生物：1.4《蛋白质工程的崛起》(新人教版选修3)

1965年，生物科学界发生了一件轰动全球大事！人工合成了结晶牛胰岛素，这是第一个在试验室中用人工方法合成蛋白质,实现了世界上首次人工合成蛋白质壮举。第1页复习回顾1、蛋白质基本结构单位？元素组成？2、蛋白质结构多样原因？3、蛋白质有哪些功效？4、蛋白质怎样合成？包括哪些细胞器？第2页蛋白质工程的崛起第3页一、蛋白质工程崛起缘由二、蛋白质工程基本原理三、蛋白质工程进展和前景第4页思索：假如想让某一个生物性状在另外一个生物身上表示，惯用方法有哪些？1、在种内能够用什么方法？

杂交育种

2、在种间能够用什么方法？基因工程育种

一、蛋白质工程崛起缘由第5页基因工程实质：

将一个生物

转移到另一个生物体内，后者产生它本不能产

，进而表现出

。基因蛋白质新性状第6页试回顾总结基因工程丰硕结果植物方面提升植物抗虫、抗病、抗逆性改良植物品质动物方面提升动物生长速度改进畜产品品质用转基因动物生产药品用转基因动物作器官移植供体研制药品基因治疗第7页

基因工程在标准上只能生产自然界已存在蛋白质。

这些蛋白质是生物在长久进化中形成，他们结构和功效符合特定物种生存需要，却不一定完全符合人类生产和生活需要。

基因工程不足：第8页比如：干扰素是由动物体内效应T细胞产生一个糖蛋白，几乎能抵抗全部病毒引发感染。同时，在治疗癌症方面也有十分可观疗效。不过，干扰素在体外保留相当困难。假如将其分子上一个半胱氨酸变成丝氨酸，在-70oC条件下，能够保留六个月。第9页玉米中赖氨酸含量比较低。赖氨酸合成机理：天冬氨酸激酶二氢吡啶二羧酸合成酶前体物质赖氨酸负反馈调整天冬氨酸激酶（352位苏氨酸）二氢吡啶二羧酸合成酶（104位天冬酰胺）改造天冬氨酸激酶（异亮氨酸）二氢吡啶二羧酸合成酶（异亮氨酸）第10页在已研究过几千种酶中，只有极少数能够应用于工业生产，绝大多数酶都不能应用于工业生产，这些酶即使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。这是因为工业生产中每一步反应体系中经常会有酸、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。第11页当前科学家尝试经过对蛋白质结构改造，来延长酶半衰期，提升酶热稳定性，延长药用蛋白保留期，抵抗因为主要氨基酸氧化引发活性丧失等，取得了一定进展。第12页延长干扰素体外保留时间提升玉米中赖氨酸含量提升工业生产中蛋白质类酶稳定性这些在科学研究和工业生产中亟待处理难题均无法经过基因工程来完成。于是新一轮探索拉开了序幕，人们开始着眼于对现有蛋白质改造，以及制造当前从天然蛋白质中找不到蛋白质。就这么，蛋白质工程应运而生，并快速崛起。第13页二、蛋白质工程基本原理1、基因工程基本原理中心法则告诉我们遗传信息流动方向如图：结论：蛋白质功效是由蛋白质_____决定，蛋白质结构是由_____________决定。结构DNA（基因）第14页二、蛋白质工程基本原理依据人们对蛋白质功效特定需求，对蛋白质结构进行分子设计。1、目标：2、原理：改造基因（基因修饰或基因合成）第15页逆转录转录DNARNA翻译蛋白质复制复制天然蛋白质合成遵照中心法则第16页转录DNARNA翻译肽链折叠等含有空间结构蛋白质表示生物特有功效或性状天然蛋白质合成过程遵照中心法则，并需经过高级空间结构转变第17页３.路径:预期蛋白质功效设计预期蛋白质结构推测应有氨基酸序列找到相对应脱氧核苷酸序列（基因）第18页蛋白质三维结构氨基酸序列多肽链基因DNA预期功效DNA合成分子设计mRNA生物功效转录翻译折叠图1-29蛋白质工程流程图第19页2、蛋白质工程目标：

依据人们对蛋白质功效特定需求，对蛋白质分子结构进行分子设计。

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，还是经过对基因操作来实现？为何？需要经过对基因操作来实现。第20页

