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1、关于蛋白质工程的崛起(3)第1页，讲稿共25张，创作于星期三一、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：将一种生物的）基因工程的实质：将一种生物的 转移到另一种转移到另一种生物体内，使后者产生本不能产生的生物体内，使后者产生本不能产生的 ，进而表，进而表现出新的现出新的 。（2）基因工程的不足：在原则上只能生产自然界已存在的）基因工程的不足：在原则上只能生产自然界已存在的 。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天然蛋白质是生物在长期 过程中形成的，它们的过程中形成的，它们的 符合特定物种符合特定物种 的需要，
2、却的需要，却不一定完全符合不一定完全符合人类生产和人类生产和生活的需要。生活的需要。3、蛋白质工程的目的、蛋白质工程的目的 生产生产符合人类符合人类生产和生活的生产和生活的需要需要的的 。基因基因蛋白质蛋白质性状性状蛋白质蛋白质进化进化结构和功能结构和功能生存生存蛋白质蛋白质第2页，讲稿共25张，创作于星期三二、蛋白质工程的基本原理二、蛋白质工程的基本原理1、目标：目标：根据人们对根据人们对 功能的特定需求，对功能的特定需求，对蛋白质的蛋白质的 进行分子设计。进行分子设计。2、原理：原理：改造基因（基因改造基因（基因 或基因或基因 ）。3、途径：途径：预期蛋白质功能预期蛋白质功能设计设计 推测
3、应推测应有的有的 序列序列找到对应的找到对应的 序列。序列。蛋白质蛋白质结构结构修饰修饰合成合成预期的蛋白质预期的蛋白质氨基酸氨基酸脱氧核苷酸脱氧核苷酸对天然蛋白质进行改造，你认为直接对蛋白质分子进对天然蛋白质进行改造，你认为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？行操作，还是通过对基因的操作来实现？第3页，讲稿共25张，创作于星期三蛋白质工程的流程蛋白质工程的流程基因基因DNA氨基酸序列氨基酸序列多肽链多肽链蛋白质蛋白质三维结构三维结构预期功能预期功能生物功能生物功能mRNA转录转录翻译翻译折叠折叠DNA合成合成分子设计分子设计蛋白质工程原理蛋白质工程原理天然蛋白质的合成途径：
4、天然蛋白质的合成途径：基因表达（转录和翻译）形成氨基酸序列的多肽基因表达（转录和翻译）形成氨基酸序列的多肽链形成具有高级结构的蛋白质行使生物功能链形成具有高级结构的蛋白质行使生物功能预期的蛋白质功能出发设计预期的蛋白质结构推测预期的蛋白质功能出发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应有的氨基酸序列找到相应的脱氧核苷酸酸序列酸序列酸蛋白质工程的途径：蛋白质工程的途径：第4页，讲稿共25张，创作于星期三蛋白质工程的概念蛋白质工程的概念基础基础:蛋白质工程的实质：蛋白质工程的实质：途径途径:目标目标:蛋白质的结构和功能蛋白质的结构和功能基因修饰或基因合成基因修饰或基因合成改造或
5、制造新的蛋白质，满足人类的生产或生活的改造或制造新的蛋白质，满足人类的生产或生活的需要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第5页，讲稿共25张，创作于星期三二、蛋白质工程的基本原理二、蛋白质工程的基本原理活动活动2 2：对照对照P27P27蛋白质工程流程图，蛋白质工程流程图，说出主要步骤。说出主要步骤。第6页，讲稿共25张，创作于星期三蛋白质工程的主要步骤通常包括：蛋白质工程的主要步骤通常包括：蛋白质工程的主要步骤通常包括：蛋白质工程的主要步骤通常包括：（1）从生物体中分离纯化目的蛋白；）从生物体中分离纯化目的蛋白；（2）测定其氨基酸序列；）测定其氨基酸序列；（3）借借
6、助助核核磁磁共共振振和和X射射线线晶晶体体衍衍射射等等手手段段，尽尽可可能能地地了了解解蛋蛋白白质质的的二维结构和三维晶体结构二维结构和三维晶体结构;（4）设设计计各各种种处处理理条条件件，了了解解蛋蛋白白质质的的结结构构变变化化，包包括括折折叠叠与与去去折折叠叠等等对对其其活活性与功能的影响性与功能的影响；（5）设设计计编编码码该该蛋蛋白白的的基基因因改改造造方方案案，如如点突变点突变；（6）分分离离、纯纯化化新新蛋蛋白白，功功能能检检测测后后投投入入实际使用。实际使用。第7页，讲稿共25张，创作于星期三活动活动3 3：对照密码表，至少写出三种决定对照密码表，至少写出三种决定“丙氨酸丙氨酸色
7、氨酸色氨酸赖氨酸赖氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸苯丙苯丙氨酸氨酸”的脱氧核苷酸序列。的脱氧核苷酸序列。第8页，讲稿共25张，创作于星期三第9页，讲稿共25张，创作于星期三（一）蛋白质的分子设计与改造（一）蛋白质的分子设计与改造 蛋白质工程首先是以蛋白质的结构为基础，通过蛋白质工程首先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，积累了成千上万蛋白质一级结构和高级结构的数据资料，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库，得以从中找出蛋白质分子间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
