1、蛋白質(zhì)工程的崛起,一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由,1.基因工程的實(shí)質(zhì),將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，使后者產(chǎn)生本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，進(jìn)而表現(xiàn)出新的性狀。,只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)。,2.基因工程的不足,天然蛋白質(zhì)是生物在長期進(jìn)化過程中形成的，它們的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要。,3.天然蛋白質(zhì)的不足,4.蛋白質(zhì)工程實(shí)質(zhì),基因修飾或合成，對蛋白質(zhì)進(jìn)行改造。,例如：,干擾素是由動(dòng)物體內(nèi)的效應(yīng)T細(xì)胞產(chǎn)生的一種糖蛋白，幾乎能抵抗所有病毒引起的感染。同時(shí)，在治療癌癥方面也有十分可觀的療效。但是，干擾素在體外保存相當(dāng)困難。,如果將其分子上的一個(gè)半胱氨酸變成絲氨

2、酸，在-70oC的條件下，可以保存半年。,玉米中賴氨酸的含量比較低。,賴氨酸的合成機(jī)理：,天冬氨酸激酶 二氫吡啶二羧酸合成酶,前體物質(zhì),賴氨酸,負(fù)反饋調(diào)節(jié),天冬氨酸激酶 （352位的蘇氨酸） 二氫吡啶二羧酸合成酶 （104位的天冬酰胺）,改造,天冬氨酸激酶 （異亮氨酸） 二氫吡啶二羧酸合成酶 （異亮氨酸）,二、蛋白質(zhì)工程的基本原理,根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求， 對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子設(shè)計(jì)。,1. 目標(biāo),2. 原理,思考：對天然蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，你認(rèn)為應(yīng)該直接對蛋白質(zhì)分子進(jìn)行操作，還是通過對基因的操作來實(shí)現(xiàn)？,應(yīng)該從對基因的操作來實(shí)現(xiàn)對天然蛋白質(zhì)改造，主要原因如下： （1）任何一種天然蛋白質(zhì)都

3、是由基因編碼的，改造了基因即對蛋白質(zhì)進(jìn)行了改造，而且改造過的蛋白質(zhì)可以遺傳下去。如果對蛋白質(zhì)直接改造，即使改造成功，被改造過的蛋白質(zhì)分子還是無法遺傳的。 （2）對基因進(jìn)行改造比對蛋白質(zhì)直接改造要容易操作，難度要小得多。,二、蛋白質(zhì)工程的基本原理,根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求，對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子設(shè)計(jì)。,1. 目標(biāo),2. 原理,改造基因（基因修飾或基因合成）,逆轉(zhuǎn)錄,轉(zhuǎn)錄,DNA,RNA,翻譯,蛋白質(zhì),復(fù)制,復(fù)制,天然蛋白質(zhì)的合成遵循中心法則,轉(zhuǎn)錄,DNA,RNA,翻譯,氨基酸序列多肽鏈,折疊,具有空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì),表達(dá)生物特有的功能或性狀,天然蛋白質(zhì)的合成過程,遵循中心法則，并需經(jīng)過高級空

4、間結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變,3. 蛋白質(zhì)工程的基本途徑,預(yù)期的蛋白質(zhì)功能,設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),推測應(yīng)有的氨基酸序列,找到相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）,蛋白質(zhì) 三維結(jié)構(gòu),氨基酸序 列多肽鏈,基因 DNA,預(yù)期功能,分子設(shè)計(jì),mRNA,生物功能,轉(zhuǎn)錄,翻譯,折疊,圖1-29蛋白質(zhì)工程流程圖,4. 蛋白質(zhì)工程的概念,蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過基因修飾或基因合成，對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類對生產(chǎn)和生活的需求。(第二代基因工程）,基礎(chǔ)：,了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能,原理：,改造基因（基因修飾或基因合成）,目的：,定向改造或制造蛋白質(zhì),比較基因工程和

5、蛋白質(zhì)工程,五、蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展和前景,1.進(jìn)展,胰島素速效型藥品,2.前景,制作電子元件,3.現(xiàn)狀,蛋白質(zhì)工程目前成功的例子不多,原因是對蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)了解不夠。要設(shè)計(jì)出更加符合人類需求的蛋白質(zhì)還需經(jīng)過艱辛的探索。,應(yīng)用于微電子方面,具有 、耗電少和 的特點(diǎn),體積小,效率高,討論： 1、怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？ 請把相應(yīng)的堿基序列寫出來。,討論：某多肽鏈的一段氨基酸序列是： -丙氨酸-色氨酸-賴氨酸-甲硫氨酸-苯丙氨酸-,丙氨酸：GCU、GCC、GCA、GCG 色氨酸：UGG 賴氨酸：AAA、AAG 甲硫氨酸：AUG 苯丙氨酸：UUU、UUC,每種氨基酸都有對應(yīng)的三聯(lián)密碼子

