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

该高中生物学教学设计聚焦“蛋白质工程的原理和应用”核心知识，通过回顾基因工程概念导入新课，建立“基因工程生产天然蛋白质—蛋白质工程改造蛋白质”的知识脉络，以旧知为支架引导学生理解新知。 此资料亮点在于以科学思维为核心，通过对比中心法则与蛋白质工程逆向途径解析原理，结合速效胰岛素、荧光蛋白等实例渗透探究实践，融入X射线衍射、定点突变等学科交叉技术培养态度责任，助力学生构建知识体系，提升教师教学效率。

课题 第3章 第4节 蛋白质工程的原理和应用 时间 教材分析 学情分析 教学目标 1.说出蛋白质工程崛起的缘由。 2.概述蛋白质工程的基本原理。 3.举例说明依据人类需要对原有蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程。 教学重难点 1.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。 2.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。 教学内容及流程 学习任务 教学过程 备注 新课导入 【教师讲述】回顾基因工程的概念：基因工程是指按照人们的愿望，通过体外重组 DNA等技术，赋予生物以新的遗传特性，从而创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。由于基因工程是在 DNA 分子水平上进行设计和施工的，因此又叫做转基因技术。 让学生通过回顾学过的知识来学习新的知识。 蛋白质工程崛起的缘由 【教师讲述】基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，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。例如，干扰素是动物体内的一种蛋白质，可以用于治疗病毒的感染和癌症，但在体外保存相当困难。如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，那么在 - 70℃的条件下，可以保存半年。 【教师讲述】蛋白质是由基因编码的，改造了基因可以间接改造蛋白质。基因可以遗传，蛋白质无法遗传。 让学生认识到进行蛋白质工程研究的必要性。 蛋白质工程的基本原理 【教师讲述】天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的：基因→表达（转录和翻译）→形成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；而蛋白质工程却与之相反，它的基本途径是：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（基因） 让学生根据已有的中心法则的知识，说出天然蛋白质的合成过程，进而逆推出蛋白质工程的基本思路，并根据这个思路，对一段已知氨基酸序列的肽链进行分析，构建起脱氧核苷酸序列。 蛋白质工程的概念 【教师讲述】蛋白质工程：是指以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类生产和生活的需求。也就是说，蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程，是包含多学科的综合科技工程领域。 【思考讨论】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。这些荧光蛋白在细胞内生命活动的检测、肿瘤的示踪研究等领域有着重要应用。那么，科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢？ 学科交叉：科学家解析绿色荧光蛋白，要制备蛋白质晶体，然后通过 X 射线衍射技术，分析晶体结构；要借助计算机来建立蛋白质的三维结构模型进行辅助设计；要用到基因的定点突变技术来进行碱基的替换。使其编码的蛋白质的第 203 位苏氨酸替换为酪氨酸，从而获得了黄色荧光蛋白。 让学生自主探索有利于培养他们的学习能力和解决问题的能力，在小组讨论的过程中，学生的思路也会更加开阔。 让学生感悟蛋白质工程的发展离不开多种技术的支持，体会学科交叉对生物学发展的影响。 蛋白质工程的应用 【教师讲述】（一）在医药工业方面的应用 1.研发速效胰岛素类似物 天然蛋白质易形成二聚体，通过定点突变，将 B28 位脯氨酸替换为天冬氨酸或将它与 B29 位的赖氨酸交换位置，降低胰岛素的聚合作用，获得速效胰岛素类似物。 2.延长干扰素体外保存时间 通过定点突变，将干扰素分子上一个半胱氨酸变成丝氨酸，改造后的干扰素在 - 70℃下可以保存半年。 3.提高蛋白质的热稳定性 以 T4 溶菌酶为例，通过点突变，将第 3 位异亮氨酸变为半胱氨酸，使其与第 97 位半胱氨酸形成二硫键，提升耐热性。 4.制备人鼠嵌合抗体 小鼠单克隆抗体会使人体产生免疫反应，导致治疗效果降低。通过改造基因，将小鼠抗体上结合抗原的区域（可变区）“嫁接” 到人的抗体（恒定区）上，降低抗体诱发的免疫反应强度。 【教师讲述】（二）在工业方面的应用 广泛用于改进酶的性能或开发新的工业用酶：利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的突变体，从中筛选出符合工业化生产需求的突变体，提高该酶使用价值。枯草杆菌蛋白酶可水解蛋白质，常用于洗涤剂工业、丝绸工业等。 【教师讲述】（三）在农业方面的应用 1.利用蛋白质工程设计优良微生物农药，改造微生物蛋白质结构，增强病虫害防治效果。 2.改造参与调控光合作用的酶，提高植物光合作用速率，增加粮食产量。 3.玉米中赖氨酸含量较低，因赖氨酸合成关键酶（天冬氨酸激酶、二氢吡啶二羧酸合成酶）活性受细胞内赖氨酸浓度影响大，赖氨酸达到一定浓度会抑制酶活性。改造相关氨基酸后，玉米叶片和种子游离赖氨酸含量分别提高 5 倍和 2 倍。 【表格比较】基因工程与蛋白质工程的比较 【拓展延伸】根据改造蛋白质的部位多少，蛋白质改造分为三类： 大改：设计并制造出自然界中不存在的全新蛋白质。 中改：改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基。 小改：在蛋白质分子中替换某一个肽段或某一个特定的结构域。 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。 拓展学生的视野。 蛋白质工程的进展和前景 【教师讲述】蛋白质工程是一项难度很大的工程，目前成功的例子不多，主要是因为蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，这种高级结构十分复杂，而目前科学家对蛋白质的高级结构的了解还很不够，要设计出更加符合人类需要的蛋白质还需经过艰辛的探索。随着科学技术的深入发展，蛋白质工程将会给人类带来更多的福音。 蛋白质结构相关 蛋白质一级结构：氨基酸排列顺序 蛋白质二级结构：指蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕的方式 蛋白质三级结构：蛋白质分子处于天然折叠状态的三维构象 蛋白质四级结构：体内许多蛋白质含 2 条及以上多肽链才能执行功能，每条多肽链的完整三级结构称为亚基 小结与练习 【课堂小结】同板书 【课堂练习】处理教材中的思考讨论、练习与应用，处理双导学案和分层作业 引导学生关注知识内容的梳理，尝试构建概念图。 板书设计 3.4蛋白质工程的原理和应用 作业布置 【课后作业】1.完成分层训练课后素养评价、2.完成双导学案对应内容和下一节问题式预习部分 教学反思 在教学过程中，指导学生加强与已有知识的联系，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，让学生通过阅读实例、观察、讨论来学习，区别基因工程和蛋白质工程，认同蛋白质工程是第二代基因工程。 通过让学生课前查阅资料以及课上教师的讲解，让学生认识到蛋白质工程是一项庞大的综合科技工程，初步体会现代科技对学科间交叉的要求，从而形成初步的职业观念。 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $