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1、蛋白质工程的崛起课件新人教选修现在学习的是第1页，共26页1.4蛋白质工程的崛起蛋白质工程的崛起一、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现在学习的是第2页，共26页思考：如果想让某一个生物的性状在另思考：如果想让某一个生物的性状在另外一个生物的体内表达，常用的育种方外一个生物的体内表达，常用的育种方法有哪些？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、
2、蛋白质工程崛起的缘由现在学习的是第3页，共26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生的产生的 ，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现在学习的是第4页，共26页 基因工程在原则上只能生产自基因工程在原则上只能生产自然界然界已存在的蛋白质已存在的蛋白质。这些蛋白质的结构和功能符合特这些蛋白质的结构和功能符合特定物种定物种生存的需要生存的需要，却不一定完全符，却不一定完全符合人类合人类生产和生活的需要生产和生活的需要。基因工程的局限性：基因工程的局限性：现在学习的是第6页，
3、共26页例一：干扰素是由动物体内的干扰素是由动物体内的T T细胞产生的细胞产生的一种糖蛋白，几乎能抵抗所有病毒引起的一种糖蛋白，几乎能抵抗所有病毒引起的感染。同时，在治疗癌症方面也有十分可感染。同时，在治疗癌症方面也有十分可观的疗效。但是，干扰素在观的疗效。但是，干扰素在体外保存体外保存相当相当困难困难。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变成变成丝氨酸丝氨酸，在，在-70oC的条件下，可以体外保的条件下，可以体外保存存半年半年。现在学习的是第7页，共26页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
4、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）例二：赖氨酸含量赖氨酸含量提高多倍提高多倍现在学习的是第8页，共26页在已研究过的在已研究过的几千种几千种酶中，只有酶中，只有极极少数少数可以应用于工业生产，绝大多可以应用于工业生产，绝大多数酶都不能应用于工业生产，这些数酶都不能应用于工业生产，这些酶虽然酶虽然在自
5、然状态下有活性在自然状态下有活性，但，但在工在工业生产中没有活性或活性很低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这是因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，系中常常会有酸、碱或有机溶剂存在，反应温度较高，在这种条件下，大多反应温度较高，在这种条件下，大多数酶会很快数酶会很快变性失活变性失活。现在学习的是第9页，共26页 目前科学家尝试通过对目前科学家尝试通过对蛋白质蛋白质结构结构的改造，来延长的改造，来延长酶的半衰期，提高酶的热稳酶的半衰期，提高酶的热稳定性，延长药用蛋白的保存定性，延长药用蛋白的保存期，抵御由于重要氨基酸氧期，抵御由于重要氨基酸氧化
6、引起的活性丧失等，取得化引起的活性丧失等，取得了一定的进展。了一定的进展。现在学习的是第10页，共26页延长干扰素的体外保存时间延长干扰素的体外保存时间提高提高玉米中赖氨酸的含量玉米中赖氨酸的含量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待解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决的难题均无法通过基因工程基因工程来完成。于来完成。于是新一轮的探索拉开了序幕，人们开始着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眼于对现有蛋白质的改造改造，以及，以及制造制造目前目前从天然蛋白质中找不到的蛋白质。就这样，从天然蛋白质中找不到
7、的蛋白质。就这样，蛋白质工程蛋白质工程应运而生，并迅速崛起。应运而生，并迅速崛起。现在学习的是第11页，共26页二、蛋白质工程的基本原理二、蛋白质工程的基本原理（一）原理：（一）原理：中心法则的逆推中心法则的逆推1 1、操作思路、操作思路基因基因蛋白质蛋白质决定决定修饰或合成修饰或合成设计改造或制造设计改造或制造逆推寻找逆推寻找2 2、操作流程、操作流程基因基因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（二）概念：（二）概念：现在学习的是第12页，共26页1 1、蛋白质的功能多
8、样性？、蛋白质的功能多样性？-结构蛋白、催化、调节、免疫、运输结构蛋白、催化、调节、免疫、运输2 2、结构决定功能，蛋白质的结构多样性的原因？、结构决定功能，蛋白质的结构多样性的原因？氨基酸氨基酸肽链肽链（1 1条）条）蛋白质蛋白质脱水缩合脱水缩合盘曲、折叠盘曲、折叠种类、数目、排序不同种类、数目、排序不同盘曲、折叠后空间结构不同盘曲、折叠后空间结构不同直接原因直接原因3 3、蛋白质的结构、功能多样性的根本原因？、蛋白质的结构、功能多样性的根本原因？现在学习的是第13页，共26页蛋白质的功能是由蛋白质的蛋白质的功能是由蛋白质的_决定的，决定的，蛋白质的结构是由蛋白质的结构是由_决定的决定的。结