8、构和高级结构的关系、结构与功的进化关系、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。能的关系方面的规律。第10页，讲稿共25张，创作于星期三基因定点诱变技术的示意图基因定点诱变技术的示意图第12页，讲稿共25张，创作于星期三基因定点诱变技术的理解基因定点诱变技术的理解(苏教版苏教版)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13页，讲稿共25张，创
9、作于星期三思考：基因定点诱变技术与基因突变的比较思考：基因定点诱变技术与基因突变的比较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DNA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PCR技术技术物理化学方法物理化学方法第14页，讲稿共25张，创作于星期三（二）蛋白质改造工程举例（二）蛋白质改造工程举例1水蛭素改造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
10、异体，由异体，由65或或66个氨基酸残基组成。水蛭素在临床上可作为个氨基酸残基组成。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，在综合各抗栓药物用于治疗血栓疾病。为提高水蛭素活性，在综合各变异体结构特点的基础上提出改造水蛭素主要变异体变异体结构特点的基础上提出改造水蛭素主要变异体HV2的的设计方案，将设计方案，将47位的位的Asn（天冬酰胺）变成（天冬酰胺）变成Lys（赖氨酸），（赖氨酸），使其与分子内第使其与分子内第4或第或第5位位Thr（苏氨酸）间形成氢键来帮助水（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素蛭素N端肽段的正确取向，从而提高凝血效率，试管试验活性端肽段的正确取向，从而
11、提高凝血效率，试管试验活性提高提高4倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高20倍。倍。第15页，讲稿共25张，创作于星期三2生长激素改造生长激素改造生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机体的生生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机体的生长发育，然而它不仅可以结合生长激素受体，还可以结合长发育，然而它不仅可以结合生长激素受体，还可以结合许多种不同类型细胞的催乳激素受体，引发其他生理过程。许多种不同类型细胞的催乳激素受体，引发其他生理过程。在治疗过程中为减少副作用，需使人的重组生长激素只与在治疗过程中为减少副作用，需使人的重组生长激素只与生长激
12、素受体结合，尽可能减少与其他激素受体的结合。生长激素受体结合，尽可能减少与其他激素受体的结合。经研究发现，二者受体结合区有一部分重叠，但并不完全经研究发现，二者受体结合区有一部分重叠，但并不完全相同，有可能通过改造加以区别。由于人的生长激素和催相同，有可能通过改造加以区别。由于人的生长激素和催乳激素受体结合需要锌离子参与作用，而它与生长激素受乳激素受体结合需要锌离子参与作用，而它与生长激素受体结合则无需锌离子参与，于是考虑取代充当锌离子配基体结合则无需锌离子参与，于是考虑取代充当锌离子配基的氨基酸侧链，如第的氨基酸侧链，如第18和第和第21位位His（组氨酸）和第（组氨酸）和第17位位Glu（
13、谷氨酸）。实验结果与预先设想一致，但要开发作为临（谷氨酸）。实验结果与预先设想一致，但要开发作为临床用药还有大量的工作要做。床用药还有大量的工作要做。第16页，讲稿共25张，创作于星期三3胰岛素改造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，这是胰岛素用，也增加了抗原性，这是胰岛素B23-B28氨基酸残基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，
14、使胰岛素快速起作用。该速效胰岛素已低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速效胰岛素已通过临床实验。通过临床实验。第17页，讲稿共25张，创作于星期三4治癌酶的改造治癌酶的改造 癌症的基因治疗分二个方面：药物作用于癌细胞，特异性癌症的基因治疗分二个方面：药物作用于癌细胞，特异性地抑制或杀死癌细胞；药物保护正常细胞免受化学药物的侵害，地抑制或杀死癌细胞；药物保护正常细胞免受化学药物的侵害，可以提高化学治疗的剂量。疱疹病毒（可以提高化学治疗的剂量。疱疹病毒（HSV）胸腺嘧啶激酶）胸腺嘧啶激酶（TK）可以催化胸腺嘧啶和其它结构类似物磷酸化而使这些碱）可以催化胸腺嘧啶和其它结构类似物磷酸化而使这些碱基基3
