1、19651965年，生物科學界發生了一件轟年，生物科學界發生了一件轟動全球的大事！動全球的大事！人工合成了結晶牛胰島素，這是第人工合成了結晶牛胰島素，這是第一個在實驗室中用人工方法合成的一個在實驗室中用人工方法合成的蛋白質蛋白質, , 實現了世界上首次人工合成實現了世界上首次人工合成蛋白質的壯舉。蛋白質的壯舉。復習回顧復習回顧活動活動1:閱讀閱讀P26. 回答回答:為什么要進行蛋白質工程為什么要進行蛋白質工程?一、蛋白質工程崛起的緣由一、蛋白質工程崛起的緣由1.基因工程的實質是什么？基因工程的實質是什么？2.基因工程的不足是什么？基因工程的不足是什么？3.天然蛋白質的不足是什么？天然蛋白質的不

2、足是什么？4.蛋白質工程的目的是什么？蛋白質工程的目的是什么？一、蛋白質工程崛起的緣由一、蛋白質工程崛起的緣由1、基因工程的應用、基因工程的應用（1）基因工程的實質：）基因工程的實質：將一種生物的將一種生物的到另一種生物體到另一種生物體內，使后者產生本不能產生的蛋白質，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。在原則上只能生產自然界在原則上只能生產自然界的蛋白的蛋白質。質。（2）基因工程的不足：）基因工程的不足： 天然蛋白質是生物在長期進化過程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

3、定完全符合人物種生存的需要，卻不一定完全符合人類生產和生活的需要。類生產和生活的需要。2、天然蛋白質的不足、天然蛋白質的不足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生產符合人類生產和生活的需要的蛋白質。要的蛋白質。滿足人類生滿足人類生產和生活的產和生活的需要需要例如：例如：改造改造干擾素（干擾素（其中的半胱氨酸殘基其中的半胱氨酸殘基）體外很難保存體外很難保存干擾素（干擾素（其中含絲氨酸殘基其中含絲氨酸殘基）-70體外可以體外可以半年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（352352位的蘇氨酸）位的蘇氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶二氫吡啶

4、二羧酸合成酶（104104位的天冬酰胺）位的天冬酰胺）天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶（異亮氨酸）（異亮氨酸）二氫吡啶二羧酸合成酶二氫吡啶二羧酸合成酶（異亮氨酸）（異亮氨酸）玉米中玉米中可可數倍數倍改造改造改造改造 應該應該從對基因的操作來實現從對基因的操作來實現對天然蛋白質改對天然蛋白質改造，主要原因如下：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，）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，而且改造了基因即對蛋白質進行了改造，而且改造過改造過的基因可以遺傳下去的基因可以遺傳下去。如果對蛋白質直接改造，。如果對蛋白質直接改造，即使改造成功，被改造過的蛋白

5、質分子還是無法即使改造成功，被改造過的蛋白質分子還是無法遺傳的。遺傳的。（2 2）對基因進行改造比對蛋白質直接改造要）對基因進行改造比對蛋白質直接改造要容容易操作，難度要小得多易操作，難度要小得多。 二、蛋白質工程的基本原理二、蛋白質工程的基本原理二、蛋白質工程的基本原理二、蛋白質工程的基本原理 根據人們對蛋白質功能的特定需求，根據人們對蛋白質功能的特定需求，對對蛋白質的結構進行分子設計蛋白質的結構進行分子設計。 1、目標：、目標：2、原理：、原理：改造基因改造基因（基因修飾或基因合成）（基因修飾或基因合成）轉錄轉錄DNADNARNARNA翻譯翻譯肽鏈肽鏈折疊等折疊等具有空間結具有空間結構的蛋

6、白質構的蛋白質表達生物特有表達生物特有的功能或性狀的功能或性狀天然蛋白質的合成過程天然蛋白質的合成過程遵循遵循中心法則中心法則，并需經過高級空間結構的轉變，并需經過高級空間結構的轉變蛋白質蛋白質三維結構三維結構氨基酸序氨基酸序列多肽鏈列多肽鏈基因基因DNADNA預期預期功能功能DNADNA合成合成分子分子設計設計mRNA生物生物功能功能轉錄轉錄翻譯翻譯折疊折疊. 蛋白質工程流程蛋白質工程流程: 途徑途徑: :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找到相對應的脫氧核苷酸序列（基因）（基因）討論：討

7、論： 1、怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧、怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？核苷酸序列？ 請把相應的堿基序列寫出來。請把相應的堿基序列寫出來。 -丙氨酸丙氨酸-色氨酸色氨酸-賴氨酸賴氨酸-甲硫氨酸甲硫氨酸-苯丙氨酸苯丙氨酸-丙氨酸：丙氨酸：GCU、GCC、GCA、GCG 色氨酸：色氨酸：UGG 賴氨酸：賴氨酸：AAA、AAG 甲硫氨酸：甲硫氨酸：AUG 苯丙氨酸：苯丙氨酸：UUU、UUC GCUGCU（或（或C C或或A A或或G G）UGGAAAUGGAAA（或（或G G）AUGUUUAUGUUU（或（或C C） mRNAmRNA序列序列 脫氧核苷酸脫氧核苷酸序列序列GCT (GCT (

