白質工程的崛起

白質工程的崛起第一頁，共三十八頁，2022年，8月28日異想天開第二頁，共三十八頁，2022年，8月28日2.在該過程中涉及到的遺傳信息的流向是怎樣的?(請參考中心法則用圖解表示)3.酵母菌生產的干擾素分子與生物體內生成的干擾素有相同功能嗎？它們生物功能的完成是以什么為基礎的？請分析一個有活性的干擾素分子的結構層次，請用簡單的圖解表示。知識回顧：1.用基因工程的方法讓酵母菌為人類生產干擾素應該如何設計？請你用流程圖的形式做簡單概括。獲取目的基因構建表達載體導入受體細胞目的基因的檢測與鑒定第三頁，共三十八頁，2022年，8月28日3.酵母菌生產的干擾素分子與生物體內生成的干擾素有相同功能嗎？它們生物功能的完成是以什么為基礎的？請分析一個有活性的干擾素分子的結構層次，請用簡單的圖解表示。知識回顧：1.用基因工程的方法讓酵母菌為人類生產干擾素應該如何設計？請你用流程圖的形式做簡單概括。2.在該過程中涉及到的遺傳信息的流向是怎樣的?(請參考中心法則用圖解表示)第四頁，共三十八頁，2022年，8月28日雖然酵母菌中合成的干擾素量很多，但是多數干擾素分子在體外條件下很快失去活性。第五頁，共三十八頁，2022年，8月28日問題2：如果要解決干擾素在體外容易失活問題，可以從哪里入手來進行研究？問題1：“干擾素容易失活”是不是說明在機體免疫中干擾素并不是一種很有效的免疫物質？提示：干擾素是機體受到病毒感染時產生的一種糖蛋白，通過與干擾素受體結合發(fā)揮作用，之后被分解。第六頁，共三十八頁，2022年，8月28日一、蛋白質工程崛起的緣由滿足人類生產和生活的需要例1：改造干擾素（半胱氨酸）體外很難保存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）改造改造天冬氨酸激酶（異亮氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶（異亮氨酸）玉米中賴氨酸含量可提高數倍干擾素（絲氨酸）體外可以保存半年-70℃第七頁，共三十八頁，2022年，8月28日例2：絕大多數酶不能應用于工業(yè)生產。因為工業(yè)生產的反應體系中常有酸、堿或有機溶劑存在，反應溫度較高，大多數酶會很快變性失活。提高蛋白質的穩(wěn)定性包括：延長酶的半衰期，提高酶的熱穩(wěn)定性，延長藥用蛋白的保存期，

抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性喪失等。第八頁，共三十八頁，2022年，8月28日1、你知道人類蛋白質組計劃嗎？它與蛋白質工程有什么關系？我國科學家承擔了什么任務？旁欄思考題

人類蛋白質組計劃是繼人類基因組計劃之后，生命科學乃至自然科學領域一項重大的科學命題。2001年，國際人類蛋白質組組織宣告成立。之后，該組織正式提出啟動了兩項重大國際合作行動：一項是由中國科學家牽頭執(zhí)行的“人類肝臟蛋白質組計劃”；另一項是以美國科學家牽頭執(zhí)行的“人類血漿蛋白質組計劃”，由此拉開了人類蛋白質組計劃的帷幕。第九頁，共三十八頁，2022年，8月28日

“人類肝臟蛋白質組計劃”是國際上第一個人類組織／器官的蛋白質組計劃，由我國賀福初院士牽頭，這是中國科學家第一次領銜的重大國際科研協(xié)作計劃，總部設在北京，目前有16個國家和地區(qū)的80多個實驗室報名參加。它的科學目標是揭示并確認肝臟的蛋白質，為重大肝病預防、診斷、治療和新藥研發(fā)的突破提供重要的科學基礎。

