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歡迎進入生物課堂 蛋白質(zhì)工程的崛起 活動 1 描述基因工程的操作步驟 目的基因的獲取 基因表達載體的構(gòu)建 將目的基因?qū)胧荏w細胞 目的基因的檢測與鑒定 2 討論基因工程產(chǎn)生的蛋白質(zhì)的特點 基因工程在原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì)工程就是為了生產(chǎn)出符合人類生產(chǎn)和生活需要的蛋白質(zhì) 甚至是自然界不存在的蛋白質(zhì) 基因工程在原則上只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì) 這些天然蛋白質(zhì)是生物在長期進化過程中形成的 它們的結(jié)構(gòu)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(chǎn)和生活的需要 一 蛋白質(zhì)工程崛起的緣由 二 蛋白質(zhì)工程的概念 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) 以滿足人類對生產(chǎn)和生活的需求 前提 原理 目的 了解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能 改造基因 基因修飾或基因合成 定向改造或制造蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì)的功能是DNA決定的 那么要制造出新的蛋白質(zhì) 就要改造DNA 所以蛋白質(zhì)工程的原理應該是中心法則的逆推 三 蛋白質(zhì)工程的基本原理 基因DNA 氨基酸序列多肽鏈 蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu) 預期功能 生物功能 mRNA 轉(zhuǎn)錄 翻譯 折疊 DNA合成 分子設計 討論 1 怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列 請把相應的堿基序列寫出來 某多肽鏈的一段氨基酸序列是 丙氨酸 色氨酸 賴氨酸 甲硫氨酸 苯丙氨酸 丙氨酸 GCU GCC GCA GCG色氨酸 UGG賴氨酸 AAA AAG甲硫氨酸 AUG苯丙氨酸 UUU UUC 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 同學們可以根據(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 基因定點誘變技術的常用方法是PCR法 突變點 人工合成的引物上 手段 PCR技術 定點突變試劑盒 目的 獲得定點突變的基因 2 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 DNA 可以通過人工合成的方法獲取或基因的定點誘變技術來改變 基因會發(fā)生突變 突變可以自發(fā) 也可以誘發(fā) 這是每個稍有生物學知識的人都知道的常識 但在加拿大生物化學家M 史密斯 1932 2000 發(fā)明定點突變法之前 突變株的產(chǎn)生必須經(jīng)由自然界或用化學等方法誘使基因體突變 這類方法屬于隨機突變 突變株必須在生物性狀上有所改變 才能確定有突變發(fā)生 但除非用分子生物方法或遺傳方法找到此突變處 否則無法確定突變位置 也就是說 這種突變是盲目的 而史密斯發(fā)明的定點突變法卻是有目的的 該法可經(jīng)由設計好的寡核苷酸 在任何一個基因片段上進行隨意或設計好的突變 也就是說 這種突變是預先設定好的 所以也有人將該法稱為 反遺傳法 有意思的是這一給生命科學研究及應用領域帶來革命性突破的方法竟然是史密斯和其同事在喝咖啡時閑聊出來的 現(xiàn)在 幾乎每個生物實驗室都會用定點突變法來研究基因或蛋白質(zhì)的功能 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 如定點突變 6 分離 純化新蛋白 功能檢測后投入實際使用 蛋白質(zhì)工程的實質(zhì) 對編碼蛋白質(zhì)的基因進行改造 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 從而提高抗凝血效率 試管試驗活性提高了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 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 1 蛋白質(zhì)工程中直接需要進行操作的對象是 氨基酸結(jié)構(gòu)B 蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)C 肽鏈結(jié)構(gòu)D 基因結(jié)構(gòu) 練習 2 下列關于蛋白質(zhì)工程的說法錯誤的是 A 蛋白質(zhì)工程能定向改造蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu) 使之更加符合人類的需要B 蛋白質(zhì)工程是在分子水平上對蛋白質(zhì)分子直接進行操作 定向改變分子的結(jié)構(gòu)C 蛋白質(zhì)工程能產(chǎn)生出自然界中不曾存在過的新型蛋白質(zhì)分子D 蛋白質(zhì)工程與基因工程密不可分 又被稱為第二代基因工程 3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)工程就是酶工程的延伸C 蛋白質(zhì)工程就是用蛋白酶對蛋白質(zhì)進行改造D 蛋白質(zhì)工程只能生產(chǎn)天然的蛋白質(zhì) 4蛋白質(zhì)工程的基本流程正確的是 蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)設計 DNA合成 預期蛋白質(zhì)功能 根據(jù)氨基酸序列推出脫氧核苷酸序列A B C D 5蛋白質(zhì)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(jié)果產(chǎn)生的蛋白質(zhì)是 A 氨基酸種類增多B 氨基酸種類減少C 仍為天然存在蛋白質(zhì)D 可合成天然不存在蛋白質(zhì) 1 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 旁欄思考題 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 2003年 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的 人類血將蛋白質(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重大國際科研協(xié)作計劃 總部設在北京 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 隨后 相繼啟動了由德國 瑞士 英國 加拿大和日本等國牽頭的各類蛋白質(zhì)組計劃 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 2 對天然蛋白質(zhì)進行改造 你認為應該直接對蛋白質(zhì)分子進行操作 還是通過對基因的操作來實現(xiàn) 答 毫無疑問應該從對基因的操作來實現(xiàn)對天然蛋白質(zhì)改造 主要原因如下 1 任何一種天然蛋白質(zhì)都是由基因編碼的 改造了基因即對蛋白質(zhì)進行了改造 而且改造過的蛋白質(zhì)可以遺傳下去 如果對蛋白質(zhì)直接改造 即使改造成功 被改造過的蛋白質(zhì)分子還是無法遺傳的 2 對基因進行改造比對蛋白質(zhì)直接進行改造要容易操作 難度要小得多 異想天開 能不能根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu) 設計相應的基因 導入合適的細菌中 讓細菌生產(chǎn)人類所需要的蛋白質(zhì)食品呢 理論講可以 但目前還沒有真正成功的例子 一些報道利用細菌生產(chǎn)人類需要的蛋白質(zhì)往往都是自然界已經(jīng)存在的蛋白質(zhì) 并非完全是人工設計出來而自然不存在的蛋白質(zhì) 主要原因是蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)非常復雜 人類對蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)和在生物體內(nèi)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(zhì) 而且一個嶄新的蛋白質(zhì)會帶來什么危害也是人們所擔心的 再見 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