生物：1.4《蛋白质工程的崛起》课件(新人教版选修3)(1).ppt

1、怎样让一种生物的性状在另一种生物中表达？在种内可以用常规的杂交育种的办法实现，但要使有生殖隔离的种间生物实现基因交流，就显得力不从心了,则应采用什么技术？杂交育种杂交育种基因工程基因工程思考l生物产生的天然蛋白质是在长期进化过程中产生生物产生的天然蛋白质是在长期进化过程中产生的，它的结构和性能不能完全满足人类生产生活的，它的结构和性能不能完全满足人类生产生活的需要。的需要。例如：干扰素是动物体内的一种蛋白质是一种抗例如：干扰素是动物体内的一种蛋白质是一种抗病毒抗肿瘤的药物，但在体外保存相当困难。于病毒抗肿瘤的药物，但在体外保存相当困难。于是我们要对现有的蛋白质进行改造，制造出目前是我们要对现有

2、的蛋白质进行改造，制造出目前从天然蛋白质中找不到的蛋白质。这样人们由开从天然蛋白质中找不到的蛋白质。这样人们由开始了新一轮的探索，蛋白质工程应运而生了。始了新一轮的探索，蛋白质工程应运而生了。你知道人类蛋白质组计你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程有什划吗？它与蛋白质工程有什么关系？我国科学家承担了么关系？我国科学家承担了什么任务？什么任务？人类蛋白质组计划是继人类基因组计划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中的一项之后，生命科学乃至自然科学领域中的一项重大的科学命题。重大的科学命题。20012001年，国际人类蛋白质年，国际人类蛋白质组组织宣告成立。之后，该

3、组织正是提出启组组织宣告成立。之后，该组织正是提出启动两项重大国际合作行为：一项是有中国科动两项重大国际合作行为：一项是有中国科学家牵头执行的学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划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；另一项是以美国科学家牵头执行的“人类人类血浆蛋白质组计划血浆蛋白质组计划”。“人类肝脏蛋白质组计划人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一是国际上第一个人类组织器官的蛋白质组计划，由我国贺个人类组织器官的蛋白质组计划，由我国贺福初院士牵头，这是中国科学家第一次领衔的福初院士牵头，这是中国科学家第一次领衔的重大国际科研协作计划，总部设在北京，目前重大国际科研协作计划，总部

4、设在北京，目前有有1616个国家和地区的个国家和地区的8080多个实验室报名参加。多个实验室报名参加。它的科学它的科学目标是揭示并确认肝脏的蛋白质目标是揭示并确认肝脏的蛋白质，为为重大肝病预防重大肝病预防、诊断诊断、治疗和新药研发的突破治疗和新药研发的突破提供重要的科学基础提供重要的科学基础。人类蛋白质组计划的深入研究将是对蛋白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质工程的有力推动和理论支持。蛋蛋白白质质工工程程就就是是在在对对蛋蛋白白质质的的化化学学、晶晶体体学学、动动力力学学等等结结构构与与功功能能认认识识的的基基础础上上，对对蛋蛋白白质质人工改造与合成的产品。人工

5、改造与合成的产品。“后后基基因因组组时时代代”将将是是“蛋蛋白白质质组组学学时时代代”，即即从从对对基基因因信信息息的的研研究究转转向向对对蛋蛋白白质质信信息息的的研研究究，包包括括研研究究蛋蛋白白质质结结构构、功功能能与与应应用用及及蛋蛋白白质相互关系和作用。质相互关系和作用。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（35235

6、2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二、蛋白质工程的基本原理 对天然蛋白质进行改造，对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质分子你认为应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的进行操作，还是通过对基因的操作来实现？操作来实现？1、目标：、目标：根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋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。

7、白质的结构进行分子设计。l通过对基因的操作来实现，因为基因决定蛋白质的合成。2、蛋白质工程的原理：基因改造、蛋白质工程的原理：基因改造3、基本途径：、基本途径：从预期的蛋白质功能出发从预期的蛋白质功能出发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（基因）找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）.蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什么不同？么不同？l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，基本上折叠产生功能，基本上是生产出自然界已有的蛋

8、白质是生产出自然界已有的蛋白质。l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：l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构蛋白质应有的高级结构蛋蛋白质应具备的折叠状态白质应具备的折叠状态应有的氨基酸序列应有的氨基酸序列应应有的碱基排列，可以创造自然界不存在的蛋白质有的碱基排列，可以创造自然界不存在的蛋白质蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构 蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构 胰胰岛岛素素的的三三级级结结构构血红蛋白质的四级结构血红蛋白质的四级结构 血红蛋白分子血红蛋白分子就是由二个由就是由二个由141个氨基酸残个氨基酸残基组成的基组成的亚基亚基和二个由和二个由146个

