蛋白质工程的崛起教学课件.ppt
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- 蛋白质 工程 崛起 教学 课件
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1、1-4 蛋白质工程的崛起南昌市第二中学 付晓华 通过前面的学习我们知道,利用基因工程能够通过前面的学习我们知道,利用基因工程能够大规模生产生物体内微量存在的活性物质,并借助转大规模生产生物体内微量存在的活性物质,并借助转基因而改变动植物性状,也得以在人类医疗保健中进基因而改变动植物性状,也得以在人类医疗保健中进行基因诊断和基因治疗。然而在广泛利用自然界各种行基因诊断和基因治疗。然而在广泛利用自然界各种蛋白质的过程中就发现,这些蛋白质只是适应生物自蛋白质的过程中就发现,这些蛋白质只是适应生物自身的需要,而对它们进行产业化开发往往不合意,如身的需要,而对它们进行产业化开发往往不合意,如采用基因工程
2、生产的干扰素可用于治疗病毒感染和癌采用基因工程生产的干扰素可用于治疗病毒感染和癌症,但体外不容易保存,需要加以改造。症,但体外不容易保存,需要加以改造。1983年年Ulmer首先提出蛋白质工程这个名词。那么,什么叫首先提出蛋白质工程这个名词。那么,什么叫蛋白质工程?它同基因工程有何区别和联系?又是如蛋白质工程?它同基因工程有何区别和联系?又是如何设计和施工的?它的进展和前景如何?这就是我们何设计和施工的?它的进展和前景如何?这就是我们今天所要学习的内容今天所要学习的内容蛋白质工程的崛起。蛋白质工程的崛起。 第4节 蛋白质工程的崛起1、基因工程的应用、基因工程的应用(1)基因工程的实质:将一种生
3、物的)基因工程的实质:将一种生物的 转移到另转移到另一种生物体内,使后者产生本不能产生的一种生物体内,使后者产生本不能产生的 ,进而表现出新的进而表现出新的 。(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:在原则上只能生产自然界已存在的在的 。2、天然蛋白质的不足、天然蛋白质的不足 天然蛋白质是生物在长期天然蛋白质是生物在长期 过程中形成的,过程中形成的,它们的它们的 符合特定物种符合特定物种 的需要,却不的需要,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。3、蛋白质工程的目的、蛋白质工程的目的 生产符合人类生产和生活的需要的生产符合人类生产和生
4、活的需要的 。一、蛋白质工程崛起的缘由一、蛋白质工程崛起的缘由基因基因蛋白质蛋白质性状性状蛋白质蛋白质进化进化结构和功能结构和功能生存生存蛋白质蛋白质 二、蛋白质工程的基本原理二、蛋白质工程的基本原理1、目标:根据人们对 功能的特定需求,对蛋白质的 进行分子设计。2、原理:改造基因(基因 或基因 )。3、流程:预期蛋白质功能设计 推测应有的 序列找到对应的 序列。蛋白质蛋白质结构结构修饰修饰合成合成预期的蛋白质预期的蛋白质氨基酸氨基酸脱氧核苷酸脱氧核苷酸 三、蛋白质工程的基本原理三、蛋白质工程的基本原理基因基因DNA氨基酸序列氨基酸序列多肽链多肽链蛋白质蛋白质三维结构三维结构预期功能预期功能生
5、物功能生物功能mRNA转录转录翻译翻译折叠折叠DNA合成合成分子设计分子设计 讨论:讨论:1、怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列?、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。请把相应的碱基序列写出来。某多肽链的一段氨基酸序列是: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-甲硫氨酸甲硫氨酸-苯丙氨酸苯丙氨酸-丙氨酸:丙氨酸:GCU、GCC、GCA、GCG 色氨酸:色氨酸:UGG 赖氨酸:赖氨酸:AAA、AAG 甲硫氨酸:甲硫氨酸:AUG 苯丙氨酸:苯丙氨酸:UUU、UUC 同学们可以根据学过的排列组合知识自己排列一下。同学们可以根据学过的排
6、列组合知识自己排列一下。首先应该根据三联密码子推出首先应该根据三联密码子推出mRNA序列为序列为GCU(或(或C或或A或或G)UGGAAA(或(或G)AUGUUU(或(或C),),再根据碱基互补配对规律推出脱氧核苷酸序列:再根据碱基互补配对规律推出脱氧核苷酸序列:CGA(或(或G或或T或或C)ACCTTT(或(或C)TACAAA(或(或G)。)。 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识的人都知道的常识。但在加拿大生物化学家M史密斯(史密斯(19322000)发明定点突
7、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,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
