第三节蛋白质工程课件.ppt

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1、第三节蛋白质工程第1页，此课件共37页哦蛋白质工程崛起的缘由蛋白质工程崛起的缘由1 1、基因工程的应用、基因工程的应用（1 1）基因工程的实质：）基因工程的实质：（2 2）基因工程的不足：）基因工程的不足：第2页，此课件共37页哦蛋白质工程崛起的缘由蛋白质工程崛起的缘由1 1、基因工程的应用、基因工程的应用2 2、天然蛋白质的不足、天然蛋白质的不足 天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，它们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物种生存的需要，却不一定完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。全符合人类生产和生活的需要。第3页，此课

2、件共37页哦蛋白质工程崛起的缘由蛋白质工程崛起的缘由1 1、基因工程的应用、基因工程的应用2 2、天然蛋白质的不足、天然蛋白质的不足3 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需要的蛋白质。生产符合人类生产和生活的需要的蛋白质。第4页，此课件共37页哦满足人类生产满足人类生产和生活的需要和生活的需要例如：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v干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。将人的干扰素的干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。将人的干扰素的cDNAcDNA在大肠杆在大肠杆菌中进行

3、表达，产生的干扰素的抗病毒活性为菌中进行表达，产生的干扰素的抗病毒活性为106 U/mg106 U/mg，只相当于天然产品，只相当于天然产品的十分之一，虽然在大肠杆菌中合成的的十分之一，虽然在大肠杆菌中合成的-干扰素量很多，但多数是以无干扰素量很多，但多数是以无活性的活性的二聚体二聚体形式存在。为什么会这样？如何改变这种状况？研究发现，形式存在。为什么会这样？如何改变这种状况？研究发现，-干扰素蛋白质中有干扰素蛋白质中有3 3个半胱氨酸个半胱氨酸（第（第1717位、位、3131位和位和141141位），推测可位），推测可能是有一个或几个半胱氨酸形成了不正确的二硫键。研究人员将第能是有一个或几个

4、半胱氨酸形成了不正确的二硫键。研究人员将第1717位的半胱氨酸，通过基因定点突变改变成位的半胱氨酸，通过基因定点突变改变成丝氨酸丝氨酸，结果使大肠杆菌，结果使大肠杆菌中生产的中生产的-干扰素的抗病性活性提高到干扰素的抗病性活性提高到108 U/mg108 U/mg，并且比天然，并且比天然-干扰素干扰素的贮存稳定性高很多。的贮存稳定性高很多。第5页，此课件共37页哦满足人类生满足人类生产和生活的产和生活的需要需要又如：又如：玉米中赖氨酸含玉米中赖氨酸含量比较低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

5、）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）玉米中赖氨酸含玉米中赖氨酸含量可提高数倍量可提高数倍改造改造改造改造第6页，此课件共37页哦一、蛋白质工程的概念一、蛋白质工程的概念1.1.概念概念:蛋白质工程蛋白质工程是指通过物理化学与生物化学等技术了解是指通过物理化学与生物化学等技术了解蛋白质的结构和功能，并借助计算机辅助设计、基因定蛋白质的结构和功能，并借助计算机辅助设计、基因定点诱变和重组点诱变和重组DNADNA技术改造基因，以定向改造天然蛋白技术改造基因，以定向改造天然蛋白质，甚至创造自然界不存在的蛋白质的

6、技术。质，甚至创造自然界不存在的蛋白质的技术。基因工程基因工程是其中的是其中的关键技术关键技术,蛋白质工程是在基蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程第二代基因工程。第7页，此课件共37页哦基础基础:实质实质：途径途径:目标目标:了解蛋白质的结构和功能的关系了解蛋白质的结构和功能的关系基因修饰或基因合成基因修饰或基因合成改造或制造新的蛋白质，满足人类的生产或改造或制造新的蛋白质，满足人类的生产或生活的需要生活的需要是对编码蛋白质的基因进行改造是对编码蛋白质的基因进行改造一、蛋白质工程的概念一、蛋白质工程的概念第8页，此课件共37页哦转录转录DNADN

7、AmRNAmRNA翻译翻译肽链肽链折叠等折叠等具有空间结构具有空间结构的蛋白质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第9页，此课件共37页哦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DNADNA复制复制转录转录DNADNA复制复制第10页，此课件共37页哦思考：对天然蛋白质进行改造，你认为应该思考：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，

8、还是通过对基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？因的操作来实现？应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质改造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：，主要原因如下：（1 1）任何一种天然蛋白质都是由基因编码的）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，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。子还是无法遗传的。（2 2）对基因进行改造比对蛋白质直接改造要）对基

9、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。容易操作，难度要小得多。蛋白质工程的蛋白质工程的实质实质是对编码蛋白质的基因进行改造是对编码蛋白质的基因进行改造!第11页，此课件共37页哦不不断断完完善善蛋白质工程基本原理示意图蛋白质工程基本原理示意图二、蛋白质工程的原理二、蛋白质工程的原理第12页，此课件共37页哦 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。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）二、蛋白质工程的原理二、蛋白质工程的原理第13页，此课件共37页哦.途径途径:预期的蛋白质功能

