蛋白質(zhì)工程的崛起.ppt

1、蛋白質(zhì)工程的崛起,活動1:閱讀P26. 回答:為什么要進行蛋白質(zhì)工程?,一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由,通過基因工程能夠大規(guī)模生產(chǎn)生物體內(nèi)微量存在的活性物質(zhì)，并借助轉(zhuǎn)基因而改變動植物性狀，得以在人類醫(yī)療保健中進行基因診斷和基因治療。然而在廣泛利用自然界各種蛋白質(zhì)的過程中就發(fā)現(xiàn)，這些蛋白質(zhì)只是適應生物自身的需要，而對它們進行產(chǎn)業(yè)化開發(fā)往往不合意，需要加以改造。,一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由,1、基因工程的應用 （1）基因工程的實質(zhì)：將一種生物的 轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，使后者產(chǎn)生本不能產(chǎn)生的 ，進而表現(xiàn)出新的 。 （2）基因工程的不足：在原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的 。 2、天然蛋白質(zhì)的不足 天然蛋白質(zhì)是生

2、物在長期 過程中形成的，它們的 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。 3、蛋白質(zhì)工程的目的 生產(chǎn)符合人類生產(chǎn)和生活的需要的 。,基因,蛋白質(zhì),性狀,蛋白質(zhì),進化,結(jié)構(gòu)和功能,生存,蛋白質(zhì),二、蛋白質(zhì)工程的基本原理,1、目標：根據(jù)人們對 功能的特定需求，對蛋白質(zhì)的 進行分子設計。 2、原理：改造基因（基因 或基因 ） 。 3、途徑： 預期蛋白質(zhì)功能設計 推測應 有的 序列找到對應的 序列。,蛋白質(zhì),結(jié)構(gòu),修飾,合成,預期的蛋白質(zhì),氨基酸,脫氧核苷酸,對天然蛋白質(zhì)進行改造，你認為直接對蛋白質(zhì)分子進行操作，還是通過對基因的操作來實現(xiàn)？,蛋白質(zhì)工程的流程,基因 DNA,氨基酸序

3、列 多肽鏈,蛋白質(zhì) 三維結(jié)構(gòu),預期功能,生物功能,mRNA,轉(zhuǎn)錄,翻譯,折疊,DNA合成,分子設計,蛋白質(zhì)工程原理,天然蛋白質(zhì)的合成途徑：,蛋白質(zhì)工程的途徑：,蛋白質(zhì)工程的概念,基礎:,蛋白質(zhì)工程的實質(zhì)：,途徑:,目標:,蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能,基因修飾或基因合成,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,是對編碼蛋白質(zhì)的基因進行改造,二、蛋白質(zhì)工程的基本原理,活動2：對照P27蛋白質(zhì)工程流程圖，說出主要步驟。,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、,（4）設計各種處理條件，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）設計編碼該蛋白的基因改造方案，如點突變； （6）分離、純化新蛋白，功能檢測后投入實際使用。,活動3：對照密碼表，至少寫出三種決定“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。,（一）蛋白質(zhì)的分子設計與改造 蛋白質(zhì)工程首先是以蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)為基礎，通過蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和溶液構(gòu)象的研究，積累了成千上萬蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)和高級結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)資料，并編制成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，得以從中找出蛋白質(zhì)分子間的進化關系、一級結(jié)構(gòu)和高級結(jié)構(gòu)的關系、結(jié)構(gòu)與功能的關系方面的規(guī)律。,蛋白質(zhì)作為生物大分子是生物化學和分子生

5、物學的研究重點，大量蛋白質(zhì)被分離純化，測定了它們的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和生物學作用。分子生物學有關基因組的研究，也可以用以推測出一些未知蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能。采用定位誘變的方法，可以對編碼蛋白質(zhì)的基因進行核苷酸密碼子的插入、刪除、置換和改組，其結(jié)果為分子改造提供新的設計方案?，F(xiàn)有的蛋白質(zhì)是生物長期進化的結(jié)果，蛋白質(zhì)工程則是對生物進化的模擬，按照蛋白質(zhì)形成的規(guī)律，改造蛋白質(zhì)或構(gòu)建新的蛋白質(zhì)。 蛋白質(zhì)的改造通常需要先經(jīng)周密的分子設計，然后依賴基因工程獲得突變型蛋白質(zhì)，以檢驗其是否達到了預期的效果。如果改造的結(jié)果不理想，還需要從新設計再進行改造，往往經(jīng)歷多次實踐摸索才能達到改進蛋白質(zhì)性能的預定目標。,基因定點誘

