蛋白质工程的崛起课件

蛋白质工程是应怎样的需求而崛起的？
蛋白质工程的崛起主要是工业生产和基础理论研究的需要。
而结构生物学对大量蛋白质分子的精确立体结构及其复杂的生 物功能的分析结果，为设计改造天然蛋白质提供了蓝图。分子 遗传学的以定点突变为中心的基因操作技术为蛋白质工程提供 了手段。
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。提 高蛋白质的稳定性是工业生产中一个非常重要的课题。一般来 说，提高蛋白质的稳定性包括：延长酶的半衰期，提高酶的热 稳定性，延长药用蛋白的保存期，抵御由于重要氨基酸氧化引 起的活性丧失等。
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玉米中赖氨酸的含量比较低
2010-1-10
山西省孝义市第二中学
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例如：
干扰素（半胱氨酸）
体外很难保存
改造
干扰素（丝氨酸）
体外可以保存半年
玉米中赖氨酸含量比较低
天冬氨酸激酶
改造
（352位的苏氨酸）
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 改造
二氢吡啶二羧酸合成酶
（104位的天冬酰胺）
（异亮氨酸）
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二、蛋白质工程的基本原理
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。
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。
应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质改造， 主要原因如下：
（1）任何一种天然蛋白质都是由基因编码的， 改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造过 的蛋白质可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造， 即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法 遗传的。
（2）对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容 易操作，难度要小得多。
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2．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
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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。
蛋白质工程的崛起
来自百度文库
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中的一项 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，该组织正是提出启 动两项重大国际合作行为：一项是有中国科 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”。
科学家面临新的问题
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。
干扰素是由效应T细胞产生的糖蛋白，可阻 断细胞分裂间期，抑制DNA复制，从而可用 于治疗疾病。但干扰素在体外很难保存。
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基因工程
蛋白质工程
相同点 都要改造基因，都属于分子水平
产生新的 基因型，无新基因 基因（型）
产生的蛋白质
原有的
新的
联系
蛋白质工程以基因工程为基础， 是基因工程的应用和延伸
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项目 操作起点 操作核心
过程
目标
结果 联系
基因工程
蛋白质工程
目的基因 基因表达载体
预期的蛋白质功能 基因
获取目的基因→ 构建表达载体→ 导入受体细胞→ 目的基因的检测与表达
蛋白质工程举例
1．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。
前提： 了解蛋白质的结构和功能 原理： 改造基因(基因修饰或基因合成) 目的： 定向改造或制造蛋白质
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
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。
血红蛋白质的四级结构
三、蛋白质工程的进展与前景
1、蛋白质工程的诞生是有其理论与技术条件的 ，它是随着分子生物学、晶体学以及计算机技 术的发展而诞生的，与基因组学、蛋白质组学 、生物信息学的发展等因素有关
2、现状：成功的例子不多，主要是因为蛋白质 发挥其功能需要依赖于正确的空间结构，而科 学家目前对大多数蛋白质的空间结构了解很少 。
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
蛋白质工程流程图
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
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比较基因工程和蛋白质工程
定向改造生物的遗传特 性，获得人类所需的生 物类型或生物产品
生产自然界中已有的蛋 白质
预期蛋白质功能→ 设计蛋白质结构→ 推测氨基酸序列→ 推测核苷酸序列→
合成DNA →表达出蛋白质
定向改造或生产人类所 需的蛋白质
生产自然界没有的蛋 白质
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。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。