9、构结构DNA（基因）（基因）现在学习的是第14页，共26页（二）蛋白质工程的概念（二）蛋白质工程的概念 蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物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功能的关系作为基础（理论基础）（理论基础），通过基因修饰或，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基因合成，对现有蛋白质进行改造或制造一种新的蛋白质白质（工程原理）（工程原理），以满足人类对生产和生活的需求，以满足人类对生产和生活的需求（工程目的）（工程目的）。前提前提：手段手段：目的：目的：了解蛋白质的结构和功能了解蛋白质的结构和功能基因基因修饰修饰或基因或基
10、因合成合成定向定向改造改造或或制造制造蛋白质蛋白质现在学习的是第15页，共26页讨论：讨论：1、怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？、怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？请把请把相应的碱基序列写出来。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、UUCGCUGCU（或（或C C或或A A或或G G）UGGAAAUG
11、GAAA（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)现在学习的是第16页，共26页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（DNADNA）？）？确定目的基因的碱基序列后，就可以根据人确定目的基因的碱基序列
12、后，就可以根据人类的需要改造它，通过类的需要改造它，通过人工合成的方法人工合成的方法或可以通或可以通过基因的过基因的定点诱变定点诱变技术来改变后从基因文库中技术来改变后从基因文库中获取。获取。现在学习的是第17页，共26页基因会发生突变，突变可以自发，也可以诱发，这是基因会发生突变，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。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但在加拿大生物化学家M史密斯（史密斯（19322000）发）发明定点突变法之前，突变株的产生必须经由自然界或用明定点突变法之前，突变株的产生必须经由自然界或用化学等方法诱使基因突变。这类方法属于
13、化学等方法诱使基因突变。这类方法属于随机突变随机突变，是盲目的。是盲目的。而史密斯发明的定点突变法却是而史密斯发明的定点突变法却是有目的有目的的，该法可的，该法可经由设计好的引物，在任何一个基因片段上通过经由设计好的引物，在任何一个基因片段上通过PCR技术进行随意或设计好的突变。技术进行随意或设计好的突变。现在学习的是第18页，共26页现在学习的是第19页，共26页异想天开 能不能根据人类需要的蛋白质食能不能根据人类需要的蛋白质食品的结构，设计相应的基因，导入合品的结构，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适的细菌中，让细菌生产人类所需要的的蛋白质食品蛋白质食品呢？呢？理论上
14、是可行的，但目前还没有真理论上是可行的，但目前还没有真正成功的例子。正成功的例子。现在学习的是第20页，共26页三、蛋白质工程的进展和前景三、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）对胰岛素的改造 天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚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，这是胰岛素其降血糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素B23-B23-B28B28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结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基，则可降
15、低其聚合作用，使胰岛素快速起这些残基，则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该作用。该速效胰岛素速效胰岛素已通过临床实验。已通过临床实验。现在学习的是第21页，共26页（2）应用于微电子方面）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。现在学习的是第24页，共26页2、蛋白质工程的现状成功的例子成功的例子不多不多，主要是因为蛋白质，主要是因为蛋白质发挥其功能需要依赖于正确的高级结构，发挥其功能需要依赖于正确的高级结构，而科学家目前对大多数蛋白质的高级结构而科学家目前对大多
16、数蛋白质的高级结构了解很少了解很少，要设计出更加符合人类需要的，要设计出更加符合人类需要的蛋白质还需要经过艰辛的探索。蛋白质还需要经过艰辛的探索。现在学习的是第25页，共26页3、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，它把一些前沿领域的最新成就，它把核酸核酸与与蛋白质结合蛋白质结合、蛋白质空间结构蛋白质空间结构与与生物功能结合生物功能结合起来研究。蛋白质起来研究。蛋白质工程将蛋白质与酶的研究推进到崭新的时代，为工程将蛋白质与酶的研究推进到崭新的时代，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、创造符合人类需要的蛋白质的新时期。改造、创造符合人类需要的蛋白质的新时期。现在学习的是第26页，共26页