6、變技術的示意圖,基因定點誘變技術的理解(蘇教版),后代中半數(shù)為誘變的分子,脫氧核苷酸,聚合酶和連接酶,含突變順序的分子片段,空間結(jié)構(gòu)完全清楚的蛋白質(zhì),思考：基因定點誘變技術與基因突變的比較,DNA復制過程中,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,物理化學方法,（二）蛋白質(zhì)改造工程舉例 1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)特點的基礎上提出改造水蛭素主要變異體HV2的設計方案，將47位的Asn（天冬酰胺）變成L

7、ys（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。,2生長激素改造 生長激素通過對它特異受體的作用促進細胞和機體的生長發(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

8、受體結(jié)合則無需鋅離子參與，于是考慮取代充當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)果與預先設想一致，但要開發(fā)作為臨床用藥還有大量的工作要做。,3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，延緩胰島素從注射部位進入血液，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驗。,4治癌酶的改造 癌癥的基因治療分二個方面：藥物作用于癌細胞，特異性地抑制或殺死癌細胞；藥物保護正常細胞免受化學藥物的侵害，可以提高化

9、學治療的劑量。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)類似物磷酸化而使這些堿基3-OH缺乏,從而阻斷DNA的合成，殺死癌細胞。HSVTK催化能力可以通過基因突變來提高。從大量的隨機突變中進行篩選出一種酶,在酶活性部位附近有6個氨基酸被替換，催化能力20倍以上。 蛋白質(zhì)工程的發(fā)展很快，研究工作很多，以上僅介紹了幾個例子。蛋白質(zhì)工程除了用于改造天然蛋白質(zhì)或設計制造新的蛋白質(zhì)外，其本身還是研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能的一種強有力的工具，它在解決生物理論方面所起的作用，可以和任何重大的生物研究方法相提并論。,三、蛋白質(zhì)工程的進展和前景,蛋白質(zhì)工程匯集了當代分子生物學等學科的一些前沿領域的

10、最新成就，它把核酸與蛋白質(zhì)結(jié)合、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與生物功能結(jié)合起來研究。蛋白質(zhì)工程將蛋白質(zhì)與酶的研究推進到嶄新的時代，為蛋白質(zhì)和酶在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥方面的應用開拓了誘人的前景。蛋白質(zhì)工程開創(chuàng)了按照人類意愿改造、創(chuàng)造符合人類需要的蛋白質(zhì)的新時期。,1、改造酶結(jié)構(gòu)，提高酶的熱穩(wěn)定性和催化活性,2、生物制藥鼠人嵌合抗體,1 關于生物體內(nèi)存在的天然蛋白質(zhì)，下列說法不正確的是（ ） A是生物在長期進化過程中形成的 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,練習檢測,D,2蛋白質(zhì)工程中直接需要進行操作的對象是 氨基酸結(jié)構(gòu) B蛋白

11、質(zhì)空間結(jié)構(gòu) C肽鏈結(jié)構(gòu) D基因結(jié)構(gòu),3下列關于蛋白質(zhì)工程的說法錯誤的是（） 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蛋白質(zhì)分子直接進行操作，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,4、以下關于蛋白質(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 B、蛋白質(zhì)工程就是酶工程的延伸 C、蛋白質(zhì)工程就是用蛋白酶對蛋白質(zhì)進行改造 D、蛋白質(zhì)工程只能生產(chǎn)天然的蛋白質(zhì),5、蛋白質(zhì)工程的基本流程正確的是（） 蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)設計DNA合成預期蛋白質(zhì)功能根據(jù)氨基酸序列推出脫氧核苷酸序列 A B C D,6、蛋白質(zhì)工程是在基因工程基礎上，延伸出來的第二代基因工程，其結(jié)果產(chǎn)生的蛋白質(zhì)是（） A氨