1.41.4 蛋白质工程的崛起蛋白质工程的崛起一、蛋白质工程崛起的缘由一、蛋白质工程崛起的缘由1 1、基因工程产物、基因工程产物 基因工程在原则上只能生产基因工程在原则上只能生产自然界自然界已存在的已存在的蛋白质。蛋白质。这些这些天然蛋白质天然蛋白质是生物在长期进化过程是生物在长期进化过程中形成的中形成的, ,它们的结构和功能符合特定物它们的结构和功能符合特定物种生存的需要种生存的需要, ,却却不一定完全符合人类生不一定完全符合人类生产和生活的需要。产和生活的需要。一、蛋白质工程崛起的缘由一、蛋白质工程崛起的缘由满足人类满足人类生产和生生产和生活的需要活的需要2、例子、例子改造改造干扰素（半胱氨酸）干扰素（半胱氨酸）体外很难保存体外很难保存干扰素（丝氨酸）干扰素（丝氨酸）体外可以保存半年体外可以保存半年玉米中赖氨酸含量比较低玉米中赖氨酸含量比较低天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶（352352位的苏氨酸）位的苏氨酸）二氢吡啶二羧酸合成酶二氢吡啶二羧酸合成酶（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（异亮氨酸）（异亮氨酸）二氢吡啶二羧酸合成酶二氢吡啶二羧酸合成酶（异亮氨酸）（异亮氨酸）玉米中赖氨酸含量可提高数倍玉米中赖氨酸含量可提高数倍改造改造改造改造实例实例3:3:工业用酶工业用酶许多工业用酶是在改变天然酶的特性后，许多工业用酶是在改变天然酶的特性后，才使之适应生产和使用需要的。才使之适应生产和使用需要的。3 3、蛋白质工程产物：、蛋白质工程产物：是自然界原本是自然界原本不存在不存在的新的蛋白质。的新的蛋白质。思考：对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋思考：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？白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？应该应该从对基因的操作来实现从对基因的操作来实现对天然蛋白质改造，对天然蛋白质改造，主要原因如下：主要原因如下：（1 1）任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，）任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造过改造过的蛋白质可以遗传下去的蛋白质可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造，。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传的。遗传的。（2 2）对基因进行改造比对蛋白质直接改造要）对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容容易操作，难度要小得多。易操作，难度要小得多。 二、蛋白质工程的基本原理二、蛋白质工程的基本原理1 1、蛋白质工程的目标、蛋白质工程的目标 根据人们对根据人们对蛋白质功能蛋白质功能的特定需求，的特定需求，对蛋白质的对蛋白质的结构结构进行分子设计。进行分子设计。2 2、天然蛋白质的合成过程、天然蛋白质的合成过程DNADNA（基因）基因）转录转录mRNAmRNA翻译翻译蛋白质蛋白质基因基因表达（转录和翻译）表达（转录和翻译）形成氨基酸序列的多肽形成氨基酸序列的多肽链链形成具有高级结构的蛋白质形成具有高级结构的蛋白质行使生物功能行使生物功能蛋白质工程流程图蛋白质工程流程图1.从预期的蛋白质从预期的蛋白质功能功能出发出发2.设计预期的蛋白质设计预期的蛋白质结构结构3.推测应有的推测应有的氨基酸氨基酸序列序列4.找到相应的找到相应的脱氧核苷酸脱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链多肽链 蛋白质蛋白质三维结构三维结构转录转录 翻译翻译 折叠折叠 生物功能生物功能 预期功能预期功能 分子分子设计设计 DNADNA合成合成 中心法则中心法则 蛋白质工程蛋白质工程 答：基因工程是遵循中心法则，答：基因工程是遵循中心法则，DNAmRNA蛋白质蛋白质折叠产生功能，折叠产生功能，基本上是生产出自然界已有的蛋白质基本上是生产出自然界已有的蛋白质。蛋白质工程是按照以下思路进行的：蛋白质工程是按照以下思路进行的：确定蛋白质的功能确定蛋白质的功能蛋白质应有的高级结蛋白质应有的高级结构构蛋白质应具备的折叠状态蛋白质应具备的折叠状态应有的氨应有的氨基酸序列基酸序列应有的碱基排列，可以创造自应有的碱基排列，可以创造自然界不存在的蛋白质然界不存在的蛋白质.蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什么不同？有什么不同？三、蛋白质工程的概念蛋白质工程是指以蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础及其与生物功能的关系作为基础，通过基，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造或制造一种新的蛋白质，造或制造一种新的蛋白质，以满足人类对以满足人类对生产和生活的需求。生产和生活的需求。前提前提：了解蛋白质的结构和功能了解蛋白质的结构和功能原理原理：改造基因（基因修饰或基因合成）改造基因（基因修饰或基因合成）目的：目的：定向改造或制造蛋白质定向改造或制造蛋白质 蛋白质工程是在基因工程的基础上，蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的延伸出来的第二代基因工程第二代基因工程。