基因控制蛋白质（精选9篇）
基因控制蛋白质 第1篇
首个植物TCTP是1992年Pay[9]等在紫花苜蓿 (Medicago sativa L.) 中发现的;迄今已从拟南芥 (Arabidopsis thaliana, AF215897.1) 、巴西橡胶树 (Hevea brasiliensis, DQ323740.1) 、麻疯树 (Jatropha curcas, EF091818.1) 、草莓 (Fragaria×ananassa, Z86091) 、荔枝 (Litchi chinensis, HQ667568.1) 、丹参 (Salvia miltiorrhiza, EU182720.1) 及木薯 (Manihot esculenta, JX855122.1) 等植物中分离得到TCTP基因。而有关TCTP功能的研究主要集中在人和动物中, 在植物中的研究较少。Woo[10]等最初发现豌豆 (Pisum sativum) TCTP与根冠细胞的分裂有关;梁小莲[11]等发现乙烯利处理可诱导巴西橡胶树HbTCTP基因的表达, 而割胶可抑制其表达, 表明HbTCTP可能参与伤信号或乙烯信号传导;另外有研究表明其可能参与植物不同的胁迫反应, 如水分、盐碱、光、寒、重金属铝等, 甚至与植物病原体感染反应有关[12,13,14]。山茶花 (Camellia japonica L.) 为山茶科山茶属植物, 是我国传统十大名花之一, 也是优良的木本观赏花卉, 具有重要的经济价值[15]。目前, 有关山茶花TCTP基因的克隆还尚未见文献报道, 因此该研究通过电子克隆手段, 从山茶花EST序列中分离了TCTP基因, 为进一步深入研究该基因在山茶花逆境反应中的作用奠定基础。
1 材料与方法
1.1 材料
山茶花EST数据 (在NCBI中搜索获得) 。
1.2 方法
1.2.1 山茶花TCTP基因的电子克隆
以拟南芥 (Arabidopsis thaliana) 的TCTP基因 (GenBank:AY079333.1) 作为探针, 利用NCBI数据库中的Blast工具搜索山茶花EST数据库, 对得到的同源性山茶花EST序列进行聚类、拼接、延伸, 并以新获得的重叠群再一次进行EST搜索, 直到没有新的山茶花EST可供拼接为止。将拼接完成的新基因序列在非冗余数据库中进行比对搜索, 确认为新基因序列。
1.2.2 山茶花TCTP基因的核酸及蛋白质序列的特征分析
采用Vector NTI及DNAStart对序列进行比对与拼接;将所测定的序列结果通过BlastN和BlastP搜索NCBI的核苷酸和蛋白质数据库, 进行序列相似性分析;用NCBI的ORF Finder软件及Bioedit预测开放阅读区并翻译核苷酸序列;用ScanProsite程序预测该氨基酸序列的理化性质;采用CDD数据库对其保守序列进行分析;ProtScale、SignalP 4.1 Server、TargetP1.1、TMHMM Server v.2.0分别预测其亲水疏水性、信号肽及跨膜区域;采用PSORT WWW Server预测其亚细胞定位;采用SOPMA和SWISS-MODE预测其二级结构和三级结构;采用MEAG 6.06对其蛋白分子进行系统发育树构建。
2 结果与分析
2.1 山茶花TCTP基因全长cDNA的获得
以拟南芥 (Arabidopsis thaliana) 的TCTP基因 (GenBank:AY079333.1) 作为探针, 搜索与之同源性较高的山茶花EST序列。利用Vector NTI及DNAStart对序列进行比对与拼接, 并将conting进一步进行EST搜索, 直到没有与之重叠的序列为止, 最终获得了一个长约706bp的cDNA序列。将获得的序列在NCBI中进行Blastn比对, 其结果表明该核苷酸序列与橡胶树 (Hevea brasiliensis) TCTP基因 (Accession NO.HQ640232.1) 、荔枝 (Litchi chinensis) TCTP基因 (Accession NO.HQ667568.1) 、丹参 (Salvia miltiorrhiza) TCTP基因 (Accession NO.EU182720.1) 和山鸡椒 (Litsea cubeba) TCTP基因 (Accession NO.KF706380.1) 的同源性分别达85%、83%、82%和80%。因此初步表明该序列为山茶花TCTP基因, 并命名为CjTCTP。经NCBI ORF Finder软件分析表明, 该cDNA序列含有一个长度为507bp的开放阅读框, 编码168个氨基酸, 另外5’-UTR和3’-UTR长度分别为52bp和147bp (见图1) 。
*表示终止密码子;方框标记分别为TCTP保守序列TCTP1和TCTP2*shows thetermination codon;TCTP1 and TCTP2are highly conserved regions which are indicated in the frame
2.2 山茶花CjTCTP氨基酸保守序列的预测
使用NCBI中的CDD数据库对CjTCTP氨基酸保守序列进行分析, 结果表明山茶花CjTCTP有TCTP特有的保守序列, 属于TCTPSuperfamily家族, 进一步证明所克隆的基因为一条完整的基因 (见图2) 。另通过ScanProsite软件在线分析可知, 该cDNA序列推导的氨基酸序列具有TCTP保守的完整功能域, 即微管结合区域和Ca2+结合区域等和该家族的两个特征结构区TCTP1及TCTP2, 即IGANPSAEGGG和LSDLQFFVGESMHDDSTIVFAYY (见图1) 。
2.3 山茶花CjTCTP基因编码蛋白的理化性质
由表1可知, 基因编码的氨基酸分子量为18 951.4Da, 等电点为4.57。预测的CjTCTP蛋白含31个带负电荷的氨基酸残基和18个带正电荷的氨基酸残基, 该分子元素组成为C866H1322N208O263S3, 不稳定系数为31.28, 说明该蛋白可以稳定存在。
2.4 山茶花CjTCTP基因编码蛋白疏水性/亲水性预测和分析
ProtScale软件预测结果如图3所示, 该编码蛋白多肽链第39位Gly具有最高的分值1.144和最高的疏水性, 第109位Glu具有最低的分值-2.933和最高的亲水性。由于该蛋白的平均疏水性为-0.293 (见表1) , 因此整个多肽链表现为亲水性。
2.5 山茶花CjTCTP基因编码蛋白导肽和信号肽的预测与分析
采用TargetP 1.1Server和SignalP 4.1Server对该基因编码蛋白的导肽和信号肽进行分析, 结果表明, 该蛋白含有叶绿体转运肽 (cTP) 、线粒体靶向肽 (mTP) 和信号肽 (SP) 的分值分别为0.122、0.117和0.227, 分值都显示较低, 并且无氨基酸残基剪切位点, 预测可靠性为3级。另其预测的max.C、max.Y和max.S分值及结果也表明该蛋白不存在信号肽, 因此可推测该蛋白为可溶性蛋白。
2.6 山茶花CjTCTP基因编码蛋白跨膜结构的预测
利用TMHMM Server v.2.0预测CjTCTP基因编码蛋白跨膜区 (见图4) , 由此看出, 整条肽链均位于膜外, 即该蛋白不是膜蛋白, 不存在跨膜结构域。
2.7 山茶花CjTCTP基因编码蛋白的亚细胞定位
应用PSORT WWW Server对山茶花CjTCTP进行亚细胞定位预测 (见表2) 。由表中数据可推断, 该蛋白位于细胞质溶液中的可能性最大, 位于叶绿体的可能性最小。
2.8 山茶花CjTCTP基因编码蛋白二级结构及三级结构的预测