人類蛋白質組計劃的深入研究將是對蛋白質工程的有力推動和理論支持。第十頁，共三十八頁，2022年，8月28日二、蛋白質工程的基本原理第十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日1、天然蛋白質的合成過程DNA（基因）轉錄mRNA翻譯蛋白質基因表達（轉錄和翻譯）形成氨基酸序列的多肽鏈形成具有高級結構的蛋白質行使生物功能第十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日第十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日2、蛋白質工程的目標

根據人們對蛋白質功能的特定需求，對蛋白質的結構進行分子設計。第十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日2.對天然蛋白質進行改造，你認為應該直接對蛋白質分子進行操作，還是通過對基因的操作來實現？答：毫無疑問應該從對基因的操作來實現對天然蛋白質改造，主要原因如下：（1）任何一種天然蛋白質都是由基因編碼的，改造了基因即對蛋白質進行了改造，而且改造過的蛋白質可以遺傳下去。如果對蛋白質直接改造，即使改造成功，被改造過的蛋白質分子還是無法遺傳的。（2）對基因進行改造比對蛋白質直接改造要容易操作，難度要小得多。旁欄思考題第十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日3、蛋白質工程的基本途徑（三）過程設計蛋白質結構預期蛋白質功能推測應有的氨基酸序列找到相應的脫氧核苷酸序列（基因）第十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日第十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日教材討論：某多肽的一段氨基酸序列為：······—丙氨酸—色氨酸—賴氨酸—甲硫氨酸—苯丙氨酸—·······—UGG—GUUGUCGUAGUG······—AAAAAG—AUG—UUUUUC—·······mRNADNA······—C—A—A—A—C—C—T—T—T—T—A—C—A—A—A—·············—G—T—T—T—G—G—A—A—A—A—T—G—T—T—T—·······根據目的基因的堿基序列，可以用DNA合成儀進行化學合成目的基因。第十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日分子設計折疊氨基酸序列多肽鏈翻譯mRNA轉錄基因DNA二級結構三級結構

四級結構

蛋白質三維結構生物功能蛋白質工程分子設計預期功能第十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日蛋白質工程流程圖基因DNA氨基酸序列多肽鏈蛋白質三維結構預期蛋白質功能DNA合成分子設計第二十頁，共三十八頁，2022年，8月28日蛋白質工程實質將一種生物的基因轉移到另一種生物體內，后者可以產生它本不能生產的蛋白質，進而表現出新性狀。目的對現有的蛋白質進行改造，或制造一種新的蛋白質，以滿足人類的生產和生活的要求目標根據人們對蛋白質功能的特定需求，對蛋白質的結構進行分子設計。原理基因改造。關鍵技術基因工程前提條件了解蛋白質的結構和功能的關系第二十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日蛋白質工程的概念

蛋白質工程是指以蛋白質分子的結構規(guī)律及其與生物功能的關系作為基礎，通過基因修飾或基因合成，對現有蛋白質進行改造或制造一種新的蛋白質，以滿足人類對生產和生活的需求。（第二代基因工程）前提：了解蛋白質的結構和功能原理：改造基因（基因修飾或基因合成）目的：定向改造或制造蛋白質第二十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日蛋白質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的二維重組和三維晶體結構;（4）設計各種處理條件，了解蛋白質的結構變化，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，如定點突變；（6）分離、純化新蛋白，功能檢測后投入實際使用。第二十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日理論上講可以，但目前還沒有真正成功的例子。一些報道利用細菌生產人類需要的蛋白質往往都是自然界已經存在的蛋白質，并非完全是人工設計出來而自然不存在的蛋白質。主要原因是蛋白質的高級結構非常復雜，人類對蛋白質的高級結構和在生物體內如何行使功能知之甚少，很難設計出一個嶄新而又具有生命功能作用的蛋白質，而且一個嶄新的蛋白質會帶來什么危害也是人們所擔心的。第二十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日蛋白質的結構蛋白質的一級結構

第二十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日蛋白質的結構蛋白質的二級結構

第二十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日蛋白質的結構胰島素的三級結構第二十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日蛋白質的結構血紅蛋白質的四級結構

