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，引导学生理解蛋白质结构决定其功能，掌握从功能设计—结构优化—基因序列修饰的蛋白质工程核心路径。（生命观念） 2.通过实例构建蛋白质工程流程，引导学生掌握基因碱基排列顺序—蛋白质结构—蛋白质功能的关系，培养学生运用逆向思维分析和解决问题的能力。（科学思维） 3.通过了解蛋白质工程的典型应用，引导学生关注蛋白质工程在医疗、农业等领域的应用，树立科学服务于社会的理念。（社会责任） · 教学重难点 重点： 1.蛋白质工程的基本原理。 2.依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。 难点： 1.蛋白质工程的基本原理。 2.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 学案，PPT。 教学设计 导入新课 【师】承接“抗虫棉”情境，发现“真实”问题。教师提出转基因抗虫棉已在全球范围内取得了巨大成功，然而在某些地区害虫的抗性问题日益严重，这样的现实挑战还能靠传统基因工程解决吗？ 【生】学生根据以前所学知识，从提高Bt基因表达、增加Bt抗虫基因数目、田间轮作、套作等角度提出解决策略。 【师】教师在肯定学生作答后，介绍当前蛋白结构研究方面的进展: 播放视频科学家戴维·贝克（David Baker）借助AI 技术对大数据分析的强大功能，开发出了能基于已有数据准确预测折叠蛋白质结构的软件，基于相关的研究戴维·贝克获得 2024 年获得诺贝尔化学奖。 (设计意图：通过情境导入使学生思考基因工程存在的不足及提出解决问题的办法，了解科学家使用生物信息学和物理学等方法来解决生物学问题，让学生认同重大的科学技术成就，往往是打破学科壁垒、在各种思维方式的交叉中产生的，随着学科之间的相互渗透，教会学生用全面、多角度的眼光来看待和解决问题，同时教师提出改造 Bt 蛋白的思路，引出蛋白质工程崛起的原因。) 讲授新课 任务一、蛋白质工程的基本原理 【师】资料1.Bt 抗虫蛋白被分解为多肽后，多肽在碱性环境中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。 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。 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，科研人员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。 结合以上资料，回答相关问题： 1.结合资料1和2，推测 Bt抗虫蛋白的哪个结构可能与昆虫肠上皮细胞孔道的形成有关，阐述判断依据。 2.结合资料3，推测精氨酸代替组氨酸后，可能会对Bt虫蛋白功能造成什么影响。 3.从难易程度和可持续性角度考虑，你建议直接对蛋白质进行改造吗?阐述理由。 【生】根据课本内容及资料分析，思考并回答相关问题。 1.推测：结构Ⅰ可能参与昆虫肠上皮细胞膜中孔道的形成。判断依据：结构Ⅰ由多个α螺旋组成，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。 2.可能会对 Bt 抗虫蛋白功能造成的影响：可能会使6聚体的空间结构更加稳定。 3.不建议直接改造蛋白质。原因：①蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大。 ②蛋白质无法遗传，基因可以遗传。建议对基因进行改造以持续获得新Bt蛋白。 【师】设计探究活动：改造 Bt 抗虫蛋白，增强杀虫效果。 活动 1.只改变DNA中一个碱基对，设法将 Bt抗虫蛋白第 168 位组氨酸替换为精氨酸，补充改造过程并总结改造Bt基因思路。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 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) 【生】根据遗传信息的传递过程和特点，完成填空。 改造后的DNA核苷酸序列 ——A A T G C A G A A G T A—— ——T T A C G T C T T C A T—— 改造后的RNA序列 ——U U A C G U C U U C A U—— 改造后的氨基酸序列 ——亮氨酸——精氨酸——丝氨酸—— 【生】总结改造 Bt基因序列的思路 从预期的Bt抗虫蛋白功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测出氨基酸的编码序列→推出mRNA序列→推出脱氧核苷酸序列→（基因定点突变技术）进行碱基的替换。 