1.4蛋白质工程的崛起PPT

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课件14：1.4 蛋白质工程的崛起

蛋白质工程的概念
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，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造或制造一种新的蛋白质，以满足人类对生产和生活的需求。
前提：原理：目的：
了解蛋白质的结构和功能改造基因（基因修饰或基因合成）定向改造或制造蛋白质
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，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？
玉米中赖氨酸含量可提高数倍
天冬氨酸激酶（异亮氨酸）
二氢吡啶二羧酸合成酶（异亮氨酸）
对天然的蛋白质进行改造，你认为应该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、基因决定蛋白质的合成，改造基因即为改造蛋白质； 2、改造基因可以遗传，改造蛋白质无法遗传； 3、改造基因比改造蛋白质更容易操作。
蛋白质工程的崛起
目标
开展蛋白质工程的研究的缘由蛋白质工程的原理蛋白质工程的进展与前景
一、蛋白质工程崛起的缘由
1 基因工程的实际：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质，进而表现出新性状。
2 基因工程的不足：在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。
3 天然蛋白质的不足天然蛋白质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。
蛋白质一级结构是理解蛋白质结构、作用机制以及与其同源蛋白质生理功能的必要基础。
蛋白质的二级结构
蛋白质二级结构:指蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕的方式。二级结构主要有α-螺旋、β-折叠、β-转角。
蛋白质的三级结构
蛋白质分子处于它的天然折叠状态的三维构象。三级结构是在二级结构的基础上进一步盘绕，折叠形成的。

课件15：1.4 蛋白质工程的崛起

2、蛋白质工程的基本流程正确的是（ C ） ①蛋白质分子结构设计 ②DNA合成 ③预期蛋白质功能 ④据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列
A.①→②→③→④ B.④→②→①→③ C.③→①→④→② D.③→④→①→②
3、关于基因工程和蛋白质工程的说法正确的是（ A ） A．都是分子水平上的操作 B．基因工程就是改造基因的分子结构 C．蛋白质工程就是改造蛋白质的分子结构 D．基因工程能产生自然界根本不存在的基因，蛋白质工程能产生自然界已存在的蛋白质
二、蛋白质工程的基本原理
1、蛋白质工程的途径 ----------中心法则的逆推
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相应的脱氧核苷酸序列(合成基因)
DNA合成
分子设计
基因
氨基酸序列
蛋白质
DNA
mRNA 多肽链
转录翻译
三维结构折叠
预期功能生物功能
2、目标：根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计。
（2）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，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，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。
课堂小结
1、蛋白质工程崛起的缘由
2、蛋白质工程的原理：中心法则的逆推
预期的蛋白质功能出发

蛋白质工程的崛起课件(25张)-PPT优秀课件

(2)科技人员获得“M酶”基因后，常利用___P_C_R___技术在体外将其大量扩增，此过程需要一种特殊的酶是__T_a_q_酶____。
(3)“M酶”基因只有插入玉__米__细__胞__的__染__色___体_D__N_A__中，才能确保“M酶”基因在玉米细胞中得以稳定遗传。科技人员将 “M酶”基因导入玉米细胞中需要借助__载__体__的运输。
练习检测
1 ．关于生物体内存在的天然蛋白质，下列说法不正确的是（ 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20种 D．一定完全符合人类生产和生活的需要
1.4 蛋白质工程的崛起课件（共25张ppt）
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练习检测
6、蛋白质工程是在基因工程基础上，延伸出来的第
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
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四、蛋白质工程的进展和前景进展胰岛素速效型药品前景制作电子元件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，目前科学家对大多数蛋白质的高级结构了解还不够，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。
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，定向改变分子的结构

3、1.4《蛋白质工程的崛起》ppt

4.蛋白质工程的主要步骤通常包括：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；从生物体中分离纯化目的蛋白；（2）测定其氨基酸序列；测定其氨基酸序列；借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段，（ 3 ）借助核磁共振和 X 射线晶体衍射等手段，尽可能地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构; 白质的二维重组和三维晶体结构; （ 4 ）设计各种处理条件，了解蛋设计各种处理条件，白质的结构变化，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；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；方案，如点突变；分离、纯化新蛋白，（ 6 ）分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。测后投入实际使用。
例如:干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。例如干扰素是一种抗病毒、抗肿瘤的药物。将干扰素是一种抗病毒人的干扰素的cDNA在大肠杆菌中进行表达，产生在大肠杆菌中进行表达，人的干扰素的在大肠杆菌中进行表达的干扰素的抗病毒活性为106 U/mg，只相当于天的干扰素的抗病毒活性为，然产品的十分之一，虽然在大肠杆菌中合成的β然产品的十分之一，虽然在大肠杆菌中合成的干扰素量很多，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？存在。为什么会这样？如何改变这种状况？研究发现，干扰素蛋白质中有个半胱氨酸（干扰素蛋白质中有3个半胱氨酸发现，β-干扰素蛋白质中有个半胱氨酸（第17位、位 31位和位和141位），推测可能是有一个或几个半胱氨位和位），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位的酸形成了不正确的二硫键。研究人员将第位的半胱氨酸，通过基因定点突变改变成丝氨酸，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果使大肠杆菌中生产的干扰素的抗病性活性提高到108 U/mg，并且比天然干扰素的贮存稳定高到，并且比天然β-干扰素的贮存稳定性高很多。性高很多。

