资源简介

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世界糖尿病患者情况
联合国世界卫生组织（WHO）数据显示，全世界大约有4.22亿人患糖尿病，而每年都有150万人死亡的原因与糖尿病息息相关。预计将在2023年二型糖尿病人数或突破1.4亿，2030年或达到1.7亿。
同时，还有很多人属于糖尿病前期，如果不及时预防，控制血糖，很可能发展为真正的糖尿病患者。
胰岛素
蛋白质工程的原理和应用
蛋白质工程崛起的缘由
【资料1】1921年，加拿大外科医生班廷采用结扎胰管的技术，成功分离出有活性的胰岛素，成功治疗了一位14岁糖尿病患者。最初临床上应用的胰岛素产品是从动物胰脏中提取，每一瓶胰岛素注射液背后都是成吨的动物组织，工业化生产中，1000克动物胰腺最多仅可以提纯出100-200毫克的胰岛素。猪胰岛素与人的最为接近，但依然存在1-4个氨基酸的不同，因此容易发生免疫反应和过敏反应，反复发生高血糖和低血糖，容易出现胰岛素抵抗。
问题1：胰岛素在应用时有何缺陷？你觉得可以怎么解决？
第一代胰岛素——动物胰岛素
蛋白质工程崛起的缘由
【资料2】1958年，由中国科学院上海生物化学研究所、上海有机化学研究所和北京大学生物系组成的联合协作组开始探索用化学方法合成牛胰岛素。1965年，协作组完成了结晶牛胰岛素的全化学合成。经过鉴定，这种人工合成的结晶牛胰岛素在结构、生物活性、物理化学性质上都与天然的牛胰岛素完全一致。中国科学家依靠集体的智慧和力量，摘取了人工合成蛋白质的桂冠。
第一代胰岛素——动物胰岛素
蛋白质工程崛起的缘由
【资料3】20世纪80年代，人们通过基因工程将携带人胰岛素基因的质粒导入大肠杆菌或酵母菌表达，生产人胰岛素基因重组。人胰岛素制剂的氨基酸序列与人体自身胰岛素完全一致，并具有良好的二级和三级结构。用过动物胰岛素发生过敏反应或产生胰岛素抵抗的病人换为人胰岛素后，很少发生过敏反应，胰岛素抵抗很快缓解。但是短效、患者依从性差，低血糖风险高。
问题2：结合前面所学基因工程内容，基因工程的实质是什么？
活动1：写出利用基因工程大量生产胰岛素的简要过程。
第二代胰岛素——人胰岛素
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的体内，后者可以产生它原本不能产生的蛋白质 ，进而表现出新性状。
人胰岛素合成过程？
蛋白质工程崛起的缘由
1982年第一个基因工程药物：重组人胰岛素
重组人胰岛素存在问题：容易形成二聚体或六聚体，皮下注射胰岛素后往往要经历一个逐渐解离为单体的过程，延缓了疗效。
蛋白质工程崛起的缘由
基因工程的不足：基因工程在原则上只能产生自然界已存在的蛋白质。
天然蛋白质的不足：天然蛋白质是生物长期进化过程中形成的，它们的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。
蛋白质工程崛起的缘由
如何突破人胰岛素局限性？
降低低血糖风险
注射时间更灵活方便，无需等待30分钟
能够长时间有效，每日一次注射即可满足要求
改造蛋白质
分子生物学、晶体学以及计算机技术迅猛发展
蛋白质工程的基本原理
【资料4】20世纪90年代，随着科学家对胰岛素的结构和成分的研究越来越深入，发现可以通过对肽链的修饰改变胰岛素的生物学和理化特征，进而研发出较传统人胰岛素更能贴合人体需要的胰岛素类似物，因能直接紧邻餐前食用，也称为餐食胰岛素或速效胰岛素。
问题3：如何大批量生产第三代胰岛素？将基因工程产生的蛋白质一个一个进行改造？
问题4：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，还是通过对基因的操作来实现呢？
第三代胰岛素——胰岛素类似物
蛋白质工程的基本原理
天然胰岛素制剂合成的过程
中心法则
转录
DNA
RNA
翻译
肽链
逆转录
复制
复制
折叠等
具有空间结构的蛋白质
表达生物特有的功能或性状
【资料5】研究人员通过解析人胰岛素的晶体结构发现，人胰岛素由A链和B链构成，其中B链的第20~29位氨基酸是胰岛素分子相互作用，形成多聚体的关键区域，改变这个区域氨基酸的组成，就有可能降低胰岛素分子间的作用力。目前，科学家已通过改造胰岛素基因实现了对相应氨基酸序列的改造，使B28位脯氨酸替换为天冬氨酸，或者将它与B29位的赖氨酸交换位置，从而有效抑制了胰岛素的聚合，由此研发出速效胰岛素类似物。
蛋白质工程的基本原理
研发速效胰岛素类似物
蛋白质工程崛起的基本原理
问题5：怎样得出替换氨基酸后的胰岛素B链基因序列？
问题6：得到改造的胰岛素B链基因序列是唯一的吗？
问题7：确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因？
活动2：请结合所学中心法则的有关知识，画出生产速效胰岛素的流程图。
蛋白质工程崛起的基本原理
研发速效胰岛素类似物
天然蛋白质易形成二聚体或六聚体
