14 蛋白质工程的崛起分析.ppt

* 1.4 蛋白质工程的崛起 何谓蛋白质工程？ 1983年美国科学家Ulmer首先提出蛋白质工程，它是指按照特定的需要，对蛋白质进行分子设计和改造的工程。自此以后，蛋白质工程迅速发展，已成为生物工程的重要组成部分。 一、蛋白质工程崛起的缘由 基因工程的实质： 将一种生物的基因转移到另一种生物体内，使后者产生本身不能产生的蛋白质，从而表现出新的性状。 基因工程的实质： 在原则上只能产生自然界已存在的蛋白质。 基因工程 实例1：生产单体速效胰岛素 如果把胰岛素B链由B28脯氨酸-B29赖氨酸改为B28赖氨酸-B29脯氨酸就可避免胰岛素分子形成聚合体以保证其效能的及时发挥。 原因：胰岛素注射到人体后会堆积在皮下，要经过较长时间才能进入血液，而且进入到血液中的胰岛素又会不断地被分解。 实例2：干扰素的保存 天然的干扰素在体外保存相当困难。 如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么在—70℃的条件下，可以保存半年。 实例3:工业用酶 许多工业用酶是在改变天然酶的特性后，才使之适应生产和使用需要的。 在已研究过的几千种酶中，只有极少数可以应用于工业生产，绝大多数酶都不能应用于工业生产，这是因为工业生产中每一步的反应体系中常常会有酸、碱或有机溶剂存在，反应温度较高，在这种条件下，大多数酶会很快变性失活。 玉米中赖氨酸含量比较低，原因是赖氨酸浓度达到一定时会抑制赖氨酸合成过程中的两个关键酶—天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性，所以赖氨酸含量很难提高。如果将天冬氨酸激酶的第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中104位的天冬氨酰变成异亮氨酸，可使玉米叶片和种子中游离的赖氨酸含量分别提高5倍和2倍。 实例4:提高玉米赖氨酸含量 在已研究过的几千种酶中，只有极少数可以应用于工业生产，绝大多数酶都不能应用于工业生产，这些酶虽然在自然状态下有活性，但在工业生产中没有活性或活性很低。这是因为工业生产中每一步的反应体系中常常会有酸、碱或有机溶剂存在，反应温度较高，在这种条件下，大多数酶会很快变性失活。提高蛋白质的稳定性是工业生产中一个非常重要的课题。 天然蛋白质的不足 一般来说，提高蛋白质的稳定性包括： 1、延长酶的半衰期 2、提高酶的热稳定性 3、延长药用蛋白的保存期 4、抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性丧失等 通过物理化学与生物化学等技术了解蛋白质的结构与功能，并借助计算机辅助设计、基因定点诱变和重组DNA技术改造基因，以定向改造天然蛋白质，甚至创造自然界不存在的蛋白质的技术。其中基因工程是关键技术。 因此蛋白质工程又被称为第二代基因工程。 蛋白质工程的概念 基础: 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。 手段: 基因修饰或基因合成： 借助计算机辅助设计、基因定点诱变和重组DNA技术 二、蛋白质工程的基本原理 目的: 对现有蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质,以满足人类生产和生活的需要。 由于基因决定蛋白质，因此，要对蛋白质的结构进行改造，最终还必须通过基因来完成。 通过基因工程来改造蛋白质 预期 功能 DNA合成 分子设计 蛋白质 三维结构 氨基酸序列 多肽链 基因 DNA mRNA 生物 功能 转录 翻译 折叠 蛋白质工程流程图 蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的。而蛋白质工程的过程却与之相反。 中心法则 DNA RNA 蛋白质 转录 翻译 逆转录 复制 蛋白质工程的主要步骤 从生物体中分离纯化目的蛋白； 测定其氨基酸序列； 借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段，尽可能地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构; 设计各种处理条件，了解蛋白质的结构变化，包括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响； 设计编码该蛋白的基因改造方案，如点突变； 分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。 讨论 某多肽链的一段氨基酸序列是：…—丙氨酸—色氨酸—赖氨酸—甲硫氨酸—苯丙氨酸—… （1） 怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？请把相应的碱基序列写出来。 （2）确定目的基因的碱基序列后，就可以根据人类的需要改造它，通过人工合成的方法或从基因库中获取。 密码子表 每种氨基酸都有对应的三联密码子，只要查一下遗传密码子表，就可以将上述氨基酸序列的编码序列查出来。但是由于上述氨基酸序列中有几个氨基酸是由多个三联密码子编码，因此其碱基排列组合起来就比较复杂，至少可以排列出16种，可以让学生根据学过的排列组合知识自己排列一下。首先应该根据三联密码子推出mRNA序列为GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C），再根据碱基互补配对规律推出脱氧核苷酸序列：CGA（或G或T或C