2025届高三生物一轮复习课件蛋白质工程的原理和应用

课程名称：蛋白质工程的原理和应用 学科：生物学 年级：高三（上学期） 单元主题：基因工程 转基因抗虫棉在全球范围内已取得广泛应用。但是，Bt抗虫蛋白存在毒力有限、害虫对Bt蛋白的抗性上升等诸多问题，严重制约Bt蛋白在未来农业生产中进一步发挥重大作用。 如何解决这个问题呢？ 增加Bt抗虫基因的数目等。 科学家想尝试通过改变Bt蛋白的结构增强Bt蛋白毒力。 这能实现吗？ 学习目标 01 03 02 完成“改造Bt蛋白，增强杀虫效果”的任务，由蛋白质的功能推测相应的结构，再进一步推测氨基酸和基因序列，发展结构与功能观、信息观。 由改造Bt蛋白的流程归纳总结改造蛋白质的一般思路，发展归纳与推理的科学思维。 关注蛋白质工程的研究进展和其在人类生产和生活中的应用。 环节一：认识Bt蛋白的结构 小组讨论：结合3个资料，你能作出什么推测？ Bt蛋白结构Ⅰ中的5号α螺旋参与昆虫肠上皮细胞孔道的形成。 资料1: 昆虫肠道为碱性环境，Bt蛋白被分解为多肽，碱性环境中多肽与害虫肠上皮细胞的特异性受体结合,导致细胞膜穿孔，使害虫渗透压失衡死亡; 资料2: 通过计算机建立蛋白质三维结构模型；要制备蛋白质晶体,通过X射线衍射技术，分析晶体的结构。 资料3：Bt蛋白包含三部分（见图），其中结构Ⅰ(绿色)由多个α螺旋组成，5号α螺旋(α5)（玫红色） 中央疏水、且其螺旋长度足以跨过3nm厚的细胞膜的疏水区，而结构Ⅱ（蓝色）、Ⅲ（红色）并未发现足够长度的疏水区域。 环节一：认识Bt蛋白的结构 资料4: Bt蛋白α5螺旋的亲脂侧向外、亲水侧向内形成亲水离子通道，由于第168位的组氨酸残基存在于疏水表面的中间，对于结构Ⅰ的稳定存在非常重要。 研究人员推测: 氨基酸的改变可能会引起蛋白质空间结构的细微差异和功能的改变 他们尝试用疏水性更强的精氨酸代替组氨酸来对Bt蛋白进行改造。 小组思考讨论：由精氨酸代替168位组氨酸，对Bt蛋白结构可能产生何种影响? Bt蛋白空间结构变得更稳定。 环节二：改造Bt蛋白的结构 提示：CAU是组氨酸的密码子，UUA是亮氨酸的密码子，CUU是丝氨酸的密码子，CGU、CGC、CGA、CGG是精氨酸的密码子。 -A A T G T A G A A G T A- -T T A C A T C T T C A T- 部分Bt基因序列 转录模板链 168组氨酸对应的碱基序列 小组活动1：如何改造Bt基因使结构更稳定？ 尝试写出改造后的Bt基因序列。 从难易程度、可持续性角度考虑可以直接对蛋白质进行改造吗? 改造Bt基因 ①蛋白质的高级结构十分复杂②蛋白质无法遗传 环节二：改造Bt蛋白的结构 -A A T G T A G A A G T A- -T T A C A T C T T C A T- 部分Bt基因序列 转录模板链 C G 小组活动1：改造Bt基因并尝试写出改造后的Bt基因序列。 改造Bt基因 通过基因的定点突变技术对碱基进行替换。 通过研究发现，将第168位的组氨酸替换为精氨酸后，不仅Bt蛋白的空间结构变得更稳定，而且毒性提高了3倍，且对棉花无害！ 1.如何让改造后的Bt基因表达新的Bt蛋白呢？ 将改造后的Bt基因通过转基因技术导入到棉花细胞中进行表达。 否 毒力鉴定。 成功通过改变Bt蛋白结构增强Bt蛋白的毒力，这项工程是 蛋白质工程 2.Bt蛋白改造成果能否直接应用生产实践中，还要做什么工作？ 思考： 环节三：构建蛋白质工程的基本思路 小组活动2：以Bt蛋白的改造为例， 尝试构建蛋白质工程的基本思路。 找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因 获得所需蛋白质 预期的蛋白质功能 设计预期的蛋白质结构 推测应有的氨基酸序列 满足人类生产和生活的需求 基础 操作方法及对象 结果 目的 蛋白质工程概念 以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础 通过改造或合成基因 改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质 科学进展 科学进展 2021年科学突破奖-生命科学奖得主 David Baker 开发的AI软件能设计出自然界从未见过的蛋白质，如可能能阻止新冠病毒进入细胞的蛋白质。 对比 ：蛋白质工程与基因工程的区别与联系 比较项目 基因工程 蛋白质工程 区 别 基因角度 蛋白质 角度 联系 生产自然界已有的蛋白质 未改变基因的碱基序列，只是基因位置的转移 ①都在生物体外对基因进行操作 ②蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程 改变基因的碱基序列后再进行转移 生产出自然界没有的蛋白质 请同学们自主阅读教材P95，总结蛋白质工程可以应用于哪些领域 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，有效抑制胰岛素的聚合。使胰岛素快速起作用 将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，从而延长保存时间。 环节四 了解蛋白质工程的应用 小鼠抗体上结合抗原的区域嫁接到人的抗体上，可降低诱发的免疫反应强度。 （一）医药工业领域 环节四 了解蛋白质工程的应用 如利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的突变体，提高价值。 改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加粮食的产量。 枯草杆菌蛋白酶 设计优良微生物农药，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。 （二）酶学领域、农业领域 T4溶菌酶是一种重要的工业用酶，但是它在温度较高时容易失去活性。为了提高T4溶菌酶的耐热性，科学家首先对影响T4溶菌酶耐热性的一些重要结构进行了研究。然后以此为依据对相关基因进行改造，使T4溶菌酶的第3位异亮氨酸变为半胱氨酸。于是，在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成了一个二硫键，T4溶菌酶的耐热性得到了提高。 （1）这项工作属于什么工程的范畴? （2）在该实例中引起T4溶菌酶空间结构发生改变的根本原因是什么? （3）如果要将该研究成果应用到生产实践，还需要做哪些方面的工作? （3）由于改造后酶的空间结构发生了变化,因此它的一些基本特性需要重新明确,包括它能耐受的温度范围、催化反应的最适温度、酶活力的大小等;需要建立规模化生产该酶的技术体系,评估生产成本等。 （1）这项工作属于蛋白质工程的范畴。 （2）根本原因是基因的碱基序列发生了变化。 随堂练习 蛋白质工程 小结 理论基础 技术手段 目标 基本思路 实践应用 蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系 通过改造或合成基因,来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质 根据人们对蛋白质功能的特定需求,对蛋白质的结构进行设计改造 从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→获得所需蛋白质。 医药工业领域 酶学领域 农业领域 学习目标 01 03 02 完成“改造Bt蛋白，增强杀虫效果”的任务，由蛋白质的功能推测相应的结构，再进一步推测氨基酸和基因序列，发展结构与功能观、信息观。 由改造Bt蛋白的流程归纳总结改造蛋白质的一般思路，发展归纳与推理的科学思维。 关注蛋白质工程的研究进展和其在人类生产和生活中的应用。 Lavf58.20.100 $$