生物：1.4《蛋白质工程的崛起》课件(新人教版选修3).ppt

1、19651965年，生物科学界发生了一件轰年，生物科学界发生了一件轰动全球的大事！动全球的大事！人工合成了结晶牛胰岛素，这是第人工合成了结晶牛胰岛素，这是第一个在实验室中用人工方法合成的一个在实验室中用人工方法合成的蛋白质蛋白质,实现了世界上首次人工合成实现了世界上首次人工合成蛋白质的壮举。蛋白质的壮举。复习回顾复习回顾1、蛋白质的基本结构单位？元素组成？、蛋白质的基本结构单位？元素组成？2、蛋白质结构多样的原因？、蛋白质结构多样的原因？3、蛋白质有哪些功能？、蛋白质有哪些功能？4、蛋白质如何合成？涉及哪些细胞器？、蛋白质如何合成？涉及哪些细胞器？一、蛋白质工程崛起的缘由一、蛋白质工程崛起的缘

2、由二、蛋白质工程的基本原理二、蛋白质工程的基本原理三、蛋白质工程的进展和前景三、蛋白质工程的进展和前景思考：如果想让某一个生物的性状思考：如果想让某一个生物的性状在另外一个生物的身上表达，常用在另外一个生物的身上表达，常用的方法有哪些？的方法有哪些？1、在种内可以用什么方法？、在种内可以用什么方法？杂交育种杂交育种 2、在种间可以用什么方法？、在种间可以用什么方法？基因工程育种基因工程育种 一、蛋白质工程崛起的缘由一、蛋白质工程崛起的缘由基因工程的实质基因工程的实质：将一种生物的将一种生物的 转移到另转移到另一种生物体内，后者产生它本不能一种生物体内，后者产生它本不能产的产的 ，进而表现出，进

3、而表现出 。基因基因蛋白质蛋白质新的性状新的性状试回顾总结基因工程的丰硕成果试回顾总结基因工程的丰硕成果植物方面植物方面提高植物的抗虫、抗病、抗逆性提高植物的抗虫、抗病、抗逆性提高植物的抗虫、抗病、抗逆性提高植物的抗虫、抗病、抗逆性改良植物的品质改良植物的品质改良植物的品质改良植物的品质动物方面动物方面提高动物生长速度提高动物生长速度提高动物生长速度提高动物生长速度改善畜产品的品质改善畜产品的品质改善畜产品的品质改善畜产品的品质用转基因动物生产药物用转基因动物生产药物用转基因动物生产药物用转基因动物生产药物用转基因动物作器官移植的供体用转基因动物作器官移植的供体用转基因动物作器官移植的供体用转

4、基因动物作器官移植的供体研制药物研制药物基因治疗基因治疗 基因工程在原则上只能生产自基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。然界已存在的蛋白质。这些蛋白质是生物在长期的进这些蛋白质是生物在长期的进化中形成的，他们的化中形成的，他们的结构和功能结构和功能符符合合特定物种特定物种生存的需要，却不一定生存的需要，却不一定完全符合完全符合人类生产和生活人类生产和生活的需要。的需要。基因工程的局限性：基因工程的局限性：例如：例如：n干扰素是由动物体内的效应干扰素是由动物体内的效应T T细胞细胞产生的一种糖蛋白，几乎能抵抗所产生的一种糖蛋白，几乎能抵抗所有病毒引起的感染。同时，在治疗有病毒引起的感染

5、。同时，在治疗癌症方面也有十分可观的疗效。但癌症方面也有十分可观的疗效。但是，干扰素在体外保存相当困难。是，干扰素在体外保存相当困难。如果将其分子上的一个如果将其分子上的一个半胱氨半胱氨酸酸变成变成丝氨酸丝氨酸，在，在-70oC的条件下，的条件下，可以保存可以保存半年半年。n玉米中赖氨酸的含量比较低。玉米中赖氨酸的含量比较低。赖氨酸的合成机理：赖氨酸的合成机理：天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶二氢吡啶二羧酸合成酶二氢吡啶二羧酸合成酶前体物质前体物质赖氨酸赖氨酸负反馈调节负反馈调节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

6、冬酰胺）改造改造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）n在已研究过的在已研究过的几千种几千种酶中，只有酶中，只有极极少数少数可以应用于工业生产，绝大多可以应用于工业生产，绝大多数酶都不能应用于工业生产，这些数酶都不能应用于工业生产，这些酶虽然酶虽然在自然状态下有活性在自然状态下有活性，但，但在在工业生产中没有活性或活性很低工业生产中没有活性或活性很低。这是因为工业生产中每一步的反应这是因为工业生产中每一步的反应体系中常常会有酸、碱或有机溶剂体系中常常会有酸、碱或有机溶剂存在，反应温度较高，在这种条件存在，反应温度较高，在

7、这种条件下，大多数酶会很快下，大多数酶会很快变性失活变性失活。目前科学家尝试通过目前科学家尝试通过对蛋白质对蛋白质结构结构的改造，来的改造，来延长酶的半衰期，提高酶延长酶的半衰期，提高酶的热稳定性，延长药用蛋的热稳定性，延长药用蛋白的保存期，抵御由于重白的保存期，抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性要氨基酸氧化引起的活性丧失等，取得了一定的进丧失等，取得了一定的进展。展。n n延长干扰素的体外保存时间延长干扰素的体外保存时间n n提高提高玉米中赖氨酸的含量玉米中赖氨酸的含量n n提高工业生产中蛋白质类酶的稳定性提高工业生产中蛋白质类酶的稳定性 这些在科学研究和工业生产中亟这些在科学研究和工业生产中

