生物技術導論教案.doc

生物技術導論教案 蛋白質工程 教學目的：1、了解蛋白質工程的概念、蛋白質的基礎結構、基本原理；2、理解蛋白質的研究方法； 3、了解蛋白質組學；4、通過適當組織討論讓同學們積極參與課堂，掌握和了解一些基本的蛋白質工程運用。教學重點：1、蛋白質的高級結構；2、蛋白質組學；3、蛋白質的研究方法；教學難點： 1、改變蛋白質結構的方法；2、蛋白質功能和結構設計。 講解內容：主要內容簡介本次課講授生物技術導論（P154-167），包括 教學內容蛋白質的結構基礎、蛋白質的研究方法、蛋白質工程的運用實例、蛋白質組學； 其中重點講授：蛋白質的研究方法、蛋白質組學。詳細內容 （一）蛋白質結構基礎 1、蛋白質的結構 （1）結構：蛋白質分子是由氨基酸首尾相連縮合而成的共價多肽鏈，但是天然蛋白質分子并不是走向隨機的松散多肽鏈。每一種天然蛋白質都有自己特有的空間結構或稱三維結構，這種三維結構通常被稱為蛋白質的構象，即蛋白質的結構。（2）功能：各種生命功能、生命現(xiàn)象、生命活動都和蛋白質有關：a.蛋白質執(zhí)行著酶的功能。 b.通過激素調節(jié)代謝作用。 c.產(chǎn)生相應的抗體。 d.構建各種生物膜。2、蛋白質工程概念：蛋白質工程就是以蛋白質的結構與功能為基礎，利用基因工程的手段，按照人類自身的需要，定向地改造天然的蛋白質，甚至創(chuàng)造新的、自然界本不存在的、具有優(yōu)良特性的蛋白質分子。 3、蛋白質的結構基礎 （1） 蛋白質的一級結構（primary structure) 定義：蛋白質的一級結構是指氨基酸按一定的順序通過肽鍵相連而成的多肽鏈，也是蛋白質最基本的結構。 圖1：蛋白質一級結構（2） 蛋白質二級結構（secondary structure） 定義： 二級結構是指多肽鏈借助于氫鍵沿一維方向排列成具有周期性的結構的構 象，是多肽鏈局部的空間結構（構象） 主要形式：-螺旋、-折疊、-轉角等 多媒體展示蛋白質的二級結構 圖二：蛋白質二級結構（3） 蛋白質三級結構（tertiary structure） 三級結構主要針對球狀蛋白質，是指整條多肽鏈由二級結構元件構建成的總三維結構 。 圖三：蛋白質三級結構（4）蛋白質四級結構（quaternary structure） 四級結構是指在亞基和亞基之間通過疏水作用等次級鍵結合成為有序排列的特 定的空間結構。四級結構的蛋白質中每個球狀蛋白質稱為亞基。 圖四：蛋白質的四級結構4、蛋白質分子間的相互作用 亞基間的聚合可以被解離，可以重新聚合；四級結構的蛋白質分子亞基間可以雜交；多肽與蛋白質分子間可以聚合。（二）蛋白質工程的研究方法 1、蛋白質工程的研究策略 反向生物學技術： 確定蛋白質的功能蛋白質應有的高級結構蛋白質應具備的 折疊狀態(tài)應有的氨基酸序列應有的堿基排列， 可以創(chuàng)造自然界不存在的蛋白質。 即根據(jù)特定的生物功能，設計蛋白質的氨基酸序列和空間結構。2、蛋白質全新設計 （1）設計目標的選擇 包括：結構設計和功能設計，目前主要側重結構設計 結構設計一般從蛋白質的二級結構開始，模擬蛋白質結構的穩(wěn)定性 功能設計主要進行天然蛋白質功能的模擬 2）蛋白質設計技術與方法 序列最簡化法 ： 3）改變現(xiàn)有蛋白質的結構（主要） 基本步驟：（1）分離純化目標蛋白。