采用SOPMA在线软件对CjTCTP蛋白的二级结构进行预测 (见表3) 。从表可看出山茶花CjTCTP蛋白的二级结构中α螺旋的比例最高、达42.26%, 无规则卷曲次之, 为30.36%, 延伸链及β折叠所占的比例分别为19.05%及8.33%。据此结果可推断, α螺旋和无规则卷曲是该蛋白的主要二级结构元件, 延伸链及β折叠也散布在整个蛋白质中。
采用SWISS-MODEL对CjTCTP氨基酸序列进行蛋白三维结构同源性建模 (见图5) , CjTCTP的结构域在空间布局上呈勺子状, α螺旋和延伸链构成了勺子的底部, 而勺子的柄部主要由不规则卷曲构成。
2.9 山茶花CjTCTP蛋白质与其它物种的同源性比较及系统进化树分析
使用Vecter NTI AlignX对山茶花CjTCTP基因编码的氨基酸序列与玉米、拟南芥、麻疯树、橡胶树等物种的TCTP氨基酸序列进行同源性分析, 结果表明, 该序列与玉米、拟南芥、麻疯树和橡胶树等物种的相似性分别达82.1%、82.1%、85.7%和86.3%。进一步采用Clustal X将山茶花CjTCTP蛋白质序列与拟南芥等10个物种TCTP蛋白质序列进行比对, 并采用MEGA 6.06软件构建进化树。采用的是N-J法, 并用bootstrap重复1 000次进行计算分析。从图6看出, 该进化树共有3个分支, 其中山茶花与拟南芥同为一个分支, 说明其在进化上具有较近的亲缘关系。
3 结论与讨论
基于表达序列标签 (expressed sequence tags, ESTs) 的电子克隆 (in silico cloning) 方法, 已在基因的克隆中发挥着越来越重要的角色。电子克隆方法与传统的克隆方法相比, 具有速度快、设备简单和针对性强等优点, 但容易受EST数量和质量的限制。由于动物基因组的发展较快, EST数据较多, 目前已通过该技术在动物中克隆了大量的基因。而在植物中, 大部分物种的EST数据较为缺乏, 制约着该技术在植物基因克隆中的运用。
目前对山茶花物种相关基因克隆的信息较为匮乏, 只报道了山茶花CjAGl、CjAPL1、B-function等[16,17,18]少量基因, 而对茶花TCTP基因的克隆还尚未见文献报道。因此, 该研究采用EST电子克隆方法, 从山茶花EST序列中克隆了一条新基因CjTCTP, 该基因全长706bp, 其ORF长度为507bp, 与已报道植物中其它物种的翻译控制肿瘤蛋白基因长度基本一致, 共编码168个氨基酸, 并且含有该家族的两个特征结构区, 即TCTP1及TCTP2, 同时具有微管结合区域和Ca2+结合区域。另外, 对该基因编码蛋白进一步的亲水性分析、跨膜结构域预测及高级结构预测等生物信息学分析, 与已报道的拟南芥、橡胶树和丹参等的分析结果基本一致。说明TCTP基因具有高度的同源性和保守性, 暗示其可能参与某些重要的生物学功能。Vincent D等[12,13,14]也提及TCTP基因可能参与植物不同的胁迫反应, 如水分、盐碱、光、寒、重金属铝等, 而新克隆的山茶花CjTCTP基因是否也参与生长过程中的胁迫反应, 还需进一步的探究。
摘要：采用电子克隆方法从山茶花的EST数据库中获得了一条TCTP基因, 并命名为CjTCTP, 使用生物信息学方法对该基因编码蛋白从氨基酸组成、理化性质、跨膜结构域、疏水性/亲水性、信号肽、亚细胞定位、高级结构及功能域和进化树等方面进行了预测和分析。结果表明:山茶花CjTCTP基因全长706bp, 包含507bp的完整开放阅读框, 编码168个氨基酸;编码蛋白含有TCTP1及TCTP2保守域, 是TCTP superfamily家族;从信号肽的预测可知, 该蛋白不存在信号肽, 可能为可溶性蛋白;亚细胞定位显示其可能位于细胞质中;同源性分析表明, 该蛋白序列与拟南芥、橡胶树、玉米等物种TCTP蛋白序列的相似度达80%以上。
基因指导蛋白质的合成的教学设计 第2篇
江苏省新海高级中学 卞志升
一、教学目标
1、知识目标
识记：概述遗传信息的转录和翻译过程。理解：“密码子”和“反密码子”的概念。
2、情感态度与价值观
体验基因表达过程的和谐美，基因表达原理的逻辑美、简约美；认同人类探索基因表达的奥秘的过程仍未结束。
3、能力目标
（1）运用数学方法，分析碱基与氨基酸的对应关系，培养学生分析综合能力。（2）通过对“遗传信息究竟如何表达？”的探究，培养学生的探究精神和创造性思维。
二、教学重点和难点
1、教学重点：遗传信息转录和翻译的过程。
2、教学难点：遗传信息的翻译过程。
三、教学设计思路
在教学中，教师可以通过多媒体动画，也可以通过比喻等手法使抽象问题具体化。比喻是教学语言中的重要修辞方法，贴切形象的比喻可以降低对感知事物的理解难度。
1、引子:利用“问题探讨”引导学生讨论：如果能利用恐龙的DNA使恐龙复活，你认为主要解决什么问题？学生可能会想到，需要使恐龙DNA上的基因表达出来，表现恐龙的特性。看来要解决这个问题，我们还需要研究“基因的表达”。从而引出课题。
2、提出问题：基因是如何指导蛋白质合成的？
3、分析推理1：DNA在细胞核中，而蛋白质合成是在细胞质中进行的，两者如何联系起来呢？推测有一种物质能够作为传达DNA信息的信使，科学家发现此物质就是RNA。
4、分析推理2:RNA如何解读DNA的遗传信息？
5、分析推理3：mRNA的信息如何用于合成蛋白质？在具体实施过程中，首先通过一个破译电码的小游戏，引申到遗传信息的破译上来。在激发学生的学习兴趣的同时，又降低了学生理解基因的表达的难度。在具体学习到翻译这一过程的时候，同样，教师把遗传密码的翻译过程比喻为破译莫尔斯电码的过程，化抽象为形象。
6、总结：基因的表达是在细胞中完成的。DNA分子、RNA分子、氨基酸分子、核糖体和线粒体等众多的细胞器一道，合作完成遗传信息的转录和翻译。在组成蛋白质的肽链合成后，肽链就从核糖体与mRNA的复合物上脱离，经过一系列步骤，被运送到各自的岗位，盘曲折叠成具有特定空间结构和功能的蛋白质分子，开始承担细胞生命活动的各项职责。
7、问题探讨：大家现在再来探讨恐龙能否复活的问题。首先，恐龙的基因是如何表达的？基因表达需要什么条件？通过探讨，引导学生认识保护生物多样性的重要意义。
四、教学实施的程序
（一）布置预习作业
在上课之前，教师布置预习作业。（预习作业见下面的文本）
一、探索你能破译这些密码吗？ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ1、左边表中是早期拍电报时所使用的莫尔斯电码（Morse code）。请用它来破译下面这段信息。其中每个字母之间都用斜杆号隔开。
2、以上这段文字是一个问题。请回答这个问题，并把答案翻译成莫尔斯电码。
3、和同桌交换密码，然后破译出他（或她）的答案。
二、实践你能破译这些遗传信息吗？
1、请在学习了基因的表达这一节后，把上图基因碱基排序中所含的遗传信息破译出来。（用氨基酸的排序表示）
2、通过实践、你对密码子表应该有所熟悉。请对密码子表进行分析、归纳，写下你从密码子表中所获得的信息。在预习作业中，设置了两部分内容。第一是探索部分，在上课前要求学生完成。目的1是激发学生兴趣的同时，引申到基因的表达。目的2是在具体讲到翻译过程的时候，以莫尔斯电码打比方，所以需要再次用到电码表。第二是实践部分，要求学生在学习了转录和翻译两个过程后完成。
（二）课堂教学 片段1：导入 师：当我们认识到基因的本质后，能不能利用这一认识，分析现实生活中一些具体的问题呢？例如，在现实生活中，我们能不像电影《侏罗纪公园》中描述的那样，利用恐龙的DNA，使恐龙复活呢？
生：讨论、争论，看图，形成新的问题
（提出探究的问题，引起悬念，明确探究的目标）