8、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是预先设定好的,所以也有人将该法称为“反遗传法反遗传法”。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。验室都会用定点突变法来研究基因或蛋白质的功能。2、确定目的基因的碱基序列后,怎样才能合
9、、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(成或改造目的基因(DNA)?)?可以通过人工合成的方法或从基因库中获取。可以通过人工合成的方法或从基因库中获取。 (1 1)从生物体中)从生物体中分离纯化分离纯化目的目的蛋白蛋白;(2 2)测定测定其氨基酸其氨基酸序列序列;(3 3)借助核磁共振和)借助核磁共振和X X射线晶体衍射等手段,尽可能射线晶体衍射等手段,尽可能地地了解了解蛋白质的二维重组和三维晶体蛋白质的二维重组和三维晶体结构结构;(4 4)设计设计各种各种处理条件处理条件,了解了解蛋白质的蛋白质的结构变化结构变化,包括折叠与去折叠等包括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响对其活
10、性与功能的影响;(5 5)设计设计编码该蛋白的编码该蛋白的基因改造方案基因改造方案,如定点突变;,如定点突变;(6 6)分离、纯化新蛋白分离、纯化新蛋白,功能检测功能检测后投入实际使用。后投入实际使用。 蛋白质工程的概念蛋白质工程的概念v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生物功能的关蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系系作为基础,通过作为基础,通过基因修饰或基因合成基因修饰或基因合成,对,对现有现有蛋白质进行蛋白质进行改造,或制造一种改造,或制造一种新新的蛋白质,以满足人类的生产和生活的的蛋白质,以满足人类的生产和生活的需求。需求。蛋白质工程的实质是对编码蛋白质的基因进
11、行改造蛋白质工程的实质是对编码蛋白质的基因进行改造 项目基因工程蛋白质工程操作起点操作核心过程目标结果联系目的基因目的基因预期的蛋白质功能预期的蛋白质功能基因表达载体基因表达载体基因基因获取目的基因获取目的基因构建表达载体构建表达载体导入受体细胞导入受体细胞目的基因的检测与表达目的基因的检测与表达预期蛋白质功能预期蛋白质功能设计蛋白质结构设计蛋白质结构推测氨基酸序列推测氨基酸序列推测核苷酸序列推测核苷酸序列合成合成DNA 表达出蛋白质表达出蛋白质定向改造生物的遗传特定向改造生物的遗传特性,获得人类所需的生性,获得人类所需的生物类型或生物产品物类型或生物产品定向改造或生产人类所定向改造或生产人类
12、所需的蛋白质需的蛋白质生产自然界中已有的蛋生产自然界中已有的蛋白质白质蛋白质工程是在基因工程的基础上蛋白质工程是在基因工程的基础上,延伸出来的第二代基延伸出来的第二代基因工程。因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质,因工程。因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质,必须通过基因的修饰或基因的合成必须通过基因的修饰或基因的合成。生产自然界没有的蛋生产自然界没有的蛋白质白质 (二)蛋白质改造工程举例(二)蛋白质改造工程举例1水蛭素改造水蛭素改造水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂,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,由它有多种变异体,由65或或66个氨基酸残基组成。水个氨基
13、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。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础上提出改造水蛭素主要变异体HV2的设计方案,的设计方案,将将47位的位的Asn(天冬酰胺)变成(天冬酰胺)变成Lys(赖氨酸),(赖氨酸),使其与分子内第使其与分子内第4或第或第5位位Thr(苏氨酸)间形成氢(苏氨酸)间形成氢键来帮助水蛭素键来帮助水蛭素N端肽段的正确取向,从而提高抗端肽段的正确取向,从而提高抗凝血效率,试管试验活性提高了凝血效率,试管试验活性提高了4倍,在动物
14、模型倍,在动物模型上检验抗血栓形成的效果,提高上检验抗血栓形成的效果,提高20倍。倍。 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长发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
15、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,如第虑取代充当锌离子配基的氨基酸侧链,如第1818和第和第2121位位HisHis(组(组氨酸)和第氨酸)和第1717位位GluGlu(谷氨酸)。实验结果与预先设想一致,但(谷氨酸)。实验
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