8、或或C C或或A A或或G) TGGAAA (G) TGGAAA (或或G)ATGTTT (G)ATGTTT (或或C)C)CGA (CGA (或或G G或或T T或或C) ACCTTTC) ACCTTT（或（或C)TACAAA (C)TACAAA (或或G)G)2.2.確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改造目的基因（成或改造目的基因（DNADNA）？）？ 確定目的基因的堿基序列后，就可以根確定目的基因的堿基序列后，就可以根據人類的需要改造它，通過據人類的需要改造它，通過人工合成的方法人工合成的方法或可以通過基因的或可以通過基因的定點誘變定點誘變技術來

9、改變后從技術來改變后從基因文庫中獲取。基因文庫中獲取。基礎：基礎：蛋白質的結構規律及其與生物功能的關系4.蛋白質工程的概念蛋白質工程的概念v蛋白質工程是指以蛋白質工程是指以蛋白質分子的結構規律及蛋白質分子的結構規律及其生物功能的關系其生物功能的關系作為基礎，通過作為基礎，通過基因修飾基因修飾或基因合成或基因合成，對，對現有現有蛋白質進行改造，或制蛋白質進行改造，或制造一種造一種新新的蛋白質，以滿足人類的生產和生的蛋白質，以滿足人類的生產和生活的需求。活的需求。 蛋白質工程是在基因工程的基礎上，蛋白質工程是在基因工程的基礎上， 延伸出來的延伸出來的第二代基因工程第二代基因工程。項目項目基因工程基

10、因工程蛋白質工程蛋白質工程操作起點操作起點操作核心、水平操作核心、水平、過程過程目標目標結果結果聯系聯系目的基因目的基因預期的蛋白質功能預期的蛋白質功能基因表達載體、分子基因表達載體、分子基因、分子基因、分子獲取目的基因獲取目的基因構建表達載體構建表達載體導入受體細胞導入受體細胞目的基因的檢測與表達目的基因的檢測與表達預期蛋白質功能預期蛋白質功能設計蛋白質結構設計蛋白質結構推測氨基酸序列推測氨基酸序列推測核苷酸序列推測核苷酸序列合成合成DNA 表達出蛋白質表達出蛋白質定向改造生物的遺傳特定向改造生物的遺傳特性，獲得人類所需的生性，獲得人類所需的生物類型或生物產品物類型或生物產品定向改造或生產人

11、類所定向改造或生產人類所需的蛋白質需的蛋白質生產自然界中已有的蛋生產自然界中已有的蛋白質白質蛋白質工程是在基因工程的基礎上蛋白質工程是在基因工程的基礎上,延伸出來的第延伸出來的第二代基因工程。二代基因工程。生產自然界沒有的蛋生產自然界沒有的蛋白質白質旁欄思考題旁欄思考題 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？ 人類蛋白質組計劃是繼人類基因組計劃人類蛋白質組計劃是繼人類基因組計劃之后，之后，生命科學乃至自然科學領域生命科學乃至自然科學領域一項重大一項重大的科學命題。的科學命題。20012001年，國際人類蛋白質組組年，國際人類蛋白質組組織宣告成立。之后，該

12、組織正式提出啟動了織宣告成立。之后，該組織正式提出啟動了兩項重大國際合作行動：一項是兩項重大國際合作行動：一項是由由科學科學家牽頭家牽頭執行的執行的“”；另一項是以另一項是以科學家牽頭執行的科學家牽頭執行的“”，由此拉開了人類蛋白質，由此拉開了人類蛋白質組計劃的帷幕。組計劃的帷幕。 1.1.進展進展胰島素速效型藥品胰島素速效型藥品 2.2.前景前景3.3.現狀現狀蛋白質工程目前成功的例子不多蛋白質工程目前成功的例子不多, ,原因是對原因是對了解不夠。要設計出更加符合人類需求的蛋白質還需經過了解不夠。要設計出更加符合人類需求的蛋白質還需經過艱辛的探索。艱辛的探索。應用于微電子方面應用于微電子方面

