蛋白質(zhì)工程的崛起課

關(guān)于蛋白質(zhì)工程的崛起課第1頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三蛋白質(zhì)工程的崛起第2頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由二、蛋白質(zhì)工程的基本原理三、蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展和前景第3頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三思考：如果想讓某一個(gè)生物的性狀在另外一個(gè)生物的身上表達(dá)，常用的方法有哪些？1、在種內(nèi)可以用什么方法？

雜交育種

2、在種間可以用什么方法？基因工程育種

一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由第4頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三基因工程的實(shí)質(zhì)：

將一種生物的

轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者產(chǎn)生它本不能產(chǎn)的

，進(jìn)而表現(xiàn)出

?；虻鞍踪|(zhì)新的性狀第5頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三試回顧總結(jié)基因工程的豐碩成果植物方面提高植物的抗蟲、抗病、抗逆性改良植物的品質(zhì)動(dòng)物方面提高動(dòng)物生長(zhǎng)速度改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)藥物用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物作器官移植的供體研制藥物基因治療第6頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三

基因工程在原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)。

這些蛋白質(zhì)是生物在長(zhǎng)期的進(jìn)化中形成的，他們的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要。

基因工程的局限性：第7頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三例如：干擾素是由動(dòng)物體內(nèi)的效應(yīng)T細(xì)胞產(chǎn)生的一種糖蛋白，幾乎能抵抗所有病毒引起的感染。同時(shí)，在治療癌癥方面也有十分可觀的療效。但是，干擾素在體外保存相當(dāng)困難。

如果將其分子上的一個(gè)半胱氨酸成變絲氨酸，在-70oC的條件下，可以保存半年。第8頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三玉米中賴氨酸的含量比較低。賴氨酸的合成機(jī)理：天冬氨酸激酶二氫吡啶二羧酸合成酶前體物質(zhì)賴氨酸負(fù)反饋調(diào)節(jié)天冬氨酸激酶（352位的蘇氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）改造天冬氨酸激酶（異亮氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶（異亮氨酸）第9頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三延長(zhǎng)干擾素的體外保存時(shí)間提高玉米中賴氨酸的含量提高工業(yè)生產(chǎn)中蛋白質(zhì)類酶的穩(wěn)定性

這些在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的難題均無法通過基因工程來完成。于是新一輪的探索拉開了序幕，人們開始著眼于對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)的改造，以及制造目前從天然蛋白質(zhì)中找不到的蛋白質(zhì)。就這樣，蛋白質(zhì)工程應(yīng)運(yùn)而生，并迅速崛起。第10頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三二、蛋白質(zhì)工程的基本原理

根據(jù)人們對(duì)蛋白質(zhì)功能的特定需求，對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子設(shè)計(jì)。1、目標(biāo)：第11頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三思考：對(duì)天然蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，你認(rèn)為應(yīng)該直接對(duì)蛋白質(zhì)分子進(jìn)行操作，還是通過對(duì)基因的操作來實(shí)現(xiàn)？

應(yīng)該從對(duì)基因的操作來實(shí)現(xiàn)對(duì)天然蛋白質(zhì)改造，主要原因如下：（1）任何一種天然蛋白質(zhì)都是由基因編碼的，改造了基因即對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行了改造，而且改造過的蛋白質(zhì)可以遺傳下去。如果對(duì)蛋白質(zhì)直接改造，即使改造成功，被改造過的蛋白質(zhì)分子還是無法遺傳的。（2）對(duì)基因進(jìn)行改造比對(duì)蛋白質(zhì)直接改造要容易操作，難度要小得多。第12頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三

主要原因：①基因編碼蛋白質(zhì)，改造了基因即對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行了改造，而且改造過的蛋白質(zhì)可以遺傳下去。②容易操作，難度要小得多。第13頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三2、原理：改造基因（基因修飾或基因合成）第14頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄DNARNA翻譯蛋白質(zhì)復(fù)制復(fù)制天然蛋白質(zhì)的合成遵循中心法則第15頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三轉(zhuǎn)錄DNARNA翻譯肽鏈折疊等具有空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)表達(dá)生物特有的功能或性狀天然蛋白質(zhì)的合成過程遵循中心法則，并需經(jīng)過高級(jí)空間結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變第16頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三３.蛋白質(zhì)工程流程

