3.4 蛋白质工程的原理和应用 课件 2024—2025学年高二下学期生物人教版选择性必修3

选择性必修三 第3章 基因工程 第4节 蛋白质工程的原理和应用 1.通过完成“改造 Bt 蛋白，增强杀虫效果”的学习任务，由蛋白质的功能推测相应结构，再进一步推测氨基酸序列和基因序列，发展结构与功能观、信息观。 2.运用逆向思维分析“改造Bt蛋白”的基本流程，归纳改造一般蛋白质的思路，形成蛋白质工程的概念，发展归纳与推理的科学思维。 3.将蛋白质工程迁移运用到新情境“设计抗新冠病毒药物蛋白”中，尝试提出生产目标蛋白的工程学构想，尝试解决生产生活中实际问题，提升社会责任感。 学习目标 学习目标可以参考北师大版教材 温故知新 以棉铃虫为主的病虫害，制约着我国棉花产业的发展。在这样的背景下，我国于1997年成功培育出拥有自主知识产权的转基因抗虫棉并批准商业化种植；现今，转基因抗虫棉已经在全球范围内取得了巨大成功。 从社会中来 基因工程的实质： 将一种生物的 转移到另一种生物体内，后者可以产生它 ，进而表现出 。 基因 本不能产生的蛋白质 新的性状 中心法则： DNA 复制 转录 RNA 翻译 蛋白质 逆转录 简单回顾基因工程的过程（抗虫棉），引出基因工程的实质，中心法则。 与传统的施用农药相比，基因工程虽然可以提高棉花对棉铃虫的毒害作用，降低成本，增收经济效益，保护生态环境。但是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，严重制约抗虫蛋白(Bt蛋白)在未来农业生产中进一步发挥巨大作用。 温故知新 从社会中来 如何解决这一问题？ 科学家思考：能否使Bt蛋白有更强的杀虫功能？ 任务1：改造Bt抗虫蛋白，增强杀虫效果 通过观看视频，结合教材P93-94，思考并回答下列问题： 1.蛋白质工程是一项难度很大的工程，主要是因为蛋白质发挥功能必须依赖于正确的 ，而它往往十分复杂。 2.要分析并获得蛋白质的三维结构，现今我们可以利用哪些技术手段？ 高级结构 正是因为对蛋白质结构的深入了解，部分科学家提出了通过改造BT蛋白结构来提高其杀虫功能的解决思路。 任务1：改造Bt抗虫蛋白，增强杀虫效果 资料1：Bt抗虫蛋白被分解为多肽，多肽在碱性环境中与害虫肠上皮细胞的特异性受体结合，导致细胞膜穿孔，使害虫渗透压失衡而死亡。 资料2：Bt抗虫蛋白包含三部分结构，其中结构I由多个α螺旋组成，5号α螺旋中央疏水，且其螺旋长度足以跨过3nm厚的细胞膜疏水区，而结构Ⅱ、Ⅲ并未发现足够长度的疏水区域，研究人员推测结构Ⅰ可能参与昆虫肠上皮细胞膜中孔道的形成。 结合资料1、2，请你推测可能参与昆虫肠上皮细胞膜中孔道的形成是Bt抗虫蛋白的哪部分结构？并尝试说明理由。 要不要显示答案？？（结构与功能相适应） 资料3：Bt抗虫蛋白结构Ⅰ α5螺旋通过6聚体的形式，即以α螺旋亲脂侧朝外，亲水侧朝内形成亲水离子通道，由于168位的组氨酸残基存在于疏水表面的中间，对于6聚体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。 任务1：改造Bt抗虫蛋白，增强杀虫效果 思考：1.若用精氨酸代替组氨酸将对蛋白质有何影响？ 2.可以直接对蛋白质进行改造吗？（从难易程度、可持续性角度考虑） 氨基酸序列决定蛋白质空间结构 ①蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大； ②蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质； ③基因可以遗传，蛋白质无法遗传。 3.为什么不直接使用基因工程进行改造呢？（用教材上的话回答） 氨基酸序列决定蛋白质空间结构（结构与功能相适应） 小组活动： 若要将Bt抗虫蛋白的第168为组氨酸代替为精氨酸，改造后的Bt抗虫基因序列是什么？你是如何得到序列信息的？ 1、利用“提示”，模拟转录的过程(写在学案上)； 2、派小组成员上台模拟并讲述该动态过程。 任务1：改造Bt抗虫蛋白，增强杀虫效果 (模板链） 168位 部分Bt抗虫基因序列： 提示：UUA、CUU是亮氨酸的密码子，CAU是组氨酸的密码子； 精氨酸的密码子是CGU、CGC、CGA、CGG、AGA、AGG 基因序列决定氨基酸序列 提示：UUA、CUU是亮氨酸的密码子，CAU是组氨酸的密码子；精氨酸的密码子是CGU、CGC、CGA、CGG、AGA、AGG 方案1： 方案2： 思考：你设计的实验方案和科学家真实的实验方案有什么异同？ 