蛋白質(zhì)工程的崛起新人教選修

蛋白質(zhì)工程的崛起課件新人教選修第1頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月§1.4蛋白質(zhì)工程的崛起一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由二、蛋白質(zhì)工程的基本原理三、蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展和前景第2頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月思考：如果想讓某一個生物的性狀在另外一個生物的體內(nèi)表達(dá)，常用的育種方法有哪些？1、在種內(nèi)可以用什么方法？

雜交育種

2、在種間可以用什么方法？基因工程育種

一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由第3頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月基因工程的實質(zhì)：

將一種生物的

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

，進(jìn)而表現(xiàn)出

?；虻鞍踪|(zhì)新的性狀第4頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月試回顧總結(jié)基因工程的豐碩成果植物方面提高植物的抗蟲、抗病、抗逆性改良植物的品質(zhì)動物方面提高動物生長速度改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)用轉(zhuǎn)基因動物生產(chǎn)藥物用轉(zhuǎn)基因動物作器官移植的供體研制藥物基因治療第5頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月

基因工程在原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)。這些蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要。

基因工程的局限性：第6頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月例一：干擾素是由動物體內(nèi)的T細(xì)胞產(chǎn)生的一種糖蛋白，幾乎能抵抗所有病毒引起的感染。同時，在治療癌癥方面也有十分可觀的療效。但是，干擾素在體外保存相當(dāng)困難。如果將其分子上的一個半胱氨酸變成絲氨酸，在-70oC的條件下，可以體外保存半年。第7頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月玉米中賴氨酸的含量比較低。賴氨酸的合成機理：天冬氨酸激酶二氫吡啶二羧酸合成酶前體物質(zhì)賴氨酸負(fù)反饋調(diào)節(jié)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）改造天冬氨酸激酶（異亮氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶（異亮氨酸）例二：賴氨酸含量提高多倍第8頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月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。這是因為工業(yè)生產(chǎn)中每一步的反應(yīng)體系中常常會有酸、堿或有機溶劑存在，反應(yīng)溫度較高，在這種條件下，大多數(shù)酶會很快變性失活。第9頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月目前科學(xué)家嘗試通過對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的改造，來延長酶的半衰期，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，取得了一定的進(jìn)展。第10頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月延長干擾素的體外保存時間提高玉米中賴氨酸的含量提高工業(yè)生產(chǎn)中蛋白質(zhì)類酶的穩(wěn)定性這些在科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的難題均無法通過基因工程來完成。于是新一輪的探索拉開了序幕，人們開始著眼于對現(xiàn)有蛋白質(zhì)的改造，以及制造目前從天然蛋白質(zhì)中找不到的蛋白質(zhì)。就這樣，蛋白質(zhì)工程應(yīng)運而生，并迅速崛起。第11頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月二、蛋白質(zhì)工程的基本原理（一）原理：中心法則的逆推1、操作思路基因蛋白質(zhì)決定修飾或合成設(shè)計改造或制造逆推尋找2、操作流程基因DNA氨基酸序列多肽鏈蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)預(yù)期功能生物功能mRNA轉(zhuǎn)錄翻譯折疊DNA合成分子設(shè)計（二）概念：第12頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月1、蛋白質(zhì)的功能多樣性？--結(jié)構(gòu)蛋白、催化、調(diào)節(jié)、免疫、運輸2、結(jié)構(gòu)決定功能，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)多樣性的原因？氨基酸肽鏈（≥1條）蛋白質(zhì)脫水縮合盤曲、折疊種類、數(shù)目、排序不同盤曲、折疊后空間結(jié)構(gòu)不同直接原因3、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、功能多樣性的根本原因？第13頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月蛋白質(zhì)的功能是由蛋白質(zhì)的_____決定的，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)是由_____________決定的。結(jié)構(gòu)DNA（基因）第14頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）蛋白質(zhì)工程的概念蛋白質(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)（理論基礎(chǔ)），通過基因修飾或基因合成，對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造或制造一種新的蛋白質(zhì)（工程原理），以滿足人類對生產(chǎn)和生活的需求（工程目的）。前提：手段：目的：了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能基因修飾或基因合成定向改造或制造蛋白質(zhì)第15頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月討論：1、怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請把相應(yīng)的堿基序列寫出來。討論：某多肽鏈的一段氨基酸序列是：……-丙氨酸-色氨酸-賴氨酸-甲硫氨酸-苯丙氨酸-……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、UUCGCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C）mRNA序列脫氧核苷酸序列GCT(或C或A或G)TGGAAA(或G)ATGTTT(或C)CGA(或G或T或C)ACCTTT（或C)TACAAA(或G)第16頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月2.確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改造目的基因（DNA）？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可以通過基因的定點誘變技術(shù)來改變后從基因文庫中獲取。第17頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月基因會發(fā)生突變，突變可以自發(fā)，也可以誘發(fā)，這是每個稍有生物學(xué)知識的人都知道的常識。但在加拿大生物化學(xué)家M·史密斯（1932－2000）發(fā)明定點突變法之前，突變株的產(chǎn)生必須經(jīng)由自然界或用化學(xué)等方法誘使基因突變。這類方法屬于隨機突變，是盲目的。而史密斯發(fā)明的定點突變法卻是有目的的，該法可經(jīng)由設(shè)計好的引物，在任何一個基因片段上通過PCR技術(shù)進(jìn)行隨意或設(shè)計好的突變。

第18頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月第19頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月異想天開

能不能根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)食品的結(jié)構(gòu)，設(shè)計相應(yīng)的基因，導(dǎo)入合適的細(xì)菌中，讓細(xì)菌生產(chǎn)人類所需要的蛋白質(zhì)食品呢？理論上是可行的，但目前還沒有真正成功的例子。第20頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月三、蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展和前景1、蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展：（1）對胰島素的改造

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(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驗。第21頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）對水蛭素的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(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端肽鏈的正確取向，從而提高抗凝血效率，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。第22頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）對生長激素的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。第23頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）應(yīng)用于微電子方面生物和材料科學(xué)家正積極探索將蛋白質(zhì)工程應(yīng)用于微電子方面。用蛋白質(zhì)工程方法制成的電子元件，具有體積小、耗電少和效率高的特點，因此有極為廣闊的發(fā)展前景。第24頁，課件共26頁，創(chuàng)作于2023年2月2、蛋白質(zhì)工程的現(xiàn)狀

成功的例子不多，主要是因為蛋白質(zhì)發(fā)揮其功能需要依賴于正確的高級結(jié)構(gòu)，而科學(xué)家目前對大多數(shù)蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)了解很少，要設(shè)計出更加符合人類需要的蛋白質(zhì)還需要經(jīng)過艱辛的探索。第25頁