1、121.1.基因工程的應用基因工程的應用（1 1）基因工程的實質：）基因工程的實質：將一種生物的基因轉移到另一種生物體內，使后者產生本不能產生的蛋白質，將一種生物的基因轉移到另一種生物體內，使后者產生本不能產生的蛋白質，進而表現出新的性狀。進而表現出新的性狀。原則上只能生產自然界已存在的蛋白質。原則上只能生產自然界已存在的蛋白質。（2 2）基因工程的不足：）基因工程的不足：一、蛋白質工程崛起的緣由一、蛋白質工程崛起的緣由3 天然蛋白質是生物在長期進化過程中形成的，它們的結構和功能符合特定物種天然蛋白質是生物在長期進化過程中形成的，它們的結構和功能符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合人類生產

2、和生活的需要。生存的需要，卻不一定完全符合人類生產和生活的需要。3.3.蛋白質工程的目的蛋白質工程的目的生產符合人類生產和生活的需要的蛋白質。生產符合人類生產和生活的需要的蛋白質。2.2.天然蛋白質的不足：天然蛋白質的不足：一、蛋白質工程崛起的緣由一、蛋白質工程崛起的緣由4閱讀閱讀P26P26第二自然段思考：第二自然段思考： 科學家在干擾素的保存和玉米的賴氨酸的產量上面臨什么樣的問題？如何解決這科學家在干擾素的保存和玉米的賴氨酸的產量上面臨什么樣的問題？如何解決這些問題？些問題？一、蛋白質工程崛起的緣由一、蛋白質工程崛起的緣由5例如：例如：改造改造干擾素（半胱氨酸）干擾素（半胱氨酸）體外很難保

3、存體外很難保存干擾素（絲氨酸）干擾素（絲氨酸）體外可以保存半年體外可以保存半年玉米中賴氨酸含量比較低玉米中賴氨酸含量比較低天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶（352位的蘇氨酸）位的蘇氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶（二氫吡啶二羧酸合成酶（104位位的天冬酰胺）的天冬酰胺）改造改造改造改造天冬氨酸激酶（異亮氨酸）天冬氨酸激酶（異亮氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶（異亮氨二氫吡啶二羧酸合成酶（異亮氨酸）酸）玉米中賴氨酸含量可提高數倍玉米中賴氨酸含量可提高數倍許多工業用酶是在改變天然酶的特性后，才使之適應生產和使用需要的。許多工業用酶是在改變天然酶的特性后，才使之適應生產和使用需要的。6蛋白質工程就是為了生產出符合人類生

4、產和生活需要的蛋白質，甚至是自然界不存在蛋白質工程就是為了生產出符合人類生產和生活需要的蛋白質，甚至是自然界不存在的蛋白質。的蛋白質。7二、蛋白質工程的基本原理二、蛋白質工程的基本原理1 1、蛋白質工程的目標、蛋白質工程的目標 根據人們對蛋白質功能的特定需求，對蛋白質的結構進行分子設計。根據人們對蛋白質功能的特定需求，對蛋白質的結構進行分子設計。2 2、天然蛋白質的合成過程、天然蛋白質的合成過程( (中心法則）中心法則）DNADNA（基因）（基因）轉錄轉錄mRNAmRNA翻譯翻譯蛋白質蛋白質基因基因表達（轉錄和翻譯）表達（轉錄和翻譯）形成氨基酸序列的多肽鏈形成氨基酸序列的多肽鏈形成具有高級結構

5、的蛋形成具有高級結構的蛋白質白質行使生物功能行使生物功能由于基因決定蛋白質，要對蛋白質的結構進行設計改造，最終還必須通過基因來由于基因決定蛋白質，要對蛋白質的結構進行設計改造，最終還必須通過基因來完成完成8一級結構：構成蛋白質的單元氨基酸通過肽鍵連接形成的線性序列，為多肽鏈一級結構：構成蛋白質的單元氨基酸通過肽鍵連接形成的線性序列，為多肽鏈 9二級結構：一級結構中部分肽鏈的彎曲或折疊產生二級結構。二級結構：一級結構中部分肽鏈的彎曲或折疊產生二級結構。 10三級結構三級結構：在二級結構基礎上進一步折疊成緊密的三維形式。三維形狀一般都可以大致說是球狀的或是纖維狀的。 11基因基因DNA氨基酸序列氨

