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1、关于蛋白质工程的崛起课第一页，本课件共有41页第二页，本课件共有41页一、蛋白质工程崛起的缘由一、蛋白质工程崛起的缘由二、蛋白质工程的基本原理二、蛋白质工程的基本原理三、蛋白质工程的进展和前景三、蛋白质工程的进展和前景第三页，本课件共有41页思考：如果想让某一个生物的性状思考：如果想让某一个生物的性状在另外一个生物的身上表达，常用在另外一个生物的身上表达，常用的方法有哪些？的方法有哪些？1、在种内可以用什么方法？、在种内可以用什么方法？杂交育种杂交育种 2、在种间可以用什么方法？、在种间可以用什么方法？基因工程育种基因工程育种 一、蛋白质工程崛起的缘由一、蛋白质工程崛起的缘由第四页，本课件共有
2、41页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 转移到另转移到另一种生物体内，后者产生它本不能一种生物体内，后者产生它本不能产的产的 ，进而表现出，进而表现出 。基因基因蛋白质蛋白质新的性状新的性状第五页，本课件共有41页试回顾总结基因工程的丰硕成果植物方面植物方面提高植物的抗虫、抗病、抗逆性提高植物的抗虫、抗病、抗逆性改良植物的品质改良植物的品质动物方面动物方面提高动物生长速度提高动物生长速度改善畜产品的品质改善畜产品的品质用转基因动物生产药物用转基因动物生产药物用转基因动物作器官移植的供体用转基因动物作器官移植的供体研制药物研制药物基因治疗基因治疗第六页，本课件共有41页 基
3、因工程在原则上只能生产自然基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。界已存在的蛋白质。这些蛋白质是生物在长期的进化这些蛋白质是生物在长期的进化中形成的，他们的中形成的，他们的结构和功能结构和功能符合特符合特定物种生存的需要，却不一定完全定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。符合人类生产和生活的需要。基因工程的局限性：基因工程的局限性：第七页，本课件共有41页例如：v干扰素是由动物体内的效应干扰素是由动物体内的效应T T细胞细胞产生的一种糖蛋白，几乎能抵抗所产生的一种糖蛋白，几乎能抵抗所有病毒引起的感染。同时，在治疗有病毒引起的感染。同时，在治疗癌症方面也有十分可观的疗效。
4、但癌症方面也有十分可观的疗效。但是，干扰素在体外保存相当困难。是，干扰素在体外保存相当困难。如果将其分子上的一个如果将其分子上的一个半胱氨酸半胱氨酸成变成变丝氨酸，丝氨酸，在在-70oC的条件下，可的条件下，可以保存半年。以保存半年。第八页，本课件共有41页v玉米中赖氨酸的含量比较低。玉米中赖氨酸的含量比较低。赖氨酸的合成机理：赖氨酸的合成机理：天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶二氢吡啶二羧酸合成酶二氢吡啶二羧酸合成酶前体物质前体物质赖氨酸赖氨酸负反馈调节负反馈调节天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶（352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（104位的天冬酰胺）位的天冬酰胺）改造改造
5、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）第九页，本课件共有41页v延长干扰素的体外保存时间延长干扰素的体外保存时间v提高提高玉米中赖氨酸的含量玉米中赖氨酸的含量v提高工业生产中蛋白质类酶的稳定性提高工业生产中蛋白质类酶的稳定性 这些在科学研究和工业生产中亟这些在科学研究和工业生产中亟待解决的难题均无法通过基因工程来待解决的难题均无法通过基因工程来完成。于是新一轮的探索拉开了序幕，完成。于是新一轮的探索拉开了序幕，人们开始着眼于对现有蛋白质的改造，人们开始着眼于对现有蛋白质的改造，以及制造目前从天然蛋白质中找不到以及制造目前
6、从天然蛋白质中找不到的蛋白质。就这样，的蛋白质。就这样，蛋白质工程蛋白质工程应运应运而生，并迅速崛起。而生，并迅速崛起。第十页，本课件共有41页二、蛋白质工程的基本原理二、蛋白质工程的基本原理 根据人们对蛋白质功能的特定需求，对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蛋白质的结构进行分子设计。1、目标：、目标：第十一页，本课件共有41页思考：思考：对对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白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，还是通过对基因的操作来实现？质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？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
7、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，改造了）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，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。被改造过的蛋白质分子还是无法遗传的。（2 2）对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容）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。易操作，难度要小得多。第十二页，本课件共有41页 主要原因：主要原因：基因编码蛋白质，
