3.4蛋白质工程的原理和应用（教学设计）-2024-2025学年高二下学期生物人教版（2019）选择性必修3

教案 课 题 蛋白质工程的原理和应用（教学设计）-2024-2025学年高二下学期生物人教版（2019）选择性必修3 备课人 授课日期 教学目标 （1）生命观念：理解蛋白质工程的基本原理，掌握蛋白质结构与功能的关系，形成对生命现象的科学认知。 （2）科学思维：通过分析蛋白质工程的设计流程，培养逻辑推理和问题解决能力，能够运用科学方法解决实际问题。 （3）探究实践：通过实验设计和操作，掌握蛋白质工程的基本技术，提升实验探究和实践操作能力。 （4）态度责任：了解蛋白质工程在医药、农业等领域的应用，增强社会责任感和科学伦理意识，关注科技发展对社会的影响。 教 学 重 点 与 难 点 （1）理解蛋白质工程的基本原理，包括如何从预期的蛋白质功能出发，设计蛋白质结构，并推测相应的基因序列，最终实现蛋白质的改造或合成。 （2）掌握蛋白质工程的实际应用，特别是在医药工业、农业和其他工业领域中，如何通过蛋白质工程技术解决实际问题，如提高酶的稳定性或开发新型药物。 （3）分析蛋白质工程与基因工程的区别与联系，理解蛋白质工程作为基因工程的延伸，如何通过基因改造实现蛋白质功能的优化和创新。 媒体教具 （1）多媒体投影仪和电脑，用于展示蛋白质工程相关的图像、视频和动画，帮助学生直观理解蛋白质工程的原理和应用。 （2）《现代生物技术概论》教材，为学生提供蛋白质工程背景知识和深入学习的参考资料。 （3）蛋白质模型构建工具套件，让学生通过动手操作，更好地理解蛋白质结构与功能之间的关系。 教法学法 讲授法、案例分析法、讨论法、练习法 教 学 过 程 二次备课调整 一、导入新课 教师活动：老师通过展示用细菌绘制的彩色图案，向学生介绍荧光蛋白在生物研究中的重要应用。（展示右图：用发出不同颜色荧光的细菌绘制的美妙图案。这些细菌能够发出荧光，是因为它们被导入了荧光蛋白的基因。最早发现的绿色荧光蛋白，科学家通过改造它，获得了黄色荧光蛋白等其他类型的荧光蛋白。这些荧光蛋白在细胞内生命活动检测、肿瘤示踪研究等领域有着广泛应用。） 学生活动：学生课前查阅相关资料，欣赏细菌画画的效果，并尝试分析其原因。（生：我们见过许多美丽的图案，但从未想过可以用细菌来作画。原来这是通过导入荧光蛋白基因实现的，感觉非常神奇！） 设计意图：通过有趣的生物现象激发学生的好奇心，为引入新课做铺垫。 二、讲授新课 1. 蛋白质工程的概念 教师活动：讲解蛋白质工程的基础、手段及目的。 （1）基础：讲解蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系，说明如何通过对这些结构的理解来进行蛋白质的改造。 提问：为什么需要研究蛋白质的结构？（生：因为蛋白质的功能与其结构密切相关。） 讲解：蛋白质的结构决定了它的功能，而了解这种关系是进行蛋白质工程的基础。 （2）手段：详细解释通过基因改造或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或者制造一种新的蛋白质。 举例：基因改造可以改变特定氨基酸，从而改变蛋白质的性质；基因合成可以创建全新的蛋白质序列。 （3）目的：强调获得满足人类生产和生活需求的蛋白质的重要性。 举例：开发更有效的药物，改进食品营养成分等。 学生活动：听讲并记录关键点，思考并回答老师的提问。（生：蛋白质工程是通过基因改造来改变蛋白质的结构和功能，这确实是一个复杂但很有意义的过程。） 设计意图：帮助学生理解蛋白质工程的基本概念，为后续学习打下坚实的基础。 2. 蛋白质工程崛起的缘由 教师活动： 讲解基因工程的实质及不足： 实质：将一种生物的基因转移到另一种生物体内，使其产生原本不能产生的蛋白质，表现出新的性状。 不足：仅能生产自然界中存在的蛋白质，不能创造新的蛋白质。 