14蛋白質(zhì)工程的崛起楊延風(fēng)

1、第第1.4節(jié)節(jié)蛋白質(zhì)工程的崛起蛋白質(zhì)工程的崛起小組小組 完成情況完成情況 得分得分1 1組組 42 2組組 53 3組組44 4組組55 5組組 56 6組組 57 7組組 48 8組組 59 9組組51舉例說出蛋白質(zhì)工程崛起的緣由。舉例說出蛋白質(zhì)工程崛起的緣由。2、簡述蛋白質(zhì)工程的原理、簡述蛋白質(zhì)工程的原理 知識回顧基因工程的實(shí)質(zhì)是什么？基因工程的實(shí)質(zhì)是什么？將將一種生物的基因一種生物的基因轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)另一種生物體內(nèi)，后者可以產(chǎn)生它本來不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進(jìn)后者可以產(chǎn)生它本來不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進(jìn)而表現(xiàn)出新的性狀而表現(xiàn)出新的性狀。思考：思考：基因工程產(chǎn)生的蛋白質(zhì)是否完全基因工程產(chǎn)生

2、的蛋白質(zhì)是否完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要？符合人類生產(chǎn)和生活的需要？一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由1 1基因工程的局限性：基因工程的局限性：a、基因工程在原則上只能生產(chǎn)自然基因工程在原則上只能生產(chǎn)自然 界已存在的蛋白質(zhì)界已存在的蛋白質(zhì)b、天然蛋白質(zhì)不一定完全符合人類、天然蛋白質(zhì)不一定完全符合人類 生產(chǎn)和生活的需要生產(chǎn)和生活的需要2 2蛋白質(zhì)工程的目的：蛋白質(zhì)工程的目的：生產(chǎn)符合人們生活需要的并生產(chǎn)符合人們生活需要的并非自然界非自然界已存在已存在的蛋白質(zhì)的蛋白質(zhì)例如：改造改造干擾素（半胱氨酸）干擾素（半胱氨酸）體外很難保存體外很難保存干擾素（絲氨酸）干擾素（絲氨酸）體外可以保存半年體外可以保存半年玉米

3、中賴氨酸含量比較低玉米中賴氨酸含量比較低天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶（352位的蘇氨酸）位的蘇氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶二氫吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）位的天冬酰胺）改造改造改造改造天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶 （異亮氨酸）（異亮氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶二氫吡啶二羧酸合成酶（異亮氨酸）（異亮氨酸）玉米中賴氨酸含量可提高數(shù)倍玉米中賴氨酸含量可提高數(shù)倍二、蛋白質(zhì)工程的基本原理1 1蛋白質(zhì)工程的概念：蛋白質(zhì)工程的概念：如：與生物抗性相關(guān)的基因、與優(yōu)良品質(zhì)相關(guān)的基因、與生物藥物和保健品相關(guān)的基因、與毒物降解相關(guān)的基因、與工業(yè)用酶相關(guān)的基因、具調(diào)控作用的因子等。2 2前提：前提：了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功

4、能了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能原理：原理：改造基因（基因修飾或基因合成）改造基因（基因修飾或基因合成）目的：目的：定向改造或制造蛋白質(zhì)定向改造或制造蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)工程流程圖：蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)氨基酸序列氨基酸序列多肽鏈多肽鏈基因基因dna預(yù)期預(yù)期功能功能dna合成合成分子分子設(shè)計設(shè)計mrna生物生物功能功能轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄翻譯翻譯折疊折疊1.從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)2.設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)3.推測應(yīng)有的氨基酸序列推測應(yīng)有的氨基酸序列4.找到相應(yīng)的脫氧核苷酸序列找到相應(yīng)的脫氧核苷酸序列蛋白質(zhì)工程的主要步驟通常包括：（1）從生物體中分離純化目的蛋白；）從生物體中分