8、基因编码蛋白质，改造了基因即对蛋白质进行了改造，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。而且改造过的蛋白质可以遗传下去。容易操作，难度要小得多。容易操作，难度要小得多。第十三页，本课件共有41页2、原理：、原理：改造基因改造基因（基因修饰或基因合成）（基因修饰或基因合成）第十四页，本课件共有41页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第十五页，本课件共有41页转录转录DNADNARNARNA翻译翻译肽链肽链折叠折叠等等具有空间结具有空间结构的蛋白质构的蛋白质表达生物特有表达
9、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十六页，本课件共有41页.蛋白质工程流程蛋白质工程流程:第十七页，本课件共有41页预期预期功能功能DNADNA合成合成分子分子设计设计生物生物功能功能转录转录翻译翻译折叠折叠图图1-29蛋白质工程流程图蛋白质工程流程图蛋白质工程流程图蛋白质工程流程图第十八页，本课件共有41页 途径途径:预期的蛋白质功能预期的蛋白质功能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
10、酸序列（基因）（基因）第十九页，本课件共有41页讨论：讨论：1、怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序、怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？列？请把相应的碱基序列写出来。请把相应的碱基序列写出来。讨论：讨论：某多肽链的一段氨基酸序列是：某多肽链的一段氨基酸序列是：-丙氨酸丙氨酸-色氨酸色氨酸-赖氨酸赖氨酸-甲硫氨酸甲硫氨酸-苯丙氨酸苯丙氨酸-丙氨酸：丙氨酸：GCU、GCC、GCA、GCG 色氨酸：色氨酸：UGG 赖氨酸：赖氨酸：AAA、AAG 甲硫氨酸：甲硫氨酸：AUG 苯丙氨酸：苯丙氨酸：UUU、UUC 第二十页，本课件共有41页GCUGCU（或（或C C或或A A或或G G）UGGAAA
11、UGGAAA（或（或G G）AUGUUUAUGUUU（或（或C C）mRNAmRNA序列序列 脱氧核苷酸脱氧核苷酸序列序列GCT(GCT(或或C C或或A A或或G)TGGAAA(G)TGGAAA(或或G)ATGTTT(G)ATGTTT(或或C)C)CGA(CGA(或或G G或或T T或或C)ACCTTTC)ACCTTT（或（或C)TACAAA(C)TACAAA(或或G)G)2.2.确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成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（或改造目的基因（DNADNA）？）？确定目的基因的碱基序列后，就可以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，
12、通过根据人类的需要改造它，通过人工合成的人工合成的方法方法或可以通过基因的或可以通过基因的定点诱变定点诱变技术来改变技术来改变后从基因文库中获取。后从基因文库中获取。第二十一页，本课件共有41页基础：基础：蛋白质的结构和功能蛋白质的结构和功能第二十二页，本课件共有41页 基因会发生突变，突变可以自发，也可以诱发，这是每基因会发生突变，突变可以自发，也可以诱发，这是每个稍有生物学知识的人都知道的常识。但在加拿大生物化学家个稍有生物学知识的人都知道的常识。但在加拿大生物化学家MM史密斯（史密斯（1932193220002000）发明）发明定点突变法定点突变法之前，突变株的之前，突变株的产生必须经由
13、自然界或用化学等方法诱使基因体突变。这产生必须经由自然界或用化学等方法诱使基因体突变。这类方法属于类方法属于随机突变随机突变，突变株必须在生物性状上有所改变，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，否则无法确定突变位置。也就是说，到此突变处，否则无法确定突变位置。也就是说，这种突变这种突变是盲目的。而史密斯发明的定点突变法却是有目的的，该法可经是盲目的。而史密斯发明的定点突变法却是有目的的，该法可经由设计好的寡核苷酸，在任何一个基因片段上进行随意或设计好由设计好的寡核苷酸，在任何一个基因
14、片段上进行随意或设计好的突变的突变，也就是说，这种突变是预先设定好的，所以也有，也就是说，这种突变是预先设定好的，所以也有人将该法称为人将该法称为“反遗传法反遗传法”。有意思的是这一给生命科学研究及应用领域带来革命性突破有意思的是这一给生命科学研究及应用领域带来革命性突破的方法竟然是史密斯和其同事在喝咖啡时闲聊出来的。现在，几的方法竟然是史密斯和其同事在喝咖啡时闲聊出来的。现在，几乎每个生物实验室都会用定点突变法来研究基因或蛋白质的功能。乎每个生物实验室都会用定点突变法来研究基因或蛋白质的功能。第二十三页，本课件共有41页异亮氨酸半胱氨酸第二十四页，本课件共有41页4.蛋白质工程的概念蛋白质工
