生物：13《蛋白質工程》課件（中圖版選修3）

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1、 回憶：如果想讓某一個生物的性狀在另外一個生物的身上表達，常用的方法有哪些？雜交育種（同種生物）雜交育種（同種生物）基因工程（種間生物）基因工程（種間生物）基因工程的實質基因工程的實質： 將一種生物的將一種生物的 轉移到轉移到另一種生物體內，后者產(chǎn)生它本不另一種生物體內，后者產(chǎn)生它本不能產(chǎn)的能產(chǎn)的 ，進而表現(xiàn)，進而表現(xiàn)出出 ?；蚧虻鞍踪|蛋白質新的性狀新的性狀回顧基因工程成果豐碩回顧基因工程成果豐碩 植物方面植物方面 提高植物的抗蟲、抗病、抗逆性提高植物的抗蟲、抗病、抗逆性 改良植物的品質改良植物的品質 動物方面動物方面 提高動物生長速度提高動物生長速度 改善畜產(chǎn)品的品質改善畜產(chǎn)品的品質 用

2、轉基因動物生產(chǎn)藥物用轉基因動物生產(chǎn)藥物 用轉基因動物作器官移植的供體用轉基因動物作器官移植的供體 研制藥物研制藥物 基因治療基因治療 基因工程在原則上只能生產(chǎn)基因工程在原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質。自然界已存在的蛋白質。 這些蛋白質的這些蛋白質的結構和功能結構和功能符合符合特定物種特定物種生存的需要，卻不一定完生存的需要，卻不一定完全符合全符合人類生產(chǎn)和生活人類生產(chǎn)和生活的需要。的需要。 基因工程的局限性：基因工程的局限性： 在已研究過的幾千種酶中，只有極少數(shù)可在已研究過的幾千種酶中，只有極少數(shù)可以應用于工業(yè)生產(chǎn)，絕大多數(shù)酶都不能應以應用于工業(yè)生產(chǎn)，絕大多數(shù)酶都不能應用于工業(yè)生產(chǎn)，這些酶

3、雖然在自然狀態(tài)下用于工業(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)中沒有活性或活性有活性，但在工業(yè)生產(chǎn)中沒有活性或活性很低。很低。這是因為工業(yè)生產(chǎn)中每一步的反應體系中常這是因為工業(yè)生產(chǎn)中每一步的反應體系中常常會有酸、堿或有機溶劑存在，反應溫度較常會有酸、堿或有機溶劑存在，反應溫度較高，在這種條件下，大多數(shù)酶會很快變性失高，在這種條件下，大多數(shù)酶會很快變性失活?；?。例如：干擾素是由動物體內的效應干擾素是由動物體內的效應T T細胞細胞產(chǎn)生的一種糖蛋白，幾乎能抵抗所產(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。但癌癥方面也

4、有十分可觀的療效。但是，干擾素在體外保存相當困難。是，干擾素在體外保存相當困難。o玉米中賴氨酸的含量比較低。玉米中賴氨酸的含量比較低。賴氨酸的合成機理：賴氨酸的合成機理：天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶二氫吡啶二羧酸合成酶二氫吡啶二羧酸合成酶前體物質前體物質賴氨酸賴氨酸負反饋調節(jié)負反饋調節(jié)天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶（352位的蘇氨酸）位的蘇氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶二氫吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）位的天冬酰胺）改造改造天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶（異亮氨酸）（異亮氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶二氫吡啶二羧酸合成酶（異亮氨酸）（異亮氨酸）玉米中賴氨酸含量可提高數(shù)倍玉米中賴氨酸含量可提高數(shù)倍一、蛋白質工程

5、的崛起一、蛋白質工程的崛起 蛋白質工程的目的：生產(chǎn)符合人蛋白質工程的目的：生產(chǎn)符合人們生活需要的、并非自然界已存在的們生活需要的、并非自然界已存在的_。蛋白質蛋白質 蛋白質工程是指以蛋白質工程是指以蛋白質分子的結構蛋白質分子的結構規(guī)律規(guī)律及其與生物功能的關系作為基礎，通過基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(xiàn)有蛋白質進行因修飾或基因合成，對現(xiàn)有蛋白質進行改改造或制造一種新造或制造一種新的蛋白質，以滿足人類對的蛋白質，以滿足人類對生產(chǎn)和生活的需求。生產(chǎn)和生活的需求。前提前提：了解蛋白質的結構和功能了解蛋白質的結構和功能原理原理：改造基因（基因修飾或基因合成）改造基因（基因修

