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1、关于蛋白质工程的崛起 第1页，讲稿共25张，创作于星期三一一、蛋蛋白白质质工工程程崛崛起起的的缘缘由由基因工程的实质：基因工程的实质：将一种生物的将一种生物的基因基因转移到转移到另一种生物体内另一种生物体内，使后者产生本身不能产生的蛋白质，从而使后者产生本身不能产生的蛋白质，从而表现出新的性状。表现出新的性状。基因工程的实质：基因工程的实质：在原则上只能产生自然界已存在的蛋白质。在原则上只能产生自然界已存在的蛋白质。基因工程基因工程第2页，讲稿共25张，创作于星期三 在已研究过的几千种酶中，只有极少数可在已研究过的几千种酶中，只有极少数可以应用于工业生产，绝大多数酶都不能应用于以应用于工业生产
2、，绝大多数酶都不能应用于工业生产，这些酶虽然在自然状态下有活性，工业生产，这些酶虽然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的反应体系中常常会有酸、为工业生产中每一步的反应体系中常常会有酸、碱或有机溶剂存在，反应温度较高，在这种条碱或有机溶剂存在，反应温度较高，在这种条件下，大多数酶会很快变性失活。件下，大多数酶会很快变性失活。提高蛋白质提高蛋白质的稳定性是工业生产中一个非常重要的课题。的稳定性是工业生产中一个非常重要的课题。天然蛋白质的不足天然蛋白质的不足第3页，讲稿共25张，创作于星期三基因工程原则上只能生产自然
3、界基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质已存在的蛋白质。天然蛋白质天然蛋白质符合特定符合特定物种生存物种生存需要。需要。不一定符合不一定符合人类生产、人类生产、生活需要。生活需要。干扰素干扰素治疗病毒感治疗病毒感染、癌症。染、癌症。体外保存困体外保存困难。难。改变分子结改变分子结构：构：半胱氨酸半胱氨酸丝氨酸丝氨酸保存半年保存半年第4页，讲稿共25张，创作于星期三产量提高产量提高赖氨酸含量低赖氨酸含量低合成时需：合成时需：天冬氨酸激酶；二天冬氨酸激酶；二氢吡啶二羧酸合成氢吡啶二羧酸合成酶。酶。浓度浓度影响影响苏氨酸苏氨酸异亮氨酸异亮氨酸天冬酰胺天冬酰胺异亮氨酸异亮氨酸第5页，讲稿共25张，
4、创作于星期三转录转录DNADNARNARNA翻译翻译肽链肽链折叠折叠等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的表达生物特有的功能或性状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6页，讲稿共25张，创作于星期三对天然蛋白质进行改造，你认为应该直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，还是通过对接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？基因的操作来实现？对基因的操作来实现：对基因的操作来实现：（1 1）任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即）任何一种天然蛋
5、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。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。分子还是无法遗传的。（2 2）对基因进行改造比对蛋白质改造要容易操作，难度要小得）对基因进行改造比对蛋白质改造要容易操作，难度要小得多。多。第7页，讲稿共25张，创作于星期三2、蛋白质工程的原理：、蛋白质工程的原理：3、基本途径、基本途径(中心法则的逆推中心法则的逆推)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
6、预期的蛋白质结构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）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）由预期的蛋白质找到相对应的基因进行改造由预期的蛋白质找到相对应的基因进行改造由预期的蛋白质找到相对应的基因进行改造由预期的蛋白质找到相对应的基因进行改造第8页，讲稿共25张，创作于星期三讨论：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：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
7、丙氨酸色氨酸色氨酸色氨酸色氨酸赖氨酸赖氨酸赖氨酸赖氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸苯丙苯丙苯丙苯丙氨酸氨酸氨酸氨酸（1）怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？请把）怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？请把）怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？请把）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？相应的碱基序列写出来。有多少种？相应的碱基序列写出来。有多少种？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，怎样才能合成或）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（改造目的基因（DNA）？）？）？）？第9页，讲稿共25张，创