5、離純化目的蛋白；（2）測定其氨基酸序列；）測定其氨基酸序列；（3）借助核磁共振和）借助核磁共振和x射線晶體衍射等手段，盡可射線晶體衍射等手段，盡可 能地了解蛋白質(zhì)的二維重組和三維晶體結(jié)構(gòu)能地了解蛋白質(zhì)的二維重組和三維晶體結(jié)構(gòu);（4 4）設(shè)計各種處理?xiàng)l件，了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化，包）設(shè)計各種處理?xiàng)l件，了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化，包括折疊與去折疊等對其活性與功能的影響；括折疊與去折疊等對其活性與功能的影響；（5 5）設(shè)計編碼該蛋白的基因改造方案，如定點(diǎn)突變；）設(shè)計編碼該蛋白的基因改造方案，如定點(diǎn)突變；（6 6）分離、純化新蛋白，功能檢測后投入實(shí)際使用。）分離、純化新蛋白，功能檢測后投入實(shí)際使用。討論：討論

6、：某多肽鏈的一段氨基酸序列是：某多肽鏈的一段氨基酸序列是：-丙氨酸丙氨酸-色氨酸色氨酸-賴氨酸賴氨酸-甲硫氨酸甲硫氨酸-苯丙氨酸苯丙氨酸-丙氨酸：丙氨酸：gcugcu、gccgcc、gcagca、gcg gcg 色氨酸：色氨酸：ugg ugg 賴氨酸：賴氨酸：aaaaaa、aag aag 甲硫氨酸：甲硫氨酸：aug aug 苯丙氨酸：苯丙氨酸：uuuuuu、uuc uuc 討論：討論：1、怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？、怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？ 請把相應(yīng)的堿基序列寫出來。請把相應(yīng)的堿基序列寫出來。2、確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改、確定目的基因的堿基序列后

7、，怎樣才能合成或改 造目的基因（造目的基因（dna）？）？蛋白質(zhì)改造工程的實(shí)例：1 1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異抑制劑，它有多種水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特異抑制劑，它有多種變異體，由變異體，由6565或或6666個氨基酸殘基組成。水蛭素在臨床上可作個氨基酸殘基組成。水蛭素在臨床上可作為抗栓藥物用于治療血栓疾病。為提高水蛭素活性，在綜合為抗栓藥物用于治療血栓疾病。為提高水蛭素活性，在綜合各變異體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出改造水蛭素主要變異體各變異體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出改造水蛭素主要變異體hv2hv2的設(shè)計方案，的設(shè)計方案，將將4747位的位的asnasn（天冬酰胺

8、）變成（天冬酰胺）變成lyslys（賴氨（賴氨酸），酸），使其與分子內(nèi)第使其與分子內(nèi)第4 4或第或第5 5位位thrthr（蘇氨酸）間形成氫鍵（蘇氨酸）間形成氫鍵來幫助水蛭素來幫助水蛭素n n端肽段的正確取向，從而提高凝血效率，試端肽段的正確取向，從而提高凝血效率，試管試驗(yàn)活性提高管試驗(yàn)活性提高4 4倍，在動物模型上檢驗(yàn)抗血栓形成的效果，倍，在動物模型上檢驗(yàn)抗血栓形成的效果，提高提高2020倍。倍。蛋白質(zhì)改造工程的實(shí)例：2 2生長激素改造生長激素改造生長激素通過對它特異受體的作用促進(jìn)細(xì)胞和機(jī)體的生生長激素通過對它特異受體的作用促進(jìn)細(xì)胞和機(jī)體的生長發(fā)育，然而它不僅可以結(jié)合生長激素受體，還可以結(jié)合

