蛋白质工程的崛起

1、怎样让一种生物的性状在另一种生物中表达？ 在种内可以用常规的杂交育种的办法实现，但要使有生殖隔离的种间生物实现基因交流，就显得力不从心了,则应采用什么技术？杂交育种杂交育种基因工程基因工程思考 生物产生的天然蛋白质是在长期进化过程生物产生的天然蛋白质是在长期进化过程中产生的，它的结构和性能不能完全满足中产生的，它的结构和性能不能完全满足人类生产生活的需要。人类生产生活的需要。例如：干扰素是动物体内的一种蛋白质是一种抗例如：干扰素是动物体内的一种蛋白质是一种抗病毒抗肿瘤的药物，但在体外保存相当困难。于病毒抗肿瘤的药物，但在体外保存相当困难。于是我们要对现有的蛋白质进行改造，制造出目前是我们要对现

2、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。这样人们由开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，蛋白质工程应运而生了。始了新一轮的探索，蛋白质工程应运而生了。 你知道人类蛋白质组计你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程有什划吗？它与蛋白质工程有什么关系？我国科学家承担了么关系？我国科学家承担了什么任务？什么任务？ 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，生命科学乃至自然科学领域中的一项之后，生命科学乃至自然科学领域中的一项重大的科学命题。重大的科学命题。20012001年，国际人类蛋白质年，国际人类蛋白质组组织宣告成立。之

3、后，该组织正是提出启组组织宣告成立。之后，该组织正是提出启动两项重大国际合作行为：一项是有中国科动两项重大国际合作行为：一项是有中国科学家牵头执行的学家牵头执行的“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”。 “ “人类肝脏蛋白质组计划人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一个人类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，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，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

4、，目前有总部设在北京，目前有1616个国家和地区的个国家和地区的8080多个实验多个实验室报名参加。它的科学室报名参加。它的科学目标是揭示并确认肝脏的蛋白目标是揭示并确认肝脏的蛋白质质，为重大肝病预防为重大肝病预防、诊断诊断、治疗和新药研发的突破治疗和新药研发的突破提供重要的科学基础提供重要的科学基础一、蛋白质工程崛起的缘由一、蛋白质工程崛起的缘由满足人类满足人类生产和生生产和生活的需要活的需要例如：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

5、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数倍玉米中赖氨酸含量可提高数倍改造改造改造改造二、蛋白质工程的基本原理二、蛋白质工程的基本原理 对天然蛋白质进行改造，你认对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质分子进行操作，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？还是通过对基因的操作来实现？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

6、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。 通过对基因的操作来实现，因为基因决定通过对基因的操作来实现，因为基因决定蛋白质的合成。蛋白质的合成。2、蛋白质工程的原理：基因改造、蛋白质工程的原理：基因改造3、基本途径：、基本途径：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（基因）找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）.蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什么不同？程有什么不同？答：基因工程是遵循中心法则，答：基因工程是遵循中

7、心法则，DNAmRNA蛋白质蛋白质折叠产生功能，折叠产生功能，基本上是生产出自然界已有的蛋白质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：蛋白质工程是按照以下思路进行的：确定蛋白质的功能确定蛋白质的功能蛋白质应有的高级结蛋白质应有的高级结构构蛋白质应具备的折叠状态蛋白质应具备的折叠状态应有的氨应有的氨基酸序列基酸序列应有的碱基排列，可以创造自应有的碱基排列，可以创造自然界不存在的蛋白质然界不存在的蛋白质蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构 蛋白质一级结构是理解蛋白质结构、作蛋白质一级结构是理解蛋白质结构、作用机制以及与其同源蛋白质生理功能的必要用机制以及与其同源蛋白质生理功能

8、的必要基础基础 蛋白质的一级结构包括：蛋白质的一级结构包括： （1）组成蛋白质的多肽链的数目；）组成蛋白质的多肽链的数目； （2）多肽链的氨基酸顺序；）多肽链的氨基酸顺序； （3）多肽链内或链间二硫键的数目和位置。）多肽链内或链间二硫键的数目和位置。 蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构 蛋白质二级结构蛋白质二级结构:指蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕的方式。二级结构主要有-螺旋、-折叠、-转角。 胰岛素的三级结构胰岛素的三级结构 蛋白质分子处于它的天然折叠状态的三维构蛋白质分子处于它的天然折叠状态的三维构象。三级结构是在二级结构的基础上进一步盘绕，象。三级结构是在二级结构的基础上进一步盘绕，折叠形成

9、的。折叠形成的。 讨论：某多肽链的一段氨基酸序列是：讨论：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甲硫氨酸酸苯丙氨酸苯丙氨酸（1 1）怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序）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？列？请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）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（成或改造目的基因（DNADNA）？）？（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）AUGU

10、UUAUGUUU（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，通过人工合成的方法或从基因类的需要改造它，通过人工合成的方法或从基因库中获取。库中获取。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蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础及其与生物功能的关系作为基础，通过基，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改因修饰或基因合

11、成，对现有蛋白质进行改造或制造一种新的蛋白质，造或制造一种新的蛋白质，以满足人类对以满足人类对生产和生活的需求。生产和生活的需求。前提前提：了解蛋白质的结构和功能了解蛋白质的结构和功能原理原理：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）目的：目的：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蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的上，延伸出来的第二代基因工程第二代基因工程。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

12、，所以还需要而氨基酸排序由基因决定，所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

13、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。 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、蛋白质工程

14、的诞生是有其理论与技术条件的，蛋白质工程的诞生是有其理论与技术条件的，它是随着它是随着分子生物学分子生物学、晶体学晶体学以及以及计算机技术计算机技术的发展而诞生的，与的发展而诞生的，与基因组学基因组学、蛋白质组学蛋白质组学、生物信息学生物信息学的发展等因素有关的发展等因素有关 2 2、现状：成功的例子不多，、现状：成功的例子不多，主要是因为蛋白质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发挥其功能需要依赖于正确的空间结构，而科而科学家目前对大多数蛋白质的空间结构了解很少学家目前对大多数蛋白质的空间结构了解很少。 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

15、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质A2.蛋白质工程的基本流程正确的是（蛋白质工程的基本流程正确的是（ ） 蛋白质分子结构设计蛋白质分子结构设计 DNA合成合成 预期蛋白质功能预期蛋白质功能 据氨基酸序列推出脱氧据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列核苷酸序列 A. B. C. D.C 3.3.枯草杆菌产生的蛋白酶具有催化分解蛋白质的特枯草杆菌产生的蛋白酶具有催化分解蛋白质的特性，但极易被氧化而失效。性，但极易被氧化而失效。19851985年，美国的埃斯年，美国的埃斯特尔将枯草杆菌蛋白酶分子中的第特尔将枯草杆菌蛋白酶分子中的第222222位氨基酸替位氨基酸替换后，虽然其水解活性有所下降，但抗氧化能力换后，虽然其水解活性有所下降，但抗氧化能力大大提高。用这种水解酶作为洗涤剂的添加剂，大大提高。用这种水解酶作为洗涤剂的添加剂，可以有效地除去血渍、奶渍等蛋白质污渍。可以有效地除去血渍、奶渍等