6、飾或基因合成）目的：目的： 定向改造或制造蛋白質定向改造或制造蛋白質2、蛋白質工程的概念、蛋白質工程的概念二、蛋白質工程的基本原理二、蛋白質工程的基本原理1、基因工程的基本原理中心法則告訴我們遺傳信息的流動方向如圖中心法則告訴我們遺傳信息的流動方向如圖 ：結論結論：蛋白質的功能是由蛋白質的蛋白質的功能是由蛋白質的_決定的，蛋白質決定的，蛋白質的結構是由的結構是由_決定的決定的。結構結構DNA（基因）（基因） 2原理：原理：_。中心法則的逆推中心法則的逆推 對天然蛋白質進行改造，你認為對天然蛋白質進行改造，你認為應該直接對應該直接對蛋白質分子蛋白質分子進行操作，還進行操作，還是通過對是通過對基因

7、基因的操作來實現(xiàn)？的操作來實現(xiàn)？3.目標：根據(jù)人們對目標：根據(jù)人們對_的特定的特定 需求對需求對_進行分子設計。進行分子設計。蛋白質功能蛋白質功能蛋白質的結構蛋白質的結構4、蛋白質工程的基本途徑、蛋白質工程的基本途徑預期的蛋白質功能預期的蛋白質功能設計預期的蛋白質結構設計預期的蛋白質結構推測應有的氨基酸序列推測應有的氨基酸序列找到相對應的脫氧核苷酸序列找到相對應的脫氧核苷酸序列（基因）（基因）討論：討論： 某多肽鏈的一段氨基酸序列是：某多肽鏈的一段氨基酸序列是：- -丙氨酸丙氨酸- -色氨酸色氨酸- -賴氨酸賴氨酸- -甲硫氨酸甲硫氨酸- -苯丙氨酸苯丙氨酸- -丙氨酸：丙氨酸：GCU、GCC

8、、GCA、GCG 色氨酸：色氨酸：UGG 賴氨酸：賴氨酸：AAA、AAG 甲硫氨酸：甲硫氨酸：AUG 苯丙氨酸：苯丙氨酸：UUU、UUC （1 1）怎樣得出）怎樣得出決定這一段肽鏈決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序的脫氧核苷酸序列？請把相應的列？請把相應的堿基序列寫出來。堿基序列寫出來。（2 2） 確定目的基因的堿基確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改序列后，怎樣才能合成或改造目的基因（造目的基因（DNADNA）？）？ 可以通過可以通過人工合成人工合成的方法的方法獲取或獲取或基因的定點誘變技術基因的定點誘變技術來來改變。改變。 基因會發(fā)生突變，突變可以自發(fā)，也可以誘發(fā)，這是每個稍基因會發(fā)生突變

9、，突變可以自發(fā)，也可以誘發(fā)，這是每個稍有生物學知識的人都知道的常識。但在加拿大生物化學家有生物學知識的人都知道的常識。但在加拿大生物化學家M M史密史密斯（斯（1932193220002000）發(fā)明）發(fā)明定點突變法定點突變法之前，突變株的產(chǎn)生必須經(jīng)由之前，突變株的產(chǎn)生必須經(jīng)由自然界或用化學等方法誘使基因體突變。這類方法屬于自然界或用化學等方法誘使基因體突變。這類方法屬于隨機突變隨機突變，突變株必須在生物性狀上有所改變，才能確定有突變發(fā)生，但除突變株必須在生物性狀上有所改變，才能確定有突變發(fā)生，但除非用分子生物方法或遺傳方法找到此突變處，否則無法確定突變非用分子生物方法或遺傳方法找到此突變處，否

10、則無法確定突變位置。也就是說，位置。也就是說，這種突變是盲目的這種突變是盲目的。而史密斯發(fā)明的定點突變而史密斯發(fā)明的定點突變法卻是有目的的法卻是有目的的，該法可，該法可經(jīng)由設計好的寡核苷酸，在任何一個基經(jīng)由設計好的寡核苷酸，在任何一個基因片段上進行隨意或設計好的突變因片段上進行隨意或設計好的突變，也就是說，這種突變是預先，也就是說，這種突變是預先設定好的，所以也有人將該法稱為設定好的，所以也有人將該法稱為“反遺傳法反遺傳法”。有意思的是這一給生命科學研究及應用領域帶來革命性突破有意思的是這一給生命科學研究及應用領域帶來革命性突破的方法竟然是史密斯和其同事在喝咖啡時閑聊出來的。現(xiàn)在，幾的方法竟然