9、長發(fā)育，然而它不僅可以結(jié)合生長激素受體，還可以結(jié)合許多種不同類型細(xì)胞的催乳激素受體，引發(fā)其他生理過程。許多種不同類型細(xì)胞的催乳激素受體，引發(fā)其他生理過程。在治療過程中為減少副作用，需使人的重組生長激素只與在治療過程中為減少副作用，需使人的重組生長激素只與生長激素受體結(jié)合，盡可能減少與其他激素受體的結(jié)合。生長激素受體結(jié)合，盡可能減少與其他激素受體的結(jié)合。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，二者受體結(jié)合區(qū)有一部分重疊，但并不完全經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，二者受體結(jié)合區(qū)有一部分重疊，但并不完全相同，有可能通過改造加以區(qū)別。由于人的生長激素和催相同，有可能通過改造加以區(qū)別。由于人的生長激素和催乳激素受體結(jié)合需要鋅離子參與作用，而它與生長激

10、素受乳激素受體結(jié)合需要鋅離子參與作用，而它與生長激素受體結(jié)合則無需鋅離子參與，體結(jié)合則無需鋅離子參與，于是考慮取代充當(dāng)鋅離子配基于是考慮取代充當(dāng)鋅離子配基的氨基酸側(cè)鏈，如第的氨基酸側(cè)鏈，如第1818和第和第2121位位hishis（組氨酸）和第（組氨酸）和第1717位位gluglu（谷氨酸）。（谷氨酸）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)先設(shè)想一致，但要開發(fā)作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)先設(shè)想一致，但要開發(fā)作為臨床用藥還有大量的工作要做。臨床用藥還有大量的工作要做。蛋白質(zhì)改造工程的實(shí)例：3 3胰島素改造胰島素改造天然胰島素制劑在儲存中易形成二聚體和六聚體，延緩天然胰島素制劑在儲存中易形成二聚體和六聚體，延緩胰島素從注射部位進(jìn)入血

11、液，從而延緩了其降血糖作用，胰島素從注射部位進(jìn)入血液，從而延緩了其降血糖作用，也增加了抗原性，這是也增加了抗原性，這是胰島素胰島素b23-b28b23-b28氨基酸殘基結(jié)構(gòu)氨基酸殘基結(jié)構(gòu)所所致。利用蛋白質(zhì)工程技術(shù)改變這些殘基，則可降低其聚合致。利用蛋白質(zhì)工程技術(shù)改變這些殘基，則可降低其聚合作用，使胰島素快速起作用。該速效胰島素已通過臨床實(shí)作用，使胰島素快速起作用。該速效胰島素已通過臨床實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)。蛋白質(zhì)改造工程的實(shí)例：4 4治癌酶的改造治癌酶的改造 癌癥的基因治療分二個方面：藥物作用于癌細(xì)癌癥的基因治療分二個方面：藥物作用于癌細(xì)胞，特異性地抑制或殺死癌細(xì)胞；藥物保護(hù)正常細(xì)胞免受胞，特異性地抑制或

12、殺死癌細(xì)胞；藥物保護(hù)正常細(xì)胞免受化學(xué)藥物的侵害，可以提高化學(xué)治療的劑量。皰疹病毒化學(xué)藥物的侵害，可以提高化學(xué)治療的劑量。皰疹病毒（hsvhsv）胸腺嘧啶激酶（）胸腺嘧啶激酶（tktk）可以催化胸腺嘧啶和其它結(jié)構(gòu)）可以催化胸腺嘧啶和其它結(jié)構(gòu)類似物磷酸化而使這些堿基類似物磷酸化而使這些堿基3-oh3-oh缺乏缺乏, ,從而阻斷從而阻斷dnadna的合的合成，殺死癌細(xì)胞。成，殺死癌細(xì)胞。hsvhsvtktk催化能力可以通過基因突變來提催化能力可以通過基因突變來提高。從大量的隨機(jī)突變中進(jìn)行篩選出一種酶高。從大量的隨機(jī)突變中進(jìn)行篩選出一種酶, ,在在酶活性部位酶活性部位附近有附近有6 6個氨基酸被替換個

