3.3蛋白质工程是基因工程的延伸(第一课时)教学设计2026-2027学年高二下学期生物沪科版选修三

该高中生物学教学设计聚焦蛋白质工程概念、与基因工程的本质区别、逆向思维及定点突变技术。以天然人胰岛素临床缺陷为情境导入，对比基因工程仅能生产天然蛋白的局限，引出蛋白质工程，搭建旧知（基因工程）与新知的学习支架。 该资料亮点在于医疗情境驱动逆向思维培养，通过赖脯胰岛素案例落实结构与功能生命观念，用PCR突变引物原理图训练科学思维，结合国产医用蛋白案例渗透态度责任。采用案例探究与任务驱动法，助学生建立工程思维，教师可直接使用对比表格与案例提升教学效率。

教学设计 课程名称 蛋白质工程是基因工程的延伸(第一课时) 选用教材 高中生物沪科版选修三 教学章节 第三章第三节 授课对象 高二学生 授课类型 新授课 授课学时 1课时（45分钟） 一、教学内容分析 本节课为本节第一课时，以天然人胰岛素临床使用缺陷为导入情境，对比基因工程只能表达天然蛋白的局限，引出蛋白质工程为第二代基因工程；讲解蛋白质工程核心定义，梳理 “蛋白质氨基酸序列反向推导基因碱基序列” 逆向思维主线，设置配套思考讨论题拆解改造基因获取思路；依托蛋白质工程修饰改造流程示意图，区分蛋白质工程两大核心技术：定点突变、定向进化；重点精讲定点突变技术，结合赖脯胰岛素改造完整案例，搭配 PCR 突变引物设计原理图、赖脯胰岛素药品实物图、L - 天冬酰胺酶蛋白与药剂图，分步讲解从蛋白缺陷定位关键氨基酸、反向改造基因、PCR 扩增突变基因、工程菌表达改良蛋白全流程；落实结构与功能相适应生命观念，建立逆向改造分子工程思维，为第二课时定向进化、新药拓展、两类技术对比铺垫基础。 二、学情分析 1. 知识基础 学生已完整学习基因工程全套操作，掌握中心法则、密码子、碱基与氨基酸对应关系；清楚基因工程操作起点是天然目的基因，仅能生产自然界原有蛋白质，但不理解 “从蛋白功能倒推修改基因” 的逆向逻辑；完全不了解定点突变 PCR 突变引物不完全互补即可引导扩增的原理；对药用蛋白聚集、免疫排斥等临床缺陷缺乏认知；无法区分基因工程、蛋白质工程操作起点与改造产物的本质差异。 2. 能力基础 高二学生具备基础分子流程示意图、药品实物图、蛋白三维结构图识图能力，能正向梳理 DNA→RNA→蛋白质，但逆向由氨基酸推导基因的逻辑推理薄弱；缺少根据糖尿病胰岛素临床痛点自主设计定点突变改造方案的工程推理能力；面对定点突变多步骤串联流程，难以自主拆分每一步操作目的与控制变量，需要教师分层案例任务分步引导归纳。 3. 认知基础 学生存在典型认知误区：混淆基因工程与蛋白质工程操作起点，认为二者均从目的基因出发；认为 PCR 引物必须与模板完全互补；觉得天然蛋白质结构功能完美，不存在改良需求；误以为定点突变会随机改变多处氨基酸，不理解其精准替换单个位点的特点。 三、教学目标 1. 生命观念（结构与功能相适应） 蛋白质氨基酸一级序列直接决定空间结构与生理功能，人为替换特定位点氨基酸可精准改良蛋白性能，体现核酸、蛋白质结构决定分子功能；全套生物共用一套遗传密码，支撑氨基酸序列与 DNA 碱基序列双向推导，是蛋白质工程逆向改造的底层结构基础。 2. 科学思维 依托蛋白质工程改造流程图、PCR 突变引物示意图、两款药用蛋白案例图文，归纳蛋白质工程定义、定点突变完整操作逻辑；横向对比基因工程、蛋白质工程的操作起点、改造对象、产物类型；结合胰岛素量产医疗案例，推理定点突变改良药用蛋白的完整工程逻辑；预判仅依靠基因工程、无定点突变改造对糖尿病治疗效果的干扰，建立 “蛋白功能缺陷→关键氨基酸定位→反向改造基因→PCR 扩增突变基因→改良蛋白表达” 完整逆向工程推理逻辑。 3. 