蛋白质工程的崛起蛋白质工程的崛起1、基因工程的应用、基因工程的应用（1）基因工程的实质：将一种生物的）基因工程的实质：将一种生物的 转移到另转移到另一种生物体内，使后者产生本不能产生的一种生物体内，使后者产生本不能产生的 ，进而表现出新的进而表现出新的 。（2）基因工程的不足：在原则上只能生产自然界已存）基因工程的不足：在原则上只能生产自然界已存在的在的 。2、天然蛋白质的不足、天然蛋白质的不足 天然蛋白质是生物在长期天然蛋白质是生物在长期 过程中形成的，过程中形成的，它们的它们的 符合符合特定物种特定物种 的需要，却不的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。一定完全符合人类生产和生活的需要。3、蛋白质工程的目的、蛋白质工程的目的 生产符合人类生产和生活需要的生产符合人类生产和生活需要的 。一、蛋白质工程崛起的缘由一、蛋白质工程崛起的缘由基因基因蛋白质蛋白质性状性状蛋白质蛋白质进化进化结构和功能结构和功能生存生存蛋白质蛋白质例如：例如：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玉米中赖氨酸含量比较低含量比较低天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶（352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（104位的天冬酰胺）位的天冬酰胺）改造改造改造改造天冬氨酸激酶（异亮氨酸）天冬氨酸激酶（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）玉米中赖氨酸含量玉米中赖氨酸含量可提高数倍可提高数倍二、蛋白质工程的基本原理二、蛋白质工程的基本原理1、目标：根据人们对、目标：根据人们对 功能的特定需功能的特定需求，对蛋白质的求，对蛋白质的 进行分子设计。进行分子设计。2、原理：改造基因（基因、原理：改造基因（基因 或基因或基因 ） 。蛋白质蛋白质结构结构修饰修饰合成合成基因基因DNA氨基酸序氨基酸序列多肽链列多肽链蛋白质蛋白质三维结构三维结构预期功能预期功能生物功能生物功能mRNA转转录录翻翻译译折叠折叠DNA合成合成分子设计分子设计中心法则中心法则蛋白质工程蛋白质工程3、流程：、流程： 预期蛋白质功能预期蛋白质功能设计 推推测应有的有的 序列序列找到找到对应的的 序序列列(基因基因)。预期的蛋白质结构预期的蛋白质结构氨基酸氨基酸脱氧核苷酸脱氧核苷酸讨论：讨论：1、怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？、怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？ 请把相应的碱基序列写出来。请把相应的碱基序列写出来。 某多肽链的一段氨基酸序列是：某多肽链的一段氨基酸序列是：-丙氨酸丙氨酸-色氨酸色氨酸-赖氨酸赖氨酸-甲硫氨酸甲硫氨酸-苯丙氨酸苯丙氨酸-丙氨酸：丙氨酸：GCU、GCC、GCA、GCG 色氨酸：色氨酸：UGG 赖氨酸：赖氨酸：AAA、AAG 甲硫氨酸：甲硫氨酸：AUG 苯丙氨酸：苯丙氨酸：UUU、UUC 基因定点诱变技术基因定点诱变技术:常用方法是常用方法是PCR法法突变点：突变点：人工合成的引物上人工合成的引物上手段：手段：PCRPCR技术（定点突变试剂盒）技术（定点突变试剂盒）目的：目的：获得定点突变的基因获得定点突变的基因2、确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合、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（成或改造目的基因（DNA）？）？ 可以通过人工合成的方法获取或基因的可以通过人工合成的方法获取或基因的定点诱变技术来改变。定点诱变技术来改变。 基因会发生突变，突变可以自发，也可以诱发，这是每基因会发生突变，突变可以自发，也可以诱发，这是每个稍有生物学知识的人都知道的常识。但在加拿大生物化学个稍有生物学知识的人都知道的常识。但在加拿大生物化学家家M史密斯（史密斯（19322000）发明定点突变法之前，突变株的）发明定点突变法之前，突变株的产生必须经由自然界或用化学等方法诱使基因体突变。这类产生必须经由自然界或用化学等方法诱使基因体突变。这类方法属于随机突变，突变株必须在生物性状上有所改变，才方法属于随机突变，突变株必须在生物性状上有所改变，才能确定有突变发生，除非用分子生物方法或遗传方法找到此能确定有突变发生，除非用分子生物方法或遗传方法找到此突变处，否则无法确定突变位置。也就是说，突变处，否则无法确定突变位置。