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歡迎進入生物課堂 1 4蛋白質(zhì)工程的崛起 旁欄思考題 你知道人類蛋白質(zhì)組計劃嗎 它與蛋白質(zhì)工程有什么關系 我國科學家承擔了什么任務 人類蛋白質(zhì)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項重大的科學命題 2001年 國際人類蛋白質(zhì)組組織宣告成立 之后 該組織正式提出啟動了兩項重大國際合作行動 一項是由中國科學家牽頭執(zhí)行的 人類肝臟蛋白質(zhì)組計劃 另一項是以美國科學家牽頭執(zhí)行的 人類血漿蛋白質(zhì)組計劃 由此拉開了人類蛋白質(zhì)組計劃的帷幕 人類肝臟蛋白質(zhì)組計劃 是國際上第一個人類組織 器官的蛋白質(zhì)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協(xié)作計劃 總部設在北京 目前有16個國家和地區(qū)的80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(zhì) 為重大肝病預防 診斷 治療和新藥研發(fā)的突破提供重要的科學基礎 人類蛋白質(zhì)組計劃的深入研究將是對蛋白質(zhì)工程的有力推動和理論支持 基因工程的實質(zhì)是什么 將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi) 后者可以產(chǎn)生它本來不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì) 進而表現(xiàn)出新的性狀 干擾素 利用大腸桿菌及酵母菌生產(chǎn)干擾素 一 蛋白質(zhì)工程崛起的緣由 通過基因工程能夠大規(guī)模生產(chǎn)生物體內(nèi)微量存在的活性物質(zhì) 并借助轉(zhuǎn)基因而改變動植物性狀 得以在人類醫(yī)療保健中進行基因診斷和基因治療 然而在廣泛利用自然界各種蛋白質(zhì)的過程中就發(fā)現(xiàn) 這些蛋白質(zhì)只是適應生物自身的需要 而對它們進行產(chǎn)業(yè)化開發(fā)往往不合意 需要加以改造 1983年Ulmer首先提出蛋白質(zhì)工程 它是指按照特定的需要 對蛋白質(zhì)進行分子設計和改造的工程 自此以后 蛋白質(zhì)工程迅速發(fā)展 已成為生物工程的重要組成部分 在已研究過的幾千種酶中 只有極少數(shù)可以應用于工業(yè)生產(chǎn) 絕大多數(shù)酶都不能應用于工業(yè)生產(chǎn) 這些酶雖然在自然狀態(tài)下有活性 但在工業(yè)生產(chǎn)中沒有活性或活性很低 這是因為工業(yè)生產(chǎn)中每一步的反應體系中常常會有酸 堿或有機溶劑存在 反應溫度較高 在這種條件下 大多數(shù)酶會很快變性失活 提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性是工業(yè)生產(chǎn)中一個非常重要的課題 一般來說 提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性包括 延長酶的半衰期 提高酶的熱穩(wěn)定性 延長藥用蛋白的保存期 抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性喪失等 例如 干擾素是一種抗病毒 抗腫瘤的藥物 將人的干擾素的cDNA在大腸桿菌中進行表達 產(chǎn)生的干擾素的抗病毒活性為106U mg 只相當于天然產(chǎn)品的十分之一 雖然在大腸桿菌中合成的 干擾素量很多 但多數(shù)是以無活性的二聚體形式存在 為什么會這樣 如何改變這種狀況 研究發(fā)現(xiàn) 干擾素蛋白質(zhì)中有3個半胱氨酸 第17位 31位和141位 推測可能是有一個或幾個半胱氨酸形成了不正確的二硫鍵 研究人員將第17位的半胱氨酸 通過基因定點突變改變成絲氨酸 結(jié)果使大腸桿菌中生產(chǎn)的 干擾素的抗病性活性提高到108U mg 并且比天然 干擾素的貯存穩(wěn)定性高很多 后基因組時代 將是 蛋白質(zhì)組學時代 即從對基因信息的研究轉(zhuǎn)向?qū)Φ鞍踪|(zhì)信息的研究 包括研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu) 功能與應用及蛋白質(zhì)相互關系和作用 蛋白質(zhì)工程就是在對蛋白質(zhì)的化學 晶體學 動力學等結(jié)構(gòu)與功能認識的基礎上 對蛋白質(zhì)人工改造與合成 最終獲得商業(yè)化的產(chǎn)品 1 4蛋白質(zhì)工程的崛起 一 蛋白質(zhì)工程崛起的緣由 1 