科学探究 能根据多肽氨基酸序列完整反向推导对应的编码 DNA 序列，梳理两种获取改造目的基因的方法；能解读 PCR 突变引物设计原理图，分析不完全互补引物引入定点碱基替换的原理；能结合赖脯胰岛素案例，完整模拟定点突变改造简化实验方案。 4. 社会责任 定点突变改造的赖脯胰岛素、低免疫原性抗肿瘤酶大幅优化糖尿病、白血病临床治疗效果，减少患者痛苦；国产改造型药用蛋白打破国外生物制药垄断，普惠基层患者；全套 DNA 定点改造实验严格遵循生物安全操作规范，引导学生认识基础分子工程技术依托医疗需求创新，树立生物技术服务全民健康的社会责任。 四、教学重难点 重点 1. 蛋白质工程核心定义，与基因工程本质区别； 2. 由氨基酸序列反向推导编码基因的逆向思维逻辑； 3. 定点突变技术完整操作流程（赖脯胰岛素为核心案例）。 难点 1. 逆向思维：从蛋白质临床缺陷出发，定位关键氨基酸，反向改造 DNA 基因； 2. PCR 不完全互补突变引物实现定点碱基替换的分子底层原理。 五、教学方法  医疗痛点情境导入法：以天然胰岛素聚集、反复注射的糖尿病临床问题创设主线；  分子示意图分层讲授法：利用蛋白改造流程、PCR 引物原理图拆解核心原理；  医药案例探究教学法：依托赖脯胰岛素、L - 天冬酰胺酶两组医用蛋白案例讲解定点突变实操；  递进对比问题链驱动法：设置基因工程 / 蛋白质工程、定点突变配套阶梯对比提问；  任务驱动探究法：布置氨基酸反向推导基因小组讨论任务。 六、教学资源 教材配套素材：人胰岛素临床改造情境文本、氨基酸推导基因思考讨论题、蛋白质工程修饰改造天然蛋白流程示意图、PCR 合成突变基因引物设计原理图、赖脯胰岛素注射液实物图、L - 天冬酰胺酶三维结构与药品图；配套文本：本节课思考讨论题、案例分析任务单。 七、教学过程 教学环节 教师活动 学生活动 环节 1 胰岛素临床缺陷情境导入，明确课时主线（6min）  情境导入：天然人胰岛素注射后易聚集大分子、易被体内降解，糖尿病患者每日需要多次注射，极大降低治疗舒适度；基因工程只能生产天然胰岛素，无法解决该缺陷，本节课学习第二代基因工程 —— 蛋白质工程，掌握从蛋白缺陷反向改造基因的完整思路，重点学习定点突变精准改造技术。  出示由蛋白质的氨基酸序列推演基因序列文本，抛出课堂思考讨论题： ① 如何推演出决定这一段肽链的 DNA 序列？ ② 确定了目的基因的碱基序列后，怎样才能获得改造的目的基因？  板书本课时三大学习模块：蛋白质工程概念及与基因工程对比、氨基酸反向推导基因逆向逻辑、定点突变技术及医用蛋白案例。  回忆中心法则、基因工程基础旧知，思考如何反向修改基因改良蛋白质性能，明确课时学习方向。  阅读氨基酸推基因文本，四人小组交流讨论题，猜想需借助密码子完成逆向推导，记录本课时学习框架。 环节 2 模块 1 蛋白质工程概念、与基因工程对比（10min）  概念讲解：蛋白质工程是在 DNA 分子水平上改造基因碱基序列，表达出性能优于天然蛋白的突变蛋白，又称第二代基因工程；包含定点突变、定向进化两大操作策略，核心思路是从预期蛋白质功能出发，反向改造编码基因。  分层对比核心差异：基因工程起点是天然目的基因，仅能生产自然界存在的天然蛋白；蛋白质工程起点是蛋白质预期功能 / 氨基酸序列，可改造天然蛋白、设计全新非天然蛋白。  出示蛋白质工程修饰改造天然蛋白的基本流程示意图 区分定点突变（精准改变单个位点碱基）、定向进化（随机突变多轮筛选）两条技术路径。  递进提问：为什么天然蛋白质不能完全适配人类医疗、工业需求？蛋白质工程被称为第二代基因工程的根本原因？  观看蛋白改造流程示意图，记录蛋白质工程定义、两类技术名称，分组回答对比提问，理清两类工程核心差异。  小组绘制简易对比表格，梳理基因工程、蛋白质工程操作起点、产物、改造逻辑三大区别。  标记笔记核心考点：蛋白质工程逆向改造，可产生自然界不存在的突变蛋白。 