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1、知识回顾基因工程的实质是什么？基因工程的实质是什么？将将一种生物的基因一种生物的基因转移到转移到另一种生物体内另一种生物体内，后者可以产生它本来不能产生的蛋白质，进后者可以产生它本来不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状而表现出新的性状。思考：思考：基因工程产生的蛋白质是否完全基因工程产生的蛋白质是否完全符合人类生产和生活的需要？符合人类生产和生活的需要？专题1 基因工程1.4 蛋白质工程的崛起一、蛋白质工程崛起的缘由1基因工程的局限性：基因工程的局限性：a、基因工程在原则上只能生产自然基因工程在原则上只能生产自然 界已存在的蛋白质界已存在的蛋白质b、天然蛋白质不一定完全符合人类、天然蛋白质不一
2、定完全符合人类 生产和生活的需要生产和生活的需要2蛋白质工程的目的：蛋白质工程的目的：生产符合人们生活需要的并生产符合人们生活需要的并非自然界非自然界已存在已存在的蛋白质的蛋白质干扰素干扰素利用大肠杆菌及酵母菌生产干扰素利用大肠杆菌及酵母菌生产干扰素例如：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（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天冬氨酸
3、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 在已研究过的几千种酶中，只有在已研究过的几千种酶中，只有极少数可极少数可以应用于工业生产以应用于工业生产，绝大多数酶都不能应用于，绝大多数酶都不能应用于工业生产，这些酶虽然在自然状态下有活性，工业生产，这些酶虽然在自然状态下有活性，但在工业生产中没有活性或活性很低。但在工业生产中没有活性或活性很低。二、蛋白质工程的基本原理1蛋白质工程的目标：蛋白质工程的目标：根据人们对蛋白质功能根据人们对蛋白质功能的特殊需求，对蛋白质的结构进行分子设计。的特殊需求，
4、对蛋白质的结构进行分子设计。2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（原理：基因改造）（原理：基因改造）蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础,通过基因修饰或基因合成,对现有蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质,以满足人类的生产和生活的需求。蛋白质工程流程图：蛋白质蛋白质三维结构三维结构氨基酸序列氨基酸序列多肽链多肽链基因基因DNA预期预期功能功能DNA合成合成分子分子设计设计mRNA生物生物功能功能转录转录翻译翻译折叠折叠1.
5、从预期的蛋白质功能出发从预期的蛋白质功能出发2.设计预期的蛋白质结构设计预期的蛋白质结构3.推测应有的氨基酸序列推测应有的氨基酸序列4.找到相应的脱氧核苷酸序列找到相应的脱氧核苷酸序列蛋白质工程操作程序的基本思路与基因蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什么不同？工程有什么不同？答：答：基因工程是遵循基因工程是遵循中心法则中心法则，从，从DNAmRNA蛋白质蛋白质折叠产生功能，基折叠产生功能，基本上是生产出自然界已有的蛋白质。本上是生产出自然界已有的蛋白质。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：确定蛋确定蛋白质的功能白质的功能蛋白质应有的高级结构蛋白质应有的高级结
6、构蛋白蛋白质应具备的折叠状态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有的碱基排列，可以创造自然界不存在的应有的碱基排列，可以创造自然界不存在的蛋白质。蛋白质。蛋白质工程的主要步骤通常包括：（1）从生物体中分离纯化目的蛋白；）从生物体中分离纯化目的蛋白；（2）测定其氨基酸序列；）测定其氨基酸序列；（3）借助核磁共振和）借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段，尽可射线晶体衍射等手段，尽可 能地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构能地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构;（4 4）设计各种处理条件，了解蛋白质的结构变化，包）设计各种处理条件，了解蛋白质的结构变化，包 括折叠与去折叠等对其活性与功
7、能的影响；括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响；（5 5）设计编码该蛋白的基因改造方案，如）设计编码该蛋白的基因改造方案，如定点突变定点突变；（6 6）分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。）分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。蛋白质改造工程的实例：1 1水蛭素的改造水蛭素的改造水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂，它有多种水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂，它有多种变异体，由变异体，由6565或或6666个氨基酸残基组成。水蛭素在临床上可作个氨基酸残基组成。水蛭素在临床上可作为抗栓药物用于治疗血栓疾病。为提高水蛭素活性，在综合为抗栓药物用于治疗血栓疾病。为提高水蛭素活性，