11、是史密斯和其同事在喝咖啡時閑聊出來的?，F(xiàn)在，幾乎每個生物實驗室都會用定點突變法來研究基因或蛋白質的功能。乎每個生物實驗室都會用定點突變法來研究基因或蛋白質的功能。基因定點誘變技術的常用方法是基因定點誘變技術的常用方法是PCR法。法。突變點：突變點： 人工合成的引物上人工合成的引物上手段：手段：PCRPCR技術技術目的：目的：獲得定點突變的基因獲得定點突變的基因小結 基因定點誘變技術 項目內容原料酶引物能量操作方法結果適用范圍4種游離的脫氧核苷酸種游離的脫氧核苷酸DNA聚合酶聚合酶和和DNA連接酶連接酶含突變順序的含突變順序的DNA分子片段分子片段 ATP PCR技術技術后代中有后代中有半數(shù)半數(shù)

12、為誘變的為誘變的DNA分子分子空間結構完全清楚空間結構完全清楚的蛋白質的蛋白質1、蛋白質工程的進展：（1）對胰島素的改造胰島素的改造 天然胰島素制劑在儲存中易形成二聚體和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入血液，從六聚體，延緩胰島素從注射部位進入血液，從而延緩了其降血糖作用，也增加了抗原性，這而延緩了其降血糖作用，也增加了抗原性，這是胰島素是胰島素B23-B28B23-B28氨基酸殘基結構所致。利用氨基酸殘基結構所致。利用蛋白質工程技術改變這些殘基，則可降低其聚蛋白質工程技術改變這些殘基，則可降低其聚合作用，使胰島素快速起作用。該合作用，使胰島素快速起作用。該速

13、效胰島素速效胰島素已通過臨床實驗。已通過臨床實驗。（2）對水蛭素的改造）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，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，由它有多種變異體，由65或或66個氨基酸殘基組成。水個氨基酸殘基組成。水蛭素在臨床上可作為抗栓藥物用于治療血栓疾病。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，在綜合各變異體結構特點的基為提高水蛭素活性，在綜合各變異體結構特點的基礎上提出改造水蛭素主要變異體礎上提出改造水蛭素主要變異體HV2的設計方案，的設計方案，將將47位的位的Asn（天冬酰胺）變成（天冬酰胺）變成Lys（賴氨酸），（賴氨

14、酸），使其與分子內第使其與分子內第4或第或第5位位Thr（蘇氨酸）間形成氫（蘇氨酸）間形成氫鍵來幫助水蛭素鍵來幫助水蛭素N端肽鏈的正確取向，從而提高抗端肽鏈的正確取向，從而提高抗凝血效率，試管試驗活性提高凝血效率，試管試驗活性提高4倍，在動物模型上倍，在動物模型上檢驗抗血栓形成的效果，提高檢驗抗血栓形成的效果，提高20倍。倍。（3）對生長激素的改造生長激素的改造 生長激素通過對它特異受體的作用促進細胞和機體的生長激素通過對它特異受體的作用促進細胞和機體的生長發(fā)育，然而它不僅可以結合生長發(fā)育，然而它不僅可以結合生長激素受體生長激素受體，還可以結，還可以結合許多種不同類型細胞的合許多種不同類型細胞

15、的催乳激素受體催乳激素受體，引發(fā)其他生理過，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合，盡可能減少與其他激素受體的結只與生長激素受體結合，盡可能減少與其他激素受體的結合。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，二者受體結合區(qū)有一部分重疊，但并不合。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，二者受體結合區(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合需要鋅離子參與作用，而它與生長激和催乳激素受體結合需要鋅離子參與作用，而它與生長激素受體結合則無需鋅離子參與，于是考慮取代充

16、當鋅離子素受體結合則無需鋅離子參與，于是考慮取代充當鋅離子配基的氨基酸側鏈，如第配基的氨基酸側鏈，如第18和第和第21位位His（組氨酸）和第（組氨酸）和第17位位Glu（谷氨酸）。實驗結果與預先設想一致，但要開發(fā)（谷氨酸）。實驗結果與預先設想一致，但要開發(fā)作為臨床用藥還有大量的工作要做。作為臨床用藥還有大量的工作要做。（4）應用于微電子方面 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。用蛋白質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。2、蛋白質工程的現(xiàn)狀 蛋白質工程目前的現(xiàn)狀：蛋白質工程目前的現(xiàn)狀：成功的成功的例子不多，例子不多，主要是因