13、制作電子元件具有制作電子元件具有 、耗電少和、耗電少和 的特點的特點體積小體積小效率高效率高1水蛭素改造水蛭素是水蛭唾液腺分泌的水蛭素是水蛭唾液腺分泌的，它，它有多種變異體，由有多種變異體，由65或或66個氨基酸殘基組成。水蛭個氨基酸殘基組成。水蛭素在臨床上可作為抗栓藥物用于素在臨床上可作為抗栓藥物用于治療血栓疾病治療血栓疾病。為提。為提高水蛭素活性，在綜合各變異體結構特點的基礎上提高水蛭素活性，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出改造水蛭素主要變異體HV2的設計方案，將的設計方案，將47位的位的Asn（天冬酰胺）變成（天冬酰胺）變成Lys（賴氨酸），使其與分子（賴氨酸），

14、使其與分子內第內第4或第或第5位位Thr（蘇氨酸）間形成氫鍵來幫助水蛭（蘇氨酸）間形成氫鍵來幫助水蛭素素N端肽段的正確取向，從而提高凝血效率，試管試端肽段的正確取向，從而提高凝血效率，試管試驗活性提高驗活性提高4倍，在動物模型上檢驗抗血栓形成的效倍，在動物模型上檢驗抗血栓形成的效果，提高果，提高20倍。倍。2生長激素改造生長激素通過對它特異受體的作用促進細胞和機體生長激素通過對它特異受體的作用促進細胞和機體的的，然而它，然而它不僅可以結合不僅可以結合，還還可以結合許多種不同類型細胞的可以結合許多種不同類型細胞的，引發，引發其他生理過程其他生理過程。在治療過程中為減少副作用，需使人。在治療過程中

15、為減少副作用，需使人的重組生長激素只與生長激素受體結合，盡可能減少的重組生長激素只與生長激素受體結合，盡可能減少與其他激素受體的結合。經研究發現，二者受體結合與其他激素受體的結合。經研究發現，二者受體結合區有一部分重疊，但并不完全相同，有可能通過改造區有一部分重疊，但并不完全相同，有可能通過改造加以區別。由于人的生長激素和催乳激素受體結合需加以區別。由于人的生長激素和催乳激素受體結合需要鋅離子參與作用，而它與生長激素受體結合則無需要鋅離子參與作用，而它與生長激素受體結合則無需鋅離子參與，于是考慮取代充當鋅離子配基的氨基酸鋅離子參與，于是考慮取代充當鋅離子配基的氨基酸側鏈，如第側鏈，如第18和第

16、和第21位位His（組氨酸）和第（組氨酸）和第17位位Glu（谷氨酸）。實驗結果與預先設想一致，但要開發作（谷氨酸）。實驗結果與預先設想一致，但要開發作為臨床用藥還有大量的工作要做。為臨床用藥還有大量的工作要做。3胰島素改造 天然胰島素制劑在儲存中天然胰島素制劑在儲存中，延緩胰島素從注射部位進入血液，延緩胰島素從注射部位進入血液，從而延緩了其降血從而延緩了其降血糖作用，也增加了抗原性糖作用，也增加了抗原性，這是胰島素，這是胰島素B23-B28氨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，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。該速效則可

17、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。胰島素已通過臨床實驗。4治癌酶的改造 癌癥的基因治療分二個方面：癌癥的基因治療分二個方面：，特異性地抑制或殺死癌細胞；特異性地抑制或殺死癌細胞；免受化免受化學藥物的侵害，可以提高化學治療的劑量。皰疹病毒學藥物的侵害，可以提高化學治療的劑量。皰疹病毒（HSV）胸腺嘧啶激酶（）胸腺嘧啶激酶（TK）可以催化胸腺嘧啶和其它）可以催化胸腺嘧啶和其它結構類似物磷酸化而使這些堿基結構類似物磷酸化而使這些堿基3-OH缺乏缺乏,從而阻斷從而阻斷DNA的合成，殺死癌細胞。的合成，殺死癌細胞。HSVTK催化能力可以通過催化能力可以通過基因突變來提高。從

18、大量的隨機突變中進行篩選出一種基因突變來提高。從大量的隨機突變中進行篩選出一種酶酶,在酶活性部位附近有在酶活性部位附近有6個氨基酸被替換，催化能力個氨基酸被替換，催化能力20倍以上。倍以上。異想天開異想天開能不能根據人類需要的蛋白質的結構，設計相應的基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？白質食品呢？1 關于生物體內存在的天然蛋白質，下列說法關于生物體內存在的天然蛋白質，下列說法不正確的是（不正確的是（ ）A是生物在長期進化過程中形成的是生物在長期進化過程中形成的B它們的結構和功能符

19、合特定物種生存的需要它們的結構和功能符合特定物種生存的需要C構成天然蛋白質的氨基酸目前發現的有構成天然蛋白質的氨基酸目前發現的有20種種D一定完全符合人類生產和生活的需要一定完全符合人類生產和生活的需要練習檢測練習檢測D2蛋白質工程中蛋白質工程中直接直接需要進行操作的對象是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 3下列關于蛋白質工程的說法下列關于蛋白質工程的說法錯誤錯誤的是（）的是（）A蛋白質工程能定向改造蛋白質分子的結構，使之更蛋白質工程能定向改造蛋白質分子的結構，使之更加符合人類的需要加符合人類的需要B蛋白質工程是