师：如果能利用恐龙的DNA使恐龙复活，你认为主要要解决什么问题？ 生：需要使恐龙DNA上的基因表达出来，表现恐龙的特性。师：看来要解决这个问题，我们还需要研究“基因的表达”。引导学生看本章的章图。询问学生看懂了什么，又产生了哪些问题。师：基因是如何指导蛋白质合成的？导入新课。片段2学习转录过程
师：DNA在细胞核中，而蛋白质合成是在细胞质中进行的，两者如何联系起来？
推测有一种物质能够作为传达DNA信息的信使，科学家发现此物质就是RNA。师：如何解读DNA信息？ 生：看图分析比较核糖和脱氧核糖的区别，通过图形和CAI课件的演示，认识遗传信息的转录过程。
师：DNA是如何转录的，特点是什么？转录的单位是什么？转录与复制有何异同？（通过问题的步步深入，学生推理分析，形成结论）生：学生阅读教材找到答案。
（结合图解、讲CAI课件，认识转录的过程）
师：转录得到的RNA仍是碱基序列，而不是蛋白质。那么，RNA上的碱基序列如何能变成蛋白质中氨基酸的种类、数量和排列顺序呢？RNA如何将信息翻译成蛋白质？ 片段3：学习翻译过程
师：美国人莫尔斯是电报的发明人。他创造了莫尔斯电码。同学们有没有把莫尔斯电码破译出来？这段电码代表的信息是什么？
生：where are genes located?中文意思是：基因位于哪里？
（破译电码的小游戏，以谜语的形式出现，涉及到生物知识和英语知识，这样很好地激发了学生探索的欲望。学生通过努力，得到正确答案，获得很大的成就感。）师：基因位于哪里？ 生：DNA。
师：基因位于DNA上，是具有遗传效应的DNA片段。一个DNA含有多个基因。比如：在果蝇的一个DNA上，存在多个基因。每一个基因都决定一种生物性状。比如白眼基因决定果蝇的眼睛颜色是白色的。
师：基因与基因结构上的不同体现在哪里？ 生：碱基排列顺序不同。
师：不同的碱基排列顺序决定生物不同的性状。所以，基因上的碱基排列顺序就代表着遗传信息。
我们可以看到预习作业上画有一个基因片段，这个基因决定着什么样的生物性状呢？这就是我们这节课所要探究的主要内容。（从破译电码的小游戏，自然地引申到基因控制生物的性状上来。学生的学习积极性被调动起来了。）
师：翻译是以信使RNA为模板，合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程。
合成蛋白质的场所是哪里？ 生：细胞质中的核糖体
师：信使RNA结合在糖体上面后，就要翻译成蛋白质了。你们知道AUGCAA能翻译成怎样的蛋白质吗？ 生：不知道。
（翻译成什么呢？到底怎样翻译呢？学生充满了迷惑。）师：那你们知道。。/。--。/-。--翻译成什么吗？ 生：SPY。
师：这串莫尔斯电码有几个三个密码？ 生：三个。
（以莫尔斯电码做类比，生动有趣，同时降低理解难度）
师：同理，这mRNA上的碱基也差不多，信使RNA上决定一个氨基酸的3个相邻的碱基，叫做密码子。
师：请问，老师黑板上画了几个密码子？
生：2个（也有可能答4个，老师就说明密码子的不重叠性和不间断性）
师：这三个密码翻译成什么？和破译莫尔斯电码一样，我们需要一张密码表。书本的15页。3 让我们都来做一回SPY，把它翻译出来吧。（由于有破译莫尔斯电码作铺垫，学生非常容易就理解了翻译的过程。学生查阅密码表，熟悉翻译过程。）
片段4：完成预习作业中的实践活动：破译遗传信息。
师：通过上面的探索过程，相信大家已经学会怎样破译基因所含的遗传信息了。现在请同学们完成预习作业中的第二部分：破译遗传信息。
（学生进行实践活动。）
生：根据“基因→mRNA→蛋白质”这条主线。这段遗传信息所决定的氨基酸序列是：
甲硫氨酸-谷氨酰氨-酪氨酸-甘氨酸-谷氨酰氨-亮氨酸-亮氨酸（这样处理保证整节课的完整性，因为在课的开始，提出了问题：“这个基因决定着什么样的生物性状呢？这就是我们这节课所要探究的主要内容。”所以，在课临近结束时，让学生完成实践，学生获得成就感。而且，通过实践，使学生回顾了这节课新知识的主线条：基因→mRNA→蛋白质；从知识回顾中还获得了新知识，那就是在实践中发现的：多种密码子可以决定同一种氨基酸及终止子的意义等。）
3、教学反思
在高中生物教学内容中,学生要学习和探索的是一个微观的世界。对于微观的世界,人类 缺乏直接感知。因此本节课的总体思路是：在课的开始，通过“问题探讨”引入到“基因到底是基因是如何表达为性状的？这是本章要解决的中心问题。蛋白质是生命活动的体现者，可以说是执行者，基因对性状的控制，是通过控制蛋白质的合成来实现的。怎样表达的呢？”这个问题。把莫尔斯电码比喻为遗传密码，围绕着“遗传信息究竟如何表达？”这个问题展开探究。学生的好奇心被激发，所以能够紧跟着教师的思路积极思考。在具体的学习过程中，有意识地增加师生互动、生生互动的机会，同时莫尔斯电码又形象生动，学生的学习积极性就很好地被调动起来了，课堂气氛比较活跃。在潜移默化中，培养了学生的探究精神和创造性思维。在学习了这节课后，很多学生有恍然大悟的感觉：原来遗传信息是这样破译出来的。
基因指导蛋白质合成的教学案 第3篇
1.概述遗传信息的转录和翻译。
2.运用数学方法, 分析碱基与氨基酸的对应关系。【导学重点】遗传信息的转录和翻译的过程。
【导学难点】遗传信息的翻译过程。【导学过程】
一、对基因的理解
从我们前面学过的“噬菌体侵染细菌”实验导入。
老师:从噬菌体侵染细菌的这个实验中, 我们不仅知道了DNA是遗传物质, 还知道了什么呢?
学生:DNA可以指导蛋白质的合成。
老师:那我们这节课要研究的标题是:基因指导蛋白质的合成, 这边的基因和DNA存在怎样的关系呢?
(很自然的将基因和DNA联系来) 然后请同学们阅读教材P68的内容。
学生:基因是有遗传效应的DNA片段。
教师:换言之, 基因存在那个上面?
学生:DNA。
教师:是不是DNA上任何一个片段都能称为基因?
学生:不是, 而是有遗传效应的。
教师:这样看来存储遗传信息的更小单位是什么?
学生:基因。
这样的问答自然的将基因的概念引出, 并强调了注意点。 (习题巩固)
二、遗传信息的转录
根据基因存在场所和蛋白质合成场所导入到转录过程
老师:DNA (基因) 主要存在于细胞什么部位?蛋白质又在那里合成?
学生:基因在细胞核内, 蛋白质在核糖体上。
老师:核糖体又位于细胞的何部位?
学生:细胞质。
有的学生有了疑惑:“怎么可能细胞核的基因能够指导细胞质的蛋白质合成?”
老师:这个问题提的很好, 细胞核的DNA不可能出来, 但可以通过媒介, 将DNA上的信息传送到细胞质中。究竟谁像个信使一样传达信息呢?
从表格中, 学生能发现:
(1) RNA也是由核苷酸连接而成, 所以也能储存遗传信息。
(2) RNA一般是单链, 而且比DNA短, 因此能够通过核孔进到细胞质中。
再请同学们阅读课本内容了解RNA的种类:
(1) 起模板作用:信使RNA (m RNA) ;
(2) 起转运, 运载作用的是:转运RNA (t RNA) ;
(3) 参与构成核糖体成分的是:核糖体RNA (r RNA) 。
老师:那DNA上的信息怎样被传送到RNA上的呢? (课件播放过程)
学生讨论后归纳总结过程:
(1) (1) 解旋:DNA解旋酶将双链DNA解开, 使双链的碱基得以暴露。
(2) 配对:细胞中游离的核糖核苷酸上的碱基与供转录用的DNA的一条链上的碱基互补配对 (A-U T-A C-G) 形成氢键。
(3) 连接:在RNA聚合酶的作用下, 依次连接, 形成新的分子—m RNA。
(4) 脱离:合成的m RNA从DNA链上释放, 而后DNA双链恢复螺旋
(2) 定义:细胞核内, 以DNA的一条链为模板, 按照碱基互补配对的的原则合成RNA的过程。
习题巩固
三、遗传信息的翻译
通过转录过程我们才使遗传信息到达细胞质。那在细胞质里又是如何将m RNA上的信息转化成蛋白质的呢?