6、基酸序列多肽鏈多肽鏈蛋白質蛋白質三維結構三維結構預期功能預期功能生物功能生物功能mRNA轉錄轉錄翻譯翻譯折疊折疊DNA合成合成分子設計分子設計 蛋白質的功能是蛋白質的功能是DNA決定的，那么要制決定的，那么要制造出新的蛋白質，就要改造造出新的蛋白質，就要改造DNA，所以蛋，所以蛋白質工程的原理應該是中心法則的逆推。白質工程的原理應該是中心法則的逆推。12 蛋白質的功能是蛋白質的功能是DNA決定的，那么要制決定的，那么要制造出新的蛋白質，就要改造造出新的蛋白質，就要改造DNA，所以蛋，所以蛋白質工程的原理應該是中心法則的逆推。白質工程的原理應該是中心法則的逆推。13思考：對天然蛋白質進行改造，你

7、認為應該直接對蛋白質分子進行操作，還是通過思考：對天然蛋白質進行改造，你認為應該直接對蛋白質分子進行操作，還是通過對基因的操作來實現？對基因的操作來實現？應該從對基因的操作來實現對天然蛋白質改造，主要原因如下：應該從對基因的操作來實現對天然蛋白質改造，主要原因如下：（1 1）任何一種天然蛋白質都是由基因編碼的，改造了基因即對蛋白質進行）任何一種天然蛋白質都是由基因編碼的，改造了基因即對蛋白質進行了改造，而且改造過的蛋白質可以遺傳下去。如果對蛋白質直接改造，即使了改造，而且改造過的蛋白質可以遺傳下去。如果對蛋白質直接改造，即使改造成功，被改造過的蛋白質分子還是無法遺傳的。改造成功，被改造過的蛋白

8、質分子還是無法遺傳的。（2 2）對基因進行改造比對蛋白質直接改造要容易操作，難度要小得多。）對基因進行改造比對蛋白質直接改造要容易操作，難度要小得多。 14、蛋白質工程的基本途徑、蛋白質工程的基本途徑預期的蛋白質功能預期的蛋白質功能設計預期的蛋白質結構設計預期的蛋白質結構推測應有的氨基酸序列推測應有的氨基酸序列找到相對應的脫氧核苷酸序列（基因）找到相對應的脫氧核苷酸序列（基因）15 蛋白質工程是指以蛋白質分子的結構規律及其與生物功能的關系作為基礎，蛋白質工程是指以蛋白質分子的結構規律及其與生物功能的關系作為基礎，通過基因修飾或基因合成，對現有蛋白質進行改造或制造一種新的蛋白質，以滿通過基因修飾

9、或基因合成，對現有蛋白質進行改造或制造一種新的蛋白質，以滿足人類對生產和生活的需求。足人類對生產和生活的需求。4 4、蛋白質工程的概念、蛋白質工程的概念 P27P27了解蛋白質的結構和功能了解蛋白質的結構和功能改造基因（基因修飾或基因合成）改造基因（基因修飾或基因合成）定向改造或制造蛋白質定向改造或制造蛋白質165、基因工程與蛋白質工程的區別、基因工程與蛋白質工程的區別基因工程基因工程蛋白質工程蛋白質工程實質實質結果結果聯系聯系通過通過改造基因改造基因，以，以定向改造天然蛋白定向改造天然蛋白質，甚至創造自然質，甚至創造自然界不存在的蛋白質界不存在的蛋白質將將目的基因目的基因從供體從供體轉移到受

10、體細胞，并轉移到受體細胞，并在受體細胞中表達在受體細胞中表達只能生產自然界只能生產自然界已存在已存在的蛋白質的蛋白質蛋白質工程是在基因工程基礎上，延蛋白質工程是在基因工程基礎上，延伸出的伸出的第二代第二代基因工程基因工程能生產自然界能生產自然界不存在不存在的蛋白質的蛋白質重組重組創新創新17 能不能根據人類需要的蛋白質的結構，設計相應的基因，導入合適的細菌中，能不能根據人類需要的蛋白質的結構，設計相應的基因，導入合適的細菌中，讓細菌生產人類所需要的蛋白質食品呢？讓細菌生產人類所需要的蛋白質食品呢？ 理論上講可以，但目前還沒有真正成功的例子。一些報道利用細菌生產人類理論上講可以，但目前還沒有真正

