1.4 蛋白质工程的崛起,学习目标,1.能举例说出蛋白质工程崛起的缘由。 2.掌握蛋白质工程的基本原理和操作流程(重、难点) 3.明确蛋白质工程的含义，区分蛋白质工程和基因工 程的不同之处。 4.了解蛋白质工程的发展情况，大致了解人类蛋白质 组计划、酶工程等与其相关的前沿科学研究。,思考：如果想让某一个生物的性状在另外一个生物的身上表达，常用的方法有哪些？,1、在种内可以用什么方法？,杂交育种,2、在种间可以用什么方法？,基因工程育种,一、蛋白质工程崛起的缘由,基因工程的实质：,将一种生物的 转移到另一种生物体内，后者产生它本不能产生的 ，进而表现出 。,基因,蛋白质,新的性状,优点： 育种周期短； 目的性强，可定向改变生物性状； 克服远缘杂交不亲和的障碍。,（重点记忆）,试回顾总结基因工程的丰硕成果,植物方面 提高植物的抗虫、抗病、抗逆性 改良植物的品质 动物方面 提高动物生长速度 改善畜产品的品质 用转基因动物生产药物 用转基因动物作器官移植的供体 研制药物 基因治疗,基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。 生物产生的天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，这些蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。,基因工程的局限性：,6,于是，要对现有蛋白质进行改造，制造出目前从天然蛋白质中找不到的蛋白质，成为必然。 蛋白质工程应运而生了。,7,满足人类生产和生活的需要,例如：,改造,玉米中赖氨酸含量比较低,天冬氨酸激酶 （352位的苏氨酸）,二氢吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）,天冬氨酸激酶 （异亮氨酸）,二氢吡啶二羧酸合成酶（异亮氨酸）,玉米中赖氨酸含量可提高数倍,改造,改造,8,1、你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程有什么关系？我国科学家承担了什么任务？ （了解）,旁栏思考题,？,9,人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后，生命科学乃至自然科学领域一项重大的科学命题。2001年，国际人类蛋白质组组织宣告成立。2003年该组织正式提出启动了两项重大国际合作行动：一项是由中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划”；另一项是以美国科学家牵头执行的“人类血浆蛋白质组计划” ， 人类蛋白质组计划的深入研究将是:对蛋白质工程的有力推动和理论支持。,10,天然蛋白质是怎样合成的？,中心法则（表示遗传信息的流动过程）,DNA（基因）,转录,mRNA,翻译,多肽链,盘曲 折叠,具有高级结构的蛋白质,表达生物特有的功能和性状,结论：,蛋白质的功能是由蛋白质的_决定的，蛋白质的结构是由_决定的。,结构,DNA（基因）,逆转录,11,一级结构,二级结构,三级结构,四级结构,12,思 考（P26）,对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？,通过对基因的操作来实现对蛋白质的改造 理由有： 任何一种天然蛋白质都是基因编码的，改造了基因，即对蛋白质进行了改造，经这样改造过的蛋白质可以遗传下去；若直接改造蛋白质，即使成功，被改造过的蛋白质还是不能遗传的； 对基因进行改造比对蛋白质进行改造要容易操作，难度要小得多。,二、蛋白质工程的基本原理,1、蛋白质工程的目标：,根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计。,3、天然蛋白质合成过程遵循中心法则,基因表达（转录和翻译）形成氨基酸序列的多肽链形成具有高级结构的蛋白质行使生物功能,2、原理：,改造基因（基因修饰或基因合成）,14,4.蛋白质工程的途径:,预期的蛋白质功能,设计预期的蛋白质结构,推测应有的氨基酸序列,找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）,15,蛋白质 三维结构,氨基酸序 列多肽链,基因 DNA,预期功能,分子设计,mRNA,生物功能,转录,翻译,折叠,图1-29蛋白质工程流程图,16,讨 论（P27）,某多肽链的一段氨基酸序列是：丙氨酸色氨酸赖氨酸甲硫氨酸苯丙氨酸, （1）怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？,mRNA：GCU（C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C）,DNA：CGA（G或T或C）ACCTTT（或C）TACAAA（或G）,丙氨酸：GCU（或C或A或G），色氨酸：UGG，赖氨酸：AAA（或G），甲硫氨酸：AUG； 苯丙氨酸：UUU（或C）,17,（2）确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因（DNA）？,确定目的基因的碱基序列后，就可以根据人类的需要改造它，通过人工合成的方法或从基因文库中获取后进行改造。