8、作于星期三第10页，讲稿共25张，创作于星期三（2 2）确定目的基因的碱基序列后，就可以根据人类的需要）确定目的基因的碱基序列后，就可以根据人类的需要）确定目的基因的碱基序列后，就可以根据人类的需要）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库中获取。改造它，通过人工合成的方法或从基因库中获取。改造它，通过人工合成的方法或从基因库中获取。改造它，通过人工合成的方法或从基因库中获取。mRNAmRNA序列为：序列为：序列为：序列为：(1)GCUGCUGCUGCU（或（或（或（或C C C C或或或或A A A A或或或或G G G G）UGGAAAUGGAAA
9、UGGAAAUGGAAA（或（或（或（或G G G G）AUGUUUAUGUUUAUGUUUAUGUUU（或（或（或（或C C C C）脱氧核苷酸序列：脱氧核苷酸序列：脱氧核苷酸序列：脱氧核苷酸序列：CGACGACGACGA（或（或（或（或G G G G或或或或T T T T或或或或C C C C）ACCTTTACCTTTACCTTTACCTTT（或（或（或（或C C C C）TACAAATACAAATACAAATACAAA（或（或（或（或G G G G）第11页，讲稿共25张，创作于星期三 通过通过物理化学与生物化学物理化学与生物化学等技术等技术了解蛋白了解蛋白质的结构与功能质的结构与功能，
10、并，并借助计算机辅助设计、基借助计算机辅助设计、基因定点诱变和重组因定点诱变和重组DNA技术技术改造基因，以改造基因，以定向定向改造天然蛋白质改造天然蛋白质，甚至创造自然界不存在的，甚至创造自然界不存在的蛋白质的技术。其中蛋白质的技术。其中基因工程是关键技术。基因工程是关键技术。因此蛋白质工程又被称为第二代基因工程。因此蛋白质工程又被称为第二代基因工程。蛋白质工程的概念蛋白质工程的概念第12页，讲稿共25张，创作于星期三基础基础:以蛋白质分子的结构规律及其与生以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为物功能的关系作为基础。基础。手段手段:基因修饰或基因合成：基因修饰或基因合成：借助计算机辅
11、助设计、基因定点诱变和借助计算机辅助设计、基因定点诱变和重组重组DNA技术技术二二、蛋蛋白白质质工工程程的的基基本本原原理理第13页，讲稿共25张，创作于星期三目的目的:对现有蛋白质进行改造对现有蛋白质进行改造,或制造或制造一种新的蛋白质一种新的蛋白质,以满足人类生产和以满足人类生产和生活的需要。生活的需要。第14页，讲稿共25张，创作于星期三项目基因工程蛋白质工程操作起点操作核心过程目标结果联系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
12、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 表达表达出蛋白质出蛋白质定向改造生物的遗传特性，定向改造生物的遗传特性，获得人类所需的生物类型或获得人类所需的生物类型或生物产品生物产品定向改造或生产人类所需的定向改造或生产人类所需的蛋白质蛋白质生产自然界中已有的蛋生产自然界中已有的蛋白质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,延伸出来的第二代基因工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。过基
13、因的修饰或基因的合成。生产自然界没有的蛋白质生产自然界没有的蛋白质第15页，讲稿共25张，创作于星期三异想天开异想天开能否根据人类需要的蛋白质的结构，设计相能否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？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。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
14、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。第16页，讲稿共25张，创作于星期三蛋白质工程现状蛋白质工程现状 蛋白质工程目前的现状：蛋白质工程目前的现状：成功的例子不多，主要是因成功的例子不多，主要是因为蛋白质发挥其功能需要依为蛋
15、白质发挥其功能需要依赖于正确的空间结构，而科赖于正确的空间结构，而科学家目前对大多数蛋白质的学家目前对大多数蛋白质的空间结构了解很少。空间结构了解很少。三三、蛋蛋白白质质工工程程的的进进展展和和前前景景第17页，讲稿共25张，创作于星期三蛋白质工程的前景蛋白质工程的前景 蛋白质工程汇集了当代分子生物学等学科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能结合起来质结合、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研究。蛋白质工程将蛋白质与酶的研究推进到崭新的时代，为蛋