主要原因：①基因编码蛋白质，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造过蛋白质能够遗传下去。②轻易操作，难度要小得多。第21页3、蛋白质工程流程从预期蛋白质功效出发设计预期蛋白质结构推测应有氨基酸序列找到对应脱氧核苷酸序列（基因）第22页讨论：

某多肽链一段氨基酸序列是：……-丙氨酸-色氨酸-赖氨酸-甲硫氨酸-苯丙氨酸-……丙氨酸：GCU、GCC、GCA、GCG色氨酸：UGG赖氨酸：AAA、AAG甲硫氨酸：AUG苯丙氨酸：UUU、UUC（1）怎样得出决定这一段肽链脱氧核苷酸序列？请把对应碱基序列写出来。第23页（2）确定目标基因碱基序列后，怎样才能合成或改造目标基因（DNA）？

能够经过人工合成方法获取或基因定点诱变技术来改变。第24页基因会发生突变，突变能够自发，也能够诱发，这是每个稍有生物学知识人都知道常识。但在加拿大生物化学家M·史密斯（1932－）创造定点突变法之前，突变株产生必须经由自然界或用化学等方法诱使基因体突变。这类方法属于随机突变，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遗传方法找到此突变处，不然无法确定突变位置。也就是说，这种突变是盲目标。而史密斯创造定点突变法却是有目标，该法可经由设计好寡核苷酸，在任何一个基因片段上进行随意或设计好突变，也就是说，这种突变是预先设定好，所以也有些人将该法称为“反遗传法”。有意思是这一给生命科学研究及应用领域带来革命性突破方法竟然是史密斯和其同事在喝咖啡时闲聊出来。现在，几乎每个生物试验室都会用定点突变法来研究基因或蛋白质功效。第25页异亮氨酸半胱氨酸第26页总结：蛋白质工程概念

蛋白质工程是指以蛋白质分子________及其与_______关系作为基础，经过_______或________，对现有蛋白质进行____，或制造一个_______，以满足生产和生活需求。结构规律生物功效基因修饰基因合成改造新蛋白质第27页异想天开

能不能依据人类需要蛋白质结构，设计对应基因，导入适当细菌中，让细菌生产人类所需要蛋白质食品呢？理论上是可行，但当前还没有真正成功例子。第28页三、蛋白质工程进展和前景1、蛋白质工程进展：（1）对胰岛素改造

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，则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速效胰岛素已经过临床试验。第29页（2）对水蛭素改造水蛭素是水蛭唾液腺分泌凝血酶特异抑制剂，它有各种变异体，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品用于治疗血栓疾病。为提升水蛭素活性，在综合各变异体结构特点基础上提出改造水蛭素主要变异体HV2设计方案，将47位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端肽链正确取向，从而提升抗凝血效率，试管试验活性提升4倍，在动物模型上检验抗血栓形成效果，提升20倍。第30页（3）对生长激素改造生长激素经过对它特异受体作用促进细胞和机体生长发育，然而它不但能够结合生长激素受体，还能够结合许各种不一样类型细胞催乳激素受体，引发其它生理过程。在治疗过程中为降低副作用，需使人重组生长激素只与生长激素受体结合，尽可能降低与其它激素受体结合。经研究发觉，二者受体结合区有一部分重合，但并不完全相同，有可能经过改造加以区分。因为人生长激素和催乳激素受体结合需要锌离子参加作用，而它与生长激素受体结合则无需锌离子参加，于是考虑取代充当锌离子配基氨基酸侧链，如第18和第21位His（组氨酸）和第17位Glu（谷氨酸）。试验结果与预先构想一致，但要开发作为临床用药还有大量工作要做。第31页（4）应用于微电子方面生物和材料科学家正主动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电子元件，含有体积小、耗电少和效率高特点，所以有极为辽阔发展前景。第32页2、蛋白质工程现实状况

蛋白质工程当前现实状况：成功例子不多，主要是因为蛋白质发挥其功效需要依赖于正确高级结构，而科学家当前对大多数蛋白质高级结构了解极少，要设计出愈加符合人类需要蛋白质还需要经过艰辛探索。第33页3、蛋白质工程前景：相信，随着科学技术的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福音。第34页蛋白质工程与基因工程关系：

项目基因工程蛋白质工程操作起点实质结果基本流程联络目标基因预期蛋白质功效定向改造生物遗传特征定向改造或生产人类所需要蛋白质