蛋白质工程的崛起(公开课)

1、（1）概念：用放射性同位素（32P）、荧光分子等标记的DNA分子做探针，利用DNA分子杂交原理，鉴定被检测标本上的遗传信息，达到检测疾病的目的。,（2）原理：DNA分子杂交。,DNA探针的必备条件：,A、必须是单链；,B、带有容易被检测出来的标记物。,基因诊断,A、制作基因探针；,（3）基因诊断的过程,B、将待测基因加热成单链；,C、两者混合杂交。,（4）实例：,病毒的检测： 肝炎病毒、肠道病毒、单纯孢疹病毒等；,遗传性疾病的检测： 镰刀型细胞贫血症、苯丙酮尿症等；,基因工程 的成果,Pst I,CG,区分各种酶的作用,1.限制性核酸内切酶 2.DNA连接酶 3.DNA聚合酶 4.RNA聚合酶

2、 5.逆（反）转录酶 6.解旋酶 7.DNA水解酶,基因工程,1.工具：限制性核酸内切酶、DNA连接酶、运载体 2.工具酶：限制酶、DNA连接酶 3.运输工具：质粒（主要）、噬菌体、动植物病毒 4.操作程序：,提供目的基因的细胞：供体细胞 将目的基因导入受体细胞借助：细菌或病毒的侵染,核心,人类基因组计划 (HGP),由美国科学家于1985年率先提出，启动于1990年。美国、英国、法兰西共和国、德意志联邦共和国、日本和我国科学家共同参与了这一预算达30亿美元的人类基因组计划。 按照这个计划的设想，在2005年，要把人体内约10万个基因的密码全部解开，同时绘制出人类基因的谱图。换句话说，就是要揭

3、开组成人体30亿个碱基对的秘密。 人类基因组计划与曼哈顿原子弹计划和阿波罗计划并称为三大科学计划。,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？,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一项重大的科学命题。2001年，国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两项重大国际合作行动：一项是由中国科学家牵头执行的“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“人类血浆蛋白质组计划”，由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。,蛋白质工程的崛起,1.举例说出为什么要开展蛋白质工程的研究。 （重点） 2.简述蛋白质工程的原理。（

4、重难点） 3.尝试运用逆向思维分析和解决问题。,【学习目标】,思,议,【自主学习】2、4,【合作探究】一、二、三,要求： 1.必要的文字记录，好记性不如烂笔头； 2.小组讨论按顺序发言，人人发言；,展,【自主学习】2、4 C层展示 【合作探究】一 A层展示 【合作探究】二、三 A、B层展示,激情展示我最棒,阅读P26第二自然段思考： 科学家在干扰素的保存和玉米的赖氨酸的产量上面临什么样的问题？如何解决这些问题？,一、蛋白质工程崛起的缘由,1、基因工程的实质：,将一种生物的 转移到另一种生物体内，后者产生它本不能产的 ，进而表现出 。,基因,蛋白质,新的性状,例如：,改造,玉米中赖氨酸含量比较低

5、,天冬氨酸激酶 （352位的苏氨酸）,二氢吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）,天冬氨酸激酶 （异亮氨酸）,二氢吡啶二羧酸合成酶（异亮氨酸）,玉米中赖氨酸含量可提高数倍,改造,改造,问题：,解决：,蛋白质功能 不能满足需求,改变蛋白质的结构,基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。 这些蛋白质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类生产和生活的需要。,基因工程的不足之处：,例如：天然酶虽然在生物体内能发挥各种功能，但 在生物体外，特别是在工业条件（如高温、 高压、机械力、重金属离子、有机溶剂、 氧化剂、极端pH等）下，则常易遭到破坏。,3、目标P26：,根据人们对 的特

