造或制造一种新的蛋合成，对现有蛋白质进行改造或制造一种新的蛋白质，白质，以满足人类对生产和生活的需求。以满足人类对生产和生活的需求。了解蛋白质的结构和功能了解蛋白质的结构和功能改造基因（基因修饰或基因合成）改造基因（基因修饰或基因合成）定向改造或制造蛋白质定向改造或制造蛋白质 蛋白质工程是在基因工程的基础上，蛋白质工程是在基因工程的基础上， 延伸出来的延伸出来的第二代基因工程第二代基因工程。基因工程与蛋白质工程的比较基因工程与蛋白质工程的比较基因工程基因工程蛋白质工程蛋白质工程结果结果将将目的基因目的基因从供体从供体生物转移到受体生物，生物转移到受体生物，并在受

12、体生物中表达并在受体生物中表达实质实质基本基本过程过程确定蛋白质功能确定蛋白质功能应应有的高级结构有的高级结构应具应具备的折叠状态备的折叠状态应有应有氨基酸序列氨基酸序列应有的应有的碱基序列碱基序列获取目的基因获取目的基因构建构建基因表达载体基因表达载体导入导入受体细胞受体细胞目的基因目的基因的检测与鉴定的检测与鉴定生产出自然界生产出自然界已有已有的蛋白质的蛋白质创造出自然界创造出自然界不存在不存在的蛋白质的蛋白质通过通过改造基因改造基因，以定，以定向改造天然蛋白质，向改造天然蛋白质，甚至创造自然界不存甚至创造自然界不存在的蛋白质在的蛋白质（1 1）两者均从分子水平上进行操作。）两者均从分子水

13、平上进行操作。（2 2）蛋白质工程被称为）蛋白质工程被称为第二代基因工程第二代基因工程。因为蛋。因为蛋白质工程的本质是白质工程的本质是通过改造基因进而创造出自然通过改造基因进而创造出自然界不存在的蛋白质界不存在的蛋白质。（3 3）基因工程中的目的基因一般为天然的基因，）基因工程中的目的基因一般为天然的基因，蛋白质工程中的基因是经过修饰、改造的。蛋白质工程中的基因是经过修饰、改造的。蛋白质工程的内容主要有两方面：蛋白质工程的内容主要有两方面：根据需要设计具有特定氨基酸序列和空间结构根据需要设计具有特定氨基酸序列和空间结构的蛋白质的蛋白质而氨基酸排序由基因决定，所以还需要而氨基酸排序由基因决定，所

14、以还需要改造改造相相应应基因中脱氧核苷酸序列或人工合成基因中脱氧核苷酸序列或人工合成所需要的自所需要的自然界原本然界原本不存在的基因片段不存在的基因片段，用于蛋白质工程。，用于蛋白质工程。 能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应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？的蛋白质食品呢？ 理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。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

15、非完全是人工设计出来而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。来什么危害也是人们所担心的。 蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构 蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构 胰岛素的三级结构胰岛素的三级结构血红蛋

16、白质的四级结构血红蛋白质的四级结构 血红蛋白分子就血红蛋白分子就是由二个由是由二个由141个个氨基酸残基组成氨基酸残基组成的的亚基和二个由亚基和二个由146个氨基酸残基个氨基酸残基组成的组成的亚基按特亚基按特定的接触和排列定的接触和排列组成的一个球状组成的一个球状蛋白质分子，每蛋白质分子，每个亚基中各有一个亚基中各有一个含亚铁离子的个含亚铁离子的血红素辅基。血红素辅基。 三、蛋白质工程的进展和前景三、蛋白质工程的进展和前景改造胰岛素特效药品应用于电子方面蛋白质工程制造电子元件。优点：体积小、耗电少、效率高。三、蛋白质工程的进展和前景三、蛋白质工程的进展和前景蛋白质工程难度大原因：蛋白质发挥功能

17、必须依赖于正确的高级结构。这种高级结构很复杂，目前对其了解还很不够，还需探索。血红蛋白结构你知道酶工程吗？绝大多数酶都是蛋白你知道酶工程吗？绝大多数酶都是蛋白质，酶工程与蛋白质工程有什么区别？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产和应用两方面组成的。酶工程的应用主

18、要集中于食品工业、轻工业以及医药工业中。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，酶工程的重来确定相应基因的碱基序列等步骤。因此，酶工程的重点在于对已存酶的合理充分利用，而蛋白质工程的重点点在于对已存酶的合理充分利用，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。成为蛋白质工程的一部分。 1.关于基因工程和蛋白质工程的说法正确的关于基因工程和蛋白质工程的说法正确的是（是（ ） a都是分子水平上的操作都是分子水平上的操作 b基因工程就是改造基因的分子结构基因工程就是改造基因的分子结构 c蛋白质工程就是改造蛋白质的分子结构蛋白质工程就是改造蛋白质的分子结构 d基因工程能产生自然界根本不存在的基基因工程能产生自然界根本不存在的基因，蛋白质工程能产生自然界根本不存在因，蛋白质工程能产生自然界根本不存在的蛋白质的蛋白