生物：1.4《蛋白质工程的崛起》课件(新人教版选修3)

1965年，生物科学界发生了一件轰动全球的大事！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蛋白质,实现了世界上首次人工合成蛋白质的壮举。复习回顾1、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？3、蛋白质有哪些功能？4、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二、蛋白质工程的基本原理三、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在另外一个生物的身上表达，常用的方法有哪些？1、在种内可以用什么方法？杂交育种2、在种间可以用什么方法？基因工程育种一、蛋白质工程崛起的缘由基因工程的实质：将一种生物的转移到另一种生物体内，后者产生它本不能产的，进而表现出。基因蛋白质新的性状试回顾总结基因工程的丰硕成果植物方面提高植物的抗虫、抗病、抗逆性改良植物的品质动物方面提高动物生长速度改善畜产品的品质用转基因动物生产药物用转基因动物作器官移植的供体研制药物基因治疗基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。这些蛋白质是生物在长期的进化中形成的，他们的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。基因工程的局限性：例如：干扰素是由动物体内的效应T细胞产生的一种糖蛋白，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。如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，在-70oC的条件下，可以保存半年。玉米中赖氨酸的含量比较低。赖氨酸的合成机理：天冬氨酸激酶二氢吡啶二羧酸合成酶前体物质赖氨酸负反馈调节天冬氨酸激酶（352位的苏氨酸）二氢吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）改造天冬氨酸激酶（异亮氨酸）二氢吡啶二羧酸合成酶（异亮氨酸）在已研究过的几千种酶中，只有极少数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。这是因为工业生产中每一步的反应体系中常常会有酸、碱或有机溶剂存在，反应温度较高，在这种条件下，大多数酶会很快变性失活。目前科学家尝试通过对蛋白质结构的改造，来延长酶的半衰期，提高酶的热稳定性，延长药用蛋白的保存期，抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性丧失等，取得了一定的进展。延长干扰素的体外保存时间提高玉米中赖氨酸的含量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待解决的难题均无法通过基因工程来完成。于是新一轮的探索拉开了序幕，人们开始着眼于对现有蛋白质的改造，以及制造目前从天然蛋白质中找不到的蛋白质。就这样，蛋白质工程应运而生，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心法则告诉我们遗传信息的流动方向如图：结论：蛋白质的功能是由蛋白质的_____决定的，蛋白质的结构是由_____________决定的。结构DNA（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，对蛋白质的结构进行分子设计。1、目标：2、原理：改造基因（基因修饰或基因合成）逆转录转录DNARNA翻译蛋白质复制复制天然蛋白质的合成遵循中心法则转录DNARNA翻译肽链折叠等具有空间结构的蛋白质表达生物特有的功能或性状天然蛋白质的合成过程遵循中心法则，并需经过高级空间结构的转变３.途径:预期的蛋白质功能设计预期的蛋白质结构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）蛋白质三维结构氨基酸序列多肽链基因DNA预期功能DNA合成分子设计mRNA生物功能转录翻译折叠图1-29蛋白质工程流程图2、蛋白质工程的目标：根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的分子结构进行分子设计。对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？为什么？需要通过对基因的操作来实现。主要原因：①基因编码蛋白质，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。②容易操作，难度要小得多。3、蛋白质工程流程从预期的蛋白质功能出发设计预期的蛋白质结构推测应有的氨基酸序列找到相应的脱氧核苷酸序列（基因）讨论：某多肽链的一段氨基酸序列是：……-丙氨酸-色氨酸-赖氨酸-甲硫氨酸-苯丙氨酸-……丙氨酸：GCU、GCC、GCA、GCG色氨酸：UGG赖氨酸：AAA、AAG甲硫氨酸：AUG苯丙氨酸：UUU、UUC（1）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。（2）确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因（DNA）？可以通过人工合成的方法获取或基因的定点诱变技术来改变。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。但在加拿大生物化学家M·史密斯（1932－2000）发明定点突变法之前，突变株的产生必须经由自然界或用化学等方法诱使基因体突变。这类方法属于随机突变，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，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，在任何一个基因片段上进行随意或设计好的突变，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“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：蛋白质工程的概念蛋白质工程是指以蛋白质分子的________及其与_______的关系作为基础，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蛋白质食品呢？理论上是可行的，但目前还没有真正成功的例子。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，也增加了抗原性，这是胰岛素B23-B28氨基酸残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基，则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速效胰岛素已通过临床实验。（2）对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，它有多种变异体，由65或66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，在综合各变异体结构特点的基础上提出改造水蛭素主要变异体HV2的设计方案，将47位的Asn（天冬酰胺）变成Lys（赖氨酸），使其与分子内第4或第5位Thr（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素N端肽链的正确取向，从而提高抗凝血效率，试管试验活性提高4倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高20倍。（3）对生长激素的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。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。经研究发现，二者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，于是考虑取代充当锌离子配基的氨基酸侧链，如第18和第21位His（组氨酸）和第17位Glu（谷氨酸）。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。（4）应用于微电子方面生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于微电子方面。用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点，因此有极为广阔的发展前景。2、蛋白质工程的现状蛋白质工程目前的现状：成功的例子不多，主要是因为蛋白质发挥其功能需要依赖于正确的高级结构，而科学家目前对大多数蛋白质的高级结构了解很少，要设计出更加符合人类需要的蛋白质还需要经过艰辛的探索。3、蛋白质工程的前景：蛋白质工程与基因工程的关系：项目基因工程蛋白质工程操作起点实质结果基本流程联系目的基因预期的蛋白质功能定向改造生物的遗传特性定向改造或生产人类所需要的蛋白质生产自然界已有的蛋白质生产自然界没有的蛋白质蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程。1、从预期的蛋白质功能出发2、设计预期的蛋白质结构3、推测应有的氨基酸序列4、找到相应的脱氧核苷酸序列（基因）一级结构：肽键（主要）二硫键（次要）二级结构：氢键三级结构：疏水作用、离子键、氢键、范得华力四级结构：疏水作用（主要）离子键、氢键