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选择性必修3

优秀教案系列 第4节　蛋白质工程的原理和应用 教学分析 · 教学目标 1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。 2.简述蛋白质工程的基本原理。 · 评价目标 通过学习能够区分蛋白质工程与基因工程的不同,并能够独立设计实验方案。 · 教学重难点 1.依据人类需求对原有蛋白质结构进行基因改造或合成、生产目标蛋白的过程。 2.蛋白质工程的基本原理。 · 教学方法 学案导学法、小组讨论、自学释疑。 · 课时安排 1课时 · 教学准备 学案,PPT。 教学设计 导入新课 【师】PPT展示教材中用细菌“画”的画,带领学生欣赏。引导学生思考,为什么细菌能够发出荧光? 【生】因为在它们的体内导入了荧光蛋白的基因。 【师】最早被发现的荧光蛋白是绿色荧光蛋白,科学家通过改造它,获得了黄色荧光蛋白等。那么,科学家是利用什么技术对蛋白质分子进行设计和改造的呢? 【生】蛋白质工程。 讲授新课 一、蛋白质工程的概念 【师】蛋白质工程的概念是什么? 【生】蛋白质工程是指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,以满足人类生产和生活的需求。 二、蛋白质工程崛起的缘由 【师】基因工程有什么不足之处? 【生】基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质,这些天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的,它们的结构和功能符合特定物种生存的需要,却不一定完全符合人类生产和生活的需要。 【师】PPT展示“玉米赖氨酸含量低的改进措施”实例。 【师】通过上面的学习我们已经大概了解了蛋白质工程崛起的缘由。 【师】我们刚才提到的玉米中赖氨酸的含量比较低,通过改造,可以明显提高赖氨酸的含量。那么,蛋白质工程是怎样进行的呢? 三、蛋白质工程的基本原理 【师】蛋白质工程的目标、方法分别是什么? (通过PPT留空,让学生回答) 【师】既然蛋白质工程要对蛋白质的结构进行设计改造,那么蛋白质的高级结构是怎样的呢?PPT展示蛋白质的高级结构。 【师】大家都知道蛋白质的功能是由DNA决定的,那么要制造出新的蛋白质,就要改造DNA,所以蛋白质工程的原理应该是中心法则的逆推。请同学们写出中心法则。 【生】进行书写。 【师】基因→表达(转录和翻译)→形成具有特定氨基酸序列的多肽链→形成具有高级结构的蛋白质→行使生物功能。但蛋白质工程却与之相反,它的基本途径是怎样的呢? (同桌之间互相讨论,回答) 【师】我们一起来看一下蛋白质工程的基本思路(PPT展示)。 【师】下面我们利用蛋白质工程原理来解决教材P94“思考·讨论”中的问题。 【生】进行小组合作讨论,并展示。 【生】……—丙氨酸—色氨酸—赖氨酸—谷氨酸—苯丙氨酸—…… mRNA:……—GCU(或 C或 A或 G)—UGG—AAA(或 G)—GAA(或G)—UUU(或 C)—…… DNA的一条链:……—CGA(或 G或 T或 C)—ACC—TTT(或 C)—CTT(或C)—AAA(或 G)—…… 确定了目的基因的碱基序列后,就可以根据人类的需要改造它,通过人工合成的方法获取目的基因。 【师】学习到这里,我们就明确了蛋白质工程的概念和原理,现在我们来比较一下蛋白质工程和基因工程。 1.蛋白质工程与基因工程的比较 项目 蛋白质工程 基因工程 区 别 起点 过程 实质 通过改造相应的　　　达到对　　　　　　进行改造的目的 结果 可以创造出　　　　的蛋白质 生产自然界　　　　的蛋白质 应用及现状 ①主要集中在对　　　　　　　进行改造,如干扰素、天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶等; ②对于创造新的蛋白质,还有许多技术难题未突破,因为蛋白质的高级结构非常复杂,人们对此知之甚少 在农牧业、医药卫生和食品工业等方面,展示出广阔的应用前景 联系 ①蛋白质工程在获得　　　　后,需要通过基因工程获得预期蛋白质; ②蛋白质工程是在基因工程的基础上,延伸出来的第二代 答案:预期的蛋白质功能　目的基因　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→获得所需要的蛋白质　目的基因的筛选与获取→基因表达载体的构建→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定　基因　蛋白质的结构　基因重组　自然界不存在　已存在　现有蛋白质　目的基因　基因工程 2.为什么蛋白质工程不直接改造蛋白质而是通过改造或合成基因来改造蛋白质或制造新的蛋白质? 