【师】采取学生评价和教师评价的方式对学生的总结情况进行点拨。 【师】活动 2.利用改造后的Bt基因，获得所需要的 Bt 抗虫蛋白。 1.完善思路：生产改造后的 Bt 抗虫蛋白流程。 2.建构概念：蛋白质工程 【生】1.完善思路：生产改造后的Bt抗虫蛋白流程： 改造后的抗虫蛋白基因序列→转录出相应的RNA→翻译合成改造后的Bt抗虫蛋白→行使预期的Bt抗虫蛋白功能。 2.建构概念：蛋白质工程 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(对象)，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质(实质)，以满足人类生产和生活的需求(目标)。 【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。 评价设计： 对比蛋白质工程和基因工程 项目 蛋白质工程 基因工程 区别 操作对象 基因 基因 操作起点 预期蛋白质功能 目的基因 操作过程 预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→找到并改变对应的脱氧核苷酸序列（基因）或合成新基因→获得所需要的蛋白质 目的基因的筛选与获取→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定 实质 可生产自然界没有的蛋白质 可生产自然界已有的蛋白质 结果 通过改造或合成基因来定向改造现有蛋白质或制造新的蛋白质 将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状 联系 ①蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程； ②蛋白质工程离不开基因工程，其包含基因工程基本操作 评价标准：100分 1.对蛋白质工程和基因工程的区别与联系理解全面且深刻，能够准确阐述两者在操作对象、操作起点、操作过程、实质和结果等方面的差异，并且能够清晰地说明蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程，以及蛋白质工程离不开基因工程的基本操作。 （60分） 2.分析准确无误，逻辑严谨，条理清晰，能够运用所学知识进行深入的推理和论证。（20分） 3.表达清晰流畅，语言准确规范，术语使用恰当。（20分） (设计意图：引导学生回顾中心法则中基因序列决定氨基酸序列、氨基酸的序列进一步决定蛋白质空间结构的规律。而在改造Bt 蛋白的过程中，则是先预期功能→预测相应结构→预测氨基酸序列→改造基因序列的过程，是中心法则的逆向思维，培养学生生命观念中的结构与功能观、生命信息观。通过由改造Bt蛋白的流程总结概括出改造一般蛋白质的流程，意在培养学生归纳推理的科学思维，并建构蛋白质工程的基本概念，体会蛋白质的功能与结构相适应、蛋白质的结构由氨基酸的序列决定、最终由基因序列决定的结构与功能观和生命信息观。) 任务二、蛋白质工程的应用 【师】请阅读教材P95内容，呈现资料，提出问题。 资料1：科学家对鼠源杂交瘤抗体进行改造，生产出效果更好的鼠—人嵌合抗体，用于癌症治疗。下图表示形成鼠—人嵌合抗体的过程，据图分析回答相关问题。 1.生产鼠—人嵌合抗体利用了哪种生物工程技术？该工程技术的目的是什么？ 2.对鼠源杂交瘤抗体进行改造，是直接改造蛋白质本身吗？改造后鼠—人嵌合抗体有什么优点？ 3.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？ 【生】结合教材蛋白质工程的应用内容及资料，回答相关问题。 1.蛋白质工程。目的是改造现有蛋白质或制造一种新的蛋白质，满足人类生产和生活的需求。 2.直接操作对象是基因，不是蛋白质。 改造后的鼠—人嵌合抗体可以有效降低人体的免疫反应，提高治疗的效果。 3.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；对基因的改造通常会用到基因的定点突变技术来进行碱基的替换。 评价设计： 【归纳总结】举例说明蛋白质工程的应用。 应用 实例 【迁移拓展】T4溶菌酶来源于T4噬菌体，是重要的工业用酶。科学家通过一定技术使T4溶菌酶中第3位的异亮氨酸变为半胱氨酸(异亮氨酸的密码子是AUU、AUC、AUA，半胱氨酸的密码子是UGU、UGC)，于是在该半胱氨酸与第97位的半胱氨酸之间形成一个二硫键，从而使T4溶菌酶的耐热性得到了提高。关于上述过程的叙述错误的是(　　) A.对T4溶菌酶的改造属于蛋白质工程的范畴 B.上述过程通过直接改造T4溶菌酶mRNA上的2个碱基实现 C.