资料4: 在蛋白质的合成过程中，某一物种通常倾向于使用一种或几种特定的密码子，这些密码子被称为最优密码子，此现象被称为密码子偏好性。棉花细胞中精氨酸的最优密码子为：CGC和CGG。 任务1：改造Bt抗虫蛋白，增强杀虫效果 1.怎样才能合成或改造目的基因？ ②可对目的基因使用定点突变技术等来进行碱基的替换、增添等。 ①人工化学合成基因或从基因文库中获取目的基因或PCR特异性地扩增目的基因； 2.改造后的Bt抗虫基因如何指导新Bt蛋白质的合成？ 改造后的Bt抗虫基因与运载体构建基因表达载体，导入受体细胞，在细胞中通过转录、翻译指导新Bt蛋白的合成。 3.如果要将Bt抗虫蛋白的改造成果应用到生产实践中去，还要做哪些工作呢？ 还需要做毒力鉴定（个体水平上的鉴定）。 当确定新Bt抗虫基因序列后（以 为例），结合已学过的知识及教材P94“学科交叉”，思考并回答下列问题： 任务1：改造Bt抗虫蛋白，增强杀虫效果 将Bt蛋白中第372位的天冬酰胺残基用丙氨酸或甘氨酸替换后，对舞毒蛾幼虫毒性提高了8倍； 将Bt蛋白中第282位、第283位的丙氨酸和亮氨酸用甘氨酸和丝氨酸取代，对舞毒蛾毒力提高7倍； 将Bt蛋白中第454位天冬氨酸突变为甘氨酸，并在其后插入丙氨酸和缬氨酸，对致倦库蚊和尖音库蚊的毒力分别提高701和285倍。 科学前沿 第168为组氨酸代替为精氨酸后，Bt抗虫蛋白对烟草天蛾的毒性提高了3倍，对棉花无毒性。 核心概念生成 1.以Bt抗虫蛋白的改造为例，归纳改造蛋白质的基本思路。 1、预期蛋白质的功能 2、推测蛋白质的相应结构 3、推测氨基酸的序列 4、设计改造后的基因序列 5、改造并合成新的Bt抗虫基因，并进行转基因操作 6、指导合成新的Bt蛋白 7、新的Bt蛋白质鉴定，行使杀虫功能 5、改造目的基因并转基因 6、改造后的目的基因表达出新的蛋白质 7、新蛋白质鉴定，行使预期功能 ① 计算机技术 ② 晶体学、X射线衍射技术 基因定点突变技术 1、预期Bt蛋白有更强的杀虫功能 2、推测结构Ⅰ中的5号螺旋可能参与上皮细胞孔道的形成，与杀虫功能有关 3、预测结构Ⅰ的新氨基酸序列，将168位的组氨酸替换为精氨酸 4、根据密码子设计相应的Bt抗虫基因核苷酸序列 蛋白质工程概念： 构建核心概念 预期功能 生物功能 推测 蛋白质 （三维结构） 推测 改造 转录 翻译 折叠 行使 目的基因 mRNA 多肽链 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，通过改造基因，来改造现有蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。 学以致用 1.苏云金芽孢杆菌中的杀虫晶体蛋白Cry具有杀虫毒性，但Cry蛋白存在杀虫谱窄、毒力有限等问题，制约了其在农业生产中的进一步应用。科学家通过定点突变，将Cry蛋白第168位的组氨酸替换为精氨酸后，Cry蛋白对烟草天蛾的毒性提高了3倍;将Cry蛋白第282位、第283位的丙氨酸和亮氨酸分别替换成甘氨酸和丝氨酸后，Cry蛋白对舞毒蛾的毒性提高了7倍。请回答下列问题: (1)对Cry蛋白改造描述正确的是( )。 A.直接改造 Cry 蛋白 B.直接改造Cry蛋白的mRNA C.改造编码Cry蛋白的基因 D.重新合成新的基因 (2)如果将第168、第282、第283位的氨基酸全部替换，Cry蛋白对舞毒蛾的毒性( )。 A.增加7倍 B.增加3倍 C.增加21倍 D.不确定，需要重新检测 (3)基因工程和蛋白质工程在利用苏云金芽孢杆菌方面有哪些不同? C D 基因角度 蛋白质角度 不同 基因工程 蛋白质工程 联系 将Bt抗虫基因从苏云金杆菌体内转移到棉花体内 生产苏云金杆菌的Bt抗虫蛋白 将Bt抗虫蛋白基因进行改完后再进行转移 生产改造之后的Bt抗虫蛋白（满足人类生产需求的、自然界不存在的） 蛋白质工程包含基因工程的基本操作，是第二代基因工程。 (3)基因工程和蛋白质工程在利用苏云金芽孢杆菌方面有哪些不同? 任务2：利用蛋白质工程生产抗新冠病毒的药物蛋白。 