16、白质和酶在工业、农业和医崭新的时代，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、创造符合人类需要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。的蛋白质的新时期。第18页，讲稿共25张，创作于星期三 当前，蛋白质工程修饰、改造的当前，蛋白质工程修饰、改造的蛋白质为数不算多，但进展较快。随蛋白质为数不算多，但进展较快。随着基因组测序的国际联合行动的快速着基因组测序的国际联合行动的快速进展，也带来并已出现了蛋白质高速进展，也带来并已出现了蛋白质高速发展的新阶段。发展的新阶段。蛋白质工程进展蛋白质工程进
17、展第19页，讲稿共25张，创作于星期三1医药方面医药方面 许多蛋白质工程的目标是设法提高蛋白质许多蛋白质工程的目标是设法提高蛋白质的稳定性。在酶反应器中可延长酶的半衰期或的稳定性。在酶反应器中可延长酶的半衰期或增强其热稳定性，也可以延长治疗用蛋白质的增强其热稳定性，也可以延长治疗用蛋白质的贮存寿命或重要氨基酸抗氧化失活的能力。在贮存寿命或重要氨基酸抗氧化失活的能力。在这个领域已取得了一些重要研究成果。用蛋白这个领域已取得了一些重要研究成果。用蛋白质工程来改造特殊蛋白质为制造特效抗癌药物质工程来改造特殊蛋白质为制造特效抗癌药物开辟了新途径。开辟了新途径。第20页，讲稿共25张，创作于星期三2在农
18、业方面在农业方面 蛋白质工程正在成为改造农业，大幅度蛋白质工程正在成为改造农业，大幅度提高粮食产量的新途径。近年来，美国坎布提高粮食产量的新途径。近年来，美国坎布里奇的雷普里根公司的科研人员立题，以蛋里奇的雷普里根公司的科研人员立题，以蛋白质工程作为设计优良微生物农药的新思路，白质工程作为设计优良微生物农药的新思路，他们实施对微生物蛋白质结构进行修改，仅他们实施对微生物蛋白质结构进行修改，仅此一举，使微生物农药的杀虫率提高了此一举，使微生物农药的杀虫率提高了10倍。倍。第21页，讲稿共25张，创作于星期三 蛋白质工程在工业上的应用取得的成果亦是蛋白质工程在工业上的应用取得的成果亦是很多。现以改
19、变酶的动力学特性研制出高效除污酶很多。现以改变酶的动力学特性研制出高效除污酶为例说明其应用价值为例说明其应用价值。另外，美国、日本等国家的科学工作者利用另外，美国、日本等国家的科学工作者利用蛋白质工程研制生物元件来取代蛋白质工程研制生物元件来取代“硅芯片硅芯片”，研，研制生物计算机，开发生物传感器的蛋白质都取得制生物计算机，开发生物传感器的蛋白质都取得了重大进展。还有利用蛋白质（酶）生产模仿羊了重大进展。还有利用蛋白质（酶）生产模仿羊毛、蚕丝、蜘蛛丝，其强度高、质量轻，均是蛋毛、蚕丝、蜘蛛丝，其强度高、质量轻，均是蛋白质工程取得的应用性研究成果。白质工程取得的应用性研究成果。第22页，讲稿共2
20、5张，创作于星期三2.提示：提示：基因工程是遵循中心法则，从基因工程是遵循中心法则，从DNA mRNA蛋白质蛋白质折叠产折叠产生功能，基本上是生产出自然界已生功能，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有的蛋白质。蛋白质工程是按照以下思路进行的：确定蛋白质的功能下思路进行的：确定蛋白质的功能蛋白质应有的高级结构蛋白质应有的高级结构蛋白质蛋白质应具备的折叠状态应具备的折叠状态应有的氨基酸应有的氨基酸序列序列应有的碱基排列，可以创造应有的碱基排列，可以创造自然界不存在的蛋白质。自然界不存在的蛋白质。第23页，讲稿共25张，创作于星期三你知道酶工程吗？绝大多数酶都是蛋白质，酶工程你知道
21、酶工程吗？绝大多数酶都是蛋白质，酶工程与蛋白质工程有什么区别？与蛋白质工程有什么区别？酶工程就是指将酶工程就是指将酶所具有的生物催化作用酶所具有的生物催化作用，借助工程学的手段，应，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。概括用于生产、生活、医疗诊断和环境保护等方面的一门科学技术。概括地说，地说，酶工程是由酶制剂的生产和应用两方面组成的酶工程是由酶制剂的生产和应用两方面组成的。酶工程的应。酶工程的应用主要集中于食品工业、轻工业以及医药工业中。用主要集中于食品工业、轻工业以及医药工业中。通常所说的酶工程是用工程菌生产酶制剂，而没有经过由酶的通常所说的酶工程是用
22、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，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。改造。当然，随着蛋白质工程的发展，其成果也会应用到酶工程中，当然，随着蛋白质工程的发展，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。使酶工程成为蛋白质工程的一部分。第24页，讲稿共25张，创作于星期三感谢大家观看第25页，讲稿共25张，创作于星期三