（2）分析目標蛋白質的一級結構。（3）分析目標蛋白質的三維結構以及結構與功能的關系。 （4）根據(jù)蛋白質的一級結構設計引物，克隆目的基因。（5）根據(jù)蛋白質的三維結構和結構與功能的關系以及蛋白質改造的目的設計改造方案。（6）對目的基因進行人工定點突變。（7）改造后的基因在宿主細胞中的表達。（8）分離純化表達的蛋白質并分析其功能，評價是否達到設計目的人工定點突變方法。（三）蛋白質工程技術的應用1、胰蛋白酶 2、金屬硫蛋白 3、人白細胞介素-2 4、組織纖溶酶原激活因子 5、枯草桿菌蛋白酶。 （四）蛋白質組學（Proteomics） 1、人類蛋白質組計劃概述： 2001年，國際人類蛋白質組組織宣告成立。之后，該組織正式提出啟動了 兩項重大國際合作行動：一項是由中國科學家牽頭執(zhí)行的“人類肝臟蛋白質組計劃”；另一項是以美國科學家牽頭執(zhí)行的“人類血漿蛋白質組計劃”，由此拉開 了人類蛋白質組計劃的帷幕。 “人類肝臟蛋白質組計劃” 是國際上第一個人類組織器官的蛋白質組計劃，由我國賀福初院士牽頭，這是中國科學家第一次領銜的重大國際科研協(xié)作計劃，總部設在北京，目前有 16 個國家和地區(qū)的 80 多個實驗室報名參加。它的科學目標是揭示并確認肝臟的蛋白質，為重大肝病預防、診斷、治療和新藥研發(fā)的突破提供重要的科學基礎。2、蛋白質組學的研究內容包括： （1）蛋白質鑒定：可以利用一維電泳和二維電泳并結合 Western 等技術，利用蛋白質芯片和抗體芯片及免疫共沉淀等技術對蛋白質進行鑒定研究。（2）翻譯后修飾：很多 mRNA 表達產(chǎn)生的蛋白質要經(jīng)歷翻譯后修飾如磷酸化，糖基化，酶原激活等。翻譯后修飾是蛋白質調節(jié)功能的重要方式。（3）蛋白質功能確定：如分析酶活性和確定酶底物，細胞因子的生物分析，配基 -受體結合分析，基因表達產(chǎn)物-蛋白質的功能分析。另外對蛋白質表達出來后在 細胞內的定位研究也在一定程度上有助于蛋白質功能的了解。熒光蛋白表達系統(tǒng) 就是研究蛋白質在細胞內定位的一個很好的工具。（4）分子醫(yī)學的發(fā)展。如尋找藥物的靶分子。很多藥物本身就是蛋白質，而很多藥物的靶分子也是蛋白質。藥物也可以干預蛋白質-蛋白質相互作用。4、蛋白質組學研究技術（1）蛋白質組研究中的樣品制備。（2）蛋白質組研究中的樣品分離和分析雙向凝膠電泳質譜技術、二維色譜相色譜毛細管電泳 (LC-CE) (2D-LC)、二維毛細管電泳 (2D-CE)。5、蛋白質組學發(fā)展趨勢在基礎研究方面，蛋白質組研究技術被應用到各種生命科學領域。在應用研究方面，蛋白質組學將成為尋找疾病分子標記和藥物靶標最有效的方法之一。在技術發(fā)展方面，蛋白質組學的研究方法將出現(xiàn)多種技術并存，各有優(yōu)勢和局限的特點（五）、討論：1、蛋白質工程發(fā)展趨勢。2、蛋白質組學研究的研究意義。3、相互交流對于這節(jié)課的體會和認知。課堂小結：本章簡要介紹了蛋白質的基礎結構、基本原理，概括地描述了蛋白質工程的技術。通過舉例闡明了利用蛋白質工程和基因工程技術對現(xiàn)有的蛋白質加以定向改造、設計。還概述了蛋白質組學研究技術，希望同學們在上過這節(jié)課后能對蛋白質工程有著一個初步了解和具體運用。復習思考題：1、簡單敘述蛋白質結構的基本組件。2、舉例