预期功能
降低胰岛素的聚合作用
设计结构
改变B链第20～29位氨基酸组成
改造
新胰岛素基因
B28位脯氨酸替换为天冬氨酸或将它与B29位的赖氨酸交换位置
推测序列
转录
mRNA
翻译
多肽链
行使功能
速效胰岛素类似物
预期结构
折叠等
蛋白质工程崛起的基本原理
研发速效胰岛素类似物
根据改造蛋白质的部位的多少，对蛋白质的改造可分为三类：
（1）大改：
设计并制造出自然界中不存在的全新蛋白质
（2）中改：
在蛋白质分子中替换某一个肽段或某一个特定的结构域。
（3）小改：
改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基
蛋白质工程崛起的基本原理
蛋白质工程的基本原理
预期功能
生物功能
设计
蛋白质
（三维结构）
推测
改造或合成
转录
翻译
折叠
行使
目的基因
mRNA
多肽链
蛋白质工程是指以 及其与 作为基础,通过 或 ,来改造 或 蛋白质,以满足 。
蛋白质分子的结构规律
生物功能的关系
改造
合成基因
现有蛋白质
制造一种新的
人类生产和生活的需求
基础：
蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。
操作方法及对象：
改造或合成基因。
目的：
改造现有蛋白质或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。
蛋白质工程的实质：
相关学科及技术：
分子生物学、晶体学和计算机技术。
是对编码蛋白质的基因进行改造。蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程。
蛋白质工程的基本原理
蛋白质工程经常要借助计算机来建立蛋白质的三维结构模型；要制备蛋白质晶体，然后通过X射线衍射技术，分析晶体结构；要用到基因的定点突变技术来进行碱基的替换。
基因工程与蛋白质工程
蛋白质工程与基因工程的比较
项目 蛋白质工程 基因工程
区别 起点
过程
实质
结果
联系 预期蛋白质功能
目的基因
预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→推测脱氧核苷酸序列→合成DNA→表达出蛋白质
获取目的基因→构建基因表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定
通过改造相应的基因达到对蛋白质进行改造的目的
基因重组
可以创造出自然界不存在的蛋白质
生产自然界已存在的蛋白质
①蛋白质工程获得目的基因后，需要通过基因工程获得预期蛋白质
②蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程
③操作对象：基因，操作水平：分子水平
活动3：比较基因工程与蛋白质工程
是否合成新的基因
蛋白质工程
是否对原有基因进行改造
是
否
是
否
蛋白质工程
基因工程
看蛋白质
看基因
是否为天然蛋白质
是
否
蛋白质工程
基因工程
思考：如何辨别一个操作是基因工程还是蛋白质工程？
基因工程与蛋白质工程
1.医药工业方面
①产生速效胰岛素
②产生易保存的干扰素
③生产人鼠嵌合抗体
通过基因定点突变
一个氨基酸的改变或两个氨基酸位置互换
通过基因定点突变
一个氨基酸的改变
通过基因片段的拼接
两条多肽片段拼接
蛋白质工程的应用
2.工业方面的应用
枯草杆菌蛋白酶突变体
枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，因此常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。
广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶
蛋白质工程的应用
3.农业方面的应用
①改造某些参与调控光合作用的酶
科学家正在尝试改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率，增加粮食的产量。
还有科学家将蛋白质工程作为设计优良微生物农药的新思路，通过改造微生物蛋白质的结构，使它防治病虫害的效果增强。
②改造微生物蛋白质结构，防治害虫
蛋白质工程的应用
③改变玉米中赖氨酸含量
4.其他方面的应用
①蛋白质工程与酶制剂产业的发展
②细菌“作画”：荧光蛋白在细胞内生命活动的检测、肿瘤的示踪研究的应用
蛋白质工程的应用
蛋白质工程是一项难度很大的工程。
主要原因：
蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而这种高级结构往往十分复杂。
由计算机建立的血红蛋白三维结构模型
三
级
结
构
一
级
结
构
四
级
结
构
二
级
结
构
蛋白质工程的应用
人类蛋白质组计划
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