20、在分子水平上對蛋白質分子直接進行蛋白質工程是在分子水平上對蛋白質分子直接進行操作，定向改變分子的結構操作，定向改變分子的結構C蛋白質工程能產生出自然界中不曾存在過的新型蛋蛋白質工程能產生出自然界中不曾存在過的新型蛋白質分子白質分子D蛋白質工程與基因工程密不可分，又被稱為第二代蛋白質工程與基因工程密不可分，又被稱為第二代基因工程基因工程4 4、以下關于蛋白質工程的說法正確的是（）、以下關于蛋白質工程的說法正確的是（）A A、蛋白質工程以基因工程為基礎、蛋白質工程以基因工程為基礎B B、蛋白質工程就是酶工程的延伸、蛋白質工程就是酶工程的延伸C C、蛋白質工程就是用蛋白酶對蛋白質進行改造、蛋白質工程

21、就是用蛋白酶對蛋白質進行改造D D、蛋白質工程只能生產天然的蛋白質、蛋白質工程只能生產天然的蛋白質 5 5、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合成預期蛋白合成預期蛋白質功能根據氨基酸序列推出脫氧核苷酸序質功能根據氨基酸序列推出脫氧核苷酸序列列 A B C D6 6、蛋白質工程是在基因工程基礎上，延伸出、蛋白質工程是在基因工程基礎上，延伸出來的第二代基因工程，其結果產生的蛋白質來的第二代基因工程，其結果產生的蛋白質是（）是（）A氨基酸種類增多氨基酸種類增多 B氨基酸種類減少氨基酸種類減少C仍為天然存在蛋白質仍為天然存在蛋白

22、質 D可合成天然不存在蛋白質可合成天然不存在蛋白質7、關于蛋白質工程的進展和應用，下列說法、關于蛋白質工程的進展和應用，下列說法不正確的是（不正確的是（ ）A科學家通過對胰島素的改造，已使其成為科學家通過對胰島素的改造，已使其成為速效藥品速效藥品B生物和材料科學家正積極探索將蛋白質工生物和材料科學家正積極探索將蛋白質工程應用于微電子方面程應用于微電子方面C蛋白質工程技術已經非常成熟，目前正被蛋白質工程技術已經非常成熟，目前正被大力推廣應用大力推廣應用D蛋白質工程是一項難度很大的工程，目前蛋白質工程是一項難度很大的工程，目前成功的例子不多成功的例子不多C 蛋白質工程的內容主要有兩方面：一是根據需

23、蛋白質工程的內容主要有兩方面：一是根據需要設計具有特定氨基酸序列和空間結構的蛋白質；要設計具有特定氨基酸序列和空間結構的蛋白質；二是確定蛋白質的化學組成及空間結構與生物功能二是確定蛋白質的化學組成及空間結構與生物功能之間的關系之間的關系 實施蛋白質工程的實施蛋白質工程的前提條件是了解蛋白質前提條件是了解蛋白質的結構和功能的關系。的結構和功能的關系。（1 1）從生物體中分離）從生物體中分離純化目的蛋白純化目的蛋白；（2 2）測定測定其氨基酸其氨基酸序列序列；（3 3）借助核磁共振和）借助核磁共振和X X射線晶體衍射等手段，盡可能地了解蛋射線晶體衍射等手段，盡可能地了解蛋白質的二維重組和白質的二維

24、重組和三維晶體結構三維晶體結構; ;（4 4）設計各種處理條件，了解蛋白質的）設計各種處理條件，了解蛋白質的結構變化結構變化，包括折疊與，包括折疊與去折疊等對其去折疊等對其活性與功能活性與功能的影響；的影響；（5 5）設計設計編碼該蛋白的編碼該蛋白的基因改造方案基因改造方案，如，如點突變點突變；（6 6）分離、純化）分離、純化新蛋白新蛋白，功能檢測后投入實際使用。，功能檢測后投入實際使用。蛋白質的蛋白質的一級一級結構結構 蛋白質的蛋白質的二級二級結構結構 胰島素的胰島素的三級三級結構結構血紅蛋白質的血紅蛋白質的四級四級結構結構 血紅蛋白分子就是由血紅蛋白分子就是由二個由二個由141個氨基酸個氨基酸殘基組成的殘基組成的亞基亞基和和二個由二個由146個氨基酸個氨基酸殘基組成的殘基組成的亞基亞基按特按特定的接觸和排列組成定的接觸和排列組成的一個球狀蛋白質分的一個球狀蛋白質分子，每個亞基中各有子，每個亞基中各有一個含亞鐵離子的血一個含亞