6、定需求， 对蛋白质的 进行分子设计。,蛋白质功能,结构,二、蛋白质工程的基本原理P26-27,答：毫无疑问应该从对基因的操作来实现对天然蛋白 质改造，主要原因如下： （1）任何一种天然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，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传的。 基因改造可遗传； 蛋白质改造不可遗传 （2）对基因进行改造比对蛋白质直接改造要 容易操作，难度要小得多。,4、 要对天然蛋白质的结构进行设计改造，你认为应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？为什么？,思考与讨论,蛋白质工程实质：

7、,基因改造,讨论,、怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？写出相应的碱基序列。 、确定目的基因的碱基序列后，怎样合成或改造目的基因？,某多肽链的一段氨基酸序列是：丙氨酸色氨酸赖氨酸甲硫氨酸苯丙氨酸,mRNA序列为： GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C）,脱氧核苷酸序列： CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）TACAAA（或G）,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。一些报道中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

8、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。,异想天开,5、蛋白质工程的途径,预期蛋白质功能,设计预期的蛋白质结构,推测应有的氨基酸序列,找到相应的脱氧核苷酸序列(合成基因),-中心法则的逆推,二、蛋白质工程的基本原理P26-27,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，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白质，以满足人类对生产和生活的需求。,6、蛋白质工程的概念 P27,

9、了解蛋白质的结构和功能,改造基因（基因修饰或基因合成）,定向改造或制造蛋白质,三、蛋白质工程的进展和前景,1、进展P28： （1）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。该速效胰岛素已通过临床实验。,（2）水蛭素改造,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65或66个氨基酸残基组成。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

10、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HV2的设计方案，将47位的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端肽段的正确取向，从而提高凝血效率，试管试验活性提高4倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高20倍。,2、前景诱人： 探索将蛋白质工程应用于微电子方面。,3、难度很大： 主要是目前科学家对大多数蛋白质的高级结构的了解还很不够。,用蛋白质工程制造的电子元件具有体积小、 耗电少和效率高的特点。,目的基因的获取,预期的蛋白质功能,获取目的基因 构建表达载体 导入受体细胞 目的基因的检测与鉴定,预期蛋白质功能 设计蛋

11、白质结构 推测氨基酸序列 推测核苷酸序列 合成DNA 表达出蛋白质,定向改造生物的遗传特性，获得人类所需的生物类型或生物产品,定向改造或生产人类所需的蛋白质,生产自然界中已有的蛋白质,蛋白质工程是在基因工程的基础上,延伸出来的第二代基因工程。因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质，必须通过基因的修饰或基因的合成。,生产自然界没有的蛋白质,重组,创新,检,小结,1、蛋白质工程崛起的缘由,2、蛋白质工程的原理：,中心法则的逆推,预期的蛋白质功能出发,推测应有的氨基酸序列,设计预期的蛋白质结构,找到相应的脱氧核苷酸序列,3、蛋白质工程的进展和前景,检,1、你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程有什

12、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因组计划之后，生命科学乃至自然科学领域一项重大的科学命题。2001年，国际人类蛋白质组组织宣告成立。2003年，该组织正式提出启动了两项重大国际合作行动：一项是由中国科学家牵头执行的“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“人类血浆蛋白质组计划”，由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。,四、知识拓展,检,“人类肝脏蛋白质组计划”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，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，目前有16个国家和地区的80多个实验室报名参加。它的科学目标是揭示并确

13、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科学基础。,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。,检,2、你知道酶工程吗?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面的一门科学技术。（如加酶洗衣粉） 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。 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则在于对已存在的蛋白质分子的改造。当然，随着蛋白质

14、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。,检,练习检测,1蛋白质工程中直接需要进行操作的对象是（ ） 氨基酸结构 B蛋白质空间结构 C肽链结构 D基因结构,2、蛋白质工程的基本流程正确的是（ ） 蛋白质分子结构设计 DNA合成 预期蛋白质功能 据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列 A. B. C. D.,C,3、关于基因工程和蛋白质工程的说法正确的是（ ） A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 C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因，蛋白质工程能产生自然界已存在的蛋白质,A,4、关于生物体内存在的天然蛋白质，下列说法不正确的