1.4《蛋白质工程的崛起》课件(新人教版-选修3)

基因工程的实质： 基因工程的实质
基因 将一种生物的 转移到 另一种生物体内， 另一种生物体内，后者产生它本不 蛋白质 能产的 ，进而表现 出 。 新的性状
基因工程的局限性： 基因工程的局限性：
基因工程在原则上只能生产 自然界已存在的蛋白质。 自然界已存在的蛋白质。 这些蛋白质的结构和功能 结构和功能符合 这些蛋白质的结构和功能符合 特定物种生存的需要 生存的需要， 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。 人类生产和生活的需要 全符合人类生产和生活的需要。
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， 的结构，设计相应的基因，导入合 适的细菌中， 适的细菌中，让细菌生产人类所需 要的蛋白质食品呢？ 要的蛋白质食品呢？ 理论上是可行的， 理论上是可行的，但目前还没 有真正成功的例子。 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：
o
• 玉米中赖氨酸的含量比较低。 玉米中赖氨酸的含量比较低。
赖氨酸的合成机理： 赖氨酸的合成机理：
天冬氨酸激酶 二氢吡啶二羧酸合成酶
负反馈调节
前体物质
天冬氨酸激酶 （352位的苏氨酸） 位的苏氨酸） 位的苏氨酸 二氢吡啶二羧酸合成酶 （104位的天冬酰胺） 位的天冬酰胺） 位的天冬酰胺
赖氨酸
改造
天冬氨酸激酶 异亮氨酸） （异亮氨酸） 二氢吡啶二羧酸合成酶 异亮氨酸） （异亮氨酸）
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） （基因）
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： 结论 蛋白质的功能是由蛋白质的_____决定的， 蛋白质的功能是由蛋白质的 结构 决定的， 决定的 DNA（基因） （基因） 蛋白质的结构是由_____________决定的 决定的。 蛋白质的结构是由 决定的
• 在已研究过的几千种酶中，只有极 在已研究过的几千种酶中，只有极 几千种酶中 少数可以应用于工业生产 可以应用于工业生产， 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， 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 在自然状态下有活性， 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。 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、 体系中常常会有酸、碱或有机溶剂 存在，反应温度较高， 存在，反应温度较高，在这种条件 大多数酶会很快变性失活 变性失活。 下，大多数酶会很快变性失活。
目前科学家尝试通过 结构的改造 对蛋白质结构的改造， 对蛋白质结构的改造，来 延长酶的半衰期，提高酶 延长酶的半衰期， 的热稳定性， 的热稳定性，延长药用蛋 白的保存期， 白的保存期，抵御由于重 要氨基酸氧化引起的活性 丧失等， 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
（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： 蛋白质工程目前的现状：成功的 例子不多， 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， 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， 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。 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： 蛋白质工程与基因工程的关系：
项目 基因工程 蛋白质工程 预期的蛋白质功能 定向改造或生产人 类所需要的蛋白质 生产自然界没有 生产自然界没有的 没有的 蛋白质 操作起点 目的基因 实现基因的异体 实质 表达 生产自然界已存在 生产自然界已存在 结果 的蛋白质 基本流程 联系
例如：
• 干扰素是由动物体内的效应T细胞 干扰素是由动物体内的效应T 产生的一种糖蛋白， 产生的一种糖蛋白，几乎能抵抗所 有病毒引起的感染。同时， 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。 癌症方面也有十分可观的疗效。但 干扰素在体外保存相当困难。 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 如果将其分子上的一个半胱氨 变成丝氨酸 丝氨酸， 的条件下， 酸变成丝氨酸，在-70 C的条件下， 可以保存半年 半年。 可以保存半年。
（3）对生长激素的改造 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 生长激素受体， 体的生长发育，然而它不仅可以结合生长激素受体 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 催乳激素受体， 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， 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， 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， 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， 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。 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， 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， 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 和第21位 酸侧链，如第 和第 位His（组氨酸）和第 位Glu （组氨酸）和第17位 谷氨酸）。实验结果与预先设想一致， ）。实验结果与预先设想一致 （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。 为临床用药还有大量的工作要做。
（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， 制剂，它有多种变异体，由65或66个氨基酸残 或 个氨基酸残 基组成。 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， 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 的设计方案， 位的Asn（天冬酰 变异体 的设计方案 位的 （ 变成Lys（赖氨酸），使其与分子内第 或 ），使其与分子内第 胺）变成 （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 位 （苏氨酸） N端肽链的正确取向，从而提高抗凝血效率， 端肽链的正确取向， 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 试管试验活性提高 倍，在动物模型上检验抗血 栓形成的效果，提高20倍 栓形成的效果，提高 倍。
（1）对胰岛素的改造 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， 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， 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 B23氨基酸残基结构所致。 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， 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。 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。 已通过临床实验。
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 基因工程来 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， 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 对现有蛋白质的改造， 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 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 的蛋白质。就这样，蛋白质工程应运 而生，并迅速崛起。 而生，并迅速崛起。
3、蛋白质工程流程 、
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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） 找到相应的脱氧核苷酸序列（基因）
总结：蛋白质工程的概念 蛋白质工程是指以蛋白质 结构规律 分子的________及其与_______ 生物功能 的关系作为基础，通过_______ 基因修饰 基因合成 或________，对现有蛋白质进 改造 行____，或制造一种_______ ， 新的蛋白质 以满足生产和生活的需求。
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 二、蛋白质工程的基本原理 三、蛋白质工程的进展和前景

一、蛋白质工程崛起的缘由
思考： 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， 在另外一个生物的身上表达，常用 的方法有哪些？ 的方法有哪些？ 1、在种内可以用什么方法？ 、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？ 、在种间可以用什么方法？ 基因工程育种