8、亟待解决的难题均无法通过待解决的难题均无法通过基因工程基因工程来来完成。于是新一轮的探索拉开了序幕，完成。于是新一轮的探索拉开了序幕，人们开始着眼于人们开始着眼于对现有蛋白质的改造对现有蛋白质的改造，以及以及制造目前从天然蛋白质中找不到制造目前从天然蛋白质中找不到的蛋白质的蛋白质。就这样，。就这样，蛋白质工程蛋白质工程应运应运而生，并迅速崛起。而生，并迅速崛起。二、蛋白质工程的基本原理1、基因工程的基本原理中中心法则告诉我们遗传信息的流动方向如图心法则告诉我们遗传信息的流动方向如图 ：结论结论：蛋白质的功能是由蛋白质的蛋白质的功能是由蛋白质的_决定的，决定的，蛋白质的结构是由蛋白质的结构是由_

9、决定的决定的。结构结构DNA（基因）（基因）二、蛋白质工程的基本原理 根据人们对蛋白质功能的特定需求，对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蛋白质的结构进行分子设计。1、目标：、目标：2、原理：、原理：改造基因改造基因（基因修饰或基因合成）（基因修饰或基因合成）逆转录逆转录转录转录DNADNARNARNA翻译翻译蛋白质蛋白质复制复制复制复制天然蛋白质的合成天然蛋白质的合成遵循中心法则遵循中心法则转录转录DNADNARNARNA翻译翻译肽链肽链折叠折叠等等具有空间结具有空间结构的蛋白质构的蛋白质表达生物特有表达生物特有的功能或性状的功能或性状天然蛋白质的合成过程天然蛋白质的

10、合成过程遵循中心法则，并需经过高级空间结构的转变遵循中心法则，并需经过高级空间结构的转变.途径途径:预期的蛋白质功能预期的蛋白质功能设计预期的蛋白质结构设计预期的蛋白质结构推测应有的氨基酸序列推测应有的氨基酸序列找到相对应的脱氧核苷酸序列找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）（基因）预期预期功能功能DNADNA合成合成分子分子设计设计生物生物功能功能转录转录翻译翻译折叠折叠图图图图1-291-29蛋白质工程流程图蛋白质工程流程图蛋白质工程流程图蛋白质工程流程图2 2、蛋白质工程的目标：、蛋白质工程的目标：根据人们对蛋白质根据人们对蛋白质功能功能的特定需的特定需求，对蛋白质的求，对蛋白质的分子结构分

11、子结构进行进行分子设分子设计计。对天然蛋白质进行改造，你对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对认为应该直接对蛋白质分子蛋白质分子进进行操作，还是通过对行操作，还是通过对基因基因的操作的操作来实现？为什么？来实现？为什么？需要通过对基因的操作来实现。需要通过对基因的操作来实现。主要原因：主要原因：基因编码蛋白质，基因编码蛋白质，改造了基因即对蛋白质进行了改造，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造过的蛋白质可以遗传下去。而且改造过的蛋白质可以遗传下去。容易操作，难度要小得多。容易操作，难度要小得多。3、蛋白质工程流程、蛋白质工程流程n n从预期的蛋白质功能出发从预期的蛋白质功能出发n n设计预

12、期的蛋白质结构设计预期的蛋白质结构n n推测应有的氨基酸序列推测应有的氨基酸序列n n找到相应的脱氧核苷酸序列（基因）找到相应的脱氧核苷酸序列（基因）讨论：讨论：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（1 1）怎样得出）怎样得出决定这一段肽链决定这一段肽链的脱氧核苷酸序的脱氧核苷酸序列？请把相应的列？请把相应的碱基序列写出来。碱基序列

13、写出来。（2 2）确定目的基因的碱基确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改序列后，怎样才能合成或改造目的基因（造目的基因（DNADNA）？）？可以通过可以通过人工合成人工合成的方法的方法获取或获取或基因的定点诱变技术基因的定点诱变技术来来改变。改变。基因会发生突变，突变可以自发，也可以诱发，这是基因会发生突变，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家化学家MM史密斯（史密斯（1932193220002000）发明）发明定点突变法定点突变法之前，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

14、因体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。这类方法属于突变。这类方法属于随机突变随机突变，突变株必须在生物性状上，突变株必须在生物性状上有所改变，才能确定有突变发生，但除非用分子生物方法有所改变，才能确定有突变发生，但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，是说，这种突变是盲目的。而史密斯发明的定点突变法却这种突变是盲目的。而史密斯发明的定点突变法却是有目的的，该法可经由设计好的寡核苷酸，在任何一个是有目的的，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计好的突变基因片段上进行

15、随意或设计好的突变，也就是说，这种突，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变是预先设定好的，所以也有人将该法称为“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。现在，几乎每个生物实验室都会用定点突变法来研究的。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蛋白质的功能。基因或蛋白质的功能。异亮氨酸半胱氨酸总结：蛋白质工程的概念总结：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，

16、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异想天开异想天开 能不能根据人类需要的蛋白质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适的细菌中，让细菌生产人类所需要的蛋白质食品呢？要的蛋白质食品呢？理论上是可行的，但目前还没理论上是可行的，但目前还没有真正成功的例子。有真正成功的例子。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、蛋白质工程的进展：（1）对胰岛素的改造胰岛素的改造 天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体，延缓胰岛素从注射部位进入血液，从六聚体，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，也增加了抗原性，这而延缓了其降血糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素是胰岛素B23-B28B23-B28氨基酸残基结构所致。利用氨基酸残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基，则可降低其聚蛋白质工程技术改变这些残基，则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该合作用，使胰岛素快速起作用。