蛋白质工程的崛起(上课课件)[1]

1、活动活动1:阅读阅读P26. 回答回答:为什么要进行蛋白质工程为什么要进行蛋白质工程?一、蛋白质工程崛起的缘由一、蛋白质工程崛起的缘由这些蛋白质只是适应生物自身这些蛋白质只是适应生物自身的需要，但不一定完全符合人的需要，但不一定完全符合人类生产和生活需要类生产和生活需要，所以需要，所以需要加以改造。加以改造。一、蛋白质工程崛起的缘由一、蛋白质工程崛起的缘由1、基因工程的应用、基因工程的应用（1）基因工程的实质：）基因工程的实质：将一种生物的基因转移到另一种生物将一种生物的基因转移到另一种生物体内，使后者产生本不能产生的蛋白体内，使后者产生本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状。质，进而表现出新

2、的性状。在原则上只能生产自然界已存在的蛋白在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。质。（2）基因工程的不足：）基因工程的不足： 天然蛋白质是生物在长期进化过程天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，它们的结构和功能符合特定中形成的，它们的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。类生产和生活的需要。2、天然蛋白质的不足、天然蛋白质的不足3、蛋白质工程的目的、蛋白质工程的目的 生产符合人类生产和生活的生产符合人类生产和生活的需要的蛋白质。需要的蛋白质。例如：例如：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

3、素（丝氨酸）干扰素（丝氨酸）体外可以保存体外可以保存半年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（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玉米中赖氨酸含量可提高数倍数倍改造改造改造改造问题问题1：解决：解决：蛋白质功能蛋白质功能不能满足需求不能满足需求改变蛋白质改变蛋白质的的结构结构-半胱氨酸半胱氨酸-体外很难保存体外很难保存？如何改造？如何改造-丝氨酸

4、丝氨酸-体外可以保存半年体外可以保存半年问题问题2：如何对天然：如何对天然蛋白质的结构蛋白质的结构进行改造？进行改造？干扰素干扰素干扰素（改）干扰素（改）(你认为你认为直接对蛋白质分子直接对蛋白质分子进行操作，还是进行操作，还是通过对通过对基因的操作基因的操作来实现？能否说出你的理来实现？能否说出你的理由？由？)答：毫无疑问应该从答：毫无疑问应该从对基因的操作对基因的操作来实现对来实现对天然蛋白质改造，主要原因如下：天然蛋白质改造，主要原因如下：（1）任何一种天然）任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，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，而且改改造了基因即对蛋白质进行了改造，

5、而且改造过的蛋白质可以遗传下去。如果对蛋白质造过的蛋白质可以遗传下去。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。质分子还是无法遗传的。（基因改造（基因改造可遗传；可遗传； 蛋白质改造蛋白质改造不可遗传）不可遗传）（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易操作，容易操作，难度要小得多。难度要小得多。-半胱氨酸半胱氨酸-体外很难保存体外很难保存？如何改造？如何改造-丝氨酸丝氨酸-体外可以保存半年体外可以保存半年问题问题3、你能推测出干扰素基因改造前和改、你能推测出干扰素基因改造前和改造后的该部

6、分序列吗？造后的该部分序列吗？ （半胱氨酸：（半胱氨酸：UGU；丝氨酸：；丝氨酸：UCU）干扰素干扰素干扰素（改）干扰素（改）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：GCUGCU、GCCGCC、GCAGCA、GCG GCG 色氨酸：色氨酸：UGG UGG 赖氨酸：赖氨酸：AAAAAA、AAG AAG 甲硫氨酸：甲硫氨酸：AUG AUG 苯丙氨酸：苯丙氨酸：UUUUUU、UUC UUC 讨论：讨论：1、请写出决定这一段肽链的、请写出决定这一段肽链的mRNA片段和基因片段片段和基因片段的

7、核苷酸序列。的核苷酸序列。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（DNA）？）？（1 1）mRNAmRNA序列为：序列为： GCUGCU（或（或C C或或A A或或G G）UGGAAAUGGAAA（或（或G G）AUGUUUAUGUUU（或（或C C） 脱氧核苷酸序列：脱氧核苷酸序列： CGACGA（或（或G G或或T T或或C C）ACCTTTACCTTT（或（或C C）TACAAATACAAA（或（或G G）（2 2）确定目的基因的碱基序列后，就可以根据人）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，类的

8、需要改造它，通过通过人工合成的人工合成的方法方法二、蛋白质工程的基本原理二、蛋白质工程的基本原理 根据人们对蛋白质功能的特定需求，根据人们对蛋白质功能的特定需求，对对蛋白质的结构进行分子设计蛋白质的结构进行分子设计。 1、目标：、目标：2、手段：、手段：改造基因改造基因（基因修饰或基因合成）（基因修饰或基因合成）逆转录逆转录转录转录DNADNARNARNA翻译翻译蛋白质蛋白质复制复制复制复制天然蛋白质的合成天然蛋白质的合成遵循中心法则遵循中心法则转录转录DNADNARNARNA翻译翻译肽链肽链折叠折叠等等具有空间结具有空间结构的蛋白质构的蛋白质表达生物特有表达生物特有的功能或性状的功能或性状天