9、个氨基酸残基组氨基酸残基组成的成的亚基按特亚基按特定的接触和排定的接触和排列组成的一个列组成的一个球状蛋白质分球状蛋白质分子，每个亚基子，每个亚基中各有一个含中各有一个含亚铁离子的血亚铁离子的血红素辅基。红素辅基。讨论：某多肽链的一段氨基酸序列是：讨论：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甲硫氨酸酸苯丙氨酸苯丙氨酸（1 1）怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序）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。有多少种？列？请把相应的碱基序列写出来。有多少种？（2 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

10、或改造目的基因（成或改造目的基因（DNADNA）？）？（1 1）mRNAmRNA序列为：序列为：GCUGCU（或（或C C或或A A或或G G）UGGAAAUGGAAA（或（或G G）AUGUUUAUGUUU（或（或C C）脱氧核苷酸序列：脱氧核苷酸序列：CGACGA（或（或G G或或T T或或C C）ACCTTTACCTTT（或（或C C）TACAAATACAAA（或（或G G）（2 2）确定目的基因的碱基序列后，就可以根据人）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库类的需要改造它，通过人工合成的方法或从基因库中获取。中获取。蛋白质工程的概念蛋白质工

11、程的概念l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及其与蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造或制造一种新的蛋合成，对现有蛋白质进行改造或制造一种新的蛋白质，白质，以满足人类对生产和生活的需求。以满足人类对生产和生活的需求。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，延伸出来的蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第第

12、二代基因工程二代基因工程。蛋白质工程的内容主要有两方面：根据需要设计具有特定氨基酸序列和空间结构根据需要设计具有特定氨基酸序列和空间结构的蛋白质的蛋白质而氨基酸排序由基因决定，所以还需要而氨基酸排序由基因决定，所以还需要改造改造相相应应基因中脱氧核苷酸序列或人工合成基因中脱氧核苷酸序列或人工合成所需要的自所需要的自然界原本然界原本不存在的基因片段不存在的基因片段，用于蛋白质工程。，用于蛋白质工程。异想天开异想天开 能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应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基因，导入合适的细菌中，让细菌生产人类所需要的蛋白

13、质食品呢？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。理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。一些报道利用细菌生产人类需要的蛋白质往往都是自一些报道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

14、崭新的蛋白质会带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。来什么危害也是人们所担心的。三、蛋白质工程的进展和前景l1、蛋白质工程的诞生是有其理论与技术条件的，它是蛋白质工程的诞生是有其理论与技术条件的，它是随着随着分子生物学分子生物学、晶体学晶体学以及以及计算机技术计算机技术的发展而诞的发展而诞生的，与生的，与基因组学基因组学、蛋白质组学蛋白质组学、生物信息学生物信息学的发展的发展等因素有关等因素有关l2 2、现状：成功的例子不多，、现状：成功的例子不多，主要是因为蛋白质发挥其主要是因为蛋白质发挥其功能需要依赖于正确的空间结构功能需要依赖于正确的空间结构，而科学

15、家目前对大而科学家目前对大多数蛋白质的空间结构了解很少多数蛋白质的空间结构了解很少。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？l酶工程就是指将酶所具有的生物催化作用，借助工程学的手段，酶工程就是指将酶所具有的生物催化作用，借助工程学的手段，应用于生产、生活、医疗诊断和环境保护等方面的一门科学技术。应用于生产、生活、医疗诊断和环境保护等方面的一门科学技术。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。程的应用主要集中于食品工业、轻工业以及医药工业中。l通常

16、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酶的合理充分碱基序列等步骤。因此，酶工程的重点在于对已存酶的合理充分利用，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。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。酶工程成为蛋白质工程的一部分。l关于基因工程和蛋白质工程的说法正确的是（关于基因工程和蛋白质工程的说法正确的是（）lA都是分子水平上的操作都是分子水平上的操作B基因工程就是改造基因工程就是改造基因的分子结构基因的分子结构lC蛋白质工程就是改造蛋白质的分子结构蛋白质工程就是改造蛋白质的分子结构lD基因工程能产生自然界根本不存在的基因，基因工程能产生自然界根本不存在的基因，蛋白质工程能产生自然界根本不存在的蛋白