也就是说，这种突变是盲这种突变是盲目的目的。而史密斯发明的。而史密斯发明的定点突变法定点突变法却是却是有目的的有目的的，该法可经该法可经由设计好的寡核苷酸，在任何一个基因片段上进行随意或设由设计好的寡核苷酸，在任何一个基因片段上进行随意或设计好的突变，也就是说，这种突变是预先设定好的，所以也计好的突变，也就是说，这种突变是预先设定好的，所以也有人将该法称为有人将该法称为“反遗传法反遗传法”。有意思的是这一给生命科学研究及应用领域带来革命性有意思的是这一给生命科学研究及应用领域带来革命性突破的方法竟然是史密斯和其同事在喝咖啡时闲聊出来的。突破的方法竟然是史密斯和其同事在喝咖啡时闲聊出来的。现在，几乎每个生物实验室都会用定点突变法来研究基因或现在，几乎每个生物实验室都会用定点突变法来研究基因或蛋白质的功能。蛋白质的功能。蛋白质工程的主要步骤通常包括：蛋白质工程的主要步骤通常包括：蛋白质工程的主要步骤通常包括：蛋白质工程的主要步骤通常包括：（1）从生物体中）从生物体中分离纯化分离纯化目的目的蛋白蛋白；（2）测定测定其氨基酸其氨基酸序列序列；（3）借借助助核核磁磁共共振振和和X射射线线晶晶体体衍衍射射等等手手段段，尽尽可可能能地地了解了解蛋白质的二维重组和三维晶体蛋白质的二维重组和三维晶体结构结构;（4）设设计计各各种种处处理理条条件件，了了解解蛋蛋白白质质的的结结构构变变化化， 包括折叠与去折叠等包括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响对其活性与功能的影响；（5）设计设计编码该蛋白的编码该蛋白的基因改造方案基因改造方案，如点突变；，如点突变；（6）将将改改造造好好的的基基因因导导入入到到生生物物体体表表达达，分分离离、纯纯化新蛋白化新蛋白，功能检测功能检测后投入实际使用。后投入实际使用。蛋白质工程的概念蛋白质工程的概念n蛋白质工程蛋白质工程是指以是指以蛋白质分子的蛋白质分子的结构规律结构规律及其与及其与生物功能生物功能的关系的关系作为基础，通过作为基础，通过基因修饰基因修饰或或基因基因合成合成，对，对现有现有蛋白质进行改造，或制造一种蛋白质进行改造，或制造一种新新的的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。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(实质实质)：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项目项目基因工程基因工程蛋白质工程蛋白质工程操作起点操作起点操作核心操作核心过程过程目标目标结果结果联系联系目的基因目的基因 预期的蛋白质功能预期的蛋白质功能 构建基因表达载体构建基因表达载体基因基因获取目的基因获取目的基因构建表达构建表达载体体导入受体细胞导入受体细胞目的基因的检测与表达目的基因的检测与表达预期蛋白质功能预期蛋白质功能设计蛋白蛋白质结构构推测氨基酸序列推测氨基酸序列推测核苷酸序列推测核苷酸序列合成合成DNA 表达出蛋白质表达出蛋白质定向改造生物的遗传特定向改造生物的遗传特性，获得人类所需的生性，获得人类所需的生物类型或生物产品物类型或生物产品定向定向改造或生产改造或生产人人类所需的蛋白质类所需的蛋白质生产自然界中已有的蛋白质生产自然界中已有的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,延伸出来的第二延伸出来的第二代基因工程代基因工程。因为对现有蛋白质的改造或制造新的。因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质，必须通过基因的修饰或基因的合成。蛋白质，必须通过基因的修饰或基因的合成。生产自然界没有的蛋白质生产自然界没有的蛋白质三、蛋白质工程的进展和前景三、蛋白质工程的进展和前景1、前景诱人：如用此技术制成的、前景诱人：如用此技术制成的 ，具有具有 、耗电少和、耗电少和 的特点。的特点。2、难度很大：主要是目前科学家对大多数蛋白、难度很大：主要是目前科学家对大多数蛋白质的质的 的了解还很不够。的了解还很不够。电子元件电子元件体积小体积小效率高效率高高级结构高级结构胰岛素改造胰岛素改造 天然胰岛素天然胰岛素制剂在储存中易形成制剂在储存中易形成二聚体二聚体和六聚体和六聚体，延缓胰岛素从注射部位进入血液，延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了其降血糖作用，这是胰岛素从而延缓了其降血糖作用，这是胰岛素B23-B23-B28B28氨基酸残基结构所致。