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蛋白质工程


1965年 1965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, 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, 蛋白质, 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 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?

第4节 蛋白质工程的崛起 节

一、蛋白质工程崛起的缘由
1、基因工程的不足 、 (1)基因工程的实质:将一种生物的 基因 转移到另 )基因工程的实质: 一种生物体内, 一种生物体内,使后者产生本不能产生的 蛋白质 , 进而表现出新的 性状 。 (2)基因工程的不足:在原则上只能生产自然界已存 )基因工程的不足: 在的 蛋白质 。 2、天然蛋白质的不足 、 过程中形成的, 天然蛋白质是生物在长期 进化 过程中形成的, 的需要, 它们的 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。 一定完全符合人类生产和生活的需要。 人类生产和生活的需要

例如,干扰素是动物体内的一种蛋白质, 例如,干扰素是动物体内的一种蛋白质,可以用于治疗病 毒的感染和癌症,但在体外保存相当困难。 毒的感染和癌症,但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, 可保存半年。 一个半胱氨酸变成丝氨酸,则在 -70℃ 可保存半年。 玉米中赖氨酸含量比较低, 玉米中赖氨酸含量比较低,原因是赖氨酸浓度达到一定时 会抑制赖氨酸合成过程中的两个关键酶——天冬氨酸激酶和二 会抑制赖氨酸合成过程中的两个关键酶——天冬氨酸激酶和二 —— 氢吡啶二羧酸合成酶的活性,所以赖氨酸含量很难提高。 氢吡啶二羧酸合成酶的活性,所以赖氨酸含量很难提高。如果 位的苏氨酸变成异亮氨酸, 将天冬氨酸的第 352 位的苏氨酸变成异亮氨酸,将二氢吡啶 位的天冬氨酰变成异亮氨酸, 二羧酸合成酶中 104 位的天冬氨酰变成异亮氨酸,可使玉米 叶片和种子中游离的赖氨酸含量分别提高 5 倍和 2 倍。

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? 进行操作,还是通过对基因的操作来实现?

1、目标:根据人们对 蛋白质 功能的特定需求, 、目标: 功能的特定需求, 进行分子设计。 对蛋白质的 进行分子设计。 结构 2、原理:改造基因(基因 修饰 或基因 合成 ) 。 、原理:改造基因( 3、途径: 、途径: 预期蛋白质功能→设计 预期蛋白质功能 设计 预期的蛋白质 →推测应 推测应 序列→找到对应的 序列。 有的 氨基酸 序列 找到对应的 脱氧核苷酸 序列。

蛋白质工程原理
天然蛋白质的合成途径: 天然蛋白质的合成途径: 表达(转录和翻译) 基因 表达(转录和翻译) 链 形成具有高级结构的蛋白质 形成氨基酸序列的多肽 行使生物功能

蛋白质工程的途径: 蛋白质工程的途径: 预期的蛋白质功能出发 设计预期的蛋白质结构 找到相应的脱氧核苷酸序列酸 应有的氨基酸序列

推测

蛋白质工程的流程
DNA合成 合成 基因 DNA mRNA 转录 翻译 氨基酸序列 多肽链 折叠 分子设计 蛋白质 三维结构 预期功能 生物功能

蛋白质工程的概念
基础: 基础 蛋白质的结构和功能

途径: 途径 基因修饰或基因合成 目标: 改造或制造新的蛋白质, 目标 改造或制造新的蛋白质,满足人类的生产或 生活的需要

蛋白质工程的实质: 蛋白质工程的实质: 实质 是对编码蛋白质的基因进行改造

活动:对照密码表,至少写出三种决定 活动:对照密码表,
“—丙氨酸—色氨酸—赖氨酸—甲硫氨酸— 丙氨酸—色氨酸—赖氨酸—甲硫氨酸— 苯丙氨酸— 的脱氧核苷酸序列。 苯丙氨酸—”的脱氧核苷酸序列。

三、蛋白质工程的进展和前景
1.进展 1.进展 2.前景 2.前景 3.现状 3.现状
蛋白质的功能主要依赖于其正确而又极其复杂的 高级结构, 高级结构,目前科学家对大多数蛋白质的高级结构了 解还不够, 解还不够,要设计出更加符合人类需求的蛋白质换需 经过艰辛的探索。 经过艰辛的探索。 胰岛素速效型药品 制作电子元件

