蛋白质工程崛起
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蛋白质工程崛起
“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80 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，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。
实验证明：胰岛素在低浓度时主要以单体形式 存在，在高浓度时多以二聚体形式存在，这是 胰岛素β23－β28氨基酸残基结构所致。这样就 会延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓 了其降血糖的作用，也增加了抗原性。
蛋白质工程崛起
科学家根据胰岛素的结构和其功能间的关系， 设计了对胰岛素基因的改造方案。通过碱基替 换的方法，改变基因序列，将β链第28位改为赖 氨酸、29位改为脯氨酸，从而改变了胰岛素的 结构。这种改变了结构的胰岛素不会形成二聚 体，从而使胰岛素快速起作用。由此，速效型 胰岛素制剂诞生，这种制剂的形成正是利用的 蛋白质工程技术，也就是本节我们将要探讨的 内容。
符合特定
物种
的需要，却不一定完全符合人类
生产和生活的需要。
蛋白质
3、蛋白质工程的目的 蛋白质工程崛起
一、蛋白质工程崛起的缘由
例如：
满足人类 生产和生 活的需要
干扰素（半胱氨酸） 改造 干扰素（丝氨酸）
体外很难保存
体外可以保存半年
玉米中赖氨酸含量比较低
玉米中赖氨酸含量可提高数倍
天冬氨酸激酶
改造
（352位的苏氨酸）
白质的二维结构和三维晶体结构;
（4）设计各种处理条件，了解蛋白质 的结构变化，包括折叠与去折叠等对 其活性与功能的影响；
（5）设计编码该蛋白的基因改造方案， 如点突变；
（6）分离、纯化新蛋白，功能检测后 投入实际使用。
蛋白质工程崛起
蛋白质工程崛起
活动3：对照密码表，至少写出三种决定
蛋白质工程崛起
二、蛋白质工程的基本原理
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？
1、目标：根据人们对 蛋白质 定需求，对蛋结构白质的
功能的特 进行分子设计。
2、原理：改造基因（基因 修饰
因
）。
或合基成
3、途径：
预期的蛋白质
预氨基期酸蛋白质功能→设计 脱氧核苷酸
蛋白质工程崛起
何谓蛋白质工程？
1983年美国科学家Ulmer首先提出蛋 白质工程，它是指按照特定的需要，对 蛋白质进行分子设计和改造的工程。自 此以后，蛋白质工程迅速发展，已成为 生物工程的重要组成部分。
蛋白质工程崛起
一、蛋白质工程崛起的缘由
活动1:阅读P26.
回答:为什么要进行蛋白质工程?
通过基因工程能够大规模生产生物体内微量存在的 活性物质，并借助转基因而改变动植物性状，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，需要加以改造。
天冬氨酸激酶 （异亮氨酸）
二氢吡啶二羧酸合成酶 改造 二氢吡啶二羧酸合成酶
（104位的天冬酰胺）
（异亮氨酸）
蛋白质工程崛起
• 干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。将人的干扰素 的cDNA在大肠杆菌中进行表达，产生的干扰素的抗病 毒活性为106 U/mg，只相当于天然产品的十分之一， 虽然在大肠杆菌中合成的β-干扰素量很多，但多数 是以无活性的二聚体形式存在。为什么会这样？如何 改变这种状况？研究发现，β-干扰素蛋白质中有3个 半胱氨酸（第17位、31位和141位），推测可能是有 一个或几个半胱氨酸形成了不正确的二硫键。研究人 员将第17位的半胱氨酸，通过基因定点突变改变成丝 氨酸，结果使大肠杆菌中生产的β-干扰素的抗病性 活性提高到108 U/mg，并且比天然β-干扰素的贮存 稳定性高很多。
DNA
mRNA 多肽链
三维结构
转录 翻译
折叠 蛋白质工程崛起
预期功能 生物功能
蛋白质工程的概念
基础: 蛋白质的结构和功能 途径: 基因修饰或基因合成
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：是对编码蛋白质的基因进行改造
蛋白质工程崛起
旁栏思考题
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？
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，国际人类蛋白质组组 织宣告成立。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”； 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”，由此拉开了人类蛋白质 组计划的帷幕。
→推测应
蛋白质工程崛起
蛋白质工程原理
天然蛋白质的合成途径：
基因
表达（转录和翻译）
形成氨基酸序列的多肽
链
形成具有高级结构的蛋白质
行使生物功能
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
应有的氨基酸序列
找到相应的脱氧核苷酸序列酸
推测
蛋白质工程的流程
DNA合成
分子设计
基因
氨基酸序列
蛋白质
蛋白质工程崛起
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。
蛋白质工程崛起
蛋白质工程崛起
蛋白质工程崛起
蛋白质工程崛起
蛋白质工程崛起
蛋白质工程崛起
情景导航 快速起效的胰岛素
蛋白质工程崛起
一、蛋白质工程崛起的缘由
1、基因工程的应用
（1）基因工程的实质：将一种生物的 基因
转
移到另一种生物体内，使后者产生本不能产蛋生白质
的
性状 ，进而表现出新
的
。
（2）基蛋因白工质程的不足：在原则上只能生产自然界已存
在的
。
2、天然蛋白质的不足
进化
结构天和然功蛋能白质是生物在长期生存
过程中Biblioteka Baidu
形成的，它们的
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。
蛋白质工程崛起
二、蛋白质工程的基本原理
活动2：对照P27蛋白质工程流程图，
说出主要步骤。
蛋白质工程崛起
➢ 蛋白质工程的主要步骤通常包括：
（1）从生物体中分离纯化目的蛋白； （2）测定其氨基酸序列； （3）借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段，尽可能地了解蛋