8、在综合各变异体结构特点的基础上提出改造水蛭素主要变异体各变异体结构特点的基础上提出改造水蛭素主要变异体HV2HV2的设计方案，的设计方案，将将4747位的位的AsnAsn（天冬酰胺）变成（天冬酰胺）变成LysLys（赖氨（赖氨酸），酸），使其与分子内第使其与分子内第4 4或第或第5 5位位ThrThr（苏氨酸）间形成氢键（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素来帮助水蛭素N N端肽段的正确取向，从而提高凝血效率，试端肽段的正确取向，从而提高凝血效率，试管试验活性提高管试验活性提高4 4倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高提高2020倍。倍。蛋白质改造工程的实
9、例：2 2生长激素改造生长激素改造生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机体的生生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机体的生长发育，然而它不仅可以结合生长激素受体，还可以结合长发育，然而它不仅可以结合生长激素受体，还可以结合许多种不同类型细胞的催乳激素受体，引发其他生理过程。许多种不同类型细胞的催乳激素受体，引发其他生理过程。在治疗过程中为减少副作用，需使人的重组生长激素只与在治疗过程中为减少副作用，需使人的重组生长激素只与生长激素受体结合，尽可能减少与其他激素受体的结合。生长激素受体结合，尽可能减少与其他激素受体的结合。经研究发现，二者受体结合区有一部分重叠，但并不完全经研究发现，二者
10、受体结合区有一部分重叠，但并不完全相同，有可能通过改造加以区别。由于人的生长激素和催相同，有可能通过改造加以区别。由于人的生长激素和催乳激素受体结合需要锌离子参与作用，而它与生长激素受乳激素受体结合需要锌离子参与作用，而它与生长激素受体结合则无需锌离子参与，体结合则无需锌离子参与，于是考虑取代充当锌离子配基于是考虑取代充当锌离子配基的氨基酸侧链，如第的氨基酸侧链，如第1818和第和第2121位位HisHis（组氨酸）和第（组氨酸）和第1717位位GluGlu（谷氨酸）。（谷氨酸）。实验结果与预先设想一致，但要开发作为实验结果与预先设想一致，但要开发作为临床用药还有大量的工作要做。临床用药还有大
11、量的工作要做。蛋白质改造工程的实例：3 3胰岛素改造胰岛素改造天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体，延缓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，从而延缓了其降血糖作用，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，这是也增加了抗原性，这是胰岛素胰岛素B23-B28B23-B28氨基酸残基结构氨基酸残基结构所所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基，则可降低其聚合致。利用蛋白质工程技术改变这些残基，则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速效胰岛素已通过临床实作用，使胰岛素快速起作用。该速效胰岛素已通过临床实验。验。蛋白质改造工程的实例：
12、4 4治癌酶的改造治癌酶的改造 癌症的基因治疗分二个方面：药物作用于癌细癌症的基因治疗分二个方面：药物作用于癌细胞，特异性地抑制或杀死癌细胞；药物保护正常细胞免受胞，特异性地抑制或杀死癌细胞；药物保护正常细胞免受化学药物的侵害，可以提高化学治疗的剂量。疱疹病毒化学药物的侵害，可以提高化学治疗的剂量。疱疹病毒（HSVHSV）胸腺嘧啶激酶（）胸腺嘧啶激酶（TKTK）可以催化胸腺嘧啶和其它结构）可以催化胸腺嘧啶和其它结构类似物磷酸化而使这些碱基类似物磷酸化而使这些碱基3 3-OH-OH缺乏缺乏,从而阻断从而阻断DNADNA的合的合成，杀死癌细胞。成，杀死癌细胞。HSVHSVTKTK催化能力可以通过基
13、因突变来提催化能力可以通过基因突变来提高。从大量的随机突变中进行筛选出一种酶高。从大量的随机突变中进行筛选出一种酶,在在酶活性部位酶活性部位附近有附近有6 6个氨基酸被替换个氨基酸被替换，催化能力，催化能力2020倍以上。倍以上。三、蛋白质工程的进展与前景蛋白质工程目前的现状：成蛋白质工程目前的现状：成功的例子不多，主要是因为功的例子不多，主要是因为蛋白质发挥其功能需要依赖蛋白质发挥其功能需要依赖于正确的空间结构，而科学于正确的空间结构，而科学家目前对大多数蛋白质的空家目前对大多数蛋白质的空间结构了解很少。间结构了解很少。比较基因工程和蛋白质工程：基因工程基因工程蛋白质工程蛋白质工程相同点相同
14、点都要改造基因，都属于分子水平都要改造基因，都属于分子水平产生新的产生新的基因型，无新基因基因型，无新基因基因（型）基因（型）产生的蛋白质产生的蛋白质原有的原有的新的新的联系联系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，是基因工程的应用和延伸是基因工程的应用和延伸课堂练习：1、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：()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 B.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 C.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 D.蛋白质工程的实质是改造蛋白质蛋白质工程的实质是改造蛋白质A课堂练习：2、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：()设计蛋白质分子结构设计蛋白质分子结构 DNA合成合成 预期蛋白质功能预期蛋白质功能 据氨基酸序列推出脱氧据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列核苷酸序列 A.B.C.D.D