10、出发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找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）（基因）第14页，此课件共37页哦蛋白质蛋白质三维结构三维结构氨基酸序氨基酸序列多肽链列多肽链基因基因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第15页，此课件共37页哦（1 1）从生物体中）从生物体中分离纯化目的蛋白分离纯化目的蛋白；（2 2）测测定其定其氨基酸序列氨基酸序列；（3 3）借助）借助核磁共振核磁共振和和X X射线晶体衍射线晶体衍射等手段，尽可能地射

11、等手段，尽可能地了解蛋了解蛋 白质的二维结构白质的二维结构(构象构象)和和三维晶体结构三维晶体结构(空间结构空间结构););（4 4）设计各种处理条件，）设计各种处理条件，了解蛋白质的结构变化，包括折叠与去了解蛋白质的结构变化，包括折叠与去 折叠等对其活性与功能的影响折叠等对其活性与功能的影响；（5 5）设计设计编码该蛋白的编码该蛋白的基因改造方案，如点突变基因改造方案，如点突变；（6 6）分离、纯化新蛋白，功能检测分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。后投入实际使用。第16页，此课件共37页哦1.了解蛋白质的结构和功能的关系资料资料1:1:蛋白质的分子设计与改造蛋白质的分子设计与改造 蛋

12、白质工程蛋白质工程首先首先是以蛋白质的结构为基础，通过蛋白质的是以蛋白质的结构为基础，通过蛋白质的一级结构、晶体结构和溶液构象的研究，积累了成千上万蛋一级结构、晶体结构和溶液构象的研究，积累了成千上万蛋白质一级结构和高级结构的数据资料，并编制成系统的数据白质一级结构和高级结构的数据资料，并编制成系统的数据库，得以从中找出蛋白质分子间的进化关系、一级结构和高库，得以从中找出蛋白质分子间的进化关系、一级结构和高级结构的关系、结构与功能的关系方面的规律。级结构的关系、结构与功能的关系方面的规律。第17页，此课件共37页哦1.了解蛋白质的结构和功能的关系X射线衍射仪核磁共振仪器蛋白质结构第18页，此课

13、件共37页哦蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构 第19页，此课件共37页哦蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构 第20页，此课件共37页哦胰岛素的三级结构胰岛素的三级结构第21页，此课件共37页哦血红蛋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个氨个氨基酸残基组成的基酸残基组成的亚亚基和二个由基和二个由146个氨个氨基酸残基组成的基酸残基组成的亚亚基按特定的接触和排基按特定的接触和排列组成的一个球状蛋列组成的一个球状蛋白质分子，每个亚基白质分子，每个亚基中各有一个含亚铁离中各有一个含亚铁离子的血红素辅基。子的血红素辅基。第22页，此课件共37页哦实施蛋

14、白质工程的关键2.用基因工程的方法改造蛋白质资料资料2:2:蛋白质作为生物大分子是生物化学和分子生物学的研究重点，大蛋白质作为生物大分子是生物化学和分子生物学的研究重点，大量蛋白质被分离纯化，测定了它们的结构、性质和生物学作用。分子生物量蛋白质被分离纯化，测定了它们的结构、性质和生物学作用。分子生物学有关基因组的研究，也可以用以推测出一些未知蛋白质的结构与功能。学有关基因组的研究，也可以用以推测出一些未知蛋白质的结构与功能。采用采用定位诱变定位诱变的方法，可以对编码蛋白质的基因进行核苷酸密码子的的方法，可以对编码蛋白质的基因进行核苷酸密码子的插插入、删除、置换入、删除、置换和和改组改组，其结果

15、为分子改造提供新的设计方案。现有的，其结果为分子改造提供新的设计方案。现有的蛋白质是生物长期进化的结果，蛋白质工程则是对生物进化的模拟，蛋白质是生物长期进化的结果，蛋白质工程则是对生物进化的模拟，按照蛋白质形成的规律，改造蛋白质或构建新的蛋白质。按照蛋白质形成的规律，改造蛋白质或构建新的蛋白质。蛋白质的改造通常需要先经周密的分子设计，然后依赖基因工程蛋白质的改造通常需要先经周密的分子设计，然后依赖基因工程获得突变型蛋白质，以检验其是否达到了预期的效果。如果改造的结果不获得突变型蛋白质，以检验其是否达到了预期的效果。如果改造的结果不理想，还需要从新设计再进行改造，往往经历多次实践摸索才能达到改进

