1、 选修选修3 3现代生物科技专题现代生物科技专题 专题专题1 1 基因工程基因工程 1.4 1.4 蛋白质工程的崛起蛋白质工程的崛起 一、蛋白质工程的概念一、蛋白质工程的概念 蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规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，通过律及其与生物功能的关系作为基础，通过 基因修饰基因修饰或或基因合成基因合成，对现有蛋白质进行对现有蛋白质进行 改造改造，或制造一种新蛋白质或制造一种新蛋白质，以满足人类，以满足人类 的生产和生活的需求的生产和生活的需求。 蛋白质工程是在基因工程的基础上，蛋白质工程是在基因工程的基础上， 延伸出来的延伸出来的第二代基因
2、工程第二代基因工程，是包含多，是包含多 学科的综合科技工程领域。学科的综合科技工程领域。 2、蛋白质工程的目的、蛋白质工程的目的 生产生产符合人类符合人类生产和生活的生产和生活的需要需要的的 。 二、蛋白质工程崛起的缘由二、蛋白质工程崛起的缘由 1、基因工程的不足、基因工程的不足 基因工程在原则上只能生产基因工程在原则上只能生产 的的 蛋白质。蛋白质。 这些天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，这些天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的， 它们的结构和功能符合特定物种它们的结构和功能符合特定物种 的需要，却的需要，却 不一定完全符合不一定完全符合人类的人类的 的需要。的需要。 蛋白质蛋白质
3、生存生存 自然界已存在的自然界已存在的 生产和生活生产和生活 满足人类满足人类 生产和生生产和生 活的需要活的需要 实例：实例： 改造改造 干扰素干扰素 （第（第17位为位为半胱氨酸半胱氨酸） 体外很难保存体外很难保存 干扰素干扰素 （第（第17位为位为丝氨酸丝氨酸） 体外可以保存半年体外可以保存半年 玉米中赖氨酸含量比较低玉米中赖氨酸含量比较低 天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶 （第（第352位为位为苏氨酸苏氨酸） 二氢吡啶二羧酸合成酶二氢吡啶二羧酸合成酶 （第（第104位为位为天冬酰胺天冬酰胺） 改造改造 改造改造 天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶 （第（第352位为位为异亮氨酸异亮氨酸） 二氢吡啶二羧酸
4、合成酶二氢吡啶二羧酸合成酶 （第（第104位为位为异亮氨酸异亮氨酸） 玉米中赖氨酸含量可提高数倍玉米中赖氨酸含量可提高数倍 1、你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程有什么关系？、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？我国科学家承担了什么任务？ 旁栏思考题旁栏思考题 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 学领域一项重大的科学命题。学领域一项重大的科学命题。2001年，国际人类蛋白质组组织宣告成年，国际人类蛋白质组组织宣告成 立。立。2003年，该组织正式提出启动了两项重大
5、国际合作行动：一项是年，该组织正式提出启动了两项重大国际合作行动：一项是 由中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白质组计划”；另一项是以美由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”，由此拉开了人类蛋国科学家牵头执行的“人类血浆蛋白质组计划”，由此拉开了人类蛋 白质组计划的帷幕。白质组计划的帷幕。 “人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一个人类组织器官的蛋白质人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一个人类组织器官的蛋白质 组计划，由我国贺福初院士牵头，这是中国科学家第一次领衔的重大组计划，由我国贺福初院士牵头，这是中国科学家第一次领衔的重大 国际科
