14蛋白質(zhì)工程崛起

1、1.41.4 蛋白質(zhì)工程的崛起蛋白質(zhì)工程的崛起一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由1 1、基因工程產(chǎn)物、基因工程產(chǎn)物 基因工程在原則上只能生產(chǎn)基因工程在原則上只能生產(chǎn)自然界自然界已存在的已存在的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)。這些這些天然蛋白質(zhì)天然蛋白質(zhì)是生物在長期進(jìn)化過程是生物在長期進(jìn)化過程中形成的中形成的, ,它們的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物它們的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種生存的需要種生存的需要, ,卻卻不一定完全符合人類生不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要。產(chǎn)和生活的需要。一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由滿足人類滿足人類生產(chǎn)和生生產(chǎn)和生活的需要活的需要2、例子、例子改造改造干擾素（半胱

2、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（352352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（104104位的天冬酰胺）位的天冬酰胺）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)倍改造改造改造改造實(shí)例實(shí)例3:3:工業(yè)用酶工業(yè)用酶許多工業(yè)用酶是在改變天然酶的特性后，許多工業(yè)用酶是在改變天然酶的特性后，才使之適應(yīng)生產(chǎn)和

3、使用需要的。才使之適應(yīng)生產(chǎn)和使用需要的。3 3、蛋白質(zhì)工程產(chǎn)物：、蛋白質(zhì)工程產(chǎn)物：是自然界原本是自然界原本不存在不存在的新的蛋白質(zhì)。的新的蛋白質(zhì)。思考：對天然蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，你認(rèn)為應(yīng)該直接對蛋思考：對天然蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，你認(rèn)為應(yīng)該直接對蛋白質(zhì)分子進(jìn)行操作，還是通過對基因的操作來實(shí)現(xiàn)？白質(zhì)分子進(jìn)行操作，還是通過對基因的操作來實(shí)現(xiàn)？應(yīng)該應(yīng)該從對基因的操作來實(shí)現(xiàn)從對基因的操作來實(shí)現(xiàn)對天然蛋白質(zhì)改造，對天然蛋白質(zhì)改造，主要原因如下：主要原因如下：（1 1）任何一種天然蛋白質(zhì)都是由基因編碼的，）任何一種天然蛋白質(zhì)都是由基因編碼的，改造了基因即對蛋白質(zhì)進(jìn)行了改造，而且改造了基因即對蛋白質(zhì)進(jìn)行了改造，而且改

4、造過改造過的蛋白質(zhì)可以遺傳下去的蛋白質(zhì)可以遺傳下去。如果對蛋白質(zhì)直接改造，。如果對蛋白質(zhì)直接改造，即使改造成功，被改造過的蛋白質(zhì)分子還是無法即使改造成功，被改造過的蛋白質(zhì)分子還是無法遺傳的。遺傳的。（2 2）對基因進(jìn)行改造比對蛋白質(zhì)直接改造要）對基因進(jìn)行改造比對蛋白質(zhì)直接改造要容容易操作，難度要小得多。易操作，難度要小得多。 二、蛋白質(zhì)工程的基本原理二、蛋白質(zhì)工程的基本原理1 1、蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)、蛋白質(zhì)工程的目標(biāo) 根據(jù)人們對根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能蛋白質(zhì)功能的特定需求，的特定需求，對蛋白質(zhì)的對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子設(shè)計(jì)。進(jìn)行分子設(shè)計(jì)。2 2、天然蛋白質(zhì)的合成過程、天然蛋白質(zhì)的合成過程DNADN

5、A（基因）（基因）轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄mRNAmRNA翻譯翻譯蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)基因基因表達(dá)（轉(zhuǎn)錄和翻譯）表達(dá)（轉(zhuǎn)錄和翻譯）形成氨基酸序列的多形成氨基酸序列的多肽鏈肽鏈形成具有高級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)形成具有高級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)行使生物功能行使生物功能蛋白質(zhì)工程流程圖蛋白質(zhì)工程流程圖1.從預(yù)期的蛋白質(zhì)從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能功能出發(fā)出發(fā)2.設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)3.推測應(yīng)有的推測應(yīng)有的氨基酸氨基酸序列序列4.找到相應(yīng)的找到相應(yīng)的脫氧核苷酸脫氧核苷酸序列序列基因基因DNA DNA mRNA mRNA 氨基酸序列氨基酸序列多肽鏈多肽鏈 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄 翻譯翻譯 折疊折疊 生物功能生物功能 預(yù)期