6、,只要查一下遺傳密碼子表,就可以將上述氨基酸序列的編碼序列查出來。但是由于上述氨基酸序列中有幾個(gè)氨基酸是由多個(gè)三聯(lián)密碼子編碼,因此其堿基排列組合起來就比較復(fù)雜,至少可以排列出16種。同學(xué)們可以根據(jù)學(xué)過的排列組合知識(shí)自己排列一下。首先應(yīng)該根據(jù)三聯(lián)密碼子推出mRNA序列為GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C），再根據(jù)堿基互補(bǔ)配對規(guī)律推出脫氧核苷酸序列：CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）TACAAA（或G）。,2、確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合 成或改造目的基因（DNA）？,可以通過人工合成的方法獲取或基因的定點(diǎn)誘變技術(shù)來改變。,基因定位突變 根據(jù)三聯(lián)體密碼，編

7、碼DNA（目的基因）的確定位點(diǎn)，改變其組成核苷酸的順序或種類，使基因發(fā)生定向變異，使其控制合成的氨基酸種類、順序發(fā)生改變，合成出具有預(yù)期氨基酸序列的修飾蛋白質(zhì)。 這種通過造成一個(gè)或幾個(gè)堿基定點(diǎn)突變，以達(dá)到修飾蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)目的的技術(shù)，稱為基因定點(diǎn)突變技術(shù)。,基因定點(diǎn)誘變技術(shù)與基因突變的比較,DNA復(fù)制過程中,產(chǎn)生新基因，從而產(chǎn)生新性狀,生物體外,生物體內(nèi),定向改造,不定向性,PCR技術(shù),物理化學(xué)方法,三、蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展和前景,1、蛋白質(zhì)工程的進(jìn)展：,（1）對胰島素的改造,天然胰島素制劑在儲(chǔ)存中易形成二聚體和六聚體，延緩胰島素從注射部位進(jìn)入血液，從而延緩了其降血糖作用，也增加了抗原性，這是胰島

8、素B23-B28氨基酸殘基結(jié)構(gòu)所致。利用蛋白質(zhì)工程技術(shù)改變這些殘基，則可降低其聚合作用，使胰島素快速起作用。該速效胰島素已通過臨床實(shí)驗(yàn)。,（2）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，它有多種變異體，由65或66個(gè)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。為提高水蛭素活性，在綜合各變異體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出改造水蛭素主要變異體HV2的設(shè)計(jì)方案，將47位的Asn（天冬酰胺）變成Lys（賴氨酸），使其與分子內(nèi)第4或第5位Thr（蘇氨酸）間形成氫鍵來幫助水蛭素N端肽鏈的正確取向，從而提高抗凝血效率，試管試驗(yàn)活性提高4倍，在動(dòng)物模型上檢驗(yàn)抗血栓形成的效果，提高20

9、倍。,（3）對生長激素的改造,生長激素通過對它特異受體的作用促進(jìn)細(xì)胞和機(jī)體的生長發(fā)育，然而它不僅可以結(jié)合生長激素受體，還可以結(jié)合許多種不同類型細(xì)胞的催乳激素受體，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只與生長激素受體結(jié)合，盡可能減少與其他激素受體的結(jié)合。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，二者受體結(jié)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。由于人的生長激素和催乳激素受體結(jié)合需要鋅離子參與作用，而它與生長激素受體結(jié)合則無需鋅離子參與，于是考慮取代充當(dāng)鋅離子配基的氨基酸側(cè)鏈，如第18和第21位His（組氨酸）和第17位Glu（谷氨酸）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)先設(shè)想一致，但要開發(fā)作為臨床用藥

10、還有大量的工作要做。,（4）應(yīng)用于微電子方面,生物和材料科學(xué)家正積極探索將蛋白質(zhì)工程應(yīng)用于微電子方面。用蛋白質(zhì)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(diǎn)，因此有極為廣闊的發(fā)展前景。,2、蛋白質(zhì)工程的現(xiàn)狀,蛋白質(zhì)工程目前的現(xiàn)狀：成功的例子不多，主要是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)發(fā)揮其功能需要依賴于正確的高級結(jié)構(gòu)，而科學(xué)家目前對大多數(shù)蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)了解很少，要設(shè)計(jì)出更加符合人類需要的蛋白質(zhì)還需要經(jīng)過艱辛的探索。,旁欄思考題,你知道人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃嗎？它與蛋白質(zhì)工程有什么關(guān)系？我國科學(xué)家承擔(dān)了什么任務(wù)？,人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃是繼人類基因組計(jì)劃之后，生命科學(xué)乃至自然科學(xué)領(lǐng)域一項(xiàng)重大的科學(xué)命題。2001年，國