:第17頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)氨基酸序列多肽鏈基因DNA預(yù)期功能DNA合成分子設(shè)計(jì)mRNA生物功能轉(zhuǎn)錄翻譯折疊圖1-29蛋白質(zhì)工程流程圖第18頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三

途徑:預(yù)期的蛋白質(zhì)功能設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)推測(cè)應(yīng)有的氨基酸序列找到相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）第19頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三討論：1、怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請(qǐng)把相應(yīng)的堿基序列寫出來。

討論：某多肽鏈的一段氨基酸序列是：……-丙氨酸-色氨酸-賴氨酸-甲硫氨酸-苯丙氨酸-……丙氨酸：GCU、GCC、GCA、GCG色氨酸：UGG賴氨酸：AAA、AAG甲硫氨酸：AUG苯丙氨酸：UUU、UUC第20頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C）mRNA序列脫氧核苷酸序列GCT(或C或A或G)TGGAAA(或G)ATGTTT(或C)CGA(或G或T或C)ACCTTT（或C)TACAAA(或G)2.確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改造目的基因（DNA）？

確定目的基因的堿基序列后，就可以根據(jù)人類的需要改造它，通過人工合成的方法或可以通過基因的定點(diǎn)誘變技術(shù)來改變后從基因文庫中獲取。第21頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三基礎(chǔ)：蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能第22頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三

基因會(huì)發(fā)生突變，突變可以自發(fā)，也可以誘發(fā)，這是每個(gè)稍有生物學(xué)知識(shí)的人都知道的常識(shí)。但在加拿大生物化學(xué)家M·史密斯（1932－2000）發(fā)明定點(diǎn)突變法之前，突變株的產(chǎn)生必須經(jīng)由自然界或用化學(xué)等方法誘使基因體突變。這類方法屬于隨機(jī)突變，突變株必須在生物性狀上有所改變，才能確定有突變發(fā)生，但除非用分子生物方法或遺傳方法找到此突變處，否則無法確定突變位置。也就是說，這種突變是盲目的。而史密斯發(fā)明的定點(diǎn)突變法卻是有目的的，該法可經(jīng)由設(shè)計(jì)好的寡核苷酸，在任何一個(gè)基因片段上進(jìn)行隨意或設(shè)計(jì)好的突變，也就是說，這種突變是預(yù)先設(shè)定好的，所以也有人將該法稱為“反遺傳法”。有意思的是這一給生命科學(xué)研究及應(yīng)用領(lǐng)域帶來革命性突破的方法竟然是史密斯和其同事在喝咖啡時(shí)閑聊出來的?，F(xiàn)在，幾乎每個(gè)生物實(shí)驗(yàn)室都會(huì)用定點(diǎn)突變法來研究基因或蛋白質(zhì)的功能。第23頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三異亮氨酸半胱氨酸第24頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三4.蛋白質(zhì)工程的概念蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過基因修飾或基因合成，對(duì)現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類的生產(chǎn)和生活的需求。蛋白質(zhì)工程的實(shí)質(zhì)是對(duì)編碼蛋白質(zhì)的基因進(jìn)行改造第25頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三比較基因工程和蛋白質(zhì)工程基因工程蛋白質(zhì)工程相同點(diǎn)都要改造基因，都屬于分子水平產(chǎn)生新的基因型，無新基因基因（型）產(chǎn)生的蛋白質(zhì)原有的新的聯(lián)系蛋白質(zhì)工程以基因工程為基礎(chǔ)，是基因工程的應(yīng)用和延伸第26頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三異想天開

能不能根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的基因，導(dǎo)入合適的細(xì)菌中，讓細(xì)菌生產(chǎn)人類所需要的蛋白質(zhì)食品呢？

理論上是可行的，但目前還沒有真正成功的例子。第27頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三三、蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展和前景1、蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展：（1）對(duì)胰島素的改造

天然胰島素制劑在儲(chǔ)存中易形成二聚體和六聚體，延緩胰島素從注射部位進(jìn)入血液，從而延緩了其降血糖作用，也增加了抗原性，這是胰島素B23-B28氨基酸殘基結(jié)構(gòu)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)。第28頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三（2）對(duì)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，它有多種變異體，由65或66個(gè)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HV2的設(shè)計(jì)方案，將47位的Asn（天冬酰胺）變成Lys（賴氨酸），使其與分子內(nèi)第4或第5位Thr（蘇氨酸）間形成氫鍵來幫助水蛭素N端肽鏈的正確取向，從而提高抗凝血效率，試管試驗(yàn)活性提高4倍，在動(dòng)物模型上檢驗(yàn)抗血栓形成的效果，提高20倍。第29頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三（3）對(duì)生長(zhǎng)激素的改造