学生根据转录的定义模拟翻译的定义:
1. 概念:在细胞质中, 以m RNA为模板, 合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程。
老师 (解释实质) :实际上就是RNA上的碱基序列转化成氨基酸的排列序列。
2. 碱基与氨基酸之间的对应关系是怎样的?设疑:
学生分析课本P70的密码子的表格得出:
学生分析得出:一种密码子只能对应1种氨基酸;但一种氨基酸可能有多种密码子编码 (简并性) 。所有的生物共用一套遗传密码 (通用性) 。
有了模板, 有了对应关系可是游离在细胞中的氨基酸还需要被运送到核糖体上去, 哪个成分充当这个“搬运工”的角色呢?
学生:t RNA。
老师 (分析t RNA的结构特点) :t RNA呈三叶草型, 其一端有三个碱基可以与m RNA上的三个碱基配对, 称为反密码子, 另一端可以携带氨基酸。
一种t RNA只能携带1种氨基酸;一种氨基酸可能由多种t RNA携带。
请同学们观看翻译过程的动画课件后, 学生讨论得出:起始阶段 (起始密码子) 延伸阶段终止阶段 (终止密码)
习题巩固
四、小结:
1. 基因指导蛋白质合成过程:
基因控制蛋白质 第4篇
脂酶(Lipase,EC3.1.1.3)是普遍应用于皮革、饲料及生物柴油工业的工业酶制剂,具有广泛的应用价值.目前对植物来源的脂酶研究较少.本研究用在生物柴油中具有应用前景的`油料植物--麻疯树(Jatropha curcas)作为研究对象,克隆了该物种的脂酶基因(JcLIP).通过多序列比对并结合物种的亲缘关系设计了具有较高特异性的简并引物,通过使用RT-PCR和lRACE技术,最终获得了麻疯树脂酶基因的全长序列并成功地在大肠杆菌中表达,酶活测定结果表明,麻疯树脂酶在大肠杆菌中表达在包涵体中,但是能产生具有活力的蛋白质,酶活约为0.8 U・mL-1.结构预测和比较表明,JcLIP蛋白质具有脂酶的结构核心和催化活性中心,而在非核心区具有较毛霉脂酶更多的插入和随机卷曲,这可能是决定二者之间酶活差异的重要原因.
作 者：王小行 彭峰 牛冬云 李钢 陈放 Xiaoxing Wang Feng Peng Dongyun Niu Gang Li Fang Chen 作者单位：王小行,陈放,Xiaoxing Wang,Fang Chen(四川大学生命科学学院,成都,610064)
彭峰,牛冬云,李钢,Feng Peng,Dongyun Niu,Gang Li(四川川大光耀生物工程有限公司,成都,610065)
基因控制蛋白质 第5篇
《基因指导蛋白质的合成》是人教版高中生物《遗传与进化》第四章第一节的内容,本节集中了本章的重难点,并为后续内容的学习奠定了基础,地位相当重要。本节主干知识是遗传信息的转录和翻译过程,侧枝内容为DNA与RNA的比较、三种不同种类的RNA及遗传密码的组成。教学中,教师要合理分配时间,处理好主干知识与侧枝内容的关系。
二、学情分析
通过前几章的学习,学生掌握了DNA是主要的遗传物质、DNA分子的结构、基因是有遗传效应的DNA片段等知识,在此基础上学习基因的表达,符合认知规律。然而本节课内容较多,且抽象难懂,因此教学中,可利用多媒体动画模拟转录、翻译的过程并结合教材插图进一步归纳总结,再利用自制模型演示翻译过程,以突破难点,使教学更直观形象,最后通过概念图总结,使学生形成较为完整的知识体系。
三、教学目标
(1)知识目标:概述遗传信息的转录和翻译;理解密码子和反密码子的概念。
(2)能力目标:运用数学方法,分析碱基与氨基酸的对应关系;尝试利用自制模型演示翻译过程,提高动手能力及团队合作能力。
(3)情感态度与价值观目标:体验基因表达过程的和谐美,基因表达原理的逻辑美、简约美。
四、教学重难点及解决方法
(1)教学重点:遗传信息转录和翻译的过程。
(2)教学难点:遗传信息的翻译过程。
(3)解决方法:多媒体动画模拟转录、翻译过程并结合教材插图进一步归纳总结,利用自制模型演示翻译过程,使教学过程直观、形象,最后通过概念图总结。
五、教学过程
1. 创设情境,导入新课
播放美国影片《蜘蛛侠1》的剪辑片段,引发学生思考:影片中主人公彼得·帕克被蜘蛛咬了一口后,获得了蜘蛛的什么物质?之后,他拥有蜘蛛特有的超能力——从手指喷出粘力极强的蜘蛛丝、能飞檐走壁等。请结合必修一的知识,说出蜘蛛丝的主要成分是什么。教师依据学生的回答板书关键词:DNA(基因)、蛋白质。继续提问:获得的是蜘蛛的DNA,怎么产生蛋白质了呢?对此,学生很感兴趣并大胆猜测,有的学生猜测“基因能够指导蛋白质的合成”,自然引出课题。
点评:用学生熟悉的知名电影引出课题,能调动学生学习的积极性和探索未知的欲望,使学生体验学习的乐趣。
2. 小组讨论RNA充当信使的原因
多媒体投影相关问题,学生分小组讨论:①DNA(基因)主要分布在细胞的什么部位?蛋白质合成场所在哪里?②位于细胞核中的DNA(基因)如何指导细胞质中蛋白质的合成?是DNA分子从细胞核出来还是核糖体进去?学生讨论后,多媒体展示资料1:DNA分子直径约2nm,核糖体大致为圆形颗粒,直径约23nm,而核孔只有0.9nm。通过该资料,学生很容易得出“DNA出不来,核糖体进不去”的结论。教师追问:③那空间距离无法解决,我们猜测势必在两者之间存在一种充当信使的物质,它可以将DNA上的遗传信息传递给蛋白质,那么需要具备怎样的条件才能担当这一角色?学生讨论得出该物质需具备以下条件:能携带DNA上的遗传信息;比DNA分子小,能从细胞核进入细胞质等。继续追问:④这种神秘使者究竟是什么?多媒体展示资料2:1955年,布拉舍用洋葱根尖和变形虫为材料进行实验,他用RNA酶分解细胞中的RNA,蛋白质的合成就停止;而如果再加入从酵母中抽提的RNA,则蛋白质的合成会有一定程度的恢复。同年,戈尔德斯坦(Gold-stein)和普劳特(Plaut)观察到用放射性标记的RNA从细胞核转移到细胞质。因此,人们推测RNA是DNA与蛋白质合成之间的信使。教师过渡:原来这种神秘使者是RNA,必修一就曾学过。
点评:通过一系列小问题引发学生思考,小组讨论可以加强学生的交流合作能力,结合资料1、2学生能自然探究出RNA充当信使的结论。该方法摆脱了传统教学模式中教师直接告诉学生答案的枷锁,体现新课程倡导自主、合作、探究学习的理念。