利用蛋白质工程技氨基酸残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基，则可降低其聚合作用，使术改变这些残基，则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速效胰岛素已通过临胰岛素快速起作用。该速效胰岛素已通过临床实验。床实验。1 关于生物体内存在的天然蛋白质，下列说法关于生物体内存在的天然蛋白质，下列说法不正确的是（不正确的是（ ）A是生物在长期进化过程中形成的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构成天然蛋白质的氨基酸目前发现的有20种种D一定完全符合人类生产和生活的需要一定完全符合人类生产和生活的需要练习检测练习检测D练习检测练习检测2蛋蛋白白质质工工程程中中直直接接需需要要进进行行操操作作的的对对象象是是（） 氨基酸结构氨基酸结构 B蛋白质空间结构蛋白质空间结构 C肽链结构肽链结构 D基因结构基因结构 练习检测练习检测n3下列关于蛋白质工程的说法错误的是（）下列关于蛋白质工程的说法错误的是（）nA蛋蛋白白质质工工程程能能定定向向改改造造蛋蛋白白质质分分子子的的结结构构，使使之之更更加加符合人类的需要符合人类的需要nB蛋蛋白白质质工工程程是是在在分分子子水水平平上上对对蛋蛋白白质质分分子子直直接接进进行行操操作，定向改变分子的结构作，定向改变分子的结构nC蛋蛋白白质质工工程程能能产产生生出出自自然然界界中中不不曾曾存存在在过过的的新新型型蛋蛋白白质分子质分子nD蛋蛋白白质质工工程程与与基基因因工工程程密密不不可可分分，又又被被称称为为第第二二代代基基因工程因工程练习检测练习检测n4 4、以下关于蛋白质工程的说法正确的是（）、以下关于蛋白质工程的说法正确的是（）nA A、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nB B、蛋白质工程就是酶工程的延伸、蛋白质工程就是酶工程的延伸nC C、蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造、蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造nD D、蛋白质工程只能生产天然的蛋白质、蛋白质工程只能生产天然的蛋白质 练习检测练习检测5 5、蛋白质工程的基本流程正确的是（）、蛋白质工程的基本流程正确的是（）蛋白质分子结构设计蛋白质分子结构设计DNA合成合成 预期蛋白质功能预期蛋白质功能根据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列根据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列 A B C D练习检测练习检测n6 6、蛋蛋白白质质工工程程是是在在基基因因工工程程基基础础上上，延延伸伸出出来来的的第第二二代代基基因因工工程程，其其结结果果产产生生的的蛋蛋白白质质是是（ ）nA氨基酸种类增多氨基酸种类增多 nB氨基酸种类减少氨基酸种类减少nC仍为天然存在蛋白质仍为天然存在蛋白质 nD可合成天然不存在蛋白质可合成天然不存在蛋白质7、关于蛋白质工程的进展和应用，下列说法、关于蛋白质工程的进展和应用，下列说法不正确的是（不正确的是（ ）A科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效药品速效药品B生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工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，目前正被蛋白质工程技术已经非常成熟，目前正被大力推广应用大力推广应用D蛋白质工程是一项难度很大的工程，目前蛋白质工程是一项难度很大的工程，目前成功的例子不多成功的例子不多练习检测练习检测C8、T4溶菌酶的稳定性大大提高的根本原因是溶菌酶的稳定性大大提高的根本原因是（ ）A控制控制T4溶菌酶合成的基因的一个位点发生溶菌酶合成的基因的一个位点发生突变突变B控制控制T4溶菌酶合成的溶菌酶合成的mRNA上的密码子发上的密码子发生变化生变化CT4溶菌酶中一个氨基酸发生了替换溶菌酶中一个氨基酸发生了替换DT4溶菌酶中的第溶菌酶中的第3位氨基酸由异亮氨酸变位氨基酸由异亮氨酸变为半胱氨酸为半胱氨酸练习检测练习检测A9、下列不属于蛋白质工程成果的是（、下列不属于蛋白质工程成果的是（ ）A改造酶的结构，提高酶的热稳定性改造酶的结构，提高酶的热稳定性B生产出鼠生产出鼠人嵌合抗体人嵌合抗体C将将tPA分子中的天门冬酰胺替换为谷氨分子中的天门冬酰胺替换为谷氨酰胺酰胺D蛋白质酶洗衣粉容易洗掉或除奶渍、血渍蛋白质酶洗衣粉容易洗掉或除奶渍、血渍练习检测练习检测D