说明天然蛋白质的局限性：天然蛋白质的结构和功能是适应特定物种生存需要的，可能不符合人类生产和生活的特定需求。 引入具体例子：玉米中赖氨酸的含量较低，通过替换赖氨酸合成过程中两种酶的氨基酸，可以使玉米叶片和种子中游离赖氨酸分别提高 5 倍和 2 倍。 学生活动：思考并讨论基因工程与蛋白质工程的区别，发表自己的见解。（生：基因工程只能生产自然界已存在的蛋白质，而蛋白质工程可以创造出新的、自然界不存在的蛋白质。） 设计意图：通过对比，让学生深入理解蛋白质工程的重要性和必要性。 3. 蛋白质工程的基本原理 教师活动： 讲解蛋白质工程的目标：根据人们对蛋白质功能的具体需求，对其结构进行设计改造。 介绍方法：改造基因或合成新基因。 详细讲解流程： 预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→获得所需的蛋白质。 分步骤讲解每个环节： 设定目标：明确希望蛋白质具有的功能。 结构设计：根据功能要求设计蛋白质的三维结构。 序列推测：根据结构预测所需氨基酸序列。 基因获取：通过基因改造或合成本获取相应的基因序列。 表达验证：通过合适的表达系统验证新蛋白质的功能。 学生活动：跟随老师的讲解，逐步理解和记忆蛋白质工程的整个流程。（生：这个流程看起来很复杂，但通过老师的讲解，我逐渐明白了每一步的操作和逻辑。） 设计意图：帮助学生掌握蛋白质工程的基本原理和操作流程，增强他们的实践操作能力。 4. 蛋白质工程的应用 教师活动： 讲解在医药工业方面的应用： 速效胰岛素类似物的研发：科学家通过改造胰岛素基因，使得 B 链 28 位脯氨酸替换为天冬氨酸或将它与 29 位的赖氨酸交换位置，有效抑制胰岛素聚合，研发出速效胰岛素类似物。 提高干扰素的保存期：将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，提高了干扰素的保存时间。 改造抗体：将小鼠单克隆抗体上结合抗原的区域 “嫁接” 到人的抗体上，降低诱发人体免疫反应的强度。 讲解在其他工业和农业领域的应用： 改进酶的性能或开发新的工业用酶：利用蛋白质工程获得蛋白酶的多种突变体。 改造某些重要的酶：例如，利用蛋白质工程改造参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率。 学生活动：听讲并记录实际应用的例子，积极参与讨论。（生：原来蛋白质工程在医药领域和其他工业领域都有这么多重要的应用，真是令人惊叹。） 设计意图：通过具体的实例，让学生了解蛋白质工程在现实生活中的广泛用途，加深他们对这一领域的认识。 三、总结与练习 教师活动：总结本节课的主要内容，强调重点和难点。 蛋白质工程并不是直接改造蛋白质分子的结构，而是通过基因操作来实现对天然蛋白质的改造。 蛋白质工程的基本途径：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→找到相对应的脱氧核苷酸序列。 蛋白质工程是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，通过基因改造或基因合成，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要。 学生活动：完成总结笔记，并回答相关问题。 教师提问：蛋白质工程中需要直接进行操作的对象是什么？ 生：基因结构。 教师提问：蛋白质工程在设计蛋白质结构时依据的是什么？ 生：蛋白质功能。 设计意图：巩固学生对本节课内容的理解，加深记忆，并检验学生的掌握情况。 作业布置 （1）根据蛋白质工程的基本原理，设计一个蛋白质改造方案，要求阐述改造目的、预期蛋白质功能、设计蛋白质结构、推测氨基酸序列及相应的基因改造方案。 （2）收集两个关于蛋白质工程在医药工业或农业中应用的实例，分析其改造过程、改造后的效果及对人类社会的影响。 学科网（北京）股份有限公司 $$