15、程的概念v蛋白质工程是指以蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其生物功蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系能的关系作为基础，通过作为基础，通过基因修饰或基因合成基因修饰或基因合成，对，对现有现有蛋白质进行改造，或制造一种蛋白质进行改造，或制造一种新新的蛋白质，以满足的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。人类的生产和生活的需求。蛋白质工程的实质是对编码蛋白质的基因进行改造蛋白质工程的实质是对编码蛋白质的基因进行改造第二十五页，本课件共有41页比较基因工程和蛋白质工程比较基因工程和蛋白质工程基因工程基因工程蛋白质工程蛋白质工程相同点相同点都要改造基因，都属于分子水平都要改造基因，都属于分子水
16、平产生新的产生新的基因型，无新基因基因型，无新基因基因（型）基因（型）产生的蛋白质产生的蛋白质原有的原有的新的新的联系联系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，是基因工程的应用和延伸是基因工程的应用和延伸第二十六页，本课件共有41页异想天开 能不能根据人类需要的蛋白质的结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中，让细菌生产人类所需要的蛋白质食品呢？品呢？理论上是可行的，但目前还没有理论上是可行的，但目前还没有真正成功的例子。真正成功的例子。第二十七页，本课件共有41页三、蛋白质工程的
17、进展和前景三、蛋白质工程的进展和前景1、蛋白质工程的进展：（1）对胰岛素的改造胰岛素的改造 天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和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，这而延缓了其降血糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素是胰岛素B23-B28B23-B28氨基酸残基结构所致。利用蛋白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，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。该使胰岛素快速起作用。该速效胰岛素速效胰岛素已通过临床已通过临床实验
18、。实验。第二十八页，本课件共有41页（2）对）对水蛭素的改造水蛭素的改造 水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑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，由制剂，它有多种变异体，由65或或66个氨基酸残基个氨基酸残基组成。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，在综合各变疗血栓疾病。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结构特点的基础上提出改造水蛭素主要变异体异体HV2的设计方案，将的设计方案，将47位的位的Asn（天冬酰胺）（天冬酰胺）变成变成Lys（赖氨酸），使其与分子内第（赖氨
19、酸），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蛭素（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素N端肽链端肽链的正确取向，从而提高抗凝血效率，试管试验的正确取向，从而提高抗凝血效率，试管试验活性提高活性提高4倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高果，提高20倍。倍。第二十九页，本课件共有41页（3）对生长激素的改造生长激素的改造 生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机体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的生长发育，然而它不仅可以结合生长激素受体生长激素受体，还可以，还可以结合许多种不同类型细胞的结合许多
20、种不同类型细胞的催乳激素受体催乳激素受体，引发其他生理，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生长激素受体结合，尽可能减少与其他激素受体的结合。只与生长激素受体结合，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，但并不完全相经研究发现，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乳激同，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，而它与生长激素受体结合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
21、离子参与，于是考虑取代充当锌离子配基的氨基酸则无需锌离子参与，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（谷氨（谷氨酸）。实验结果与预先设想一致，但要开发作为临床酸）。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。用药还有大量的工作要做。第三十页，本课件共有41页（4）应用于微电子方面 生物和材料科学家正积极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的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点，因此有极为广阔的发展前景。第三十一页，本课件共有41页2.2.基因工程基因工程是遵循中心法则