【生】①任何一种天然蛋白质都是由基因编码的,改造了基因即对蛋白质进行了改造,而且改造过的蛋白质可以遗传下去。如果对蛋白质进行直接改造,即使改造成功,被改造的蛋白质也是无法遗传下去的。②对基因进行改造比对蛋白质进行直接改造容易操作,难度小得多。 3.蛋白质工程的基本思路与基因工程有什么不同? 【生】基因工程操作程序的基本思路遵循中心法则,从DNA→mRNA→多肽链→折叠产生蛋白质,基本上是生产出自然界中已有的蛋白质。蛋白质工程是按照相反的思路进行的,即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→获得所需要的蛋白质。蛋白质工程可以创造新的蛋白质。 【师】那么蛋白质工程有哪些应用呢? 四、蛋白质工程的应用 【师】蛋白质工程取得的进展向人们展示了诱人的前景。 (1)在医药工业方面,研发出了速效胰岛素类似物产品;如果将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸,在一定条件下,可以延长保存时间。 (2)在其他工业方面,蛋白质工程被广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶,例如枯草杆菌蛋白酶。在农业方面,利用蛋白质工程尝试改造某些参与调控光合作用的酶,以提高植物光合作用的效率,增加粮食的产量;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。 【师】既然蛋白质工程有这么多应用,那能不能根据人类需要的蛋白质的结构,设计相应的基因,导入合适的宿主细胞中,让宿主细胞生产人类需要的蛋白质食品呢?(学生讨论回答) 【师】为什么说蛋白质工程是一项难度很大的工程? 【生】主要是因为蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构,而这种高级结构非常复杂,人类对蛋白质的高级结构和在生物体内如何行使功能知之甚少。很难设计出一个新而具有生物功能的蛋白质,而且一个新的蛋白质会带来什么危害也是人们所担心的。 【师】所以目前要设计出更加符合人类需要的蛋白质,还需要不断地攻坚克难。 评价反馈 本节课以表格的形式将蛋白质工程与基因工程进行对比,使学生能够掌握两者之间的区别和联系。然后举例说明蛋白质工程的应用,让学生掌握利用蛋白质工程生产产品的过程,并能够自己设计获得具有某种特定功能的蛋白质。这样的学习模式让学生真正地参与到了课堂中,培养了学生的科学思维。 课堂小结 布置作业 完成学案中的核心素养专练。 教学反思 教师在教学过程中,指导学生联系已有知识,用逆向思维的方法解决新问题,把课堂的大部分时间还给学生,让学生通过阅读、观察、讨论,自主构建出自己的知识体系。 板书设计 第4节　蛋白质工程的原理和应用 一、蛋白质工程的概念 二、蛋白质工程崛起的缘由 三、蛋白质工程的基本原理 四、蛋白质工程的应用 1.医药工业 2.其他工业和农业 备课资源 一、荧光蛋白的发现 为了研究“某些水母为什么能够发光”这一问题,20世纪60年代初,下村修采集了大量能发光的水母。他剪下这些水母小伞边缘的颗粒(发光部位)用于提取发光蛋白(也称水母素)。1962年,他和合作者发表文章,报告分离、纯化了发光蛋白。他们同时还分离出了另一种“绿蛋白”,这种“绿蛋白”在阳光下看起来略带绿色,在钨丝灯下略带黄色,在紫外线的照射下会呈现明显的绿色,这种蛋白就是绿色荧光蛋白(GFP)。 二、蛋白质工程与酶工程 酶工程是将酶所具有的生物催化作用,借助工程学的手段,应用于工业生产、医疗诊断和环境保护等方面的一项生物工程。与蛋白质工程重点关注对蛋白质的改造或制造新的蛋白质不同,酶工程重点关注的是酶制剂的生产和应用。它的应用主要集中于食品工业、轻工业以及医药工业。α-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖异构酶连续作用于淀粉,就可以代替蔗糖生产出高果糖浆;用蛋白酶处理毛纺织品,可以防止水洗后缩水,还可以提高染色效果,减少污染;用蛋白酶、脂肪酶等处理皮革,可以缩短皮革鞣制过程,减少污染和提高产量;青霉素酰化酶能催化青霉素的水解反应,可以用来制备半合成青霉素等。我们日常生活中所见到的加酶洗衣粉、嫩肉粉等也都是酶工程的产品。酶制剂主要的来源是微生物,因此一般通过微生物发酵的方法来生产酶制剂。目前,一些重要的酶制剂都是用基因工程菌发酵生产的。 对酶进行改造和修饰属于酶工程的范畴。我们可以用化学方法改造酶的结构,或者对酶分子的侧链基团进行化学修饰,也可以用蛋白质工程的方法,通过改造酶的基因来获得具有优良性状的新酶。随着蛋白质工程的发展,将会有更多的成果应用到酶工程领域 第 1 页 共 1 页 学科网（北京）股份有限公司 $$