血紅蛋白分子就是由二個由141個氨基酸殘基組成的α亞基和二個由146個氨基酸殘基組成的β亞基按特定的接觸和排列組成的一個球狀蛋白質分子，每個亞基中各有一個含亞鐵離子的血紅素輔基。第二十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日蛋白質工程的內容主要有兩方面：一是根據需要設計具有特定氨基酸序列和空間結構的蛋白質二是確定蛋白質的化學組及空間結構與生物功能之間的關系，在此基礎上，實現從氨基酸序列預測蛋白質的空間結構和生理功能，設計合成具有特定生物功能的全新蛋白質，而氨基酸排序由基因決定，所以還需要改造控制蛋白質合成的相應基因中脫氧核苷酸序列或人工合成所需要的自然界原本不存在的基因片段，用與蛋白質工程。第二十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日基因工程和蛋白質工程的比較基因工程是遵循中心法則，從DNA→mRNA→蛋白質→折疊產生功能，基本上是生產出自然界已有的蛋白質。蛋白質工程是按照以下思路進行的：確定蛋白質的功能→蛋白質應有的高級結構→蛋白質應具備的折疊狀態(tài)→應有的氨基酸序列→應有的堿基排列。可以創(chuàng)造自然界不存在的蛋白質。第三十頁，共三十八頁，2022年，8月28日

比較基因工程和蛋白質工程基因工程蛋白質工程相同點產生新的產生的蛋白質聯系第三十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日

比較基因工程和蛋白質工程基因工程蛋白質工程相同點產生新的產生的蛋白質聯系都要改造基因，都屬于分子水平基因型，無新基因基因（型）原有的新的蛋白質工程以基因工程為基礎，是基因工程的應用和延伸第三十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日三、蛋白質工程的進展和前景1、科學家通過對胰島素的改造，已使其成為速效型藥品。2、生物和材料科學家正積極探索將蛋白質工程應用于微電子方面。3、蛋白質工程目前成功的例子不多,原因是對蛋白質的高級結構了解不夠。但隨著科學技術的深入發(fā)展，它將會給人類帶來更多的福音。第三十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日你知道酶工程嗎？絕大多數酶都是蛋白質，酶工程與蛋白質工程有什么區(qū)別？

酶工程就是指將酶所具有的生物催化作用，借助工程學的手段，應用于生產、生活、醫(yī)療診斷和環(huán)境保護等方面的一門科學技術。概括地說，酶工程是由酶制劑的生產和應用兩方面組成的。酶工程的應用主要集中于食品工業(yè)、輕工業(yè)以及醫(yī)藥工業(yè)中。通常所說的酶工程是用工程菌生產酶制劑，而沒有經過由酶的功能來設計酶的分子結構，然后由酶的分子結構來確定相應基因的堿基序列等步驟。因此，酶工程的重點在于對已存酶的合理充分利用，而蛋白質工程的重點則在于對已存在的蛋白質分子的改造。當然，隨著蛋白質工程的發(fā)展，其成果也會應用到酶工程中，使酶工程成為蛋白質工程的一部分。第三十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日1．關于生物體內存在的天然蛋白質，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．它們的結構和功能符合特定物種生存的需要C．構成天然蛋白質的氨基酸目前發(fā)現的有20種D．一定完全符合人類生產和生活的需要練習檢測D第三十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日2．蛋白質工程中直接需要進行操作的對象是()Ａ．氨基酸結構

B．蛋白質空間結構

C．肽鏈結構

D．基因結構

Ｄ3．下列關于蛋白質工程的說法錯誤的是（）A.蛋白質工程能定向改造蛋白質分子的結構，使之更加符合人類的需要B.蛋白質工程是在分子水平上對蛋白質分子直接進行操作，定向改變分子的結構C.蛋白質工程能產生出自然界中不曾存在過的新型蛋白質分子D.蛋白質工程與基因工程密不可分，又被稱為第二代基因工程Ｂ第三十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日4