6、研协作计划，总部设在北京，目前有国际科研协作计划，总部设在北京，目前有16个国家和地区的个国家和地区的80多个多个 实验室报名参加。它的科学实验室报名参加。它的科学目标是揭示并确认肝脏的蛋白质，为重大目标是揭示并确认肝脏的蛋白质，为重大 肝病预防、诊断、治疗和新药研发的突破提供重要的科学基础。肝病预防、诊断、治疗和新药研发的突破提供重要的科学基础。 人类蛋白质组计划的深入研究将是对蛋白质工程的有力推动和理论人类蛋白质组计划的深入研究将是对蛋白质工程的有力推动和理论 支持。支持。 2.对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质 分子进行操作，还是通过
7、对基因的操作来实现？分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？ 答：毫无疑问应该从对基因的操作来实现对天然蛋答：毫无疑问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：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）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。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
8、造要容易）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。操作，难度要小得多。 旁栏思考题旁栏思考题 三、蛋白质工程的基本原理三、蛋白质工程的基本原理 1、目标：目标：根据人们对蛋白质根据人们对蛋白质 的特定的特定 需求，对蛋白质的需求，对蛋白质的 进行分子设计。进行分子设计。 2、原理：原理：改造基因（基因改造基因（基因 或基因或基因 ） 。 3、基本基本途径：途径： 预期蛋白质功能预期蛋白质功能设计设计 推推 测应有的测应有的 序列序列找到对应的找到对应的 序列。序列。 功能功能 结构结构 修饰修饰 合成合成 预期的蛋白质结构预期的蛋白质结构 氨基酸氨基酸 脱氧核苷酸脱氧核苷酸
9、 蛋白质工程的流程蛋白质工程的流程 基因基因 DNA 氨基酸序氨基酸序 列多肽链列多肽链 蛋白质蛋白质 三维结构三维结构 预期功能预期功能 生物功能生物功能 mRNA 转录转录 翻译翻译 折叠折叠 DNA合成合成 分子设计分子设计 天然蛋白质合成的过程：天然蛋白质合成的过程： 基因基因 表达（转录和翻译）表达（转录和翻译） 形成氨基酸序列的多肽形成氨基酸序列的多肽 链链 形成具有高级结构的蛋白质形成具有高级结构的蛋白质 行使生物功能行使生物功能 预期的蛋白质功能出发预期的蛋白质功能出发 设计预期的蛋白质结构设计预期的蛋白质结构 推测推测 应有的氨基酸序列应有的氨基酸序列 找到相应的脱氧核苷酸序
10、列找到相应的脱氧核苷酸序列 蛋白质工程的基本途径：蛋白质工程的基本途径： 异想天开异想天开 能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应的能不能根据人类需要的蛋白质的结构，设计相应的 基因，导入合适的细菌中，让细菌生产人类所需要的基因，导入合适的细菌中，让细菌生产人类所需要的 蛋白质食品呢？蛋白质食品呢？ 理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。 主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对蛋白主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对蛋白 质的高级结构和在生物体内如何行使功能知之甚少，质的高级结构和在生物体内如何行使功能知之甚少， 很难设计出一个崭新而
11、又具有生命功能作用的蛋白质，很难设计出一个崭新而又具有生命功能作用的蛋白质， 而且一个崭新的蛋白质会带来什么危害也是人们所担而且一个崭新的蛋白质会带来什么危害也是人们所担 心的。心的。 四、蛋白质工程的进展与前景四、蛋白质工程的进展与前景 1、科学家通过对胰岛素的改造，使其成为、科学家通过对胰岛素的改造，使其成为 速效型药品。速效型药品。 2、改造酶结构，提高酶的热稳定性和催化、改造酶结构，提高酶的热稳定性和催化 活性。活性。 3、生物制药、生物制药人人鼠嵌合抗体。鼠嵌合抗体。 4、蛋白质工程用于微电子方面。、蛋白质工程用于微电子方面。 蛋白质工程汇集了当代分子生物学等学科的一蛋白质工程汇集了