“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80 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，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。
实验证明：胰岛素在低浓度时主要以单体形式 存在，在高浓度时多以二聚体形式存在，这是 胰岛素β23－β28氨基酸残基结构所致。这样就 会延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓 了其降血糖的作用，也增加了抗原性。
蛋白质工程崛起
科学家根据胰岛素的结构和其功能间的关系， 设计了对胰岛素基因的改造方案。通过碱基替 换的方法，改变基因序列，将β链第28位改为赖 氨酸、29位改为脯氨酸，从而改变了胰岛素的 结构。这种改变了结构的胰岛素不会形成二聚 体，从而使胰岛素快速起作用。由此，速效型 胰岛素制剂诞生，这种制剂的形成正是利用的 蛋白质工程技术，也就是本节我们将要探讨的 内容。
符合特定
物种
的需要，却不一定完全符合人类
生产和生活的需要。
蛋白质
3、蛋白质工程的目的 蛋白质工程崛起
一、蛋白质工程崛起的缘由
例如：
满足人类 生产和生 活的需要
干扰素（半胱氨酸） 改造 干扰素（丝氨酸）
体外很难保存
体外可以保存半年
玉米中赖氨酸含量比较低
玉米中赖氨酸含量可提高数倍
天冬氨酸激酶
改造
（352位的苏氨酸）
白质的二维结构和三维晶体结构;
（4）设计各种处理条件，了解蛋白质 的结构变化，包括折叠与去折叠等对 其活性与功能的影响；
（5）设计编码该蛋白的基因改造方案， 如点突变；
（6）分离、纯化新蛋白，功能检测后 投入实际使用。
蛋白质工程崛起
蛋白质工程崛起
活动3：对照密码表，至少写出三种决定
蛋白质工程崛起
二、蛋白质工程的基本原理
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？
1、目标：根据人们对 蛋白质 定需求，对蛋结构白质的
功能的特 进行分子设计。
2、原理：改造基因（基因 修饰
因
）。
或合基成
3、途径：
预期的蛋白质
预氨基期酸蛋白质功能→设计 脱氧核苷酸
蛋白质工程崛起
何谓蛋白质工程？
1983年美国科学家Ulmer首先提出蛋 白质工程，它是指按照特定的需要，对 蛋白质进行分子设计和改造的工程。自 此以后，蛋白质工程迅速发展，已成为 生物工程的重要组成部分。
蛋白质工程崛起
一、蛋白质工程崛起的缘由
活动1:阅读P26.
回答:为什么要进行蛋白质工程?
通过基因工程能够大规模生产生物体内微量存在的 活性物质，并借助转基因而改变动植物性状，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，需要加以改造。
天冬氨酸激酶 （异亮氨酸）
二氢吡啶二羧酸合成酶 改造 二氢吡啶二羧酸合成酶
（104位的天冬酰胺）
（异亮氨酸）
蛋白质工程崛起
• 干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。将人的干扰素 的cDNA在大肠杆菌中进行表达，产生的干扰素的抗病 毒活性为106 U/mg，只相当于天然产品的十分之一， 虽然在大肠杆菌中合成的β-干扰素量很多，但多数 是以无活性的二聚体形式存在。为什么会这样？如何 改变这种状况？研究发现，β-干扰素蛋白质中有3个 半胱氨酸（第17位、31位和141位），推测可能是有 一个或几个半胱氨酸形成了不正确的二硫键。研究人 员将第17位的半胱氨酸，通过基因定点突变改变成丝 氨酸，结果使大肠杆菌中生产的β-干扰素的抗病性 活性提高到108 U/mg，并且比天然β-干扰素的贮存 稳定性高很多。
DNA
mRNA 多肽链
三维结构
转录 翻译
折叠 蛋白质工程崛起
预期功能 生物功能
蛋白质工程的概念
基础: 蛋白质的结构和功能 途径: 基因修饰或基因合成
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：是对编码蛋白质的基因进行改造
蛋白质工程崛起
旁栏思考题
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？
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，国际人类蛋白质组组 织宣告成立。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”； 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”，由此拉开了人类蛋白质 组计划的帷幕。
→推测应
蛋白质工程崛起
蛋白质工程原理
天然蛋白质的合成途径：
基因
表达（转录和翻译）
形成氨基酸序列的多肽
链
形成具有高级结构的蛋白质
行使生物功能
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
应有的氨基酸序列
找到相应的脱氧核苷酸序列酸
推测
蛋白质工程的流程
DNA合成
分子设计
基因
氨基酸序列
蛋白质
蛋白质工程崛起
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。
蛋白质工程崛起
蛋白质工程崛起
蛋白质工程崛起
蛋白质工程崛起
蛋白质工程崛起
蛋白质工程崛起
情景导航 快速起效的胰岛素
蛋白质工程崛起
一、蛋白质工程崛起的缘由
1、基因工程的应用
（1）基因工程的实质：将一种生物的 基因
转
移到另一种生物体内，使后者产生本不能产蛋生白质
的
性状 ，进而表现出新
的
。
（2）基蛋因白工质程的不足：在原则上只能生产自然界已存
在的
。
2、天然蛋白质的不足
进化
结构天和然功蛋能白质是生物在长期生存
过程中Biblioteka Baidu
形成的，它们的
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。
蛋白质工程崛起
二、蛋白质工程的基本原理
活动2：对照P27蛋白质工程流程图，
说出主要步骤。
蛋白质工程崛起
➢ 蛋白质工程的主要步骤通常包括：
（1）从生物体中分离纯化目的蛋白； （2）测定其氨基酸序列； （3）借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段，尽可能地了解蛋