到社会中去 资料5：2021年2月西湖大学周强团队揭开了新冠病毒入侵人体细胞的关键是新冠病毒表面的S蛋白中含有受体接合结构域(RBD)，能够与人体细胞上血管紧张素转化酶2-ACE2结合，进而侵入人体，ACE2是人体一种参与血压调节的受体蛋白，在在肺、心脏、肾脏和肠道细胞表面广泛存在。 通过阅读资料5，从干扰冠状病毒入侵人体细胞的角度，说出抗新冠病毒药物蛋白的关键作用环节。 RBD 任务2：利用蛋白质工程生产抗新冠病毒的药物蛋白。 从干扰冠状病毒入侵人体细胞的角度，尝试设计与新冠病毒RBD结合的药物蛋白，说出思路。 任务2：利用蛋白质工程生产抗新冠病毒的药物蛋白。 从干扰冠状病毒入侵人体细胞的角度，尝试设计与新冠病毒RBD结合的药物蛋白，说出思路。 ①预期蛋白质功能：该药物蛋白能提高与新冠病毒RBD结合的效率； ②设计预期蛋白质结构以满足快速与新冠病毒RBD结合的功能特点； ③推测应有的氨基酸序列，明确修改方案； ④找到相应脱氧核苷酸序列，通过人工合成技术得到目的基因； ⑤构建基因表达载体，导入受体细胞，表达蛋白质获得产物。 任务2：利用蛋白质工程生产抗新冠病毒的药物蛋白。 资料6：科学家使用专门进行蛋白质设计的软件Rosetta模拟能够与RBD结合的蛋白质，获得对应多肽链的氨基酸序列信息，最终获得5种与RBD高亲和力结合的小蛋白，命名为 LCB1—LCB5。 任务2：利用蛋白质工程生产抗新冠病毒的药物蛋白。 资料7：为检测新蛋白的生物学功能，科学家测定 LCB1—LCB5 对新冠病毒的中和作用，结果如图所示。 抗病毒实验表明:LCB1的效力是迄今为止报道的最有效的单克隆抗体的6倍，目前该项研究进入临床实验阶段。 新蛋白对新冠病毒的中和作用 因为这项研究，戴维·贝克的研究团队获得了2021年科学突破奖。 科学前沿 任务2：利用蛋白质工程生产抗新冠病毒的药物蛋白。 任务2：利用蛋白质工程生产抗新冠病毒的药物蛋白。 再思考：能否用“改造”的技术，改造已有的蛋白质结构呢？若可以，那么选择哪一部分进行改造呢？ 戴维·贝克等人除了对抗病毒 药物进行上述全新的设计之外， 还尝试了一种更为简便的设计方法，根据蛋白质工程原理，通过改造已有ACE2的DNA序列，对ACE2中与RBD结合起关键作用的结构域进行改造，对获得的蛋白质功能进行检测，但是其抗病毒能力较低。 蛋白质工程概念： 完善核心概念 预期功能 生物功能 推测或设计 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，以满足人类的生产和生活的需求。 小结： 蛋白质工程 崛起缘由 技术手段 目标 基本思路 基因工程原则上只能生产自然界已存在的蛋白质 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 获得满足人类生产和生活需求的蛋白质 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→获得所需要的蛋白质。 通过核孔 学以致用 水蛭唾液腺分泌的水蛭素（蛋白质）是一种优良的凝血酶抑制剂，在血栓治疗上有着重要的医学价值，但天然的水蛭素的临床活性较低，如果将水蛭素分子中第47位的天冬酰胺替换成赖氨酸，其分子活性会提高20倍。结合上述信息，请回答下列问题： （1）在生物学领域，对水蛭素进行分子改造使用的技术是 。获得上述分子的基本途径为： →设计预期的水蛭素的分子结构→推测应有的 →找到相对应的脱氧核苷酸序列。 （2）科学家通过反复实验，获得了改造后的水蛭素基因，将水蛭素基因导入大肠杆菌中，结果发现，获得的水蛭素注入血栓患者体内后并没有达到令人满意的效果。请你试分析可能的原因是 。 大肠杆菌为原核细胞，没有内质网和高尔基体，不能对水蛭素肽链进行加工（其加工过程与水蛭细胞内的加工过程不同），导致水蛭素分子结构异常，功能下降；大肠杆菌没有真核生物的基因的内含子转录部分的剪切机制…… 预期的水蛭素的功能 氨基酸序列    蛋白质工程 蛋白质工程早已在不同领域得到发展和应用，回归教材P95，阅读“蛋白质工程的应用”中的图文材料，了解蛋白质工程在不用领域的应用成果。 有兴趣的同学，课后可以通过搜索网络信息，整理最新的蛋白质工程在生产实践中的应用，和大家一起分享；还可以运用生物信息学的技术手段，对基因序列和蛋白质序列进行分析处理，通过实际操作感受科学研究的过程…… 课外实践 Lavf58.76.100 Lavf58.20.100 $