3.4蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用課件高二下學(xué)期生物人教版選擇性必修3

蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用二代基因工程ThebasictoolsofrecombinantDNAtechnology學(xué)習(xí)目標(biāo)通過(guò)完成“改造Bt蛋白，增強(qiáng)殺蟲效果”的任務(wù)，由蛋白質(zhì)的功能推測(cè)相應(yīng)結(jié)構(gòu)，再進(jìn)一步推測(cè)氨基酸序列和基因序列，發(fā)展結(jié)構(gòu)與功能觀、信息觀；通過(guò)由改造Bt蛋白和設(shè)計(jì)人工蛋白質(zhì)的流程，歸納總結(jié)改造一般蛋白質(zhì)的思路，發(fā)展歸納與推理的學(xué)科思維。1、你還記得抗蟲棉是怎么培育出的嗎？2、如果在生產(chǎn)過(guò)程中，棉鈴蟲對(duì)轉(zhuǎn)基因抗蟲棉產(chǎn)生了抗性、Bt蛋白毒力下降，如何解決？情景再現(xiàn)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的進(jìn)展晶體學(xué)、分子生物學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等活動(dòng)一：改造Bt蛋白基于對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的較深入了解，部分科學(xué)家提出了通過(guò)改造Bt蛋白結(jié)構(gòu)來(lái)提高其殺蟲功能。請(qǐng)你嘗試推測(cè)科學(xué)家“改造Bt蛋白，增強(qiáng)殺蟲效果”的可能思路。資料1：不同于人類腸道的酸性環(huán)境，昆蟲的腸道為堿性環(huán)境，Bt抗蟲蛋白被分解為多肽后，在堿性環(huán)境中多肽與害蟲腸上皮細(xì)胞的特異性受體結(jié)合，導(dǎo)致細(xì)胞膜穿孔，使害蟲滲透壓失衡而死亡?；顒?dòng)一：改造Bt蛋白資料2：Bt抗蟲蛋白包含三部分結(jié)構(gòu)，其中結(jié)構(gòu)Ⅰ由多個(gè)α螺旋組成，5號(hào)α螺旋(α5)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、Ⅲ并未發(fā)現(xiàn)足夠長(zhǎng)度的疏水區(qū)域，研究人員推測(cè)結(jié)構(gòu)Ⅰ可能參與昆蟲腸上皮細(xì)胞膜中孔道的形成。結(jié)構(gòu)Ⅰ研究人員推測(cè)結(jié)構(gòu)Ⅰ可能與昆蟲腸上皮細(xì)胞孔道的形成有關(guān)，這種推測(cè)合理嗎?活動(dòng)一：改造Bt蛋白資料3：Bt抗蟲蛋白結(jié)構(gòu)Ⅰα5螺旋通過(guò)6聚體的形式，即以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6聚體的穩(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抗蟲蛋白進(jìn)行改造毒性提高3倍。思考：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？如果要將Bt抗蟲蛋白的改造成果應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中，還要做哪些工作？活動(dòng)二：改造Bt蛋白基因DNA核苷酸序列（模板鏈）——AATGTAGAA————TTACATCTT——168位RNA——UUACAUCUU——氨基酸鏈——亮氨酸-組氨酸-絲氨酸————亮氨酸-精氨酸-絲氨酸——注：精氨酸密碼子：CGUCGCCGACGG（四種密碼子均可在棉花中使用）。改造后氨基酸鏈改造后RNA改造后DNA5'3'活動(dòng)二：改造Bt蛋白基因目的：實(shí)現(xiàn)基因的體外定向突變大面積的定向突變：基因全合成法單一位點(diǎn)的定向突變：PCR等—GTA—→—GCA—引物定點(diǎn)引入法5'3'5'3'（模板鏈）GTACATCGT完成導(dǎo)學(xué)案，思考經(jīng)過(guò)幾輪復(fù)制，我們可以得到想要的目的基因？活動(dòng)二：改造Bt蛋白基因5'3'5'3'（模板鏈）GTACGT思考：經(jīng)過(guò)PCR得到的都是我們需要的目的基因嗎？歸納總結(jié)他科學(xué)家應(yīng)用相同的思路對(duì)Bt蛋白進(jìn)行的改造，例如:將Bt蛋白中第372位的天冬酰胺殘基用丙氨酸或甘氨酸替換后，對(duì)舞毒蛾幼蟲毒性提高了8倍;將Bt蛋白中第282位、第283位的丙氨酸和亮氨酸用甘氨酸和絲氨酸取代，對(duì)舞毒蛾毒力提高7倍。歸納總結(jié)回顧本節(jié)課的過(guò)程，我們是如何一步一步的完成對(duì)Bt蛋白的改造的？1、預(yù)期Bt蛋白有更強(qiáng)的殺蟲功能1、預(yù)期蛋白質(zhì)的功能2、推測(cè)結(jié)構(gòu)Ⅰ中的5號(hào)螺旋可能參與上皮細(xì)胞孔道的形成，與殺蟲功能有關(guān)3、預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)Ⅰ的新氨基酸序列，將168位的組氨酸替換為精氨酸4、根據(jù)密碼子設(shè)計(jì)相應(yīng)的Bt抗蟲基因核苷酸序列2、推測(cè)蛋白質(zhì)的相應(yīng)結(jié)構(gòu)3、推測(cè)氨基酸的序列4、設(shè)計(jì)改造后的基因序列歸納總結(jié)蛋白質(zhì)工程的一般操作流程概念：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)，對(duì)編碼該蛋白的基因進(jìn)行有目的的設(shè)計(jì)改造，以改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)。聯(lián)系實(shí)際1、對(duì)于不能預(yù)先確定誘變位點(diǎn)的蛋白質(zhì)，可采用非定點(diǎn)誘變技術(shù)來(lái)進(jìn)行蛋白質(zhì)改造。針對(duì)性不強(qiáng)，但由于突變位點(diǎn)多，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生意想不到的改造效果。2、蛋白質(zhì)工程不僅能更充分地利用自然界中存在的蛋白質(zhì)，而且能在分子水平上對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行再設(shè)計(jì)和改造，進(jìn)而創(chuàng)造出自然界中不存在的蛋白質(zhì)。3、蛋白質(zhì)工程仍需要轉(zhuǎn)基因