6、功能預(yù)期功能 分子分子設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) DNADNA合成合成 中心法則中心法則 蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程 答：基因工程是遵循中心法則，答：基因工程是遵循中心法則，DNAmRNA蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)折疊產(chǎn)生功能，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)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：蛋白質(zhì)工程是按照以下思路進(jìn)行的：確定蛋白質(zhì)的功能確定蛋白質(zhì)的功能蛋白質(zhì)應(yīng)有的高級結(jié)蛋白質(zhì)應(yīng)有的高級結(jié)構(gòu)構(gòu)蛋白質(zhì)應(yīng)具備的折疊狀態(tài)蛋白質(zhì)應(yīng)具備的折疊狀態(tài)應(yīng)有的氨應(yīng)有的氨基酸序列基酸序列應(yīng)有的堿基排列，可以創(chuàng)造自應(yīng)有的堿基排列，可以創(chuàng)造自然界不存在的蛋白質(zhì)然界不存在的蛋白質(zhì).蛋白質(zhì)工程操作程序的基本思路

7、與基因工程蛋白質(zhì)工程操作程序的基本思路與基因工程有什么不同？有什么不同？三、蛋白質(zhì)工程的概念 蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律蛋白質(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)及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過基，通過基因修飾或基因合成，對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改因修飾或基因合成，對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造或制造一種新的蛋白質(zhì)，造或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類對以滿足人類對生產(chǎn)和生活的需求。生產(chǎn)和生活的需求。前提前提：了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能了解蛋白質(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

8、質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上，延伸出來的上，延伸出來的第二代基因工程第二代基因工程。比較：基因工程和蛋白質(zhì)工程比較：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，無新基因基因基因產(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)用和延伸四、蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展和前景四、蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展和前景1 1、科學(xué)家通過對胰島素的改造，已使其成、科學(xué)家通過對胰島素的改造，已使

9、其成為速效型藥品。為速效型藥品。2 2、生物和材料科學(xué)家正積極探索將蛋白質(zhì)、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。工程應(yīng)用于微電子方面。3 3、蛋白質(zhì)工程目前成功的例子不多蛋白質(zhì)工程目前成功的例子不多, ,原因是原因是對蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)了解不夠。但隨著科學(xué)對蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)了解不夠。但隨著科學(xué)技術(shù)的深入發(fā)展，它將會給人類帶來更多的技術(shù)的深入發(fā)展，它將會給人類帶來更多的福音。福音。1 1、科學(xué)家將、科學(xué)家將B-B-干擾素基因進(jìn)行定點(diǎn)突變導(dǎo)人大腸桿干擾素基因進(jìn)行定點(diǎn)突變導(dǎo)人大腸桿菌表達(dá)，使干擾素第十七位的半胱氨酸，改變成絲氨菌表達(dá)，使干擾素第十七位的半胱氨酸，改變成絲氨酸，結(jié)果大

10、大提高了酸，結(jié)果大大提高了B-B-干擾素的抗病活性，并且提高干擾素的抗病活性，并且提高了儲存穩(wěn)定性。該生物技術(shù)為了儲存穩(wěn)定性。該生物技術(shù)為( )( )A A基因工程基因工程 B B蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程 C C基因突變基因突變 D D細(xì)胞工程細(xì)胞工程B B2 2、蛋白質(zhì)工程的基本流程是、蛋白質(zhì)工程的基本流程是( )( )蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) DNADNA合成合成 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核苷酸序列據(jù)氨基酸序列推出脫氧核苷酸序列A A B BC CD DC 3.3.枯草桿菌產(chǎn)生的蛋白酶具有催化分解蛋白質(zhì)的枯草桿菌產(chǎn)生的蛋白酶具有催化分解蛋白質(zhì)的特性，但極易

11、被氧化而失效。特性，但極易被氧化而失效。19851985年，美國的埃年，美國的埃斯特爾將枯草桿菌蛋白酶分子中的第斯特爾將枯草桿菌蛋白酶分子中的第222222位氨基酸位氨基酸替換后，雖然其水解活性有所下降，但抗氧化能替換后，雖然其水解活性有所下降，但抗氧化能力大大提高。用這種水解酶作為洗滌劑的添加劑，力大大提高。用這種水解酶作為洗滌劑的添加劑，可以有效地除去血漬、奶漬等蛋白質(zhì)污漬。可以有效地除去血漬、奶漬等蛋白質(zhì)污漬。 （1 1）改造枯草桿菌蛋白酶的生物技術(shù)）改造枯草桿菌蛋白酶的生物技術(shù)是是 。 （2 2）改造后的枯草桿菌中的控制合成蛋白酶的基）改造后的枯草桿菌中的控制合成蛋白酶的基因與原來相比

