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

第3章 基因工程 第4节　蛋白质工程的原理和应用 教学分析 · 教学目标 1.通过实例分析，引导学生说明如何根据人类需求对原有蛋白质结构进行基因改造，生产目标蛋白质，并归纳蛋白质工程的基本操作流程。（科学思维、科学探究） 2. 通过分析实例和流程设计，引导学生能阐述蛋白质工程的基本原理，明确其与基因工程的联系与区别。（科学思维） 3.通过了解蛋白质工程的典型应用，引导学生认识其对社会发展的重要意义，尝试提出基于特定功能需求的蛋白质设计方案，发展科学思维，增强社会责任感。（科学思维、社会责任） · 教学重难点 重点:1. 依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白质的过程。 2. 蛋白质工程的基本原理及与基因工程的联系与区别。 难点: 依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白质的过程。 教学方法 讲授法、案例分析法、讨论法、任务驱动法、问题引导法 · 课时安排 1课时 · 教学准备 多媒体，学案，PPT等。 教学设计 导入新课： 请同学们观察这段视频，用发出不同颜色荧光的细菌“绘画”的画面令人惊艳——它们之所以能发光，是因为被导入了荧光蛋白基因。绿色荧光蛋白被改造为黄、蓝等多种类型，在细胞活动检测和疾病研究中应用广泛。 讨论: 1.科学家利用什么技术让细菌能够发出荧光？ 2.科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢？ (设计意图：通过视频引入，呈现直观的画面，激发学生的好奇心和进一步探究的欲望。) 探究一、蛋白质工程的基本原理 教学任务：引导学生进行思路设计，能够说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白质的过程，归纳蛋白质工程的基本操作流程，阐明其原理。 教学活动实施： 教师出示如下资料：转基因抗虫棉已经在全球范围内取得了巨大成功，但是抗虫蛋白存在毒力有限、害虫对Bt抗虫蛋白的抗性上升等诸多问题，严重制约Bt抗虫蛋白在未来农业生产中进一步发挥巨大作用。研究发现Bt 抗虫蛋白的第5号螺旋可在害虫肠上皮细胞膜上形成孔道结构，位于该螺旋疏水部分的第168位组氨酸是维持孔道结构稳定的关键，该孔道结构越稳定，Bt抗虫蛋白对害虫的毒性越大。科研人员进一步研究发现如果将Bt抗虫蛋白第168位的组氨酸用精氨酸代替，将大大提高其抗虫效果。 引导学生思考： （1）为什么要改造Bt抗虫蛋白？ （2）从难易程度和可持续性角度考虑，是改造基因还是直接对蛋白质进行改造呢?请阐述理由。 学生思考上述问题，进一步理解蛋白质工程崛起的原因，并明确要通过改造基因实现对蛋白质的改造。 教师过渡：天然蛋白质合成是怎样合成的呢？怎样改造Bt基因呢？ 学生先回忆基因表达的相关知识，回顾天然蛋白质的合成是按照中心法则进行的。然后教师指导学生开展小组合作，完成活动1。 活动1：将Bt抗虫蛋白第168位组氨酸替换为精氨酸，请你依据密码子信息，模拟如何将168位的组氨酸密码子（如CAU）替换为精氨酸的密码子（如CGU），并写出相应的DNA序列改造策略。 RNA ——U U A C A U C U U C A U—— 翻译 氨基酸 序列 ——亮氨酸——组氨酸——丝氨酸—— DNA核苷酸序列 ——A A T G T A G A A G T A——转录模板链 ——T T A C A T G A A G T A—— 转录 改造后 的RNA   翻译 改造后的 氨基酸序列   改造后的DNA核苷酸序列 第168位 转录 RNA 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 (四种密码子在棉花植株中均可使用) 思考： （1）改造B基因序列的思路是什么？目的基因的碱基序列仅有一种吗？为什么？ （2）确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因？ 小组交流并展示，教师引导学生总结如下： （1）改造Bt基因序列的思路是中心法则逆推。由于密码子的简并性，由精氨酸逆推获得的目的基因的碱基序列有多种。 （2）确定目的基因的碱基序列后，可以人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因。对基因的改造经常会用到基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。 教师过渡：确定目的基因的碱基序列后，怎样获得改造后的抗虫蛋白呢？学生进行小组活动2：利用改造后的Bt基因，获得所需要的Bt抗虫蛋白。 学生小组合作： 1.完善生产改造后的Bt抗虫蛋白的流程。 2.总结：蛋白质工程的基本原理。 小组交流并展示设计的流程，教师引导学生深入比较蛋白质工程与基因工程的联系与区别，明确其继承关系及创新点。 教师要引导学生思考：蛋白质工程容易实现吗？据此明确蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而这种高级结构往往十分复杂。同时引导学生关注教材P94“学科交叉”，明确蛋白质工程是包含多学科的综合科技工程。 最后总结如下：蛋白质工程的基本原理 （1）目标: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。  （2）方法:改造或合成基因。  （3）基本思路: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。  并引导学生归纳：基因工程和蛋白质工程的异同。 小组评价设计： 评价内容及标准（0-10分） 小组1 小组2 小组3 小组4 流程是否设计合理，能否体现蛋白质工程的基本思路。 语言表述是否符合逻辑，关键点突出。 小组成员是否认真交流，协调配合。 (设计意图：通过实际案例分析和开展自主探究活动，让学生将理论知识与实践相结合，深入理解蛋白质工程的操作步骤，培养学生分析问题和解决问题的能力。) 探究二、蛋白质工程的应用分析 教学任务：学生举例说明蛋白质工程的应用，理解蛋白质工程在社会发展中的重要作用，并尝试设计方案生产目标蛋白。 