基因工程在原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì) 2 天然蛋白質(zhì)不一定完全符合人類生產(chǎn)和生活的需要 蛋白質(zhì)工程的目的 生產(chǎn)符合人們生活需要的并非自然界已存在的蛋白質(zhì) 例如 二 蛋白質(zhì)工程的基本原理 蛋白質(zhì)工程的目標P26 蛋白質(zhì)工程流程圖 P27 原理 基因改造 蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu) 氨基酸序列多肽鏈 基因DNA mRNA 中心法則 P27討論題 蛋白質(zhì)工程操作程序的基本思路與基因工程有什么不同 答 基因工程是遵循中心法則 從DNA mRNA 蛋白質(zhì) 折疊產(chǎn)生功能 基本上是生產(chǎn)出自然界已有的蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì)工程是按照以下思路進行的 確定蛋白質(zhì)的功能 蛋白質(zhì)應有的高級結(jié)構(gòu) 蛋白質(zhì)應具備的折疊狀態(tài) 應有的氨基酸序列 應有的堿基排列 可以創(chuàng)造自然界不存在的蛋白質(zhì) 4 蛋白質(zhì)工程的主要步驟通常包括 1 從生物體中分離純化目的蛋白 2 測定其氨基酸序列 3 借助核磁共振和X射線晶體衍射等手段 盡可能地了解蛋白質(zhì)的二維重組和三維晶體結(jié)構(gòu) 4 設計各種處理條件 了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化 包括折疊與去折疊等對其活性與功能的影響 5 設計編碼該蛋白的基因改造方案 如點突變 6 分離 純化新蛋白 功能檢測后投入實際使用 一 蛋白質(zhì)的分子設計與改造蛋白質(zhì)工程首先是以蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)為基礎 通過蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu) 晶體結(jié)構(gòu)和溶液構(gòu)象的研究 積累了成千上萬蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)和高級結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)資料 并編制成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫 得以從中找出蛋白質(zhì)分子間的進化關系 一級結(jié)構(gòu)和高級結(jié)構(gòu)的關系 結(jié)構(gòu)與功能的關系方面的規(guī)律 蛋白質(zhì)作為生物大分子是生物化學和分子生物學的研究重點 大量蛋白質(zhì)被分離純化 測定了它們的結(jié)構(gòu) 性質(zhì)和生物學作用 分子生物學有關基因組的研究 也可以用以推測出一些未知蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能 采用定位誘變的方法 可以對編碼蛋白質(zhì)的基因進行核苷酸密碼子的插入 刪除 置換和改組 其結(jié)果為分子改造提供新的設計方案 現(xiàn)有的蛋白質(zhì)是生物長期進化的結(jié)果 蛋白質(zhì)工程則是對生物進化的模擬 按照蛋白質(zhì)形成的規(guī)律 改造蛋白質(zhì)或構(gòu)建新的蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì)的改造通常需要先經(jīng)周密的分子設計 然后依賴基因工程獲得突變型蛋白質(zhì) 以檢驗其是否達到了預期的效果 如果改造的結(jié)果不理想 還需要從新設計再進行改造 往往經(jīng)歷多次實踐摸索才能達到改進蛋白質(zhì)性能的預定目標 二 蛋白質(zhì)改造工程舉例1 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65或66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(jié)構(gòu)特點的基礎上提出改造水蛭素主要變異體HV2的設計方案 將47位的Asn 天冬酰胺 變成Lys 賴氨酸 使其與分子內(nèi)第4或第5位Thr 蘇氨酸 間形成氫鍵來幫助水蛭素N端肽段的正確取向 從而提高凝血效率 試管試驗活性提高4倍 在動物模型上檢驗抗血栓形成的效果 提高20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的生長發(fā)育 然而它不僅可以結(jié)合生長激素受體 還可以結(jié)合許多種不同類型細胞的催乳激素受體 引發(fā)其他生理過程 