11、際人類蛋白質(zhì)組組織宣告成立。之后，該組織正式提出啟動(dòng)了兩項(xiàng)重大國際合作行動(dòng)：一項(xiàng)是由中國科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃”；另一項(xiàng)是以美國科學(xué)家牽頭執(zhí)行的“人類血漿蛋白質(zhì)組計(jì)劃”，由此拉開了人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃的帷幕。,“人類肝臟蛋白質(zhì)組計(jì)劃”是國際上第一個(gè)人類組織器官的蛋白質(zhì)組計(jì)劃，由我國賀福初院士牽頭，這是中國科學(xué)家第一次領(lǐng)銜的重大國際科研協(xié)作計(jì)劃，總部設(shè)在北京，目前有16個(gè)國家和地區(qū)的80多個(gè)實(shí)驗(yàn)室報(bào)名參加。它的科學(xué)目標(biāo)是揭示并確認(rèn)肝臟的蛋白質(zhì)，為重大肝病預(yù)防、診斷、治療和新藥研發(fā)的突破提供重要的科學(xué)基礎(chǔ)。 人類蛋白質(zhì)組計(jì)劃的深入研究將是對蛋白質(zhì)工程的有力推動(dòng)和理論支持。,旁欄思考題：

12、對天然蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，你認(rèn)為應(yīng)該直接對蛋白質(zhì)分子進(jìn)行操作，還是通過對基因的操作來實(shí)現(xiàn)？,應(yīng)該從對基因的操作來實(shí)現(xiàn)對天然蛋白質(zhì)改造，主要原因如下： （1）任何一種天然蛋白質(zhì)都是由基因編碼的，改造了基因即對蛋白質(zhì)進(jìn)行了改造，而且改造過的蛋白質(zhì)可以遺傳下去。如果對蛋白質(zhì)直接改造，即使改造成功，被改造過的蛋白質(zhì)分子還是無法遺傳的。 （2）對基因進(jìn)行改造比對蛋白質(zhì)直接改造要容易操作，難度要小得多。,蛋白質(zhì)工程操作程序的基本思路與基因工程有什么不同？,？,答：基因工程是遵循中心法則，從DNAmRNA蛋白質(zhì)折疊產(chǎn)生功能，基本上是生產(chǎn)出自然界已有的蛋白質(zhì)。 蛋白質(zhì)工程是按照以下思路進(jìn)行的： 確定蛋白質(zhì)的功能蛋

13、白質(zhì)應(yīng)有的高級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)應(yīng)具備的折疊狀態(tài)應(yīng)有的氨基酸序列應(yīng)有的堿基排列，可以創(chuàng)造自然界不存在的蛋白質(zhì)。,注意：蛋白質(zhì)工程的原理應(yīng)該是中心法則的逆推。,異想天開,能不能根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的基因，導(dǎo)入合適的細(xì)菌中，讓細(xì)菌生產(chǎn)人類所需要的蛋白質(zhì)食品呢？,理論講可以，但目前還沒有真正成功的例子。一些報(bào)道利用細(xì)菌生產(chǎn)人類需要的蛋白質(zhì)往往都是自然界已經(jīng)存在的蛋白質(zhì)，并非完全是人工設(shè)計(jì)出來而自然不存在的蛋白質(zhì)。主要原因是蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，人類對蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)和在生物體內(nèi)如何行使功能知之甚少，很難設(shè)計(jì)出一個(gè)嶄新而又具有生命功能作用的蛋白質(zhì)，而且一個(gè)嶄新的蛋白質(zhì)會(huì)帶來什么危害也是人們

14、所擔(dān)心的。,四.蛋白質(zhì)工程和基因工程,目的基因,預(yù)期的蛋白質(zhì)功能,基因表達(dá)載體,基因,獲取目的基因 構(gòu)建表達(dá)載體 導(dǎo)入受體細(xì)胞 目的基因的檢測與表達(dá),預(yù)期蛋白質(zhì)功能 設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu) 推測氨基酸序列 推測核苷酸序列 合成DNA 表達(dá)出蛋白質(zhì),定向改造生物的遺傳特性，獲得人類所需的生物類型或生物產(chǎn)品,定向改造或生產(chǎn)人類所需的蛋白質(zhì),生產(chǎn)自然界中已有的蛋白質(zhì),蛋白質(zhì)工程是在基因工程的基礎(chǔ)上,延伸出來的第二代基因工程。因?yàn)閷ΜF(xiàn)有蛋白質(zhì)的改造或制造新的蛋白質(zhì)，必須通過基因的修飾或基因的合成。,生產(chǎn)自然界沒有的蛋白質(zhì),應(yīng)用之一：工業(yè)生產(chǎn),改造酶的結(jié)構(gòu)，提高酶的熱穩(wěn)定性,例如：酵母菌的丙糖磷酸異構(gòu)酶上有兩個(gè)

