高三生物一輪復(fù)習(xí)課件蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用

課程名稱：蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用

學(xué)科：生物學(xué)

年級(jí)：高三（上學(xué)期）

單元主題：基因工程

轉(zhuǎn)基因抗蟲(chóng)棉在全球范圍內(nèi)已取得廣泛應(yīng)用。但是，Bt抗蟲(chóng)蛋白存在毒力有限、害蟲(chóng)對(duì)Bt蛋白的抗性上升等諸多問(wèn)題，嚴(yán)重制約Bt蛋白在未來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)一步發(fā)揮重大作用。如何解決這個(gè)問(wèn)題呢？增加Bt抗蟲(chóng)基因的數(shù)目等。科學(xué)家想嘗試通過(guò)改變Bt蛋白的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)Bt蛋白毒力。這能實(shí)現(xiàn)嗎？學(xué)習(xí)目標(biāo)010302完成“改造Bt蛋白，增強(qiáng)殺蟲(chóng)效果”的任務(wù)，由蛋白質(zhì)的功能推測(cè)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，再進(jìn)一步推測(cè)氨基酸和基因序列，發(fā)展結(jié)構(gòu)與功能觀、信息觀。由改造Bt蛋白的流程歸納總結(jié)改造蛋白質(zhì)的一般思路，發(fā)展歸納與推理的科學(xué)思維。關(guān)注蛋白質(zhì)工程的研究進(jìn)展和其在人類生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用。環(huán)節(jié)一：認(rèn)識(shí)Bt蛋白的結(jié)構(gòu)小組討論：結(jié)合3個(gè)資料，你能作出什么推測(cè)？

Bt蛋白結(jié)構(gòu)Ⅰ中的5號(hào)α螺旋參與昆蟲(chóng)腸上皮細(xì)胞孔道的形成。資料1:昆蟲(chóng)腸道為堿性環(huán)境，Bt蛋白被分解為多肽，堿性環(huán)境中多肽與害蟲(chóng)腸上皮細(xì)胞的特異性受體結(jié)合,導(dǎo)致細(xì)胞膜穿孔，使害蟲(chóng)滲透壓失衡死亡;資料2:通過(guò)計(jì)算機(jī)建立蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)模型；要制備蛋白質(zhì)晶體,通過(guò)X射線衍射技術(shù)，分析晶體的結(jié)構(gòu)。資料3：Bt蛋白包含三部分（見(jiàn)圖），其中結(jié)構(gòu)Ⅰ(綠色)由多個(gè)α螺旋組成，5號(hào)α螺旋(α5)（玫紅色）中央疏水、且其螺旋長(zhǎng)度足以跨過(guò)3nm厚的細(xì)胞膜的疏水區(qū)，而結(jié)構(gòu)Ⅱ（藍(lán)色）、Ⅲ（紅色）并未發(fā)現(xiàn)足夠長(zhǎng)度的疏水區(qū)域。環(huán)節(jié)一：認(rèn)識(shí)Bt蛋白的結(jié)構(gòu)資料4:Bt蛋白α5螺旋的親脂側(cè)向外、親水側(cè)向內(nèi)形成親水離子通道，由于第168位的組氨酸殘基存在于疏水表面的中間，對(duì)于結(jié)構(gòu)Ⅰ的穩(wěn)定存在非常重要。研究人員推測(cè):氨基酸的改變可能會(huì)引起蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的細(xì)微差異和功能的改變他們嘗試用疏水性更強(qiáng)的精氨酸代替組氨酸來(lái)對(duì)Bt蛋白進(jìn)行改造。小組思考討論：由精氨酸代替168位組氨酸，對(duì)Bt蛋白結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生何種影響?Bt蛋白空間結(jié)構(gòu)變得更穩(wěn)定。環(huán)節(jié)二：改造Bt蛋白的結(jié)構(gòu)提示：CAU是組氨酸的密碼子，UUA是亮氨酸的密碼子，CUU是絲氨酸的密碼子，CGU、CGC、CGA、CGG是精氨酸的密碼子。-AATGTAGAAGTA--TTACATCTTCAT-部分Bt基因序列轉(zhuǎn)錄模板鏈168組氨酸對(duì)應(yīng)的堿基序列小組活動(dòng)1：如何改造Bt基因使結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定？

嘗試寫(xiě)出改造后的Bt基因序列。從難易程度、可持續(xù)性角度考慮可以直接對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行改造嗎?改造Bt基因①蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜②蛋白質(zhì)無(wú)法遺傳環(huán)節(jié)二：改造Bt蛋白的結(jié)構(gòu)-AATGTAGAAGTA--TTACATCTTCAT-部分Bt基因序列轉(zhuǎn)錄模板鏈CG小組活動(dòng)1：改造Bt基因并嘗試寫(xiě)出改造后的Bt基因序列。改造Bt基因通過(guò)基因的定點(diǎn)突變技術(shù)對(duì)堿基進(jìn)行替換。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，將第168位的組氨酸替換為精氨酸后，不僅Bt蛋白的空間結(jié)構(gòu)變得更穩(wěn)定，而且毒性提高了3倍，且對(duì)棉花無(wú)害！1.如何讓改造后的Bt基因表達(dá)新的Bt蛋白呢？將改造后的Bt基因通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)導(dǎo)入到棉花細(xì)胞中進(jìn)行表達(dá)。否