11、成功的例子。一些報道利用細菌生產人類需要的蛋白質往往都是自然界已經存在的蛋白質，并非完全是人工設計出來而自需要的蛋白質往往都是自然界已經存在的蛋白質，并非完全是人工設計出來而自然不存在的蛋白質。主要原因是蛋白質的高級結構非常復雜，人類對蛋白質的高然不存在的蛋白質。主要原因是蛋白質的高級結構非常復雜，人類對蛋白質的高級結構和在生物體內如何行使功能知之甚少，很難設計出一個嶄新而又具有生命級結構和在生物體內如何行使功能知之甚少，很難設計出一個嶄新而又具有生命功能作用的蛋白質，而且一個嶄新的蛋白質會帶來什么危害也是人們所擔心的。功能作用的蛋白質，而且一個嶄新的蛋白質會帶來什么危害也是人們所擔心的。 1

12、8三、蛋白質工程的進展和前景三、蛋白質工程的進展和前景1 1、進展、進展P28P28： （1 1）對胰島素的改造，使其成為速效型藥品。）對胰島素的改造，使其成為速效型藥品。 天然胰島素制劑在儲存中易形成二聚體和六聚體，延緩胰島素從注天然胰島素制劑在儲存中易形成二聚體和六聚體，延緩胰島素從注射部位進入血液，從而延緩了其降血糖作用，也增加了抗原性，這是胰射部位進入血液，從而延緩了其降血糖作用，也增加了抗原性，這是胰島素島素B23-B28氨基酸殘基結構所致。利用蛋白質工程技術改變這些殘基，氨基酸殘基結構所致。利用蛋白質工程技術改變這些殘基，則可降低其聚合作用，使胰島素快速起作用。該速效胰島素已通過臨

13、床則可降低其聚合作用，使胰島素快速起作用。該速效胰島素已通過臨床實驗。實驗。19（2）水蛭素改造）水蛭素改造 水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特異抑制劑，它有多種變異體，由水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特異抑制劑，它有多種變異體，由6565或或6666個氨基酸殘基組成。水蛭素在臨床上可作為抗栓藥物用于治療血栓疾病。為個氨基酸殘基組成。水蛭素在臨床上可作為抗栓藥物用于治療血栓疾病。為提高水蛭素活性，在綜合各變異體結構特點的基礎上提出改造水蛭素主要變異提高水蛭素活性，在綜合各變異體結構特點的基礎上提出改造水蛭素主要變異體體HV2HV2的設計方案，將的設計方案，將4747位的位的AsnAsn（天冬酰胺

14、）變成（天冬酰胺）變成LysLys（賴氨酸），使其與分（賴氨酸），使其與分子內第子內第4 4或第或第5 5位位ThrThr（蘇氨酸）間形成氫鍵來幫助水蛭素（蘇氨酸）間形成氫鍵來幫助水蛭素N N端肽段的正確取向，端肽段的正確取向，從而提高凝血效率，試管試驗活性提高從而提高凝血效率，試管試驗活性提高4 4倍，在動物模型上檢驗抗血栓形成的倍，在動物模型上檢驗抗血栓形成的效果，提高效果，提高2020倍。倍。202 2、前景誘人：、前景誘人： 探索將蛋白質工程應用于微電子方面。探索將蛋白質工程應用于微電子方面。 3 3、難度很大：、難度很大： 主要是目前科學家對大多數蛋白質的高級結構的了解還很不夠。主要

15、是目前科學家對大多數蛋白質的高級結構的了解還很不夠。 用蛋白質工程制造的電子元件具有體積小、用蛋白質工程制造的電子元件具有體積小、耗電少和效率高的特點。耗電少和效率高的特點。21一、蛋白質工程崛起的緣由：一、蛋白質工程崛起的緣由：基因工程原則上只能生產自然界已存在的蛋白質。基因工程原則上只能生產自然界已存在的蛋白質。二、蛋白質工程的基本原理：二、蛋白質工程的基本原理：預期蛋白質功能預期蛋白質功能設計預期蛋白質結構設計預期蛋白質結構推測應有的氨基酸序列推測應有的氨基酸序列找到相對應的找到相對應的脫氧核苷酸序列。脫氧核苷酸序列。蛋白質工程：以蛋白質分子的結構規律及其與生物功能的關系作為基礎，通過基

