生物蛋白質(zhì)工程的崛起(人教版選修3)課件

1、生物：蛋白質(zhì)工程的崛起課件PPT（人教版選修）1.4 蛋白質(zhì)工程的崛起旁欄思考題 你知道人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃嗎？它與蛋白質(zhì)工程有什么關(guān)系？我國(guó)科學(xué)家承擔(dān)了什么任務(wù)？ 人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃是繼人類基因組計(jì)劃之后，生命科學(xué)乃至自然科學(xué)領(lǐng)域一項(xiàng)重大的科學(xué)命題。2001年，國(guó)際人類蛋白質(zhì)組組織宣告成立。之后，該組織正式提出啟動(dòng)了兩項(xiàng)重大國(guó)際合作行動(dòng)：一項(xiàng)是由中國(guó)科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃”；另一項(xiàng)是以美國(guó)科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類血漿蛋白質(zhì)組計(jì)劃”，由此拉開了人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃的帷幕。 ？“人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃”是國(guó)際上第一個(gè)人類組織器官的蛋白質(zhì)組計(jì)劃，由我國(guó)賀福初院士牽頭，這是中國(guó)科學(xué)家第一次領(lǐng)銜的重

2、大國(guó)際科研協(xié)作計(jì)劃，總部設(shè)在北京，目前有16個(gè)國(guó)家和地區(qū)的80多個(gè)實(shí)驗(yàn)室報(bào)名參加。它的科學(xué)目標(biāo)是揭示并確認(rèn)肝臟的蛋白質(zhì)，為重大肝病預(yù)防、診斷、治療和新藥研發(fā)的突破提供重要的科學(xué)基礎(chǔ)。 人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃的深入研究將是對(duì)蛋白質(zhì)工程的有力推動(dòng)和理論支持?；蚬こ痰膶?shí)質(zhì)是什么? 將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，后者可以產(chǎn)生它本來不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進(jìn)而表現(xiàn)出新的性狀。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(dòng)植物性狀，得以在人類醫(yī)療保健中進(jìn)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(yīng)生物自身的需要，

3、而對(duì)它們進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化開發(fā)往往不合意，需要加以改造。1983年Ulmer首先提出蛋白質(zhì)工程，它是指按照特定的需要，對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行分子設(shè)計(jì)和改造的工程。自此以后，蛋白質(zhì)工程迅速發(fā)展，已成為生物工程的重要組成部分。 在已研究過的幾千種酶中，只有極少數(shù)可以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，絕大多數(shù)酶都不能應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，這些酶雖然在自然狀態(tài)下有活性，但在工業(yè)生產(chǎn)中沒有活性或活性很低。這是因?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)中每一步的反應(yīng)體系中常常會(huì)有酸、堿或有機(jī)溶劑存在，反應(yīng)溫度較高，在這種條件下，大多數(shù)酶會(huì)很快變性失活。提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性是工業(yè)生產(chǎn)中一個(gè)非常重要的課題。一般來說，提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性包括：延長(zhǎng)酶的半衰期，提高酶的熱穩(wěn)定性，延長(zhǎng)藥用

4、蛋白的保存期，抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性喪失等。“后基因組時(shí)代”將是“蛋白質(zhì)組學(xué)時(shí)代”，即從對(duì)基因信息的研究轉(zhuǎn)向?qū)Φ鞍踪|(zhì)信息的研究，包括研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、功能與應(yīng)用及蛋白質(zhì)相互關(guān)系和作用。蛋白質(zhì)工程就是在對(duì)蛋白質(zhì)的化學(xué)、晶體學(xué)、動(dòng)力學(xué)等結(jié)構(gòu)與功能認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，對(duì)蛋白質(zhì)人工改造與合成，最終獲得商業(yè)化的產(chǎn)品。1.4 蛋白質(zhì)工程的崛起一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由1、基因工程在原則上只能生產(chǎn)自然 界已存在的蛋白質(zhì)2、天然蛋白質(zhì)不一定完全符合人類 生產(chǎn)和生活的需要蛋白質(zhì)工程的目的： 生產(chǎn)符合人們生活需要的并非自然界已存在的蛋白質(zhì)例如二、蛋白質(zhì)工程的基本原理、蛋白質(zhì)工程的目標(biāo) P26、蛋白質(zhì)工程流程圖：P

5、27（原理：基因改造）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)錄翻譯中心法則？折疊P27討論題4.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(cè)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)的二維重組和三維晶體結(jié)構(gòu);（4）設(shè)計(jì)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(duì)其活性與功能的影響；（5）設(shè)計(jì)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(cè)后投入實(shí)際使用。（一）蛋白質(zhì)的分子設(shè)計(jì)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(chǔ)，通過蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和溶液

6、構(gòu)象的研究，積累了成千上萬蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)和高級(jí)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(jìn)化關(guān)系、一級(jí)結(jié)構(gòu)和高級(jí)結(jié)構(gòu)的關(guān)系、結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系方面的規(guī)律。（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(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端肽段的正確取向，從而提高凝血效率，試管試驗(yàn)活性提高

7、4倍，在動(dòng)物模型上檢驗(yàn)抗血栓形成的效果，提高20倍。2生長(zhǎng)激素改造生長(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

8、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。3胰島素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)。4治癌酶的改造 癌癥的基因治療分二個(gè)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)胞免受化學(xué)藥物的侵害，可以提高化學(xué)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

9、癌細(xì)胞。HSVTK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(gè)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(gè)例子。蛋白質(zhì)工程除了用于改造天然蛋白質(zhì)或設(shè)計(jì)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(qiáng)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。何謂蛋白質(zhì)工程？ 5.在現(xiàn)代生物技術(shù)中，蛋白質(zhì)工程出現(xiàn)得最晚，是在20世紀(jì)80年代初期出現(xiàn)的。1983年 “蛋白質(zhì)工程”這個(gè)名詞出現(xiàn)后，隨即被廣泛接受和采用。 蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ),

10、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。 三、蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展和前景蛋白質(zhì)工程匯集了當(dāng)代分子生物學(xué)等學(xué)科的一些前沿領(lǐng)域的最新成就，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(jìn)到嶄新的時(shí)代，為蛋白質(zhì)和酶在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥方面的應(yīng)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(shí)期。2、蛋白質(zhì)工程的基本流程正確的是：( )設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu) DNA合成 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 A. B. C. D. D討 論答：（1）每種氨基酸都有對(duì)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(gè)氨基酸是由多個(gè)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