12、当代分子生物学等学科的一 些前沿领域的最新成就，它把核酸与蛋白质结合、些前沿领域的最新成就，它把核酸与蛋白质结合、 蛋白质空间结构与生物功能结合起来研究。蛋白蛋白质空间结构与生物功能结合起来研究。蛋白 质工程将蛋白质与酶的研究推进到崭新的时代，质工程将蛋白质与酶的研究推进到崭新的时代， 为蛋白质和酶在工业、农业和医药方面的应用开为蛋白质和酶在工业、农业和医药方面的应用开 拓了诱人的前景。蛋白质工程开创了按照人类意拓了诱人的前景。蛋白质工程开创了按照人类意 愿改造、创造符合人类需要的蛋白质的新时期。愿改造、创造符合人类需要的蛋白质的新时期。 蛋白质工程是一项难度很大的工程，目前成功蛋白质工程是一
13、项难度很大的工程，目前成功 的例子不多，主要是因为蛋白质发挥其功能需要的例子不多，主要是因为蛋白质发挥其功能需要 依赖于正确的高级结构，而科学家目前对大多数依赖于正确的高级结构，而科学家目前对大多数 蛋白质的高级结构了解很少。蛋白质的高级结构了解很少。 B 例例1 B 例例2 C 例例3 蛋白质工程的基本流程正确的是蛋白质工程的基本流程正确的是 蛋白质分子结构设计蛋白质分子结构设计 DNA合成合成 预期蛋白质功能预期蛋白质功能 根据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列根据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列 A B C D 例例4 关于蛋白质工程的进展和应用，下列关于蛋白质工程的进展和应用，下列 说法不正确的
14、是说法不正确的是 A科学家通过对胰岛素的改造，已使科学家通过对胰岛素的改造，已使 其成为速效药品其成为速效药品 B生物和材料科学家正积极探索将蛋生物和材料科学家正积极探索将蛋 白质工程应用于微电子方面白质工程应用于微电子方面 C蛋白质工程技术已经非常成熟，目蛋白质工程技术已经非常成熟，目 前正被大力推广应用前正被大力推广应用 D蛋白质工程是一项难度很大的工程，蛋白质工程是一项难度很大的工程， 目前成功的例子不多目前成功的例子不多 C 例例5 (1)饲料加工过程温度较高饲料加工过程温度较高，要求植酸酶具有较好要求植酸酶具有较好 的高温稳定性的高温稳定性。利用蛋白质工程技术对其进行改造时利用蛋白质
15、工程技术对其进行改造时，首首 先必须了解植酸酶的先必须了解植酸酶的 ，然后改变植然后改变植 酸酶的酸酶的_，从而得到新的植酸酶从而得到新的植酸酶。 (2)培育转植酸酶基因的大豆培育转植酸酶基因的大豆，可提高其作为饲料原可提高其作为饲料原 料时磷的利用率料时磷的利用率。将植酸酶基因导入大豆细胞常用的方法将植酸酶基因导入大豆细胞常用的方法 是是_。请简述获得转基因植株的请简述获得转基因植株的 完整过程：完整过程： 分子结构及预期功能分子结构及预期功能 基因基因 农杆菌转化法农杆菌转化法 首先将目的基因与质粒组合首先将目的基因与质粒组合，构建基因表达载体构建基因表达载体， 将含目的基因的表达载体导入
16、植物细胞将含目的基因的表达载体导入植物细胞，通过植物组织通过植物组织 培养获得表现新性状的植物培养获得表现新性状的植物 例例6 (3)为了提高猪对饲料中磷的利用率为了提高猪对饲料中磷的利用率，科学家将带有植酸科学家将带有植酸 酶基因的重组质粒通过酶基因的重组质粒通过 转入猪的受精卵中转入猪的受精卵中。该该 受精卵培养至一定时期可通过受精卵培养至一定时期可通过_方法方法，从而一次得到从而一次得到 多个转基因猪个体多个转基因猪个体。 (4)若这些转基因动若这些转基因动、植物进入生态环境中植物进入生态环境中，对生态环境对生态环境 有何影响有何影响？ 显微注射法显微注射法 胚胎分割胚胎分割 转基因生物及其产品对生物多样性转基因生物及其产品对生物多样性、生态环境可能产生生态环境可能产生 的影响主要表现在以下几个方面：的影响主要表现在以下几个方面：转基因生物打破了物种的转基因生物打破了物种的 原有界限原有界限，改变了物质循环和能量流动改变了物质循环和能量流动，对生态系统的稳定性对生态系统的稳定性 造成破坏；造成破坏；重组重组DNA与微生物杂交与微生物杂交，可能出现对动可能出现对动、植物和植物和 人类有害的病原微生物人类有害的病原微生物.