22、，是遵循中心法则，从从DNAmRNADNAmRNA蛋白质蛋白质折叠产生功折叠产生功能能，基本上是，基本上是生产生产出出自然界已有的蛋白质自然界已有的蛋白质。蛋白质工程是按照以下思路进行的：蛋白质工程是按照以下思路进行的：确定蛋白质的功能确定蛋白质的功能蛋白质应有的蛋白质应有的高级结构高级结构蛋白质应具备的折叠状态蛋白质应具备的折叠状态应有的氨基酸序列应有的氨基酸序列应有的碱基排列应有的碱基排列，可以可以创造自然界不存在的蛋白质创造自然界不存在的蛋白质。思考与探究思考与探究 第三十二页，本课件共有41页3.3.酶工程酶工程就是指将酶所具有的生物催化作就是指将酶所具有的生物催化作用，借助工程学的手
23、段，应用于生产、生用，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活、医疗诊断和环境保护等方面的一门科学技术。学技术。概括地说，酶工程是由概括地说，酶工程是由酶制剂的生产酶制剂的生产和应用和应用两方面组成的。酶工程的应用主要两方面组成的。酶工程的应用主要集中于集中于食品工业、轻工业以及医药工业食品工业、轻工业以及医药工业中。中。第三十三页，本课件共有41页 通常所说的通常所说的酶工程是用工程菌生产酶制剂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后由酶的分子结构
24、来确定相应基因的碱基序列等步骤。因此，步骤。因此，酶工程的重点在于对已存酶的合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存在的蛋白质分子的改造。当然，随着蛋白质工。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。成为蛋白质工程的一部分。第三十四页，本课件共有41页1 关于生物体内存在的天然蛋白质，下列说法不关于生物体内存在的天然蛋白质，下列说法不正确的是（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
25、它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第三十五页，本课件共有41页2蛋白质工程中蛋白质工程中直接直接需要进行操作的对象是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 v3下列关于蛋白质工程的说法下列关于蛋白质工程的说法错误错误的是（）的是（）vA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，使使之之更
26、更加符合人类的需要加符合人类的需要vB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操作，定向改变分子的结构作，定向改变分子的结构vC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白质分子质分子vD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基因工程代基因工程第三十六页，本课件共有41页v4 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（）vA 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vB B、蛋白质工程就是酶工程的延伸
27、、蛋白质工程就是酶工程的延伸vC 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vD 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 第三十七页，本课件共有41页v5 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（）v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功能质功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vA B v C D第三十八页，本课件共有41页v6 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
28、，其其结结果果产产生生的的蛋蛋白白质质是是（）（）vA氨基酸种类增多氨基酸种类增多 vB氨基酸种类减少氨基酸种类减少vC仍为天然存在蛋白质仍为天然存在蛋白质 vD可合成天然不存在蛋白质可合成天然不存在蛋白质第三十九页，本课件共有41页7、关于蛋白质工程的进展和应用，下列说法、关于蛋白质工程的进展和应用，下列说法不正确的是（不正确的是（）A科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效药品药品B生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于微电子方面程应用于微电子方面C蛋白质工程技术已经非常成熟，目前正被蛋白质工程技术已经非常成熟，目前正被大力推广应用大力推广应用D蛋白质工程是一项难度很大的工程，目前成功蛋白质工程是一项难度很大的工程，目前成功的例子不多的例子不多C第四十页，本课件共有41页感谢大家观看第四十一页，本课件共有41页