34蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用-高二生物人教版選擇性必修3

義縣高中劉占江3.4蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)

你見過用細(xì)菌畫畫嗎？右圖是用發(fā)出不同顏色熒光的細(xì)菌“畫"的美妙圖案。這些細(xì)菌能夠發(fā)出熒光，是因為在它們的體內(nèi)導(dǎo)入了熒光蛋白的基因。

最早被發(fā)現(xiàn)的熒光蛋白是綠色熒光蛋白，科學(xué)家通過改造它，獲得了黃色熒光蛋白等。這些熒光蛋白在細(xì)胞內(nèi)生命活動的檢測、腫瘤的示蹤研究等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。從社會中來

那么，科學(xué)家是怎樣對蛋白質(zhì)分子進(jìn)行設(shè)計和改造的呢？逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄DNARNA翻譯肽鏈復(fù)制復(fù)制折疊等具有空間結(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)的合成過程與性狀表達(dá)溫故知新：蛋白質(zhì)只有具有一定空間結(jié)構(gòu)，才能表達(dá)特有性狀或具有特定功能4蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)

---多肽鏈的盤曲或折疊胰島素的三級結(jié)構(gòu)---多肽鏈既盤曲又折疊血紅蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)

---四條多肽鏈的盤曲和折疊蛋白質(zhì)工程以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過改造或合成基因，來改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類生產(chǎn)和生活的需求。對蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計和改造是通過蛋白質(zhì)工程實現(xiàn)的。---第二代基因工程基礎(chǔ)：了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能途徑：目的：改造或制造新的蛋白質(zhì)，滿足人類的生產(chǎn)或生活的需要改造基因（基因修飾或基因合成）基因工程與蛋白質(zhì)工程的比較基因工程實質(zhì)不足蛋白質(zhì)工程天然蛋白質(zhì)的不足目的將一種生物的

轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者可以產(chǎn)生它本不能產(chǎn)生的

，進(jìn)而表現(xiàn)出

?；虻鞍踪|(zhì)新性狀在原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的

。蛋白質(zhì)即天然蛋白質(zhì)天然蛋白質(zhì)是生物在長期

過程中形成的，它們的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種

的需要，卻不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要。進(jìn)化生存生產(chǎn)符合人類生產(chǎn)和生活的需要的

。蛋白質(zhì)一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由基因工程原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)天然蛋白質(zhì)干擾素治療病毒感染、癌癥。保存半年改變分子結(jié)構(gòu)半胱氨酸

絲氨酸體外保存困難實例1：符合特定物種生存需要不一定符合人類生產(chǎn)、生活需要實例2：賴氨酸含量低合成時需：天冬氨酸激酶；二氫吡啶二羧酸合成酶。濃度影響酶活性蘇氨酸(352位）異亮氨酸產(chǎn)量提高天冬酰胺(104位)異亮氨酸改造蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)改造干擾素（半胱氨酸）體外很難保存干擾素（絲氨酸）體外可以保存半年玉米中賴氨酸含量比較低天冬氨酸激酶（352位的蘇氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）天冬氨酸激酶（異亮氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶（異亮氨酸）玉米中賴氨酸含量提高數(shù)倍改造改造滿足人類生產(chǎn)和生活的需要二、蛋白質(zhì)工程的基本原理1、目標(biāo)：根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求，對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計改造。2、原理：改造基因（基因修飾或基因合成）3、流程：從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)推測應(yīng)有的氨基酸序列找到相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→找到對應(yīng)的脫氧核苷酸序列→合成新基因→獲得所需要的蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)工程的基本思路蛋白質(zhì)工程操作程序的基本思路與基因工程有什么不同？基因工程是遵循中心法則，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，創(chuàng)造出自然界不存在的蛋白質(zhì)思考：天然蛋白質(zhì)的合成途徑：基因表達(dá)（轉(zhuǎn)錄和翻譯）形成氨基酸序列的多肽鏈形成具有高級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)行使生物功能預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)推測應(yīng)有的氨基酸序列找到相應(yīng)的脫氧核苷酸序列(基因)蛋白質(zhì)工程的途徑：（基因工程）遵循中心法則蛋白質(zhì)工程流程圖：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mRNA生物功能轉(zhuǎn)錄翻譯折疊從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)推測應(yīng)有的氨基酸序列找到相應(yīng)的脫氧核苷酸序列資料---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；（2）測定其氨基酸序列；（3）借助核磁共振和X射線晶體衍射等手段，盡可能地

