3.4 蛋白质工程的原理和应用（1课时）教学设计-2025-2026学年高二下学期生物人教版选择性必修3

课题名称 3.4 蛋白质工程的原理和应用（1课时） 课堂类型： R新课 □复习课 □习题课 □实验课 □试卷讲评课 □其他： 学习者 分析 在学习本节内容之前，学生已经掌握了在必修课中已经学习过的中心法则、蛋白质具有复杂的空间结构等知识，以及刚学过的基因工程的基本原理和操作步骤，比较清楚地利用转基因技术在受体生物和受体细胞中表达目的基因的原理和方法，知道基因工程实现了世界上现有基因在转基因生物中的表达。这些都是学习本节内容知识的支点。但学生对于复杂蛋白质的转基因技术生产，以及通过认为手段改变基因结构，从而生产自然界不存在的蛋白质这些技术流程并不了解。学生通过案例分析、问题探讨、资料查阅等活动，应用科学思维解决具体问题，对基因工程、蛋白质结构与功能的关系，以及基因控制蛋白质的合成等概念有更加深入的理解。 教学目标 与本节内容对应的课程标准的“内容要求”是：概述人们根据基因工程原理，进行蛋白质设计和改造，可以获得性状和功能更符合人类需求的蛋白质；举例说明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。结合教材内容，确定本节的教学目标如下： 1、 说出蛋白质工程崛起的缘由； 2、 概述蛋白质工程的原理； 3、 举例说明对现有蛋白质的编码基因进行改造，获得人类所需要的蛋白质的过程。 教学重点 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。 落实教学重点的方法： 小组讨论完成思考·讨论部分问题； 教师板画流程图解。 教学难点 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。 突破教学难点的方法： 小组讨论完成思考·讨论部分问题； 教师板画流程图解。 教学资源 选择 教师用书、教材、题单、天天练 技术手段的使用： 电子白板、板书、多媒体 课时： 1课时 核心问题 蛋白质工程的基本原理是什么？蛋白质工程已有哪些实际的应用？ 教学过程设计 问题情境 教学活动设计 （学习活动设计） 设计意图 创设情境，导入新课 我们都知道现在重组人胰岛素是世界上第一个基因工程药物；重组人干扰素是我国第一个基因工程药物，随着基因工程技术的日益成熟，越来越多生物的性状被定向改变，其中基因工程药物胰岛素也是大家比较熟悉的。我们知道胰岛素通过促进组织细胞加速摄取、利用和储存葡萄糖来降低血糖的浓度，常用于治疗糖尿病，但实际上目前天然胰岛素的使用存在一个问题，教师展示资料：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成单体的过程，这在一定程度上延缓了疗效。结合基因工程的内容，请大家思考并回答下列几个问题： 1、 基因工程的实质是什么？——基因重组 2、 基因工程能不能产生自然界不存在的蛋白质呢？——不能 3、 基因工程生产的天然蛋白质是都完全符合人类生产和生活的需要？——不一定 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，研究人员通过解析人胰岛素的晶体结构发现，人胰岛素由A链和B链构成，其中B链的第20-29位氨基酸是胰岛素分子相互作用形成多聚体的关键区域，改变这个区域氨基酸的组成就有可能降低胰岛素分子间的作用力。目前，科学家已经通过改造胰岛素基因实现了对相应氨基酸序列的改造，从而有效抑制了胰岛素的聚合，由此研发出速效胰岛素类似物产品。 由此可见，对蛋白质分子的设计和改造仅靠基因工程无法实现，需要通过蛋白质工程实现。蛋白质工程指的是：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。 结合学生已有的知识储备和生活经验，认同基因工程只能生产自然界现有的蛋白质，创设新的情境问题驱动学生思考并尝试解决，与此同时为后面学习蛋白质工程崛起做铺垫。 引导学生解析概念，强化对蛋白质工程概念的理解。 问题情境 教学活动设计 （学习活动设计） 设计意图 蛋白质工程崛起的原因是什么？ 为什么要进行蛋白质工程的研究呢？通过刚刚的实例我们知道，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，即定向改变生物的性状。基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，没有办法解决胰岛素发挥作用慢的问题，因为这些蛋白质都是生物在长期进化过程中形成的，他们的结构和功能符合特定物种生存的需要，但不一定完全符合人类生产和生活的需要。除了刚刚提到的胰岛素以外，再比如：人类必需氨基酸赖氨酸，玉米中赖氨酸含量较低，其合成与两种关键酶——天冬氨酸激酶和二氢砒啶二羧酸合成酶有关，但是这两种酶的活性受赖氨酸本身含量的影响，如果玉米体内赖氨酸含量达到一定浓度就会抑制这两种酶的活性，这种调节方式属于什么调节？——负反馈调节。所以玉米中的赖氨酸含量很难提高。如果我们将天冬氨酸激酶中第352位的苏氨酸变成异亮氨酸，将二氢吡啶二羧酸合成酶中第104位的天冬酰胺变成异亮氨酸，就可以使得玉米叶片和种子中游离赖氨酸含量分别提高5倍和2倍。 【PS：人类必需氨基酸：赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、甲硫氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸】 那么，蛋白质工程到底是如何进行的呢？ 结合前面的胰岛素实例以及赖氨酸含量提高的实例，引导学生认同蛋白质工程可以生产出人类需要的产品，认同生物技术可以造福人类。 问题情境 教学活动设计 （学习活动设计） 设计意图 蛋白质工程是怎样进行的呢？ 我们刚刚已经知道蛋白质工程的目标是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，由于基因决定蛋白质，因此，对蛋白质的结构进行设计改造，最终通过改造或合成基因来完成。 思考：为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质？ ——①蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大； ②蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质； ③基因可以遗传，蛋白质无法遗传。 在分析蛋白质工程的操作过程之前，我们先来回顾一下天然蛋白质的合成过程：按照中心法则进行，基因-转录成mRNA-翻译出蛋白质（即表达）-形成具有特定氨基酸序列的多肽链-盘曲折叠形成具有高级结构的蛋白质-行使生物学功能。蛋白质必须具有一定的空间结构才能行使相应功能，其中空间结构包括一级、二级、三级甚至四级结构，十分复杂，因此直接改造难度很大。 按照刚刚胰岛素和赖氨酸两个实例，我们发现蛋白质的基本操作过程是先去设计氨基酸序列然后倒推基因序列，通过改造或合成基因来达到改造蛋白质的目的。具体的操作程序可总结为： 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。该过程与中心法则其实是相反的。 由于蛋白质的空间结构复杂，因此常常需要借助计算机来建立蛋白质的三维结构模型，要制备蛋白质晶体，然后通过X射线衍射技术分析晶体的结构，要用到基因的定点突变技术来进行碱基的替换。【基因定点突变的目的是通过定向地改变基因内一个或少数几个碱基来改变多肽链上一个或几个氨基酸，该技术是蛋白质工程的重要技术，主要分为PCR定点突变技术和不依赖PCR的定点突变技术。】 根据该流程，请大家小组为单位完成思考·讨论部分的两个问题，教师展示密码子表。 某多肽链的一段氨基酸序列是： 1、怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸虚列？请把相应的碱基序列写出来。 推出mRNA上的序列：丙氨酸 ：GCU、GCC、GCA、GCG。色氨酸：UGG。 赖氨酸： AAA 、AAG 。甲硫氨酸：AUG。苯丙氨酸：UUU 、UUC 找到DNA上相对应的脱氧核苷酸序列（基因）： 丙氨酸 ：CGA、CGG、CGT、CGC。色氨酸： ACC。赖氨酸：TTT 、TTC 甲硫氨酸：TAC。苯丙氨酸：TTT 、TTG 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？ ——人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因，对目的基因进行改造。经常用到基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。 【拓展】根据改造蛋白质的部位的多少，对蛋白质的改造可分为三类： ——（1）大改：设计并制造出自然界中不存在的全新蛋白质 （2）中改：在蛋白质分子中替换某一个肽段或某一个特定的结构域。 （3）小改：改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基 结合你对基因工程和蛋白质工程的了解，列表比较基因工程和蛋白质工程： 问题驱动学生思考并理解蛋白质工程的起点是改造基因。 结合蛋白质工程的基本操作流程，学生分组讨论合作完成思考·讨论部分问题，体验科学家的实验探究过程。 列表比较蛋白质工程和基因工程，培养学生的比较分析能力、知识综合应用能力。 加深学生对基因工程和蛋白质工程不同点的理解。 问题情境 教学活动设计 （学习活动设计） 设计意图 蛋白质工程目前已经实现的应用有哪些？ 【自主学习】自主阅读课本P95相关内容，总结蛋白质工程可以应用于哪些领域，有哪些案例。 （一）医药工业方面 1、研发速效胰岛素类似物，该实例中改造基因的方法是定点突变 2、延长干扰素体外保存时间 3、提高蛋白质的热稳定性【教材96页拓展应用】 4、降低人对小鼠单克隆抗体的免疫反应 （二）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。 如枯草杆菌蛋白酶具有水解蛋白质的作用，常被用于洗涤剂工业、丝绸工业等。迄今为止，利用蛋白质工程获得的该酶的突变体已有上百种，从中可能筛选出一些符合工业化生产需求的突变体，从而提高这种酶的使用价值。 （三）农业方面 1、改造某些参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的速率，增加粮食的产量。 2、利用蛋白质工程的思路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。 在教材的导入部分提到的细菌作画，之所以细菌能够发出荧光是因为导入了荧光蛋白基因。最开始自然界中存在绿色荧光蛋白基因，通过改造得到了黄色荧光蛋白。 【异想天开】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所需要的蛋白质食品呢？ ——理论上讲可以，但目前还没有真正成功的例子。主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂，人类对大多数蛋白质的高级结构和蛋白质在生物体内如何行使功能了解得还不够，很难设计出一个全新的而又具有功能的蛋白质。即使设计并获得了一个全新的蛋白质，它的生理生化特性、用它生产的蛋白质食品的安全性等都需要长期深入的研究。 蛋白质工程是一项难度很大的工程，主要是因为：◆蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，而这种高级结构往往十分复杂。◆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。 学生自主阅读教材获取信息，教师引导学生分类总结，强化学生对该部分内容的掌握。 让学生体会蛋白质工程发展对社会发展的积极意义，感受科技探索之路充满挑战。 问题情境 教学活动设计 （学习活动设计） 设计意图 课后任务 让学生课后围绕以下问题，查阅资料进行了解： 1、 什么是人类蛋白质组计划？它与蛋白质工程有什么关系？我国科学家承担了什么任务？中国人类蛋白质组计划如何进行？ 2、 什么是酶工程？它与蛋白质工程有什么关系？ 拓展学生的视野。 作业布置 导学案、教材课后练习 教学反思 成功与精彩： 归因分析： 缺憾与不足： 改进计划： 学科网（北京）股份有限公司 $