15、天門冬酰胺，在分別轉(zhuǎn)變?yōu)樘K氨酸和異亮氨酸后，酶的熱穩(wěn)定性提高50%。此外，在蛋白質(zhì)分子中引入二硫鍵也可以顯著提高蛋白質(zhì)的熱穩(wěn)定性。,五.蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用,應(yīng)用之二：醫(yī)藥生產(chǎn),改造天然抗體，使之對腫瘤細(xì)胞具有特異性識(shí)別和殺傷力,實(shí)例2：改造一種纖維蛋白溶解酶原激活因子（tPA），可以在臨床上用于溶解血栓塊，醫(yī)治心肌梗死等疾病。,實(shí)例1：制造鼠人嵌合抗體，對人體的不良反應(yīng)減少。,蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用,科學(xué)家對鼠源雜交瘤抗體進(jìn)行改造，生產(chǎn)出效果更好的鼠人嵌合抗體，用于癌癥治療。下圖表示形成鼠人嵌合抗體的過程。,可變區(qū),恒定區(qū),可變區(qū),恒定區(qū),鼠抗體,人抗體,鼠人嵌合抗體,鼠人嵌合抗體的最大優(yōu)點(diǎn)是減少了人

16、體的不良反應(yīng),應(yīng)用之三：疾病與病毒檢測,制造蛋白質(zhì)芯片用于檢測某些病毒,實(shí)例：利用SARS病人和SARS疑似病人的診斷，還可用來觀察某人感染SARS病毒之后體內(nèi)特異性抗體的動(dòng)態(tài)變化，幫組監(jiān)測病情的發(fā)展。,蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用,六、蛋白質(zhì)工程與酶工程的關(guān)系,絕大多數(shù)酶都是蛋白質(zhì)，酶工程與蛋白質(zhì)工程有什么區(qū)別？ 酶工程就是指將酶所具有的生物催化作用，借助工程學(xué)的手段，應(yīng)用于生產(chǎn)、生活、醫(yī)療診斷和環(huán)境保護(hù)等方面的一門科學(xué)技術(shù)。概括地說，酶工程是由酶制劑的生產(chǎn)和應(yīng)用兩方面組成的。酶工程的應(yīng)用主要集中于食品工業(yè)、輕工業(yè)以及醫(yī)藥工業(yè)中。,通常所說的酶工程是用工程菌生產(chǎn)酶制劑，而沒有經(jīng)過由酶的功能來設(shè)計(jì)酶的分子

17、結(jié)構(gòu)，然后由酶的分子結(jié)構(gòu)來確定相應(yīng)基因的堿基序列等步驟。因此，酶工程的重點(diǎn)在于對已存酶的合理充分利用，而蛋白質(zhì)工程的重點(diǎn)則在于對已存在的蛋白質(zhì)分子的改造。當(dāng)然，隨著蛋白質(zhì)工程的發(fā)展，其成果也會(huì)應(yīng)用到酶工程中，使酶工程成為蛋白質(zhì)工程的一部分。,1 關(guān)于生物體內(nèi)存在的天然蛋白質(zhì)，下列說法不正確的是（ ） A是生物在長期進(jìn)化過程中形成的 B它們的結(jié)構(gòu)和功能符合特定物種生存的需要 C構(gòu)成天然蛋白質(zhì)的氨基酸目前發(fā)現(xiàn)的有20種 D一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要,練習(xí)檢測,D,2蛋白質(zhì)工程中直接需要進(jìn)行操作的對象是 氨基酸結(jié)構(gòu) B蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu) C肽鏈結(jié)構(gòu) D基因結(jié)構(gòu),3下列關(guān)于蛋白質(zhì)工程的說法錯(cuò)誤的是（） A蛋白質(zhì)工程能定向改造蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)，使之更加符合人類的需要 B蛋白質(zhì)工程是在分子水平上對蛋白質(zhì)分子直接進(jìn)行操作，定向改變分子的結(jié)構(gòu) C蛋白質(zhì)工程能產(chǎn)生出自然界中不曾存在過的新型蛋白質(zhì)分子 D蛋白質(zhì)工程與基因工程密不可分，又被稱為第二代基因工程,4、以下關(guān)于蛋白質(zhì)工程的說法正確的是（） A、蛋白質(zhì)工程以基因工程為基礎(chǔ) B、蛋白質(zhì)工程就是酶工程的延伸 C、蛋白質(zhì)工程就是用蛋白酶對蛋白質(zhì)進(jìn)行改造 D、蛋白質(zhì)工程只能生產(chǎn)天然的蛋白質(zhì),5、蛋白質(zhì)工程