3.4蛋白质工程的原理和应用课件高二下学期生物人教版选择性必修3

蛋白质工程的原理和应用二代基因工程ThebasictoolsofrecombinantDNAtechnology学习目标通过完成“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；通过由改造Bt蛋白和设计人工蛋白质的流程，归纳总结改造一般蛋白质的思路，发展归纳与推理的学科思维。1、你还记得抗虫棉是怎么培育出的吗？2、如果在生产过程中，棉铃虫对转基因抗虫棉产生了抗性、Bt蛋白毒力下降，如何解决？情景再现蛋白质结构研究的进展晶体学、分子生物学和计算机技术等活动一：改造Bt蛋白基于对蛋白质结构与功能的较深入了解，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。请你尝试推测科学家“改造Bt蛋白，增强杀虫效果”的可能思路。资料1：不同于人类肠道的酸性环境，昆虫的肠道为碱性环境，Bt抗虫蛋白被分解为多肽后，在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，使害虫渗透压失衡而死亡。活动一：改造Bt蛋白资料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(α5)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、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。结构Ⅰ研究人员推测结构Ⅰ可能与昆虫肠上皮细胞孔道的形成有关，这种推测合理吗?活动一：改造Bt蛋白资料3：Bt抗虫蛋白结构Ⅰα5螺旋通过6聚体的形式，即以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来对Bt抗虫蛋白进行改造毒性提高3倍。思考：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？如果要将Bt抗虫蛋白的改造成果应用到生产实践中，还要做哪些工作？活动二：改造Bt蛋白基因DNA核苷酸序列（模板链）——AATGTAGAA————TTACATCTT——168位RNA——UUACAUCUU——氨基酸链——亮氨酸-组氨酸-丝氨酸————亮氨酸-精氨酸-丝氨酸——注：精氨酸密码子：CGUCGCCGACGG（四种密码子均可在棉花中使用）。改造后氨基酸链改造后RNA改造后DNA5'3'活动二：改造Bt蛋白基因目的：实现基因的体外定向突变大面积的定向突变：基因全合成法单一位点的定向突变：PCR等—GTA—→—GCA—引物定点引入法5'3'5'3'（模板链）GTACATCGT完成导学案，思考经过几轮复制，我们可以得到想要的目的基因？活动二：改造Bt蛋白基因5'3'5'3'（模板链）GTACGT思考：经过PCR得到的都是我们需要的目的基因吗？归纳总结他科学家应用相同的思路对Bt蛋白进行的改造，例如: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。归纳总结回顾本节课的过程，我们是如何一步一步的完成对Bt蛋白的改造的？1、预期Bt蛋白有更强的杀虫功能1、预期蛋白质的功能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归纳总结蛋白质工程的一般操作流程概念：以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础，对编码该蛋白的基因进行有目的的设计改造，以改造现有蛋白质或制造新的蛋白质。联系实际1、对于不能预先确定诱变位点的蛋白质，可采用非定点诱变技术来进行蛋白质改造。针对性不强，但由于突变位点多，有时会产生意想不到的改造效果。2、蛋白质工程不仅能更充分地利用自然界中存在的蛋白质，而且能在分子水平上对蛋白质进行再设计和改造，进而创造出自然界中不存在的蛋白质。3、蛋白质工程仍需要转基因