3. 引导学生学习RNA的结构特点及种类
点评:建构主义学习理论认为,任何学习都要涉及学习者原有的认知结构,学习者总是以其自身的经验来理解和建构新的知识。通过引导学生对两个表格进行阅读比较,使学生对DNA的相关知识有深入的了解,而将其与RNA进行对比,能使新知识的学习更为有效。
4. 动画展示转录过程,使抽象过程形象化
教师先进行提问:既然基因指导蛋白质的合成需要RNA充当信使,那么请同学们大胆猜测该过程至少分几步?分别叫什么?(由此引出转录和翻译)接着,动画展示转录过程,小组讨论转录的场所、模板、产物、原料、酶、遗传信息传递方向、碱基互补配对原则及产物的去向等问题。通过讨论,学生也很难得到所有答案,此时教师应不急于揭晓答案,而是让学生带着疑问阅读课本插图4-4,并请学生解析转录过程,不足之处再加以指正。最后,教师总结:转录是指在细胞核中,以DNA的一条链为模板,游离的核糖核苷酸为原料,在RNA聚合酶的作用下,按照碱基互补配对原则,合成mRNA的过程。通过该过程遗传信息从DNA的碱基排列顺序传递到了mRNA的碱基排列顺序中,类似于磁带录制,故名转录。
点评:通过动态模拟过程的观看及静态图的解析,学生不但对转录过程有了一定的了解,同时也培养了识图、辨图能力和语言表达能力。
5. 利用自制模型演示翻译过程,以突破难点
教师提问:转录了DNA遗传信息的mRNA,如何进一步把信息传给蛋白质呢?即mRNA上的碱基排列顺序如何决定蛋白质的氨基酸排列顺序呢?引导学生探究碱基与氨基酸之间的对应关系,总结出密码子的概念并解读密码子表,提出密码子的简并性和通用性。多媒体展示一系列问题:①氨基酸如何被搬运到核糖体?②它是如何决定搬运哪种氨基酸的?③一个核糖体如何同时结合mRNA上的几个密码子?tRNA搬运的氨基酸在核糖体上发生什么反应?④翻译何时终止?一个mRNA只能结合一个核糖体吗?⑤一个mRNA可以相继结合多个核糖体,有何意义?⑥翻译的场所、模板、产物、原料、酶、遗传信息传递方向、碱基互补配对原则分别是什么?带着这些疑问,要求每组学生将课前参照课本图4-6准备好的核糖体、mRNA、tRNA模型拿出,并请一组同学上台演示并讲解翻译过程。学生通过自制模型演示及小组讨论能得出大部分问题的答案。对于少数疑问,教师暂不解决,让学生带着疑问进一步观看翻译动画,并引导学生分析图4-6,多方位突破难点。
点评:通过自制模型模拟翻译过程,并由学生自己描述,整个过程中学生能表现出较大的学习热情,再通过动画模拟和层层设疑,学生能较好地理解翻译的动态过程。
6. 归纳总结,构建完整知识体系
播放转录和翻译的全过程,使学生从整体上把握基因表达的整个动态过程。归纳总结,板书构建如下概念图,并通过概念图推导DNA的碱基数、RNA的碱基数与氨基酸数的数量关系。
点评:通过概念图可帮助学生构建完整的知识体系。
六、教学反思
建构主义理论认为,教学是激发学生主动建构知识的过程而不是传授、灌输知识的活动。因此本节课通过设置一系列小问题、分小组讨论、多媒体动画结合教材插图,对于难点加以自制模型演示等方法引导学生自主探究,以学定教,不仅使学生较好地掌握知识,体验学习的乐趣,同时也提高了学生的团队合作能力、动手能力及语言表达能力。
但是,由于学生很少动手制作模型,部分学生在制作及演示模型过程中存在一些困难,这方面还有待加强。
参考文献
[1]白建秀.备课应抓住的几个问题——以“基因指导蛋白质的合成”为例[J].生物学通报,2014,49(2):40-44.
基因控制蛋白质 第6篇
一、分析主次知识, 合理设计教学案
本节的核心内容是从分子水平上阐明遗传物质在生物体内是如何起作用的, 即遗传信息的转录和翻译的过程, 次要内容是DNA与RNA结构的比较、RNA的三种类型、密码子、反密码子的组成。在设计教学案时用遗传信息的转录和翻译这一条主线将各方面内容贯穿起来, 这样可以使教学案显得条理清晰, 主次分明。对于转录和翻译两个主干内容在教学案中要设置填空供学生学习, 在找答案的过程中培养学生阅读图文的能力。当然, 教师在备课时一定要仔细分辨并揣摩课本插图所表达的意思, 并将插图内容与教学案设置的填空有机结合起来, 如:
遗传信息的转录:
1.概 念 :以DNA的_____条 链 为 模 板 合 成_____的 过 程 , 叫转录。
2.场所:_____ (主要) 、线粒体、叶绿体。
3.条件:
(1) 模板:_____; (2) 原料:_____;
(3) 酶:_____; (4) 能量:_____。
4.碱基配对原则:_____。
5.产物:_____。
6.过程:
(1) 解旋:_____解开。
(2) 配对:细胞中游离的_____与供转录用的DNA的一条链上的碱基互补配对。
(3) 连接:在_____的作用下, 依次连接, 形成新的分子。
(4) 脱离:合成的_____从DNA链上释放, 而后DNA双链恢复。
二、巧妙导入, 激发兴趣
兴趣是最好的老师, 对于这节比较抽象的教学内容, 激发学生的兴趣在一定程度上可以提高学生学习的积极性, 从而提高课堂效率, 如:
教学课件的第一页放置了一张科研员抱着一只荧光小猪和一只普通小猪的照片, 学生看到照片都很兴奋。
师:这两只小猪有什么区别?
生: (很兴奋, 说了很多区别)
师:其实这两只小猪最大的区别是在晚上, 左边的这只小猪晚上在紫外光的照射下会发荧光, 因为导入了荧光水母的荧光蛋白基因, 而右边的普通小猪却不会发荧光。导入了相关的基因就表现出了相应的性状, 说明生物的性状是由什么决定的?
生:基因 (异口同声) 。
师:那生物的性状又是通过哪一种有机物体现的呢?
生:蛋白质。
师: 那基因决定性状这一句话可以详细解释为基因通过指导什么的合成从而决定生物的性状呢?
生:基因通过指导蛋白质的合成决定生物的性状。
师:那么基因是如何指导蛋白质的合成呢? 我们指导, 基因是有遗传效应的DNA片段, DNA主要存在于细胞核中, 而蛋白质的合成是在细胞质中的核糖体上进行的。那么, 细胞核中的DNA是如何将遗传信息传递到细胞质中的? 遗传信息到达细胞质后, 细胞又是如何解读的呢?