教学活动实施：教师引导学生结合教材P95内容，归纳蛋白质工程的典型应用，并填写学案中“应用+举例”表格。 教师出示如下材料并让学生思考： 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，科学家将其肽链中第3位的异亮氨酸变为半胱氨酸，该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成了一个二硫键，使酶的耐热性得到了提高，这项工作属于什么工程范畴？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？ 学生思考后回答，根据以上材料教师引导学生比较“改造基因和改造蛋白质结构”的核心思路，明确工程类型的判别依据。 师生归纳： 教师过渡：蛋白质工程的应用前景十分广阔，请结合蛋白质工程的基本原理尝试设计速效胰岛素的合成。 教师出示如下材料，引导学生思考：为获得速效胰岛素，科研人员通过改造其B链第28、29位的氨基酸抑制聚合。请设计合理的工程路径，思考需用哪些技术手段实现这一目标？ 学生交流展示，师生共同总结如下： 评价设计：设计跟踪训练，对相关知识进行反馈，学生独立完成，教师公布答案，统计正确率，反馈做题效果并对班级同学做出评价。 （设计意图：：让学生了解蛋白质工程的应用现状和发展趋势，同时尝试设计目标蛋白质，加深本节课所学知识的应用，同时培养学生的创新思维和社会责任感。）转录 RNA ——U U A C A U C U U C A U—— 翻译 氨基酸序列 ——亮氨酸——组氨酸——丝氨酸—— DNA核苷酸 序列 ——A A T G T A G A A G T A——转录模板链 ——T T A C A T C T T C A T —— 转录 改造后的RNA 翻译 改造后的氨基酸序列 改造后的DNA核苷酸序列 第168位 评价反馈 完成学案中的当堂训练 课堂小结 布置作业 完成素养专练（30分钟）。 教学反思 本节课注重知识的整合和情境创设，将理论知识与实际案例相结合，让学生在具体情境中理解和应用知识，提高了学生的学习兴趣和学习积极性。 课堂探究活动设计合理，充分发挥了学生的主体作用，培养了学生的合作精神、创新思维和实践能力。 教学过程中及时关注学生的学习情况，对学生的表现给予了及时的评价和反馈，有助于学生及时发现问题和改进提高。 不足之处：教学时间安排不够合理，导致课堂探究活动的时间略显紧张，部分学生的观点未能充分表达和交流。后期应注意更加科学地安排教学时间，合理调整课堂探究活动的时间，给学生足够的时间进行思考、讨论和交流，提高课堂教学的效率。 板书设计 第4节　蛋白质工程的原理和应用 一、蛋白质工程的基本原理 1.目标: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 2.方法:改造或合成基因 3.基本思路: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 4.蛋白质工程与基因工程比较 二、蛋白质工程的应用 1.医药工业方面 2.其他工业方面 3.农业方面 备课资源 1.荧光蛋白的发现与应用 荧光蛋白是能够发出荧光的蛋白质。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(O.Shimomura)采集了大量能发光的水母(Aequorea victoria，即维多利亚多管水母)。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。这篇文章在脚注中指出，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)。在之后的研究中，有科学家将GFP基因导入大肠杆菌或线虫中，并使该基因在这些生物中完成了表达。华裔科学家钱永健带领团队解析了GFP的发光机制，他们还通过对绿色荧光蛋白的荧光发色团中特定氨基酸残基进行突变，得到了多种可以分别发出青色、蓝色、黄色等荧光的蛋白质。20世纪末，科学家从珊瑚虫体内提取出了能在紫外线的激发下发出强烈暗红色荧光的红色荧光蛋白(RFP)。 2.荧光蛋白的应用 荧光蛋白可以发出稳定的荧光，不具有物种专一性，易于在细胞内表达，已作为标记物广泛应用于生命科学研究的各个领域。 在分子生物学研究中，荧光蛋白基因是一种重要的标记基因。把GFP基因连接到目的基因的启动子后面，通过测定荧光强度，就可以对目的基因的表达水平进行检测。此方法已得到广泛应用，特别是用于活细胞基因表达的时空成像。在多数情况下，GFP基因还可以与目的基因重组构成编码融合蛋白的基因，其表达产物既能够保持目的蛋白的生物活性，又表现出与天然GFP相似的荧光特性因此，GFP可以作为标签，用以检测蛋白质分子的位置、迁移情况、构象变化以及蛋白质分子间的相互作用；或者用GFP靶向标记某些细胞器，目前GFP已经被成功地用于靶向标记线粒体、内质网等细胞器。用GFP进行细胞内定位的方法，有效替代了用显微注射或其他方式将异硫氰酸荧光素等荧光染料导入细胞进行定位的复杂方法，从而使研究蛋白质在活细胞内的准确定位变得简单易行。GFP可以用作生物感受器。野生型GFP及它的许多突变体都会发生依赖于pH的荧光变化，因而可以用它们来检测活细胞内的pH。黄色荧光蛋白(YFP)的突变体不但对pH敏感，还对不同的离子敏感，因而可以用它来检测细胞中卤素离子的浓度和传递情况。RFP的激发光和发射光的波长都比GFP的长；RFP在细胞内成像时背景弱，适合进行观察检测。虽然RFP有以上优点，但它本身存在一些问题，如RFP是四聚体，在进行蛋白融合时，容易出现多聚体而影响目的蛋白的生物活性；RFP在细胞内表达时会产生毒性等。因此，一般需要对RFP进行改造，才能更好地应用它。 2.蛋白质工程与酶工程的区别和联系 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。它的应用主要集中手食品工业、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。日前，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一级结构，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 6 页 共 7 页 学科网（北京）股份有限公司 $$