,5、蛋白质工程的概念,蛋白质工程是指以蛋白质分子的_及其与_的关系作为基础，通过_或_，对现有蛋白质进行_，或制造一种_，以满足生产和生活的需求。,结构规律,生物功能,基因修饰,基因合成,改造,新的蛋白质,蛋白质工程是第二代基因工程,20,5、蛋白质工程和基因工程的区别,三、蛋白质工程的进展和前景,1、对胰岛素改造，使其成为速效型药品,2、微电子方面的应用,生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于微电子方面。用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点，因此有极为广阔的发展前景。,3、蛋白质工程目前难度很大、成功不多，主要是因为蛋白质发挥其功能需要依赖于正确的高级结构，而科学家目前对大多数蛋白质的高级结构了解很少，在生物体内如何行使功能也知之甚少，要设计出更加符合人类需要的蛋白质还需要经过艰辛的探索。,23,P27 异想天开,能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应的基因，导入合适的细菌中，让细菌生产人类所需要的蛋白质食品呢？,理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。一些报道的利用细菌生产人类需要的蛋白质往往都是自然界已经存在的蛋白质，并非完全是人工设计出来而自然不存在的蛋白质。主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对蛋白质的高级结构和在生物体内如何行使功能知之甚少，很难设计出一个崭新而又具有生命功能作用的蛋白质，而且一个崭新的蛋白质会带来什么危害也是人们所担心的。,24,你知道酶工程吗？绝大多数酶都是蛋白质，酶工程与蛋白质工程有什么区别？,P28 思考与探索,概括地说，酶工程是由酶制剂的生产和应用两方面组成的。酶工程的应用主要集中于食品工业、轻工业以及医药工业中。加酶洗衣粉、嫩肉粉等，就是酶工程最直接的体现。,25,通常所说的酶工程是用工程菌生产酶制剂，而没有经过由酶的功能来设计酶的分子结构，然后由酶的分子结构来确定相应基因的碱基序列等步骤。因此，酶工程的重点在于对已存在酶的合理充分利用，而蛋白质工程的重点则在于对已存在的蛋白质分子的改造。当然，随着蛋白质工程的发展，其成果也会应用到酶工程中，使酶工程成为蛋白质工程的一部分。,26,1 关于生物体内存在的天然蛋白质，下列说法不正确的是 A是生物在长期进化过程中形成的 B它们的结构和功能符合特定物种生存的需要 C构成天然蛋白质的氨基酸目前发现的有20种 D一定完全符合人类生产和生活的需要,反馈练习,D,27,2蛋白质工程中直接需要进行操作的对象是 氨基酸结构 B蛋白质空间结构 C肽链结构 D基因结构,3下列关于蛋白质工程的说法错误的是 A蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构，使之更加符合人类的需要 B蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子的结构 C蛋白质工程能产生出自然界中不曾存在过的新型蛋白质分子 D蛋白质工程与基因工程密不可分，又被称为第二代基因工程,28,4、以下关于蛋白质工程的说法正确的是 A、蛋白质工程以基因工程为基础 B、蛋白质工程就是酶工程的延伸 C、蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造 D、蛋白质工程只能生产天然的蛋白质,29,5、蛋白质工程的基本流程正确的是（） 蛋白质分子结构设计 DNA合成 预期蛋白质功能 根据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列 A B C D,30,6、蛋白质工程是在基因工程基础上，延伸出来的第二代基因工程，其结果产生的蛋白质是（） A氨基酸种类增多 B氨基酸种类减少 C仍为天然存在蛋白质 D可合成天然不存在蛋白质,31,7、关于蛋白质工程的进展和应用，下列说法不正确的是（ ） A科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效药品 B生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于微电子方面 C蛋白质工程技术已经非常成熟，目前正被大力推广应用 D蛋白质工程是一项难度很大的工程，目前成功的例子不多,C,32,8、枯草杆菌产生的蛋白酶具有催化分解蛋白质的特性，但极易被氧化而失效。1985年，美国的埃斯特尔将枯草杆菌蛋白酶分子中的第222位氨基酸替换后，虽然其水解活性有所下降，但抗氧化能力大大提高。用这种水解酶作为洗涤剂的添加剂，可以有效地除去血渍、奶渍等蛋白质污渍。 （1）改造枯草杆菌蛋白酶的生物技术是 。 （2）改造后的枯草杆菌中的控制合成蛋白酶的基因与原来相比，至少有 个碱基对发生变化。 （3）利用生物技术改造蛋白质，提高了蛋白质的 性，埃斯特尔所作的工作是对已知蛋白质进行 。,蛋白质工程,1,稳定,少数氨基酸的替换,