17、為蛋白質發(fā)揮其主要是因為蛋白質發(fā)揮其功能需要依賴于正確的高級結構，而功能需要依賴于正確的高級結構，而科學家目前對大多數(shù)蛋白質的高級結科學家目前對大多數(shù)蛋白質的高級結構了解很少，構了解很少，要設計出更加符合人類要設計出更加符合人類需要的蛋白質還需要經(jīng)過艱辛的探索。需要的蛋白質還需要經(jīng)過艱辛的探索?；蚬こ袒蚬こ痰鞍踪|工程蛋白質工程相同點相同點都要改造基因，都屬于分子水平都要改造基因，都屬于分子水平產(chǎn)生新的產(chǎn)生新的基因型，無新基因基因型，無新基因基因（型）基因（型）產(chǎn)生的蛋白質產(chǎn)生的蛋白質原有的原有的新的新的聯(lián)系聯(lián)系蛋白質工程以基因工程為基礎，蛋白質工程以基因工程為基礎，是基因工程的應用和延伸是

18、基因工程的應用和延伸四、比較基因工程和蛋白質工程四、比較基因工程和蛋白質工程跟蹤訓練跟蹤訓練1.(2011年姜堰高二檢測年姜堰高二檢測)運用某生物工運用某生物工程技術將毒性肽融合進入抗體分子，制造出程技術將毒性肽融合進入抗體分子，制造出“導彈導彈藥物藥物”，它可自動瞄準和攻擊體內的靶組織或靶細，它可自動瞄準和攻擊體內的靶組織或靶細胞胞(如癌細胞如癌細胞)。此技術是。此技術是()A基因工程基因工程B細胞工程細胞工程C蛋白質工程蛋白質工程 D胚胎工程胚胎工程答案：答案：C2.關于基因工程和蛋白質工程的說法正確的關于基因工程和蛋白質工程的說法正確的是（是（ ） A都是分子水平上的操作都是分子水平上的

19、操作B基因工程基因工程就是改造基因的分子結構就是改造基因的分子結構 C蛋白質工程就是改造蛋白質的分子結構蛋白質工程就是改造蛋白質的分子結構 D基因工程能產(chǎn)生自然界根本不存在的基基因工程能產(chǎn)生自然界根本不存在的基因，蛋白質工程能產(chǎn)生自然界根本不存在因，蛋白質工程能產(chǎn)生自然界根本不存在的蛋白質的蛋白質A基因定點誘變技術基因定點誘變技術3.蛋白質工程的基本流程正確的是（蛋白質工程的基本流程正確的是（ ） 蛋白質分子結構設計蛋白質分子結構設計 DNA合成合成 預期蛋白質功能預期蛋白質功能 據(jù)氨基酸序列推出脫氧據(jù)氨基酸序列推出脫氧核苷酸序列核苷酸序列 A. B. C. D.C 4.4.枯草桿菌產(chǎn)生的蛋白

20、酶具有催化分解蛋白質的特枯草桿菌產(chǎn)生的蛋白酶具有催化分解蛋白質的特性，但極易被氧化而失效。性，但極易被氧化而失效。19851985年，美國的埃斯年，美國的埃斯特爾將枯草桿菌蛋白酶分子中的第特爾將枯草桿菌蛋白酶分子中的第222222位氨基酸替位氨基酸替換后，雖然其水解活性有所下降，但抗氧化能力換后，雖然其水解活性有所下降，但抗氧化能力大大提高。用這種水解酶作為洗滌劑的添加劑，大大提高。用這種水解酶作為洗滌劑的添加劑，可以有效地除去血漬、奶漬等蛋白質污漬。可以有效地除去血漬、奶漬等蛋白質污漬。 （1 1）改造枯草桿菌蛋白酶的生物技術）改造枯草桿菌蛋白酶的生物技術是是 。 （2 2）改造后的枯草桿菌中的控制合成蛋白酶的基）改造后的枯草桿菌中的控制合成蛋白酶的基因與原來相比，至少有因與原來相比，至少有 個堿基對發(fā)生變化。個堿基對發(fā)生變化。 （3 3）利用生物技術改造蛋白質，是提高了蛋白質）利用生物技術改造蛋白質，是提高了蛋白質的的 性，埃斯特爾所作的工作是對已知性，埃斯特爾所作的工作是對已知蛋白質進行蛋白質進行 。蛋白質工程蛋白質工程1穩(wěn)定穩(wěn)定少數(shù)氨基酸的替換少數(shù)氨基酸的替換