比较：基因工程和蛋白质工程比较：基因工程和蛋白质工程基因工程基因工程蛋白质工程蛋白质工程相同点相同点都要改造基因，都属于分子水平都要改造基因，都属于分子水平产生新的产生新的基因型，无新基因基因型，无新基因基因基因产生的蛋白质产生的蛋白质原有的原有的新的新的联系联系蛋白质工程以基因工程为基础，蛋白质工程以基因工程为基础，是基因工程的应用和延伸是基因工程的应用和延伸四、蛋白质工程的进展和前景四、蛋白质工程的进展和前景1 1、科学家通过对胰岛素的改造，已使其成、科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效型药品。为速效型药品。2 2、生物和材料科学家正积极探索将蛋白质、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。工程应用于微电子方面。3 3、蛋白质工程目前成功的例子不多蛋白质工程目前成功的例子不多, ,原因是原因是对蛋白质的高级结构了解不够对蛋白质的高级结构了解不够。但随着科学但随着科学技术的深入发展，它将会给人类带来更多的技术的深入发展，它将会给人类带来更多的福音。福音。1 1、科学家将、科学家将B-B-干扰素基因进行定点突变导人大肠杆干扰素基因进行定点突变导人大肠杆菌表达，使干扰素第十七位的半胱氨酸，改变成丝氨菌表达，使干扰素第十七位的半胱氨酸，改变成丝氨酸，结果大大提高了酸，结果大大提高了B-B-干扰素的抗病活性，并且提高干扰素的抗病活性，并且提高了储存稳定性。该生物技术为了储存稳定性。该生物技术为( )( )A A基因工程基因工程 B B蛋白质工程蛋白质工程 C C基因突变基因突变 D D细胞工程细胞工程B2 2、蛋白质工程的基本流程是、蛋白质工程的基本流程是( )( )蛋白质分子结构设计蛋白质分子结构设计 DNADNA合成合成 预期蛋白质功能预期蛋白质功能 据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列A A B BC CD DC3.3.枯草杆菌产生的蛋白酶具有催化分解蛋白质的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。特性，但极易被氧化而失效。19851985年，美国的埃年，美国的埃斯特尔将枯草杆菌蛋白酶分子中的第斯特尔将枯草杆菌蛋白酶分子中的第222222位氨基酸位氨基酸替换后，虽然其水解活性有所下降，但抗氧化能替换后，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，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。可以有效地除去血渍、奶渍等蛋白质污渍。（1 1）改造枯草杆菌蛋白酶的生物技术是）改造枯草杆菌蛋白酶的生物技术是 。（2 2）改造后的枯草杆菌中的控制合成蛋白酶的基）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，至少有因与原来相比，至少有 个碱基对发生变化。个碱基对发生变化。（3 3）利用生物技术改造蛋白质，是提高了蛋白质）利用生物技术改造蛋白质，是提高了蛋白质的的 性，埃斯特尔所作的工作是对已知性，埃斯特尔所作的工作是对已知蛋白质进行蛋白质进行 。蛋白质工程蛋白质工程1稳定稳定少数氨基酸的替换少数氨基酸的替换4 4、随着科学技术的发展，化学农药的产量和品种逐、随着科学技术的发展，化学农药的产量和品种逐年增加。但害虫的抗药性也不断增强，对农作物危害年增加。但害虫的抗药性也不断增强，对农作物危害仍然很严重。如近年来，棉铃虫在我国大面积暴发成仍然很严重。如近年来，棉铃虫在我国大面积暴发成灾，造成经济损失每年达灾，造成经济损失每年达100100亿以上。针对这种情况，亿以上。针对这种情况，江苏农科院开展江苏农科院开展“转基因抗虫棉转基因抗虫棉”的科技攻关研究，的科技攻关研究，成功地将某种细菌产生抗虫毒蛋白的抗虫基因导人棉成功地将某种细菌产生抗虫毒蛋白的抗虫基因导人棉花细胞中，得到的棉花新品种对棉铃虫的毒杀效果高花细胞中，得到的棉花新品种对棉铃虫的毒杀效果高达达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)抗虫基因之所以能导入植物体内，原因是抗虫基因之所以能导入植物体内，原因是。(2)(2)“转基因抗虫棉转基因抗虫棉”具有抗害虫的能力，这表明棉具有抗害虫的能力，这表明棉花体内产生了抗虫的花体内产生了抗虫的物质。这个事实说物质。这个事实说明，害虫和植物共用一套明，害虫和植物共用一套，蛋白质合，蛋白质合成的方式是成的方式是的。的。细菌与棉花的细菌与棉花的DNA组成，结构相同组成，结构相同毒蛋白毒蛋白密码子密码子相同相同 (3)(3)“转基因抗虫棉转基因抗虫棉”抗害虫的遗传信息传递过程可抗害虫的遗传信息传递过程可表示为表示为。(4)(4)该项科技成果在环境保护上的作用是该项科技成果在环境保护上的作用是(5)(5)科学家预言，此种科学家预言，此种“转基因抗虫棉转基因抗虫棉”独立种植若独立种植若干代以后，也将出现不抗虫的植株，此现象来源于干代以后，也将出现不抗虫的植株，此现象来源于(6)(6)基因工程技术已在多方面得到应用，请各举一例基因工程技术已在多方面得到应用，请各举一例说明该技术的应用可能带来的正负面影响。说明该技术的应用可能带来的正负面影响。减少农药对环境的污染，保护生态环境或生态平衡减少农药对环境的污染，保护生态环境或生态平衡基因突变基因突变 正面：基因治疗和诊断，转基因动植物与农牧业、环正面：基因治疗和诊断，转基因动植物与农牧业、环境监测、净化污染、生物制药等境监测、净化污染、生物制药等 负面：重组的基因可能使生物发生突变，生态遭受破负面：重组的基因可能使生物发生突变，生态遭受破坏，滥用基因工程制造生物武器、重组基因的生物可能坏，滥用基因工程制造生物武器、重组基因的生物可能产生一些难以预测的危害等。产生一些难以预测的危害等。