16、因蛋白質工程：以蛋白質分子的結構規律及其與生物功能的關系作為基礎，通過基因修飾或基因合成，對現有蛋白質進行改造，或制造一種新的蛋白質，以滿足人修飾或基因合成，對現有蛋白質進行改造，或制造一種新的蛋白質，以滿足人類的生產和生活的需求。類的生產和生活的需求。三、蛋白質工程的進展和前景。三、蛋白質工程的進展和前景。總結22 1 1、你知道人類蛋白質組計劃嗎？它與蛋白質工程有什么關系？我國科學家承擔、你知道人類蛋白質組計劃嗎？它與蛋白質工程有什么關系？我國科學家承擔了什么任務？了什么任務？ 人類蛋白質組計劃是繼人類基因組計劃之后，生命科學乃至自然科學領域一人類蛋白質組計劃是繼人類基因組計劃之后，生命科

17、學乃至自然科學領域一項重大的科學命題。項重大的科學命題。20012001年，國際人類蛋白質組組織宣告成立。年，國際人類蛋白質組組織宣告成立。20032003年，該組織年，該組織正式提出啟動了兩項重大國際合作行動：一項是正式提出啟動了兩項重大國際合作行動：一項是由中國科學家牽頭由中國科學家牽頭執行的執行的“人類人類肝臟蛋白質組計劃肝臟蛋白質組計劃”；另一項是以美國科學家牽頭執行的；另一項是以美國科學家牽頭執行的“人類血漿蛋白質組計人類血漿蛋白質組計劃劃”，由此拉開了人類蛋白質組計劃的帷幕。，由此拉開了人類蛋白質組計劃的帷幕。 四、知識拓展23“人類肝臟蛋白質組計劃人類肝臟蛋白質組計劃”是國際上第

18、一個人類組織器官的蛋白質組是國際上第一個人類組織器官的蛋白質組計劃，由我國賀福初院士牽頭，這是中國科學家第一次領銜的重大國際科研計劃，由我國賀福初院士牽頭，這是中國科學家第一次領銜的重大國際科研協作計劃，總部設在北京，目前有協作計劃，總部設在北京，目前有16個國家和地區的個國家和地區的80多個實驗室報名參加。多個實驗室報名參加。它的科學目標是揭示并確認肝臟的蛋白質，為重大肝病預防、診斷、治療和它的科學目標是揭示并確認肝臟的蛋白質，為重大肝病預防、診斷、治療和新藥研發的突破提供重要的科學基礎。新藥研發的突破提供重要的科學基礎。 人類蛋白質組計劃的深入研究將是對蛋白質工程的有力推動和理論支持。人類

19、蛋白質組計劃的深入研究將是對蛋白質工程的有力推動和理論支持。242 2、你知道酶工程嗎、你知道酶工程嗎? ?絕大多數酶都是蛋白質，酶工程和蛋白質工程有什么區別？絕大多數酶都是蛋白質，酶工程和蛋白質工程有什么區別？ 酶工程就是指將酶所具有的生物催化作用，借助工程學的手段，應用酶工程就是指將酶所具有的生物催化作用，借助工程學的手段，應用于生產、生活、醫療診斷和環境保護等方面的一門科學技術。（如加酶洗于生產、生活、醫療診斷和環境保護等方面的一門科學技術。（如加酶洗衣粉）衣粉） 通常所說的酶工程是用工程菌生產酶制劑，而沒有經過由酶的功能來設通常所說的酶工程是用工程菌生產酶制劑，而沒有經過由酶的功能來設

20、計酶的分子結構，然后由酶的分子結構來確定相應基因的堿基序列等步驟。計酶的分子結構，然后由酶的分子結構來確定相應基因的堿基序列等步驟。 因此，酶工程的重點在于對已存酶的合理充分利用，而蛋白質工程的重因此，酶工程的重點在于對已存酶的合理充分利用，而蛋白質工程的重點則在于對已存在的蛋白質分子的改造。當然，隨著蛋白質工程的發展，點則在于對已存在的蛋白質分子的改造。當然，隨著蛋白質工程的發展，其成果也會應用到酶工程中，使酶工程成為蛋白質工程的一部分。其成果也會應用到酶工程中，使酶工程成為蛋白質工程的一部分。25練習檢測練習檢測1蛋白質工程中直接需要進行操作的對象是（）蛋白質工程中直接需要進行操作的對象是（） 氨基酸結構氨基酸結構 B蛋白質空間結構蛋白質空間結構 C肽鏈結構肽鏈結構 D基因結構基因結構 262、蛋白質工程的基本流程正確的是（、蛋白質工程的基本流程正確的是（ ） 蛋白質分子結構設計蛋白質分子結構設計 DNA合成合成 預期蛋白質功能預期蛋白質功能 據氨基酸序列推出脫氧核苷酸序列據氨基酸序列推出脫氧核苷酸