3.3蛋白质工程的原理和应用课件-高二下学期生物苏教版选择性必修3

第3节蛋白质工程的原理和应用第三章基因工程从社会中来回顾旧知转录DNARNA翻译肽链逆转录复制复制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与性状表达血红蛋白的三级结构蛋白质只有具有一定空间结构，才能表达特有性状或具有特定功能一、蛋白质工程崛起的缘由原则上只能产生自然界已存在的蛋白质（天然蛋白）基因工程的缺陷有时不完全符合人类生产和生活需要天然蛋白的缺陷对天然蛋白质进行改造，产生更符合人类需要的蛋白质蛋白质工程的作用赖氨酸合成调控达到一定浓度两种酶的活性352位的苏氨酸变成异亮氨酸二氢吡啶二羧酸合成酶天冬氨酸激酶+104位的天冬酰胺变成异亮氨酸赖氨酸含量抑制提高提高限制提高对天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的改造

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，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端肽段的正确取向，从而提高凝血效率。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。水蛭素改造人类蛋白质组计划?与蛋白质工程有什么关系?我国科学家承担了什么任务？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，通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。

①基础：

②操作：

③操作对象：

④目的：

⑤地位：

⑥理论和技术：蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系改造或合成基因改造现有蛋白质或制造新的蛋白质，满足人类生产和生活的需求在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程基因分子生物学、晶体学和计算机技术二、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，对蛋白质分子结构进行设计改造，生产符合人们需求的、自然界中不存在的蛋白质。由于基因决定蛋白质，因此要对蛋白质的结构进行设计改造，最终还必须通过改造或合成基因来完成。思考：为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？①蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大；②蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质；③基因可以遗传，蛋白质无法遗传；二、蛋白质工程的基本原理1.目标2.实质预期功能生物功能设计推测改造或合成目的基因转录翻译mRNA折叠多肽链行使蛋白质（三维结构）预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到对应的脱氧核苷酸序列→合成新基因→获得所需要的蛋白质3.基本思路根据改造蛋白质的部位的多少，对蛋白质的改造可分为三类：（1）大改：设计并制造出自然界中不存在的全新蛋白质；（2）中改：在蛋白质分子中替换某一个肽段或某一个特定的结构域；（3）小改：改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基。某多肽链的一段氨基酸序列是：丙氨酸色氨酸赖氨酸谷氨酸苯丙氨酸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。提示：丙氨酸（GCU、GCC、GCA、GCG)、色氨酸(UGG)、赖氨酸(AAA、AAG）、谷氨酸（GAA、GAG）、苯丙氨酸（UUU、UUC）。mRNA序列为：GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）GAA（或G）UUU（或C）DNA序列为：CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）CTT（或C）AAA（或G）GCT（或C或A或G）TGGAAA（或G）GAA（或G）TTT（或C）三、蛋白质工程的一般过程获取基因和蛋白质的结构数据确定目的基因的碱基序列后，怎样合成或改造目的基因？可人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因。对基因的改造经常会用到基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。比较基因定点诱变基因突变相同点发生的过程结果不同点场所手段方向DNA复制过程中产生新基因，从而产生新性状生物体外生物体内定向改造不定向性PCR技术物理化学方法预期功能降低胰岛素的聚合作用设计结构改变B链第20～29位氨基酸组成改造新胰岛素基因B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或将它与B29位的赖氨酸交换位置推测序列转录mRNA翻译多肽链行使功能速效胰岛素类似物a.研发速效胰岛素类似物预期结构折叠等天然蛋白质易形成二聚体或六聚体阻碍胰岛素从注射部位进入血液，延缓了降血糖作用定点突变四、蛋白质工程的应用b.延长干扰素体外保存时间天然干扰素不易保存改造新干扰素基因预期功能延长保存时间设计结构氨基酸替换一个半胱氨酸变成丝氨酸推测序列预期结构转录mRNA折叠翻译多肽链行使功能在-70℃下可以保存半年定点突变c.制备人鼠嵌合抗体诱发免疫反应的强度就会降低很多

将小鼠编码抗体可变区的基因片段与人编码抗体恒定区的基因片段拼接在一起，利用基因载体导入骨髓瘤细胞，成功获得人鼠嵌合抗体，降低了抗体诱发免疫反应的强度。目前，已有多种嵌合抗体用于临床治疗。基因融合d.其他①改进酶的性能或开发新的工业用酶；②改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加粮食的产量；③改造微生物蛋白质的结构，使它防治病虫害的效果增强。1.提高蛋白质的热稳定性第3位上的异亮氨酸半胱氨酸-s-s-改造后的T4溶菌酶，可在第3位（半胱氨酸）与第97位（半胱氨酸）之间形成一个新的二硫键，使T4溶菌酶获得了较强的耐热特征2.改变蛋白质的活性【材料1】组织纤溶酶原激活物(t-PA)专一激活人体内的纤溶系统，保证血液循环的畅通。但t-PA用于溶栓治疗时具有一定的局限性，它进入血浆后大部分与纤溶酶原激活剂抑制物形成复合物，并迅速失去活性。利用蛋白质工程技术对t-PA进行改造，就可以消除上述缺点，从而增加溶栓效能，减少药用剂量并降低副作用。【材料2】延长白细胞介素-2的作用时间白细胞介素-2(IL-2)是一种细胞因子，能够促进T淋巴细胞增殖以及增强某些免疫细胞的活性，已被广泛运用于各种肿瘤和病毒感染疾病的治疗。IL-2作为临床药物在血浆中的作用时间较短，治疗期间需要频繁给药。科学家通过蛋白质工程，将长效人血清白蛋白（HSA)与IL-2重组，获得了一种新的融合蛋白（HSA/IL-2),这种融合蛋白既具有普通IL-2的生物活性，作用时间又有所延长，可明显提高IL-2的疗效。基因拼接定点突（诱）变【资料】枯草杆菌蛋白酶是一种丝氨酸型蛋白酶，可广谱降解蛋白质，常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。但其会因漂白剂的抑制作用而无法用作洗涤添加剂。若将该酶分子中第222位的甲硫氨酸残基转换成半胱氨酸残基或丙氨酸残基，酶活将不再受漂白剂的抑制。3.消除酶的被抑制特性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？理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。一些报道利用细菌生产人类需要的蛋白质往往都是自然界已经存在的蛋白质，并非完全是人工设计出来而自然不存在的蛋白质。主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对蛋白质的高级结构和在生物体内如何行使功能知之甚少，很难设计出一个崭新而又具有生命功能作用的蛋白质，而且一个崭新的蛋白质会带来什么危害也是人们所担心的。蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，高级结构非常复杂。

要设计出更符合人类需要的蛋白质还需不断地攻坚克难。随着科技的发展，蛋白质工程将会给人带来更多的福祉。三级结构一级结构四级结构二级结构四、蛋白质工程的现状项目蛋白质工程基因工程操作对象操作起点操作水平操作流程结果实质联系基因基因DNA分子水平DNA分子水平预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→找到并改变对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新基因→获得所需要的蛋白质目的基因的筛选与获取→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定可生产自然界没有的蛋白质可生产自然界已有的蛋白质通过改造或合成基因来定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白