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010302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。-AATGTAGAAGTA--TTACATCTTCAT-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-AATGTAGAAGTA--TTACATCTTCAT-部分Bt基因序列转录模板链CG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

DavidBaker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