13、氨基酸被替換，催化能力，催化能力2020倍以上。倍以上。三、蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展與前景蛋白質(zhì)工程目前的現(xiàn)狀：成蛋白質(zhì)工程目前的現(xiàn)狀：成功的例子不多，主要是因?yàn)楣Φ睦硬欢?，主要是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)發(fā)揮其功能需要依賴蛋白質(zhì)發(fā)揮其功能需要依賴于正確的空間結(jié)構(gòu)，而科學(xué)于正確的空間結(jié)構(gòu)，而科學(xué)家目前對大多數(shù)蛋白質(zhì)的空家目前對大多數(shù)蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)了解很少。間結(jié)構(gòu)了解很少。比較基因工程和蛋白質(zhì)工程：基因工程基因工程蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程相同點(diǎn)相同點(diǎn)都要改造基因，都屬于分子水平都要改造基因，都屬于分子水平產(chǎn)生新的產(chǎn)生新的基因型，無新基因基因型，無新基因基因（型）基因（型）產(chǎn)生的蛋白質(zhì)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)原有的原有的新的新的聯(lián)系

14、聯(lián)系蛋白質(zhì)工程以基因工程為基礎(chǔ)，蛋白質(zhì)工程以基因工程為基礎(chǔ)，是基因工程的應(yīng)用和延伸是基因工程的應(yīng)用和延伸課堂練習(xí)：1、以下關(guān)于蛋白質(zhì)工程的說法正確的是：、以下關(guān)于蛋白質(zhì)工程的說法正確的是：( ) a. 蛋白質(zhì)工程以基因工程為基礎(chǔ)蛋白質(zhì)工程以基因工程為基礎(chǔ) b. 蛋白質(zhì)工程就是用蛋白酶對蛋白質(zhì)進(jìn)行改造蛋白質(zhì)工程就是用蛋白酶對蛋白質(zhì)進(jìn)行改造 c. 蛋白質(zhì)工程只能生產(chǎn)天然的蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)工程只能生產(chǎn)天然的蛋白質(zhì) d. 蛋白質(zhì)工程的實(shí)質(zhì)是改造蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)工程的實(shí)質(zhì)是改造蛋白質(zhì)a課堂練習(xí)：2、蛋白質(zhì)工程的基本流程正確的是：、蛋白質(zhì)工程的基本流程正確的是：( )設(shè)計蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu) dna合

15、成合成 預(yù)期蛋白質(zhì)功能預(yù)期蛋白質(zhì)功能 據(jù)氨基酸序列推出脫氧據(jù)氨基酸序列推出脫氧核苷酸序列核苷酸序列 a. b. c. d. d附錄：思考答案答：（答：（1 1）每種氨基酸都有對應(yīng)的三聯(lián)密碼子，只要查一下）每種氨基酸都有對應(yīng)的三聯(lián)密碼子，只要查一下遺傳密碼子表，就可以將上述氨基酸序列的編碼序列查出來。遺傳密碼子表，就可以將上述氨基酸序列的編碼序列查出來。但是由于上述氨基酸序列中有幾個氨基酸是由多個三聯(lián)密碼但是由于上述氨基酸序列中有幾個氨基酸是由多個三聯(lián)密碼子編碼，因此其堿基排列組合起來就比較復(fù)雜，至少可以排子編碼，因此其堿基排列組合起來就比較復(fù)雜，至少可以排列出列出1616種種，可以根據(jù)學(xué)過的排列組合知識自己排列一下。首，可以根據(jù)學(xué)過的排列組合知識自己排列一下。首先應(yīng)該根據(jù)三聯(lián)密碼子推出先應(yīng)該根據(jù)三聯(lián)密碼子推出mrnamrna序列為序列為gcugcu（或（或c c或或a a或或g g）uggaaauggaaa（或（或g g）auguuuauguuu（或（或c c），再根據(jù)堿基互補(bǔ)配對