生長(zhǎng)激素通過對(duì)它特異受體的作用促進(jìn)細(xì)胞和機(jī)體的生長(zhǎng)發(fā)育，然而它不僅可以結(jié)合生長(zhǎng)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。在治療過程中為減少副作用，需使人的重組生長(zhǎng)激素只與生長(zhǎng)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，但并不完全相同，有可能通過改造加以區(qū)別。由于人的生長(zhǎng)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(zhǎng)激素受體結(jié)合則無需鋅離子參與，于是考慮取代充當(dāng)鋅離子配基的氨基酸側(cè)鏈，如第18和第21位His（組氨酸）和第17位Glu（谷氨酸）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)先設(shè)想一致，但要開發(fā)作為臨床用藥還有大量的工作要做。第30頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三（4）應(yīng)用于微電子方面

生物和材料科學(xué)家正積極探索將蛋白質(zhì)工程應(yīng)用于微電子方面。用蛋白質(zhì)工程方法制成的電子元件，具有體積小、耗電少和效率高的特點(diǎn)，因此有極為廣闊的發(fā)展前景。第31頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三2.基因工程是遵循中心法則，從DNA→mRNA→蛋白質(zhì)→折疊產(chǎn)生功能，基本上是生產(chǎn)出自然界已有的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)工程是按照以下思路進(jìn)行的：確定蛋白質(zhì)的功能→蛋白質(zhì)應(yīng)有的高級(jí)結(jié)構(gòu)→蛋白質(zhì)應(yīng)具備的折疊狀態(tài)→應(yīng)有的氨基酸序列→應(yīng)有的堿基排列，可以創(chuàng)造自然界不存在的蛋白質(zhì)。思考與探究

第32頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三3.酶工程就是指將酶所具有的生物催化作用，借助工程學(xué)的手段，應(yīng)用于生產(chǎn)、生活、醫(yī)療診斷和環(huán)境保護(hù)等方面的一門科學(xué)技術(shù)。概括地說，酶工程是由酶制劑的生產(chǎn)和應(yīng)用兩方面組成的。酶工程的應(yīng)用主要集中于食品工業(yè)、輕工業(yè)以及醫(yī)藥工業(yè)中。

第33頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三

通常所說的酶工程是用工程菌生產(chǎn)酶制劑，而沒有經(jīng)過由酶的功能來設(shè)計(jì)酶的分子結(jié)構(gòu)，然后由酶的分子結(jié)構(gòu)來確定相應(yīng)基因的堿基序列等步驟。因此，酶工程的重點(diǎn)在于對(duì)已存酶的合理充分利用，而蛋白質(zhì)工程的重點(diǎn)則在于對(duì)已存在的蛋白質(zhì)分子的改造。當(dāng)然，隨著蛋白質(zhì)工程的發(fā)展，其成果也會(huì)應(yīng)用到酶工程中，使酶工程成為蛋白質(zhì)工程的一部分。第34頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三1．關(guān)于生物體內(nèi)存在的天然蛋白質(zhì)，下列說法不正確的是（）A．是生物在長(zhǎng)期進(jìn)化過程中形成的B．它們的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種生存的需要C．構(gòu)成天然蛋白質(zhì)的氨基酸目前發(fā)現(xiàn)的有20種D．一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要練習(xí)檢測(cè)D第35頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三2．蛋白質(zhì)工程中直接需要進(jìn)行操作的對(duì)象是Ａ．氨基酸結(jié)構(gòu)

B．蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)

C．肽鏈結(jié)構(gòu)

D．基因結(jié)構(gòu)

Ｄ3．下列關(guān)于蛋白質(zhì)工程的說法錯(cuò)誤的是（）A．蛋白質(zhì)工程能定向改造蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)，使之更加符合人類的需要B．蛋白質(zhì)工程是在分子水平上對(duì)蛋白質(zhì)分子直接進(jìn)行操作，定向改變分子的結(jié)構(gòu)C．蛋白質(zhì)工程能產(chǎn)生出自然界中不曾存在過的新型蛋白質(zhì)分子D．蛋白質(zhì)工程與基因工程密不可分，又被稱為第二代基因工程Ｂ第36頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三4、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)