9、然蛋白质的合成过程天然蛋白质的合成过程遵循中心法则，并需经过高级空间结构的转变遵循中心法则，并需经过高级空间结构的转变. 途径途径:预期的蛋白质功能预期的蛋白质功能设计预期的蛋白质结构设计预期的蛋白质结构推测应有的氨基酸序列推测应有的氨基酸序列找到相对应的脱氧核苷酸序列找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）（基因）蛋白质蛋白质三维结构三维结构氨基酸序氨基酸序列列多多肽链肽链基因基因DNADNA预期预期功能功能DNADNA合成合成分子分子设计设计mRNA生物生物功能功能转录转录翻译翻译折叠折叠 蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与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

10、，通过基因修饰或基因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，以满足人类对生产和生活的需求。白质，以满足人类对生产和生活的需求。4 4、蛋白质工程的概念、蛋白质工程的概念 P27P27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）前前提：提：手段手段：目目的：的：定向改造或制造蛋白质定向改造或制造蛋白质基础：基础：以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为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基础5、基因工程与蛋白质工程的区别、基因

11、工程与蛋白质工程的区别基因工程基因工程蛋白质工程蛋白质工程实质实质结果结果联系联系通过通过改造基因改造基因，以，以定向改造天然蛋白定向改造天然蛋白质，甚至创造自然质，甚至创造自然界不存在的蛋白质界不存在的蛋白质将将目的基因目的基因从供体从供体转移到受体细胞，并转移到受体细胞，并在受体细胞中表达在受体细胞中表达只能生产自然界只能生产自然界已存在已存在的蛋白质的蛋白质蛋白质工程是在基因工程基础上，延蛋白质工程是在基因工程基础上，延伸出的伸出的第二代第二代基因工程基因工程能生产自然界能生产自然界不存在不存在的蛋白质的蛋白质重组重组创新创新 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

12、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自然不存在的蛋白质。主要原因是蛋白质的高级结构高级结构非常复杂，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

13、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。 三、蛋白质工程的进展和前景三、蛋白质工程的进展和前景1 1、进展、进展P28P28： （1 1）对胰岛素的改造，使其成为速效型药品。对胰岛素的改造，使其成为速效型药品。 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，延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了其降血糖作用，也增加了抗原

14、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-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。合作用，使胰岛素快速起作用。该速效胰岛素该速效胰岛素已通过临床实验。已通过临床实验。（2）水蛭素改造）水蛭素改造 水蛭素是水蛭唾液腺分泌的水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂，凝血酶特异抑制剂，它有多种变异体，由它有多种变异体，由6565或或6666个氨基酸残基组成。水个氨基酸残基组成。水蛭素在临床上可作为蛭素在临床上可作为抗栓药物用于治疗血栓疾病。抗栓药物用于

15、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础上提出改造水蛭素主要变异体HV2HV2的设计方案，的设计方案，将将4747位的位的AsnAsn（天冬酰胺）变成（天冬酰胺）变成LysLys（赖氨酸），使（赖氨酸），使其与分子内第其与分子内第4 4或第或第5 5位位ThrThr（苏氨酸）间形成氢键（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素来帮助水蛭素N N端肽段的正确取向，从而提高凝血端肽段的正确取向，从而提高凝血效率，试管试验活性提高效率，试管试验活性提高4 4倍，在动物模型上检验倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高

16、抗血栓形成的效果，提高2020倍。倍。2 2、前景诱人：、前景诱人： 探索将蛋白质工程应用于探索将蛋白质工程应用于微电子微电子方面。方面。 3 3、难度很大：难度很大： 主要是目前科学家对大多数主要是目前科学家对大多数蛋白质的高级蛋白质的高级结构结构的了解还很不够。的了解还很不够。 用蛋白质工程制造的电子元件具有用蛋白质工程制造的电子元件具有体积小、体积小、耗电少和效率高耗电少和效率高的特点。的特点。 1 1、你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程、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？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

17、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，国际人类蛋白质组组织宣告成立。织宣告成立。20032003年，该组织正式提出启动年，该组织正式提出启动了两项重大国际合作行动：一项是了两项重大国际合作行动：一项是由中国科由中国科学家牵头学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

18、划的帷幕。 四、知识拓展“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，由我国贺福初院士牵头，这是中国科学家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，总第一次领衔的重大国际科研协作计划，总部设在部设在北京北京，目前有，目前有16个国家和地区的个国家和地区的80多个实验室报名参加。它的科学目标是揭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、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诊断、治疗和新药研发的突破提供重要的科学基础。科

19、学基础。 人类蛋白质组计划的深入研究将是对蛋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。白质工程的有力推动和理论支持。2 2、你知道酶工程吗、你知道酶工程吗? ?绝大多数酶都是蛋白质，绝大多数酶都是蛋白质，酶工程和蛋白质工程有什么区别？酶工程和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。（如等方面的一门科学技术。（如加酶洗衣粉加酶洗衣粉） 通常所说的酶工程是用工程菌生产酶制剂，而没有经通常所