通过生动的图片引入及教师循序渐进的提问, 学生很快了解本节所要学习的主要内容, 减轻学习压力。
三、巧打比方, 变抽象为生动
遗传信息的转录和翻译是比较抽象的内容, 如果教师一直用相关的学术名词进行讲解的话, 学生就会感到苦涩难懂, 不利于课堂效率的提高, 所以教师要考虑如何将抽象难懂的知识转化成有趣生动的内容。笔者在教学中穿插讲解了“秦始皇造长城的故事”, 具体如下:
“秦始皇造 长城的故 事” (前卷 ) :秦始皇 (DNA) 想造长城 (蛋白质 ) , 可作为皇 帝 , 事情很多 , 必须整天待 在皇宫 (细胞核) 内处理事务, 不可能跑去造长城, 所以他任命一名钦差大臣 (mRNA) 前去边界帮助造长城, 在钦差大臣出发前, 秦始皇跟他交代了造长城的相关事宜 (转录) 。
“秦始皇造长城的故事” (后卷) :钦差大臣 (mRNA) 接受皇帝指令后通过宫门 (核孔) 出来了, 过了一段时间到达了施工工地 (细胞质的核糖体) , 但到了当地, 他发现当地的发言无法听懂, 必须通过翻译才能听懂 (这时对密码子相关内容进行讲解) , 语言破译了, 可谁来搬运石头 (氨基酸) 呢? 所以他聘请了若干个吃苦耐劳的工人 (tRNA) 。
通过这一段故事的讲解, 学生自然理解了物质、结构之间的关联, 更透彻、更轻松地学习。
四、善于归纳, 事半功倍
本节内容比较抽象复杂, 涉及的物质种类较多, 学生往往会陷入“学习时都懂, 学完了都不懂”的困惑中。所以, 教师要注意对相关联的知识及时进行归纳、比较和总结, 如:
通过表格形式对三个过程进行比较, 学生很容易就明白三个过程间相互的联系及存在的区别, 这样的归纳总结达到了事半功倍的效果。
五、教学小结
教学处理方法多种多样, 各有特色。对于每一节课, 教师都应根据课标要求、学生的学情等各方面因素进行精心准备, 合理处理好教学各环节, 这样才能使学生有效掌握教学内容, 从而提高课堂教学效率。
摘要：高中生物教材中有许多章节的内容比较抽象复杂, 而且概念繁多。为了提高学生的学习兴趣和对抽象知识的理解能力, 作者主要针对“基因指导蛋白质的合成”这一节内容介绍了几种教学处理方法。
基因控制蛋白质 第7篇
关键词：麦洼牦牛,转铁蛋白,克隆,蛋白质分析
0引言
牦牛长期生活在天然高寒地带,是青藏高原特有的优良畜种。牦牛全身是宝,有深度的开发价值,是我国西部民族地区宝贵的财富来源。麦洼牦牛作为牦牛属的地方良种之一,对其基因资源的研究已引起人们的高度重视,这为研究麦洼牦牛的种质特征及适应天然高寒环境的生理机制具有重要的意义。目前, 学者对麦洼牦牛的研究主要集中在分子遗传功能基因、群体遗传多态性分析及生产性能等方面[1,2,3,4,5]。
转铁蛋白( Transferrin,TF) 是一种最先在人的血清中被发现,主要由肝脏产生的铁离子结合蛋白[6]。 其生理功能主要表现在调节铁离子的运输及铁的代谢,参与细胞呼吸及能量平衡,调节机体免疫系统,具有抗菌活性,维持机体细胞生长、分化和繁殖等方面[7,8]。迄今为止,已有学者从人及家蝇、黑鲷、黄喉拟水龟等多种动物体内克隆出TF基因,并对其铁离子结合位点、结构域、功能结构及组织表达方面等进行研究[9,10,11,12]。但尚未见麦洼牦牛TF基因的研究报道。本试验克隆出麦洼牦牛TF基因,并运用多种生物信息学软件对其进行理化性质及蛋白质结构进行研究,以期为该蛋白生理功能的深入研究提供相应的理论基础。
1材料与方法
1.1材料
1.1.1实验材料:试验所用材料为麦洼牦牛心脏组织,来源于阿坝州红原县。
1. 1. 2试剂: p MD19 - T载体、d NTP、DNA marker、 c DNA反转录试剂盒( 均购于北京天根生化科技有限公司) ; Trizol( Invitrogen) ; E. coli DH5α 菌种( 作者实验室保存) ; 通用型DNA凝胶回收试剂盒( Axygen) 。
1. 1. 3仪器: 电泳仪、凝胶成像系统 ( 均购于BIORAD) ; 恒温培养箱 ( 上海齐欣科学仪器科技有限公司) ; PCR仪、离心机( 均购于Eppendorf Germany) 。
1.2方法
1. 2. 1组织RNA提取: 取100 mg麦洼牦牛心脏组织加1 ml Trizol提取总RNA,分光光度计及1. 2 % 琼脂糖凝胶电泳检测RNA纯度及其完整性。
1.2.2设计引物及PCR扩增:参照GenBank中已知TF基因序列,用Primer Premier 5. 0设计1对引物 ( Primer F: 5' - CTACGCAGAAGCCGGTCG - 3', Primer R: 5' - AATCACTCAGACCAGCGAAAC - 3') 。 用c DNA反转录试剂盒合成c DNA,并作为模板,进行PCR扩增。PCR反应程序: 94 ℃ 5min; 94 ℃ 45 s,50 ℃ 45 s,72 ℃ 45 s; 72 ℃ 10 min。扩增的目的片段用1. 5% 的琼脂糖凝胶电泳检测。
1. 2. 3目的基因克隆: 扩增后的目的产物用通用型凝胶回收纯化试剂盒纯化,与p MD19 - T克隆载体混匀后并短暂离心,16℃ 金属浴连接4 h。将连接得到的产物加到DH5α( E. coli) 感受态细胞中,并涂布在LB固体培养基( 含Amp+) 上,37 ℃ 培养14 h。挑取单个菌落于含Amp+LB液体培养基中培养,经菌液PCR后,取阳性克隆菌液进行测序。
1. 2. 4目的基因同源性分析: 采用DNAStar软件分析测序结果,用NCBI中的Blastn程序进行同源性检索,用ORF Finder ( http: / /www. ncbi. nlm. gov. /gorf) 对其开放性阅读框进行分析,用DNAMAN将牦牛TF核苷酸序列翻译成氨基酸序列,用Clustal × 2. 0进行多序列同源比对,最后用Mega5. 0中的邻接法,自举1 000次( Boostrap) 构建系统进化树。
1. 2. 5蛋白质结构预测: 用Ex PASy ( http: / / www. expasy. org / proteomics ) 软件工具 包中的程 序Protparam、Prot Scale、TMHMM、SOPMA、Signal P、SWISS MODEL分别对蛋白质的理化性质、疏水性、跨膜区、二级结构、信号肽及三级结构进行分析。用NCBI数据库中的Conserved domains ( http: / /www. ncbi. nim. nih. gov / Structure / cdd / ) 对结构域进行分析。
2结果与分析
2.1TF基因的克隆
麦洼牦牛TF基因PCR扩增后得到目的片段条带大小约为1 200 bp,与预期试验结果较一致( 图1) 。
2.2麦洼牦牛TF同源性及系统进化分析
PCR扩增得到麦洼牦牛TF基因长度为1 222 bp, 已提交至Gen Bank ( Gen Bank登录号: KP203855) ,开放阅读框为780 bp,起始密码子为ATG,终止密码子为TGA,编码259个氨基酸。麦洼牦牛TF的氨基酸序列与野牦牛( Bos mutus) 、牛( Bos taurus) 、水牛 ( Bubalus bubalis ) 、藏羚羊 ( Pantholops hodgsonii) 、绵羊 ( Ovis aries) 、山羊 ( Capra hircus ) 的TF蛋白的相 似性分别 为99% 、98% 、96% 、95% 、 94% 、94% 。麦洼牦牛TF与野牦牛的同源性最高。 用MAGE5. 0软件构建系统进化树,结果如图2所示。系统进化树表明,麦洼牦牛与野牦牛TF具有较近的亲缘关系。麦洼牦牛最先与野牦牛聚为一簇,然后与牛、水牛聚为一簇,再与其它哺乳动物聚为一簇。
注: M. DNA marker 2000 bp; 1. 麦洼牦牛 TF 基因 PCR 扩增产物。Notes: M. DNA marker 2000 bp; 1. PCR amplication products of TF of Maiwa yak.