12、，至少有因與原來相比，至少有 個堿基對發(fā)生變化。個堿基對發(fā)生變化。 （3 3）利用生物技術(shù)改造蛋白質(zhì)，是提高了蛋白質(zhì)）利用生物技術(shù)改造蛋白質(zhì)，是提高了蛋白質(zhì)的的 性，埃斯特爾所作的工作是對已知性，埃斯特爾所作的工作是對已知蛋白質(zhì)進(jìn)行蛋白質(zhì)進(jìn)行 。蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程1穩(wěn)定穩(wěn)定少數(shù)氨基酸的替換少數(shù)氨基酸的替換4 4、隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，化學(xué)農(nóng)藥的產(chǎn)量和品種逐、隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，化學(xué)農(nóng)藥的產(chǎn)量和品種逐年增加。但害蟲的抗藥性也不斷增強(qiáng)，對農(nóng)作物危害年增加。但害蟲的抗藥性也不斷增強(qiáng)，對農(nóng)作物危害仍然很嚴(yán)重。如近年來，棉鈴蟲在我國大面積暴發(fā)成仍然很嚴(yán)重。如近年來，棉鈴蟲在我國大面積暴發(fā)成災(zāi)，造成經(jīng)濟(jì)損

13、失每年達(dá)災(zāi)，造成經(jīng)濟(jì)損失每年達(dá)100100億以上。針對這種情況，億以上。針對這種情況，江蘇農(nóng)科院開展江蘇農(nóng)科院開展“轉(zhuǎn)基因抗蟲棉轉(zhuǎn)基因抗蟲棉”的科技攻關(guān)研究，的科技攻關(guān)研究，成功地將某種細(xì)菌產(chǎn)生抗蟲毒蛋白的抗蟲基因?qū)嗣蕹晒Φ貙⒛撤N細(xì)菌產(chǎn)生抗蟲毒蛋白的抗蟲基因?qū)嗣藁?xì)胞中，得到的棉花新品種對棉鈴蟲的毒殺效果高花細(xì)胞中，得到的棉花新品種對棉鈴蟲的毒殺效果高達(dá)達(dá)8080以上。就以上材料，分析回答：以上。就以上材料，分析回答：(1)(1)抗蟲基因之所以能導(dǎo)入植物體內(nèi)，原因是抗蟲基因之所以能導(dǎo)入植物體內(nèi)，原因是。(2)“(2)“轉(zhuǎn)基因抗蟲棉轉(zhuǎn)基因抗蟲棉”具有抗害蟲的能力，這表明棉具有抗害蟲的能力，這

14、表明棉花體內(nèi)產(chǎn)生了抗蟲的花體內(nèi)產(chǎn)生了抗蟲的物質(zhì)。這個事實(shí)說物質(zhì)。這個事實(shí)說明，害蟲和植物共用一套明，害蟲和植物共用一套，蛋白質(zhì)合，蛋白質(zhì)合成的方式是成的方式是的。的。細(xì)菌與棉花的細(xì)菌與棉花的DNA組成，結(jié)構(gòu)相同組成，結(jié)構(gòu)相同毒蛋白毒蛋白密碼子密碼子相同相同 (3)“(3)“轉(zhuǎn)基因抗蟲棉轉(zhuǎn)基因抗蟲棉”抗害蟲的遺傳信息傳遞過程可抗害蟲的遺傳信息傳遞過程可表示為表示為。(4)(4)該項(xiàng)科技成果在環(huán)境保護(hù)上的作用是該項(xiàng)科技成果在環(huán)境保護(hù)上的作用是(5)(5)科學(xué)家預(yù)言，此種科學(xué)家預(yù)言，此種“轉(zhuǎn)基因抗蟲棉轉(zhuǎn)基因抗蟲棉”獨(dú)立種植若獨(dú)立種植若干代以后，也將出現(xiàn)不抗蟲的植株，此現(xiàn)象來源于干代以后，也將出現(xiàn)不抗蟲的植株，此現(xiàn)象來源于(6)(6)基因工程技術(shù)已在多方面得到應(yīng)用，請各舉一例基因工程技術(shù)已在多方面得到應(yīng)用，請各舉一例說明該技術(shù)的應(yīng)用可能帶來的正負(fù)面影響。說明該技術(shù)的應(yīng)用可能帶來的正負(fù)面影響。減少農(nóng)藥對環(huán)境的污染，保護(hù)生態(tài)環(huán)境或生態(tài)平