在治療過程中為減少副作用 需使人的重組生長激素只與生長激素受體結(jié)合 盡可能減少與其他激素受體的結(jié)合 經(jīng)研究發(fā)現(xiàn) 二者受體結(jié)合區(qū)有一部分重疊 但并不完全相同 有可能通過改造加以區(qū)別 由于人的生長激素和催乳激素受體結(jié)合需要鋅離子參與作用 而它與生長激素受體結(jié)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側(cè)鏈 如第18和第21位His 組氨酸 和第17位Glu 谷氨酸 實驗結(jié)果與預先設想一致 但要開發(fā)作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 這是胰島素B23 B28氨基酸殘基結(jié)構(gòu)所致 利用蛋白質(zhì)工程技術(shù)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床實驗 4 治癌酶的改造癌癥的基因治療分二個方面 藥物作用于癌細胞 特異性地抑制或殺死癌細胞 藥物保護正常細胞免受化學藥物的侵害 可以提高化學治療的劑量 皰疹病毒 HSV 胸腺嘧啶激酶 TK 可以催化胸腺嘧啶和其它結(jié)構(gòu)類似物磷酸化而使這些堿基3 OH缺乏 從而阻斷DNA的合成 殺死癌細胞 HSV TK催化能力可以通過基因突變來提高 從大量的隨機突變中進行篩選出一種酶 在酶活性部位附近有6個氨基酸被替換 催化能力20倍以上 蛋白質(zhì)工程的發(fā)展很快 研究工作很多 以上僅介紹了幾個例子 蛋白質(zhì)工程除了用于改造天然蛋白質(zhì)或設計制造新的蛋白質(zhì)外 其本身還是研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能的一種強有力的工具 它在解決生物理論方面所起的作用 可以和任何重大的生物研究方法相提并論 何謂蛋白質(zhì)工程 5 在現(xiàn)代生物技術(shù)中 蛋白質(zhì)工程出現(xiàn)得最晚 是在20世紀80年代初期出現(xiàn)的 1983年 蛋白質(zhì)工程 這個名詞出現(xiàn)后 隨即被廣泛接受和采用 蛋白質(zhì)工程是指以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)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(xiàn)有蛋白質(zhì)進行改造 或制造一種新的蛋白質(zhì) 以滿足人類的生產(chǎn)和生活的需求 三 蛋白質(zhì)工程的進展和前景 蛋白質(zhì)工程匯集了當代分子生物學等學科的一些前沿領域的最新成就 它把核酸與蛋白質(zhì)結(jié)合 蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與生物功能結(jié)合起來研究 蛋白質(zhì)工程將蛋白質(zhì)與酶的研究推進到嶄新的時代 為蛋白質(zhì)和酶在工業(yè) 農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥方面的應用開拓了誘人的前景 蛋白質(zhì)工程開創(chuàng)了按照人類意愿改造 創(chuàng)造符合人類需要的蛋白質(zhì)的新時期 練習 1 以下關于蛋白質(zhì)工程的說法正確的是 A 蛋白質(zhì)工程以基因工程為基礎B 蛋白質(zhì)工程就是用蛋白酶對蛋白質(zhì)進行改造C 蛋白質(zhì)工程只能生產(chǎn)天然的蛋白質(zhì)D 蛋白質(zhì)工程的實質(zhì)是改造蛋白質(zhì) A 2 蛋白質(zhì)工程的基本流程正確的是 設計蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu) DNA合成 預期蛋白質(zhì)功能 據(jù)氨基酸序列推出脫氧核苷酸序列A B C D D 討論 答 1 每種氨基酸都有對應的三聯(lián)密碼子 只要查一下遺傳密碼子表 就可以將上述氨基酸序列的編碼序列查出來 但是由于上述氨基酸序列中有幾個氨基酸是由多個三聯(lián)密碼子編碼 因此其堿基排列組合起來就比較復雜 至少可以排列出16種 可以根據(jù)學過的排列組合知識自己排列一下 首先應該根據(jù)三聯(lián)密碼子推出mRNA序列為GCU 或C或A或G UGGAAA 或G AUGUUU 或C 再根據(jù)堿基互補配對規(guī)律推出脫氧核苷酸序列 CGA 或G或T或C ACCTTT 或C TACAAA 或G 2 確定目的基因的堿基序列后 就可以根據(jù)人類的需要改造它 通過人工合成的方法或從基因庫中獲取 1 干擾素在體外保存困難 2 玉米中賴氨酸的含量低 解決方法 同學們 來學校和回家的路上要注意安全 同學們 來學校和回家的路上要注意安全