2.3麦洼牦牛TF蛋白结构分析
在线软件蛋白预测结果显示,麦洼牦牛TF蛋白总共有259个氨基酸,相对分子质量为28. 33 k Da,理论等电点为8. 57,带负电的残基数( Asp + Glu) 为27, 带正电荷的残基数( Arg + Lys) 为33,分子式为C1239H1958N354O369S19,原子数3 939,脂肪系数73. 09; 不稳定系数34. 77,可以推测此蛋白质比较稳定。TF蛋白出现频率 较高的氨 基酸残基 为Ala ( 9. 7% ) 、Leu ( 8. 5% ) 、Lys( 7. 7% ) 、Val( 7. 3% ) ,且不具有Sec与Pyl。预测哺乳动物网织红细胞 ( 体外) 半衰期为30 h。总平均亲水性为 - 0. 490。跨膜区分析表明,该蛋白不含跨膜区域,为非跨膜蛋白。
Signal P分析信号肽表明,该多肽链存在信号肽, 且由19个氨基酸组成。信号肽序列位于第1 ~ 19位,切割位点在19 ~ 20位氨基酸之间,表明该蛋白为分泌型蛋白。TF二级结构预测表明: 该蛋白随机卷曲( random coil) 占42. 8% ,α - 螺旋( Alpha helix) 占30. 5% ,延伸链 ( extended strand) 占19. 31% ,β - 转角( Beta turn) 占8. 11% 。TF蛋白结构域预测表明, TF蛋白第25 ~ 259氨基酸有1个保守的转铁蛋白结构域,是周质结合蛋白Ⅱ型超家族( Periplasmic Binding Protein Type 2 Superfamily,PBP2 ) 成员 ( 图3 ) 。 SWISS - MODEL预测TF蛋白的三级结构表明,TF蛋白模型与猪血清转铁蛋白( SEROTRANSFERRIN, PDB: 1h76. 1. A) 同源性最高,可达71. 91% ( 图4) 。
3讨论
转铁蛋白主要存在于哺乳动物血清,主要功能为运输机体消化管吸收的铁和红细胞释放的铁,以Fe3 +复合物形式输送铁离子或进入骨髓中供成熟红细胞的生成[13]。迄今为止,转铁蛋白TF在家蝇、人、 黑鲷、牛等体内已被克隆出。资料表明: 家蝇转铁蛋白由622个氨基酸残基组成的多肽链,分子质量为70. 58 k Da[10]。人转铁蛋白由679个氨基酸组成,分子质量为75. 10k Da[9]。黑鲷转铁蛋白基因编码691个氨基酸[11]。牛转铁蛋白基因编码256个氨基酸等[14,15]。本试验克隆出麦洼牦牛TF基因编码259个氨基酸,分子质量为28. 33k Da。造成此种差异的原因可能是不同物种TF存在着分子量差异,并表现出多态性[7]。另外,用不同生物信息学软件分析蛋白理化性质时,选用不同的预测参数,则结果可能有所差别。TF蛋白不稳定系数预测为34. 77,根据不稳定系数需小于40才是稳定蛋白的标准[16],由此可判定麦洼牦牛TF蛋白为稳定蛋白。本试验分析出TF蛋白半衰期较长,且为稳定蛋白。这和蛋白质的半衰期与稳定性存在密切关系,半衰期越长,蛋白越趋于稳定的报道相一致[17,18,19]。
通过氨基酸序列比对及系统进化树的构建,可知麦洼牦牛TF的氨基酸序列与野牦牛( Bos mutus) 的同源性最高,可达99% ,与牛、水牛、藏羚羊、山羊等其它哺乳动物的相似性可达94% ~ 98% 。这表明麦洼牦牛与不同物种的TF同源性较高且在进化上具有一定的保守性。运用生物信息学软件分析了麦洼牦牛TF蛋白结构,该蛋白存在一个信号肽序列,位于第1 ~ 19位,表明该蛋白可能在细胞质中合成,分泌过程后将其信号肽切掉,形成具生物功能的蛋白, 属于分泌型蛋白。人、黑鲷、黄喉拟水龟等TF蛋白均包括2个相似结构域( N - 端和C - 端) 、昆虫TF只含有1个TR_FER结构域等[9,10,11,12]。这表明不同物种的TF蛋白结构域有所差别。本试验通过分析TF氨基酸序列得到麦洼牦牛TF蛋白有1个保守的结构域。用Swiss - Model软件分析蛋白质三级结构采用同源建模法,同源建模法要求所测蛋白基于氨基酸序列,待分析氨基酸序列与已知蛋白氨基酸序列的同源性需大于30% ,所测蛋白的结构较准确可信[20,21]。 本试验麦洼牦牛TF与猪血清转铁蛋白的同源性达71. 91% 。这说明预测的TF蛋白的三级结构可信度高。
基因控制蛋白质 第8篇
一、设计矛盾冲突, 导入新课学习
学生经历了遗传物质的探索过程并知道了基因的本质, 已经对基因产生了浓厚的兴趣, 想进一步探知有关基因的各种问题, 如生物的性状是如何体现的, 基因中蕴藏的蓝图是如何一步步实施的。当然这需要设计一个充满悬念的情境。现行使用的苏教版教材的引入相对简单, 可以参照人教版教材的“问题探讨”引出恐龙能否复活的话题, 让学生提出正反方观点, 形成思维上的矛盾冲突。学生反应非常热烈, 提出多种方案, 但黑箱均集中在客观的遗传物质与丰富多彩的性状之间的实现, 经过这样的碰撞之后, 这堂课的教学内容就十分明朗了——基因是如何决定生物的性状的?
二、明确知识定位, 抓住教学主干
本节的知识点和内容较多, 笔者进行了一定的归纳和整理, 主干知识是遗传信息的转录和翻译的过程, 侧枝内容是DNA与RNA结构的比较、核糖与脱氧核糖的比较、三种不同种类的RNA以及遗传密码的组成。在侧枝内容中, 前两个知识点在必修一中已经学习过, 在这里只需作简短的回顾和比较;后两个知识点虽然是新内容, 但也不必加深和拓展, 学生只需要初步了解即可。
这节内容不仅抽象复杂, 而且涉及的物质种类也比较多, 因此学生往往会陷入“学习时都懂, 学完了都不懂”的困惑之中。这时一个详尽的概念图, 及时的归纳、比较和总结就显得非常重要。例如, DNA与RNA结构的比较、三种RNA功能的比较、转录与翻译过程的比较。
三、利用教材插图, 进行概念辨析
本节教材的特点之一是插图多而且复杂。充分借助插图处理本节内容, 是本节教学成败的关键因素之一。比如在讲完转录之后, 可以设计如下表格。
尤其是利用插图说明酶的作用, 两个过程的方向, 产生子链的去向, 通过图形进行辨别比较加深印象。
四、引导学生思维, 推动教学过程
本节内容的逻辑性非常强, 设计合理会有行云流水的感觉, 不同知识点的讲解可以利用主问题串联起来。如:①细胞核中DNA的遗传信息如何能够传递到细胞质中?②RNA能够从核孔出来, 同时也是碱基语言, 它必定是依赖DNA而合成的, 引出转录的过程。③信使RNA的碱基语言要转变成蛋白质中的氨基酸语言, 两种语言的转换就是翻译, 谁来充当译员?引出转运RNA, 从结构上对转运RNA进行分析说明它识别两种语言的原因。④必修一中学生曾学过核糖体是合成蛋白质的细胞器, 那么核糖体与模板信使RNA和译员转运RNA之间是如何组装成合成蛋白质的“生产线”的呢?
转录和翻译是细胞中所进行的分子水平的酶促聚合反应, 而通过由思维的碰撞而揭示出的一步步具体过程, 可以让学生感受到微观 (分子) 水平生命活动的严谨性和美妙性, 从而提高对学科的兴趣。
五、运用鲜活例子, 化解抽象难点
在讲解信使RNA上的碱基排列与氨基酸之间的对应关系, 也就是破译遗传密码时, 教材中举了一个很好的例子——电报密码。比如说“胰岛素”的电报密码是“3534 3213 2728”, 密码通过电波传到目的地后, 又按密码翻译成“胰岛素”。利用这个例子来看, 首先电报中4个数字对应一个中文, 那么信使RNA中几个碱基对应一个氨基酸?其次电报中“3534”对应“胰”字, 那么信使RNA上特定的碱基序列与特定的氨基酸之间是如何对应的。由此引入学生就很容易理解科学家为什么以及如何设计实验去破译遗传密码。
又如笔者在讲解翻译 (如下图) 时, 做了如下的比较:作为模板的信使RNA可以看成轨道, 装配机器核糖体看成火车头, 火车头中只能容纳两个搬运工, 火车一边在轨道上运行, 一边装配货物形成多肽。