15、-OH缺乏缺乏,从而阻断从而阻断DNA的合成，杀死癌细胞。的合成，杀死癌细胞。HSVTK催催化能力可以通过基因突变来提高。从大量的随机突变中进行筛化能力可以通过基因突变来提高。从大量的随机突变中进行筛选出一种酶选出一种酶,在酶活性部位附近有在酶活性部位附近有6个氨基酸被替换，催化能力个氨基酸被替换，催化能力20倍以上。倍以上。蛋白质工程的发展很快，研究工作很多，以上仅介绍了蛋白质工程的发展很快，研究工作很多，以上仅介绍了几个例子。蛋白质工程除了用于改造天然蛋白质或设计制几个例子。蛋白质工程除了用于改造天然蛋白质或设计制造新的蛋白质外，其本身还是研究蛋白质结构功能的一种造新的蛋白质外，其本身还是
16、研究蛋白质结构功能的一种强有力的工具，它在解决生物理论方面所起的作用，可以强有力的工具，它在解决生物理论方面所起的作用，可以和任何重大的生物研究方法相提并论。和任何重大的生物研究方法相提并论。第18页，讲稿共25张，创作于星期三三、蛋白质工程的进展和前景三、蛋白质工程的进展和前景蛋白质工程汇集了当代分子生物学等学科的一些前沿领域的蛋白质工程汇集了当代分子生物学等学科的一些前沿领域的最新成就，它把核酸与蛋白质结合、蛋白质空间结构与生物功最新成就，它把核酸与蛋白质结合、蛋白质空间结构与生物功能结合起来研究。蛋白质工程将蛋白质与酶的研究推进到崭新能结合起来研究。蛋白质工程将蛋白质与酶的研究推进到崭新
17、的时代，为蛋白质和酶在工业、农业和医药方面的应用开拓了的时代，为蛋白质和酶在工业、农业和医药方面的应用开拓了诱人的前景。蛋白质工程开创了按照人类意愿改造、创造符合诱人的前景。蛋白质工程开创了按照人类意愿改造、创造符合人类需要的蛋白质的新时期。人类需要的蛋白质的新时期。1、改造酶结构，、改造酶结构，提高酶的热稳定性和催化活性提高酶的热稳定性和催化活性2、生物制药、生物制药鼠鼠人嵌合抗体人嵌合抗体第19页，讲稿共25张，创作于星期三1 关于生物体内存在的天然蛋白质，下列说法关于生物体内存在的天然蛋白质，下列说法不正确的是（不正确的是（）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它
18、们的结构和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20种种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练习检测练习检测D第20页，讲稿共25张，创作于星期三2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蛋白质空间结构蛋白质空间结构 C肽链结构肽链结构 D基因结构基因结构 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（）A蛋蛋白白质质工工程程能能定定向向改改造造蛋蛋白白质质分分子子的的结结构构，使使之之
19、更更加加符符合人类的需要合人类的需要B蛋蛋白白质质工工程程是是在在分分子子水水平平上上对对蛋蛋白白质质分分子子直直接接进进行行操作，定向改变分子的结构操作，定向改变分子的结构C蛋蛋白白质质工工程程能能产产生生出出自自然然界界中中不不曾曾存存在在过过的的新新型型蛋蛋白质分子白质分子D蛋蛋白白质质工工程程与与基基因因工工程程密密不不可可分分，又又被被称称为为第第二二代代基基因因工程工程第21页，讲稿共25张，创作于星期三4 4、以下关于蛋白质工程的说法正确的是（）、以下关于蛋白质工程的说法正确的是（）A A、蛋白质工程以基因工程为基础、蛋白质工程以基因工程为基础B B、蛋白质工程就是酶工程的延伸、
20、蛋白质工程就是酶工程的延伸C C、蛋蛋白白质质工工程程就就是是用用蛋蛋白白酶酶对对蛋蛋白白质质进进行行改改造造D D、蛋白质工程只能生产天然的蛋白质、蛋白质工程只能生产天然的蛋白质 第22页，讲稿共25张，创作于星期三5 5、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（）蛋蛋白白质质分分子子结结构构设设计计DNA合合成成预预期期蛋蛋白白质质功功能能根据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列根据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列A B C D第23页，讲稿共25张，创作于星期三6 6、蛋蛋白白质质工工程程是是在在基基因因工工程程基基础础上上，延延伸伸出出来来的的第第二二代代基基因因工工程程，其其结结果果产产生生的的蛋蛋白白质质是是（）（）A氨基酸种类增多氨基酸种类增多 B氨基酸种类减少氨基酸种类减少C仍为天然存在蛋白质仍为天然存在蛋白质 D可合成天然不存在蛋白质可合成天然不存在蛋白质第24页，讲稿共25张，创作于星期三感感谢谢大大家家观观看看第25页，讲稿共25张，创作于星期三