16、理想，还需要从新设计再进行改造，往往经历多次实践摸索才能达到改进蛋白质性能的预定目标。蛋白质性能的预定目标。第23页，此课件共37页哦实施蛋白质工程的关键2.用基因工程的方法改造蛋白质 操作程序操作程序 设计、制造出自然界不存在的设计、制造出自然界不存在的全新蛋白质全新蛋白质替代某一个肽段或一个替代某一个肽段或一个特定的结构域特定的结构域改造某个活性单位的一个或几改造某个活性单位的一个或几个氨基酸残基个氨基酸残基（定点诱变技术）（定点诱变技术）核心技术 第24页，此课件共37页哦 基因定点诱变技术的示意图基因定点诱变技术的示意图 改变蛋白质结构的核心技术之一改变蛋白质结构的核心技术之一 第25

17、页，此课件共37页哦PCRPCR诱变引物定向突变基因受体细胞目的蛋白质基因工程基因工程表达表达定点诱变技术定点诱变技术第26页，此课件共37页哦27第27页，此课件共37页哦基因定点诱变技术的理解基因定点诱变技术的理解项目项目内容内容条条件件原料原料酶酶引物引物能量能量 操作方法操作方法 法法结果结果适应范围适应范围后代中半数为诱变的分子后代中半数为诱变的分子脱氧核苷酸脱氧核苷酸聚合酶和连接酶聚合酶和连接酶含突变顺序的分子片段含突变顺序的分子片段空间结构完全清楚的蛋白质空间结构完全清楚的蛋白质第28页，此课件共37页哦思考：思考：基因定点诱变基因定点诱变技术与技术与基因突变基因突变的比较的比较

18、比较比较基因定点诱变基因定点诱变基因突变基因突变相相同同点点发生的发生的过程过程结果结果不不同同点点场所场所手段手段方向方向DNADNA复复制过程中制过程中产生新基因，从而产生新性状产生新基因，从而产生新性状生物体外生物体外生物体内生物体内定向改造定向改造不定向性不定向性PCRPCR技术技术物理化学方法物理化学方法第29页，此课件共37页哦实例：胰岛素改造实例：胰岛素改造 第30页，此课件共37页哦三、蛋白质工程的应用三、蛋白质工程的应用 第31页，此课件共37页哦异亮氨酸异亮氨酸苏氨酸苏氨酸天门冬酰胺天门冬酰胺天门冬酰胺天门冬酰胺酵母菌丙糖磷酸异构酶丙糖磷酸异构酶工业生产上三、蛋白质工程的应

19、用三、蛋白质工程的应用第32页，此课件共37页哦第33页，此课件共37页哦第34页，此课件共37页哦目的基因目的基因 预期的蛋白质功能预期的蛋白质功能 基因表达载体基因表达载体基因基因获取目的基因获取目的基因构建表达载体构建表达载体导入受体细胞导入受体细胞目的基因的检测与表达目的基因的检测与表达预期蛋白质功能预期蛋白质功能设计蛋白质结构设计蛋白质结构推测氨基酸序列推测氨基酸序列推测核苷酸序列推测核苷酸序列合成合成DNA DNA 表达出蛋白质表达出蛋白质定向改造生物的遗传特性，获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得人类所需的生物类型或生物产品产品定向定向改造或生产改造或生产人类

20、人类所需的蛋白质所需的蛋白质生产自然界中已有的生产自然界中已有的蛋白质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。因为对现有蛋白质的改造。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或制造新的蛋白质，必须通过基因的修饰或基因的合成。基因的合成。生产自然界没有的蛋生产自然界没有的蛋白质白质第35页，此课件共37页哦 1 1 关于生物体内存在的天然蛋白质，下列说关于生物体内存在的天然蛋白质，下列说 法不正确的是（法不正确的是（）A A是生物在长期进化过程中形成的是生物在长期进化过程中形成的 B B它们的结构和

21、功能符合特定物种生存的需要它们的结构和功能符合特定物种生存的需要 C C构成天然蛋白质的氨基酸目前发现的有构成天然蛋白质的氨基酸目前发现的有2020种种 D D一定完全符合人类生产和生活的需要一定完全符合人类生产和生活的需要D 2 2蛋白质工程中直接需要进行操作的对象是蛋白质工程中直接需要进行操作的对象是 氨基酸结构氨基酸结构 B B蛋白质空间结构蛋白质空间结构 C C肽链结构肽链结构 D D基因结构基因结构 第36页，此课件共37页哦v3 3下列关于蛋白质工程的说法错误的是下列关于蛋白质工程的说法错误的是 （）（）vA A蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结 构，使之更加符合人类的需要构，使之更加符合人类的需要vB B蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分 子直接进行操作，定向改变分子的结构子直接进行操作，定向改变分子的结构vC C蛋白质工程能产生出自然界中不曾存在蛋白质工程能产生出自然界中不曾存在 过的新型蛋白质分子过的新型蛋白质分子vD D蛋白质工程与基因工程密不可分，又被蛋白质工程与基因工程密不可分，又被 称为第二代基因工程称为第二代基因工程第37页，此课件共37页哦