你知道人类蛋白质组计划吗?它与蛋白质工程有什么关系? 你知道人类蛋白质组计划吗?它与蛋白质工程有什么关系? 我国科学家承担了什么任务? 我国科学家承担了什么任务?
人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后, 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 学领域一项重大的科学命题。2001年 学领域一项重大的科学命题。2001年,国际人类蛋白质组组织宣告成 之后,该组织正式提出启动了两项重大国际合作行动: 立。之后,该组织正式提出启动了两项重大国际合作行动:一项是由 中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划” 中国科学家牵头执行的“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“人类血浆蛋白质组计划” 科学家牵头执行的“人类血浆蛋白质组计划”,由此拉开了人类蛋白 质组计划的帷幕。 质组计划的帷幕。 “人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一个人类组织/器官的蛋白质 人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一个人类组织/ 组计划,由我国贺福初院士牵头, 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重大 国际科研协作计划,总部设在北京,目前有16个国家和地区的 个国家和地区的80多个 国际科研协作计划,总部设在北京,目前有 个国家和地区的 多个 实验室报名参加。它的科学目标是揭示并确认肝脏的蛋白质, 实验室报名参加。它的科学目标是揭示并确认肝脏的蛋白质,为重大 肝病预防、诊断、治疗和新药研发的突破提供重要的科学基础。 肝病预防、诊断、治疗和新药研发的突破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质工程的有力推动和理论 支持。 支持。

你知道酶工程吗? 你知道酶工程吗?绝大多数酶都是蛋白 酶工程与蛋白质工程有什么区别? 质,酶工程与蛋白质工程有什么区别?
? 酶工程就是指将酶所具有的生物催化作用,借助工程学 酶工程就是指将酶所具有的生物催化作用, 的手段,应用于生产、生活、 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。概括地说, 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。 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。 工业、轻工业以及医药工业中。 ? 通常所说的酶工程是用工程菌生产酶制剂,而没有经过 通常所说的酶工程是用工程菌生产酶制剂, 由酶的功能来设计酶的分子结构, 由酶的功能来设计酶的分子结构,然后由酶的分子结构 来确定相应基因的碱基序列等步骤。因此, 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利用, 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。当然, 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, 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。 成为蛋白质工程的一部分。

练习检测
1 .关于生物体内存在的天然蛋白质,下列说法 关于生物体内存在的天然蛋白质, 不正确的是( 不正确的是( D) A.是生物在长期进化过程中形成的 . B.它们的结构和功能符合特定物种生存的需要 . C.构成天然蛋白质的氨基酸目前发现的有 种 .构成天然蛋白质的氨基酸目前发现的有20种 D.一定完全符合人类生产和生活的需要 .

2.蛋白质工程中直接需要进行操作的对象是( D ) . A.氨基酸结构 A.氨基酸结构 B.蛋白质空间结构 . C.肽链结构 . D.基因结构 . 3.下列关于蛋白质工程的说法错误的是( .下列关于蛋白质工程的说法错误的是(

B)

A.蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构,使之更 .蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构, 加符合人类的需要 B.蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行 . 操作, 操作,定向改变分子的结构 C.蛋白质工程能产生出自然界中不曾存在过的新型蛋 . 白质分子 D.蛋白质工程与基因工程密不可分,又被称为第二代 .蛋白质工程与基因工程密不可分, 基因工程

以下关于蛋白质工程的说法正确的是( 4、以下关于蛋白质工程的说法正确的是( A ) A、蛋白质工程以基因工程为基础 B、蛋白质工程就是酶工程的延伸 C、蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造 D、蛋白质工程只能生产天然的蛋白质

? 5、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( ) ? ① 蛋白质分子结构设计 ② DNA合成 ③ 预期蛋 蛋白质分子结构设计② 合成③ 合成 白质功能④ 白质功能④根据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序 列 ? A.①②③④ B.④②①③ . . ? C.③①④② D.③④①② . .



? 6、蛋白质工程是在基因工程基础上,延伸出 蛋白质工程是在基因工程基础上, 来的第二代基因工程, 来的第二代基因工程 , 其结果产生的蛋白质 是( D ) ? A.氨基酸种类增多 . ? B.氨基酸种类减少 . ? C.仍为天然存在蛋白质 . ? D.可合成天然不存在蛋白质 .

7、关于蛋白质工程的进展和应用,下列说法 、关于蛋白质工程的进展和应用, 不正确的是( 不正确的是( C ) A.科学家通过对胰岛素的改造,已使其成为 .科学家通过对胰岛素的改造, 速效药品 B.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 C.蛋白质工程技术已经非常成熟,目前正被 .蛋白质工程技术已经非常成熟, 大力推广应用 D.蛋白质工程是一项难度很大的工程,目前 .蛋白质工程是一项难度很大的工程, 成功的例子不多


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