参与新的T4溶菌酶合成的tRNA种类可能不变 D.改造后的T4溶菌酶肽键数不变，二硫键的作用类似于DNA中的氢键 评价内容 优秀（90-100） 良好（75-90） 合格（60-75） 较差（60分以下） 能够准确、全面地总结蛋白质工程的应用领域，并列举多个具体实例，且实例具有代表性和科学性。 总结条理清晰，语言表达准确。 【师】前景展望：科学家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。随着科技的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福祉。 (设计意图：通过案例分析、问题引导、知识总结和迁移拓展等多种教学策略，帮助学生深入理解蛋白质工程的原理、方法及其广泛应用，同时培养学生的科学思维、分析能力和知识迁移能力。通过案例驱动教学，激发学生的学习兴趣；通过问题引导探究，培养学生的自主学习和科学探究能力；通过知识总结与拓展，帮助学生系统化知识，提高知识迁移能力；通过多维度评价，全面评价学生的学习效果。) 评价反馈 完成当堂训练内容 课堂小结 天然胰岛素制剂容易形成二聚体或六聚体，皮下注射胰岛素后往往要经历一个逐渐解离为单体的过程，这在一定程度上延缓了疗效。因此，科学家希望对胰岛素进行改造，从而降低它的聚合作用。结合教材 P95相关知识和自行查阅的资料，设计速效胰岛素类似物的研发思路。 分析蛋白质的晶体结构，找到胰岛素分子相互作用形成多聚体的关键区域→确定降低胰岛素分子间作用力的氨基酸序列→推测需要更换的氨基酸序列→找到并改变相应的脱氧核苷酸序列（基因）→获得所需要的速效胰岛素类似物。 布置作业 完成素养专练。 教学反思 在大概念的视角下，采用“转基因抗虫棉的培育和应用”情境贯穿本部分的学习，通过突出主干，保持学生学习的连贯性，在清晰的教学线索下，将问题链结合情境依次展开，不仅使学生保持新鲜感，也能使不同次位概念有机整合，通过解决真实情境中的真实问题来逐层推进，让学生清晰地感受概念发展和建构的过程，准确把握章节的主干知识，突出大概念的整体性。 但大概念教学也存在情境创设难度大和理论深度较高的问题，它要求教师更加系统地厘清各级概念之间的联系，设计出对应课标次位概念的核心子问题，通过对学习任务或活动的组织来落实对概念的深度学习。对一线教师来说，本节课设计较为合理，但部分教学任务的输出层级仍需提升，可以通过加强集体备课和讨论交流，关注学术前沿，注重积累一些更贴合教学主题、更有时效性、更能激发民族自豪感等的“生活实践”或“学习探索”的情境，为大概念教学提供教学的灵感。 板书设计 第4节　蛋白质工程的原理和应用 备课资源 1.2024年诺贝尔化学奖得主David Baker、Demis Hassabis和John Jumper “David Baker成功完成了几乎不可能完成的壮举，制造出全新种类的蛋白质。Demis Hassabis和John Jumper开发了一种人工智能模型来解决一个50年前的问题：预测蛋白质的复杂结构。这些发现具有巨大的潜力。”蛋白质三维结构和功能的预测是现代生物化学和分子生物学中的一个重要研究领域。确定蛋白质结构的传统方法，如X射线晶体学和冷冻电子显微镜，既耗时又昂贵。近年来，人工智能和机器学习技术的发展，为蛋白质结果预测提供了一种可扩展的高效替代方法，对新药开发和理解生命过程具有深远影响。 2.对基因进行修饰或改造的方法 基因定点突变技术(site-directed mutagenesis)是一种在体外特异性地替换、插入或缺失DNA序列中任何一个特定碱基的技术。定点突变技术的基本操作是先合成一段含有突变碱基的DNA引物，并将这段引物杂交到含有目的基因的单链DNA上，该引物特定位点的碱基与模板上的碱基不互补配对，但是其余大多数碱基与模板能够配对。然后用DNA聚合酶将剩余片段进行延伸，得到的双链DNA分子转入宿主细胞并被克隆，最后用特定的筛选方法将突变分子筛选出来。要精确设计DNA引物，达到实现基因定点突变以及改变蛋白质氨基酸序列的目的，就需要知道特定蛋白质的氨基酸序列或编码基因的碱基序列。现在的科学技术已经能够实现准确测定蛋白质的氨基酸序列和基因的碱基序列。 基因融合技术能够将不同的基因进行组合，构成融合基因，表达出具有复合功能的融合蛋白。基因剪接技术可将编码一种蛋白质的部分基因剪切下来，移植到另一种蛋白基因上，这样就可以将不同蛋白质的特性集中到一种蛋白质上。基因融合和基因剪接技术可以显著地改变蛋白质的特性。 3.蛋白质工程与酶工程的区别与联系 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 1 页 共 1 页 学科网（北京）股份有限公司 $$