了解蛋白質(zhì)的二維結(jié)構(gòu)和三維晶體結(jié)構(gòu);（4）設(shè)計各種處理條件，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；（5）設(shè)計編碼該蛋白的基因改造方案，如點(diǎn)突變；（6）分離、純化新蛋白，功能檢測后投入實際使用。基因定點(diǎn)誘變技術(shù)的理解項目內(nèi)容條件原料酶引物能量ＡＴＰ操作方法ＰＣＲ法結(jié)果適應(yīng)范圍后代中半數(shù)為誘變的ＤＮＡ分子脫氧核苷酸ＤＮＡ聚合酶和ＤＮＡ連接酶含突變順序的ＤＮＡ分子片段空間結(jié)構(gòu)完全清楚的蛋白質(zhì)基因定點(diǎn)誘變技術(shù)的示意圖思考：基因定點(diǎn)誘變技術(shù)與基因突變的比較比較基因定點(diǎn)誘變基因突變相同點(diǎn)發(fā)生的過程結(jié)果不同點(diǎn)場所手段方向DNA復(fù)制過程中產(chǎn)生新基因，從而產(chǎn)生新性狀生物體外生物體內(nèi)定向改造不定向性PCR技術(shù)物理化學(xué)方法討論：怎么樣能夠?qū)懗鋈N決定“—丙氨酸—色氨酸—賴氨酸—甲硫氨酸—苯丙氨酸—”的脫氧核苷酸序列。寫出目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改造目的基因？

GCU~~~UGG~~~AAG~~~AUG~~~UUUACG蘇氨酸丙氨酸：GCU、GCC、GCA、GCG色氨酸：UGG賴氨酸：AAA、AAG甲硫氨酸：AUG苯丙氨酸：UUU、UUCC（1）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。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，至少可以排列出16種，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mRNA序列為GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C），再根據(jù)堿基互補(bǔ)配對規(guī)律推出脫氧核苷酸序列：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，就可以根據(jù)人類的需要改造它，通過人工合成的方法或從基因庫中獲取。附錄：‘思考’答案三、蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用1、研發(fā)速效胰島素類似物已經(jīng)在臨床上廣泛應(yīng)用天然胰島素制劑易形成二聚體和六聚體，皮下注射胰島素后往往要經(jīng)歷一個逐漸解離為單體的過程，這在一定程度上延緩了療效。研究人員通過分析人胰島素晶體結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，胰島素B鏈20-29位氨基酸是形成多聚體的關(guān)鍵區(qū)域，改變這個區(qū)域氨基酸序列，則可抑制胰島素的聚合，由此研發(fā)的速效胰島素類似物產(chǎn)品已在臨床上廣泛應(yīng)用。2、醫(yī)藥工業(yè)方面——鼠—人嵌合抗體人-鼠嵌合抗體，即抗體的可變區(qū)來自小(大)鼠McAb，而恒定區(qū)則來自人的抗體。這樣的抗體既保持了原來McAb的特異性和親和力，又大大減少了在人體內(nèi)的免疫原性。3）治癌酶的改造：皰疹病毒（HSV）胸腺嘧啶激酶（TK）可以催化胸腺嘧啶和其它結(jié)構(gòu)類似物磷酸化而使一些堿基3’-OH缺乏,從而阻斷DNA的合成，殺死癌細(xì)胞。HSV—TK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,在酶活性部位附近有6個氨基酸被替換，催化能力提高20倍以上。3、其他工業(yè)方面，用于改進(jìn)酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶1）枯草桿菌蛋白酶常被用于洗滌劑工業(yè)、絲綢工業(yè)等。利用蛋白質(zhì)工程獲得的該酶突變體已有上百種，從中篩選出優(yōu)良突變體用于生產(chǎn)提高其使用價值。2）利用蛋白質(zhì)工程思路來設(shè)計微生物農(nóng)藥，通過改造微生物蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)防治害蟲效果。4.水蛭素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端肽段的正確取向，從而提高凝血效率，試管試驗活性提高4倍，在動物模型上檢驗抗血栓形成的效果，提高20倍。5．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。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。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，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）。實驗結(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。原因：蛋白質(zhì)發(fā)揮功能必須依賴于正確的高級結(jié)構(gòu)。這種高級結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，目前對其了解還很不夠，還需探索。