毒力鑒定。成功通過(guò)改變Bt蛋白結(jié)構(gòu)增強(qiáng)Bt蛋白的毒力，這項(xiàng)工程是蛋白質(zhì)工程2.Bt蛋白改造成果能否直接應(yīng)用生產(chǎn)實(shí)踐中，還要做什么工作？思考：環(huán)節(jié)三：構(gòu)建蛋白質(zhì)工程的基本思路小組活動(dòng)2：以Bt蛋白的改造為例，

嘗試構(gòu)建蛋白質(zhì)工程的基本思路。找到并改變相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因獲得所需蛋白質(zhì)預(yù)期的蛋白質(zhì)功能設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)推測(cè)應(yīng)有的氨基酸序列滿足人類生產(chǎn)和生活的需求基礎(chǔ)操作方法及對(duì)象結(jié)果目的蛋白質(zhì)工程概念以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系為基礎(chǔ)通過(guò)改造或合成基因改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)科學(xué)進(jìn)展科學(xué)進(jìn)展2021年科學(xué)突破獎(jiǎng)-生命科學(xué)獎(jiǎng)得主

DavidBaker開(kāi)發(fā)的AI軟件能設(shè)計(jì)出自然界從未見(jiàn)過(guò)的蛋白質(zhì)，如可能能阻止新冠病毒進(jìn)入細(xì)胞的蛋白質(zhì)。對(duì)比

：蛋白質(zhì)工程與基因工程的區(qū)別與聯(lián)系比較項(xiàng)目基因工程蛋白質(zhì)工程區(qū)別基因角度蛋白質(zhì)角度

聯(lián)系生產(chǎn)自然界已有的蛋白質(zhì)未改變基因的堿基序列，只是基因位置的轉(zhuǎn)移①都在生物體外對(duì)基因進(jìn)行操作②蛋白質(zhì)工程是在基因工程基礎(chǔ)上延伸出來(lái)的第二代基因工程改變基因的堿基序列后再進(jìn)行轉(zhuǎn)移生產(chǎn)出自然界沒(méi)有的蛋白質(zhì)請(qǐng)同學(xué)們自主閱讀教材P95，總結(jié)蛋白質(zhì)工程可以應(yīng)用于哪些領(lǐng)域B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或?qū)⑺cB29位的賴氨酸交換位置，有效抑制胰島素的聚合。使胰島素快速起作用將干擾素分子上的一個(gè)半胱氨酸變成絲氨酸，從而延長(zhǎng)保存時(shí)間。環(huán)節(jié)四

了解蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用小鼠抗體上結(jié)合抗原的區(qū)域嫁接到人的抗體上，可降低誘發(fā)的免疫反應(yīng)強(qiáng)度。（一）醫(yī)藥工業(yè)領(lǐng)域環(huán)節(jié)四

了解蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用如利用蛋白質(zhì)工程獲得枯草桿菌蛋白酶的突變體，提高價(jià)值。改造某些參與調(diào)控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加糧食的產(chǎn)量?？莶輻U菌蛋白酶設(shè)計(jì)優(yōu)良微生物農(nóng)藥，通過(guò)改造微生物蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使它防治病蟲(chóng)害的效果增強(qiáng)。（二）酶學(xué)領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域T4溶菌酶是一種重要的工業(yè)用酶，但是它在溫度較高時(shí)容易失去活性。為了提高T4溶菌酶的耐熱性，科學(xué)家首先對(duì)影響T4溶菌酶耐熱性的一些重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。然后以此為依據(jù)對(duì)相關(guān)基因進(jìn)行改造，使T4溶菌酶的第3位異亮氨酸變?yōu)榘腚装彼?。于是，在該半胱氨酸與第97位的半胱氨酸之間形成了一個(gè)二硫鍵，T4溶菌酶的耐熱性得到了提高。（1）這項(xiàng)工作屬于什么工程的范疇?（2）在該實(shí)例中引起T4溶菌酶空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的根本原因是什么?（3）如果要將該研究成果應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐，還需要做哪些方面的工作?（3）由于改造后酶的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,因此它的一些基本特性需要重新明確,包括它能耐受的溫度范圍、催化反應(yīng)的最適溫度、酶活力的大小等;需要建立規(guī)?；a(chǎn)該酶的技術(shù)體系,評(píng)估生產(chǎn)成本等。（1）這項(xiàng)工作屬于蛋白質(zhì)工程的范疇。（2）根本原因是基因的堿基序列發(fā)生了變化。隨堂練習(xí)蛋白質(zhì)工程小結(jié)理論基礎(chǔ)技術(shù)手段目標(biāo)基本思路實(shí)踐應(yīng)用蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系通過(guò)改造或合成基因,來(lái)改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)根據(jù)人們對(duì)蛋白質(zhì)功能的特定需求,對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)→設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測(cè)應(yīng)有的氨基酸序列→找到并改變相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→獲得所需蛋白質(zhì)。醫(yī)藥工業(yè)領(lǐng)域酶學(xué)領(lǐng)