1.4蛋白质工程的崛起(52张PPT)

蛋白质工程流程
• • • •
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）
总结：蛋白质工程的概念蛋白质工程是指以蛋白质分子的生物功能结构规律及其与_______ ________ 的关系作为基基因修饰或础，通过_______ ________，对现有蛋基因合成改造新的蛋白质白质进行____ ，或制造一种_______ ，以满足生产和生活的需求。
• 玉米中赖氨酸的含量比较低。
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）二氢吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）
赖氨酸
改造
天冬氨酸激酶（异亮氨酸）二氢吡啶二羧酸合成酶（异亮氨酸）
• 在已研究过的几千种酶中，只有极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，这些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。这是因为工业生产中每一步的反应体系中常常会有酸、碱或有机溶剂存在，反应温度较高，在这种条件下，大多数酶会很快变性失活。
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。这些蛋白质是生物在长期的进化中形成的，他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。
例如：
• 干扰素是由动物体内的效应T细胞产生的一种糖蛋白，几乎能抵抗所有病毒引起的感染。同时，在治疗癌症方面也有十分可观的疗效。但是，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酸变 o 成丝氨酸，在-70 C的条件下，可以保存半年。
前提：了解蛋白质的结构和功能

课件13：1.4 蛋白质工程的崛起

归纳小结
比较基因工程和蛋白质工程：
基因工程
蛋白质工程
相同点实质
产生的蛋白质联系
都属于分子水平的操作，都是对基因的操作
基因重组
改造基因
天然存在的
自然界不存在的
蛋白质工程以基因工程为基础，是基因工程的应用和延伸
课堂练习：
1、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. 蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造 C. 蛋白质工程只能生产天然的蛋白质 D. 蛋白质工程的实质是改造蛋白质
怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？写出相应的碱基序列。
三、蛋白质工程的进展和前景
应用于电子方面
改造胰岛素 ——特效药品
蛋白质工程 ——制造电子元件。
优点：体积小、耗电少、效率高。
你想创造一种具有什么功能的蛋白质？
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？
浓度影响
苏氨酸异亮氨酸
产量提高
天冬酰胺
异亮氨酸
蛋白质的结构
国际人类蛋白质组计划？
2001年，国际人类蛋白质组组织成立。启动两项国际合作行动： 1、人类肝脏蛋白质组计划； 2、人类血浆蛋白质组计划。
蛋白质工程所进行的操作，是直接对蛋白质分子进行操作还是对基因进行操作？
二、蛋白质工程的基本原理
蛋白质工程：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，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。
基因 DNA
DNA合成
蛋白质工程
转录
mRNA

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知识回顾 Knowledge Review
祝您成功！
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）
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）
血红蛋白质的四级结构
天然蛋白质的合成过程
复制
DNA
转录逆转录
复制
RNA 翻译
肽链
折叠等
表达生物特有的功能或性状
具有空间结构的蛋白质
遵循中心法则，并需经过高级空间结构的转变
2、蛋白质工程的原理：基因改造 3、基本途径：
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对应的脱氧核苷酸序列（基因）
（异亮氨酸）
二、蛋白质工程的基本原理
1、目标：
根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计。
对天然蛋白质进行改造，你认为应该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？
蛋白质的一级结构
蛋白质的二级结构
胰岛素的三级结构
血红蛋白分子就是由二个由 141个氨基酸残基组成的α亚基和二个由146个氨基酸残基组成的β亚基按特定的接触和排列组成的一个球状蛋白质分子，每个亚基中各有一个含亚铁离子的血红素辅基。
蛋白质改造工程举例
胰岛素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，从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。利用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。该速效胰岛素已通过临床实验。
②而氨基酸排序由基因决定，所以还需要改造相应基因中脱氧核苷酸序列或人工合成所需要的自然界原本不存在的基因片段，用于蛋白质工程。
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
DNA mRNA 多肽链
转录
翻译
三维结构折叠
预期功能生物功能
三、蛋白质工程的进展和前景
蛋白质工程将蛋白质与酶的研究推进到崭新的时代，为蛋白质和酶在工业、农业和医药方面的应用开拓了诱人的前景。蛋白质工程开创了按照人类意愿改造、创造符合人类需要的蛋白质的新时期。 1.前景诱人。如用此技术制成的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点。 2.难度很大。目前科学家对大多数蛋白质的高级结构的了解还很不够。
一、蛋白质工程崛起的缘由
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。
4、概念：
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系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。
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。
蛋白质工程的内容主要有两方面：
①根据需要设计具有特定氨基酸序列和空间结构的蛋白质