当翻译过程讲解结束时, 往往让学生形成这样一种认识, 首先利用密码子表或题干获得某个密码子编码的氨基酸, 然后利用密码子和反密码子的互补关系, 明确进入核糖体该位点的转运RNA以及它所携带的氨基酸。而实际如果没有转运RNA的存在, 也就无所谓密码子了, 密码子的意义并不是单独由信使RNA决定的, 而是由信使RNA和携带氨基酸的转运RNA所决定的。所以当学生具备一定的知识基础时, 应让学生明确实际过程应为:不同的转运RNA因结构不同在特定的酶的作用下结合不同的氨基酸 (第1步) , 当核糖体与信使RNA结合进行翻译时, 进入该复合体中的转运RNA应是随机的, 但只有携带有与密码子互补的反密码子的转运RNA才能停留, 其他的转运RNA则又随机离开 (第2步) , 由此得出该密码子编码的氨基酸就是此时对应的转运RNA携带的氨基酸 (第3步) 。该过程其实是在长期的进化过程中逐步形成的。如此学生会进一步领略到生命的奇妙与精巧。
组蛋白修饰与基因调控研究进展 第9篇
在细胞里,DNA以染色质的形式存在,核小体是染色质的基本组成单位[1,21,22,23]。从进化的意义上说组蛋白是极端保守的,在各种真核生物中它们的氨基酸顺序,结构和功能都十分相似。虽然如此,组蛋白仍可被修饰,如甲基化、乙酰基化、磷酸化和泛素化,这些修饰都是可逆性修饰[2,21,22,23]。细胞对外在刺激做出的每一个反应几乎都会涉及到染色质活性的改变—通过修饰组蛋白,变换组蛋白密码实现。组蛋白基化修饰DNA碱基功能,进而调控基因转录和DNA修复,而且组蛋白基化作为一种记号,控制表观遗传水平[21,22,23]。
1 组蛋白甲基化、组蛋白去甲基化与基因调控
1.1 组蛋白甲基化与基因调控的关系
组蛋白的甲基化属于表型遗传学的研究范畴,由不同的特异性组蛋白甲基转移酶(Histonemethylt ransferases,HMT)催化形成。主要发生在赖氨酸(Ly s)和精氨酸(Arg)的残基上[1,3]。催化赖氨酸Lys和精氨酸Arg残基的甲基转移酶有3个主要的蛋白家族:PRMT家族、SET域家族和非SET域家族的蛋白质。识别组蛋白甲基化的3个蛋白基元:染色域(C hromodomain)、TUDOR域和WD40重复域(WD-r epeat domain);它们能够与甲基化的赖氨酸残基作用,这些基元被特定的甲基化位点招募并且对不同生物发育起到一定的作用。组蛋白甲基化是一个动态的过程。它是通过组蛋白甲基转移酶和去甲基化酶的相互作用,动态地调节组蛋白的甲基化状态,及其与其他功能蛋白的相互作用,来调控基因转录的激活和抑制的生物学过程[4,5,6,7,8,9]。
1.2 组蛋白去甲基化与基因调控的关系
2004年,组蛋白赖氨酸去甲基化酶LSD1(Lys ne Specific Demethylase)被首次发现[27,28];同时Ra min等人也报道,BHC复合物可使甲基化的组蛋白H3K4去甲基化[24,27,28,29]。LSD1又叫KIAA0601,pl10b,BHC110,NPAO,稳定存在于一些组蛋白去乙酰化酶复合物中。序列分析显示LSD1含有一个N端S WIRM(Swi3p、Rsc8p and Moira)结构域,很多与染色体相互作用的蛋白都含有SWIRM结构域,一个C端FAD依赖的胺氧化酶结构域,从小分子胺到蛋白质都可能是胺氧化酶的底物。根据序列同源性分析和功能结构域预测的结果以及LSD1存在于组蛋白去乙酰化酶复合物中的现象,哈佛医学院的Yang Shi和他的同事认为LSD1可能是组蛋白赖氨酸的去甲基化酶。否定了组蛋白赖氨酸甲基化是永久性的表观遗传标记这一概念[30,31]。
2 组蛋白乙酰化、组蛋白去乙酰化与基因调控
乙酰化是最早被发现的与转录有关的组蛋白修饰方式。乙酰化由组蛋白乙酰基转移酶(HAT)催化,去乙酰化由组蛋白去乙酰基酶(HDAC)催化。由于体内存在组蛋白乙酰化和去乙酰化的平衡关系,所以组蛋白乙酰化发生频率很低[2]。在真核细胞中,DNA与组蛋白是染色质的主要成分。染色质的结构与基因活性密切相关,通过组蛋白的乙酰化和去乙酰化来修饰染色体的结构,在DNA复制、基因转录及细胞周期的控制等方面有重要作用。
研究发现,染色体组蛋白的乙酰化修饰与活跃的基因表达密切相关,而相应基因调节区的乙酰化程度不足通常引起基因沉默[12]。组蛋白乙酰化/去乙酰化修饰是基因转录调控的关键机制之一[37]。最新研究发现乙酰化修饰大多在组蛋白H3赖氨酸的9、14、18、23和H4赖氨酸5、8、12、16等位点[12]。组蛋白乙酰化是可逆的动态过程[2,21,22,23],因此组蛋白乙酰化可以激活特定基因的转录过程。组蛋白去乙酰化酶则移去组蛋白赖氨酸残基上的乙酰基,恢复组蛋白的正电性,带正电荷的赖氨酸残基与DNA分子的电性相反,增加了DNA与组蛋白之间的吸引力,使启动子不易接近转录调控元件,从而抑制转录[12]。
3 组蛋白磷酸化、组蛋白泛素化与基因调控
3.1 组蛋白磷酸化与基因调控的关系
染色体凝集和转录起始都要发生染色质的形态结构变化,而组蛋白H3的第10位丝氨酸(Ser)的磷酸化对转录起始和有丝分裂期染色体凝集时形态结构改变都有重要作用[2]。磷酸化修饰,特别是组蛋白H1和H3的磷酸化,长期以来被认为与有丝分裂相关。早期实验演示组蛋白H1的磷酸化的主要增加发生在各种真核生物的有丝分裂期间,且这种修饰也依赖Cdc2激酶活性。因此认为在有丝分裂染色体凝集中组蛋白Hl的磷酸化起重要作用[13]。
3.2 组蛋白泛素化与基因调控的关系
蛋白质的泛素化修饰就是蛋白质的赖氨酸残基位点与泛素分子的羧基末端相互结合的过程[15]。泛素作为一种含有76个氨基酸高度保守的蛋白质广泛存在于真核生物中,泛素-蛋白水解酶作为决定体内众多生化反应系统,具有快速、一过性、单向进行的特点,在细胞周期、凋亡、代谢调节等生命科学众多领域起到了中心的作用[16]。由于泛素分子本身有7个赖氨酸残基位点,并且泛素本身的赖氨酸残基也可以与泛素分子相互结合,因此底物蛋白的一个赖氨酸残基可能结合多个泛素分子,这样就形成了蛋白质的多泛素化修饰[15]。泛素化调节途径共有三类酶催化:泛素激活酶(ubiquitin-activating enzyme,E1),泛素接合酶(ubiquitin-conjugating enzyme,E2),泛素-蛋白质连接酶(ubiquitin protein ligase,E3)。多聚泛素化需要以上三种酶的共同作用,而单泛素化一般仅需要前两种酶[16]。
像乙酰化和磷酸化一样,组蛋白泛素化是可逆转的调控。因此,组蛋白泛素化的动态平衡过程由两个因素决定:细胞内可以利用的游离泛素和可以对组蛋白添加或移除泛素的酶的活性。将泛素加到组蛋白需要一系列酶E1、E2、E3的作用。泛素部分的移除需要肽酶(isopeptide)的活性[15]。因此组蛋白泛素化与基因有着密不可分的关系。类似的结论还有组蛋白泛素化与基因的沉默和转录有关[16]。
4 组蛋白修饰间相互作用与基因调控
上述各种组蛋白修饰方式都与相应的基因活化或抑制状态相联系。这些修饰方式及其作用的发挥并不是相互独立的,很多时候它们通过协同或拮抗来共同发挥作用。研究发现,组蛋白的乙酰化能够破坏核小体核心颗粒的稳定性[15]。另外,H2A、H2B的泛素化能够减弱染色质中H2A-H2B二聚体与H3-H4四聚体之间的相互作用。不同组蛋白修饰组蛋白活动相互作用,形成多亚基复合物,可能与核小体重修饰复合物(Nu Rcs,如Swi/Snf、RSC、NUR F)相互作用,重修饰染色质[13]。有证据表明,这些重修饰复合物通过组蛋白尾部由这些复合物所调节的启动子处不同乙酰化方式的因子募集和识别而联合起作用。
不同位点及状态组蛋白甲基化与乙酰化间也有一定关系。组蛋白H3-K4的双甲基化和三甲基化,H3的第36、79位赖氨酸的双甲基化与高乙酰化和基因的激活相关,而组蛋白H3-K9双甲基化及三甲基化与组蛋白的低乙酰化相关。组蛋白H4-R3的甲基化促进P300催化H4-K8和H4-K12发生乙酰化,导致相应基因转录激活,但H4上的4个赖氨酸中的任何一个发生乙酰化都会抑制H4-R3甲基化的发生[3]。
5 展望