20、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。构来确定相应基因的碱基序列等步骤。 因此，因此，酶工程的重点酶工程的重点在于对在于对已存酶的合理充分利用，已存酶的合理充分利用，而而蛋白质工程的重点蛋白质工程的重点则在于则在于对已存在的蛋白质分子的改对已存在的蛋白质分子的改造。造。当然，随着蛋白质工程的发展，其成果也会应用到当然，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。酶工程中，使酶工程成为蛋白质工程的一部分。小结小结1、蛋白质工程崛起

21、的缘由、蛋白质工程崛起的缘由2、蛋白质工程的原理：、蛋白质工程的原理： 中心法则的逆推中心法则的逆推预期预期的蛋白质的蛋白质功能功能出发出发推测推测应有的应有的氨基酸序列氨基酸序列设计设计预期的蛋白质预期的蛋白质结构结构找到找到相应的相应的脱氧核苷酸序列脱氧核苷酸序列3、蛋白质工程的进展和前景、蛋白质工程的进展和前景1.1.与与“限制性内切酶限制性内切酶”作用部位完全相同的作用部位完全相同的酶是：（酶是：（ ） A A反转录酶反转录酶 B BRNARNA聚合酶聚合酶 C CDNADNA连接酶连接酶 D D解旋酶解旋酶2.2.除下列哪一项外，转基因工程的运载体必除下列哪一项外，转基因工程的运载体

22、必须具备的条件是：（须具备的条件是：（ ）A A能在宿主细胞中复制并保存能在宿主细胞中复制并保存 、B B具有多个限制酶切点，以便与外源基因连具有多个限制酶切点，以便与外源基因连接接C C具有标记基因，便于进行筛选具有标记基因，便于进行筛选 D D是环状形态的是环状形态的DNADNA分子分子3.3.能够使植物体表达动物蛋白的育种方法是能够使植物体表达动物蛋白的育种方法是（ ） A A单倍体育种单倍体育种 B B杂交育种杂交育种 C C基因工程育种基因工程育种 D D多倍体育种多倍体育种4.4.科学家用纳米技术制造出一种科学家用纳米技术制造出一种“生物导弹生物导弹”，可以携带可以携带DNADNA

23、分子。把它注射入组织中，可以通过分子。把它注射入组织中，可以通过细胞的内吞作用的方式进入细胞内，细胞的内吞作用的方式进入细胞内，DNADNA被释放出被释放出来，进入到细胞核内，最终整合到细胞染色体中，来，进入到细胞核内，最终整合到细胞染色体中，成为细胞基因组的一部分，成为细胞基因组的一部分，DNADNA整合到细胞染色体整合到细胞染色体中的过程，属于中的过程，属于( ) ( ) A A基因突变基因突变 B B基因重组基因重组 C C基因互换基因互换 D D染色体变异染色体变异5.5.苏云金芽孢杆菌的抗虫基因导入棉花细胞苏云金芽孢杆菌的抗虫基因导入棉花细胞是否已表达，其检测方法是：（是否已表达，其

24、检测方法是：（ ）A A是否有抗生素抗性是否有抗生素抗性 B B是否能检测到标记基因是否能检测到标记基因C C是否有相应的性状是否有相应的性状 D D是否能分离到目的基因是否能分离到目的基因6.6.如果科学家通过转基因工程，成功地把一如果科学家通过转基因工程，成功地把一名女性血友病患者的造血干细胞进行改造，名女性血友病患者的造血干细胞进行改造，使其凝血功能恢复正常。那么，她后来所生使其凝血功能恢复正常。那么，她后来所生的儿子中：（的儿子中：（ ） A A全部正常全部正常 B B一半正常一半正常 C C全部有病全部有病 D D不能确定不能确定7. 19877. 1987年，美国科学家将萤火虫的萤

25、光素年，美国科学家将萤火虫的萤光素基因转入烟草植物细胞，获得高水平的表达。基因转入烟草植物细胞，获得高水平的表达。长成的植物通体光亮，堪称自然界的奇迹。长成的植物通体光亮，堪称自然界的奇迹。这一研究成果表明：（这一研究成果表明：（ ）萤火虫与烟草植物的萤火虫与烟草植物的DNADNA结构基本相同结构基本相同萤火虫与烟草植物共用一套遗传密码萤火虫与烟草植物共用一套遗传密码烟草植物体内合成了萤光素烟草植物体内合成了萤光素萤火虫和烟草植物合成蛋白质的方式基本萤火虫和烟草植物合成蛋白质的方式基本相同相同 A A和和 B B和和 C C和和 D D 8. DNA8. DNA探针能检测到标本上的：（探针能检测到标本上的：（ ）A A遗传密码遗传密码 B B遗传信息遗传信息 C C蛋白质序列蛋白质序列 D D细胞结构细胞结构9.9.切取牛的生长激素和人的生长激素基因，切取牛的生长激素和人的生长激素基因，用显微注射技