环节 3 模块 2 氨基酸序列反向推导编码基因（9min）  逆向逻辑讲解：已知多肽氨基酸序列，先查密码子表得到对应 mRNA 碱基，再按照碱基互补配对反向推导 DNA 模板链、编码链序列；一条氨基酸序列可对应多种 DNA 序列（密码子简并性）。  给出教材多肽氨基酸示例：丙氨酸 — 色氨酸 — 赖氨酸 — 甲硫氨酸 — 苯丙氨酸，带领学生分步推导编码 DNA 序列。  分层梳理获取改造目的基因两种途径：短基因可人工化学合成；长基因可借助 PCR 突变引物扩增获得。  小组任务：两人一组完成短肽氨基酸反向推导 DNA 序列练习。  跟随教师分步完成氨基酸推基因推导过程，理解密码子简并性带来多种 DNA 编码序列。  同桌配合完成小组推导练习，梳理人工合成、PCR 扩增两种改造基因获取方法。  记录课后预习任务：提前阅读下课时定向进化、t-PA 溶栓酶拓展内容。 环节 4 模块 3 定点突变技术、两款医用蛋白完整案例（14min）  定点突变概念：精准定位蛋白质影响功能的关键氨基酸，对应修改编码基因特定位点碱基，依靠 PCR 不完全互补突变引物扩增获得突变目的基因，导入受体细胞表达改良蛋白。  案例 1 赖脯胰岛素速效改造：天然胰岛素 B 链 28、29 位赖氨酸、脯氨酸顺序导致聚集，定点突变调换两处编码碱基序列。出示 PCR 合成人胰岛素突变基因的引物设计原理图 讲解突变引物仅部分互补模板，退火后可引导扩增突变 DNA；出示赖脯胰岛素注射液实物图 说明改良后不聚集、降糖起效更快。  案例 2 L - 天冬酰胺酶低免疫改造：细菌来源酶易引发人体过敏，定点突变替换赖氨酸位点，降低免疫原性且保留酶活性。出示 L - 天冬酰胺酶三维结构图与药品实物图  分层思辨提问：PCR 突变引物不需要完全互补模板，依靠什么作用力结合 DNA？定点突变相比随机改造蛋白有什么优势？改良胰岛素相比天然胰岛素有哪些临床优势？  依次观看 PCR 引物原理图、两款医用蛋白配套图文，完整抄写定点突变操作流程，分组作答思辨提问，理解不完全互补引物实现定点碱基替换的分子原理。  四人小组梳理赖脯胰岛素完整改造链条：蛋白缺陷→定位关键氨基酸→反向修改基因→PCR 扩增突变基因→工程菌表达改良胰岛素。  标记易错点：定点突变精准替换少数特定位点氨基酸，无大范围随机突变。 环节 5 课堂小结与分层课后任务（6min）  分层梳理全课主线：蛋白质工程定义、与基因工程对比；氨基酸逆向推导编码基因逻辑；定点突变完整改造流程及两款医用胰岛素、抗肿瘤酶案例。  分层布置课后任务：基础任务绘制基因工程与蛋白质工程对比表格；提升任务完整论述赖脯胰岛素定点突变全部操作步骤；预习第 2 课时定向进化、t-PA 溶栓酶、实验室模拟进化内容。  跟随教师梳理三层知识主线，同桌互相抽查蛋白质工程概念、定点突变核心原理知识点，完善课堂笔记。  通读下课时预习文本，标记定向进化、随机突变、噬菌体展示关键词，记录分层课后巩固任务。 八、板书设计 九、课程思政 定点突变改造的两款国产医用蛋白优化糖尿病、白血病临床治疗方案，大幅减轻患者生理痛苦，体现分子工程技术以医疗需求为导向、服务全民健康的研发初心；我国自主完成药用蛋白定点突变全套改造技术，打破国外高端生物制药长期垄断，彰显本土生物工程自主创新实力；全套 PCR 定点改造、微生物表达实验严格遵循无菌、低温生物安全实验室规范，培养科研从业者严谨规范、求真务实的探究品格；蛋白质工程逆向改造思路依托中心法则、密码子基础理论，印证基础分子生物学研究是医药产业创新的根基。 十、教学反思与修改措施 1 教学反思 本节课依托分子流程图、两款医用蛋白案例完成授课，多数学生记住蛋白质工程基础定义、定点突变大致流程，但短板突出：逆向由氨基酸推导 DNA 序列时易混淆模板链、编码链；无法完整解释 PCR 不完全互补引物实现定点突变的分子机制；极易混淆基因工程、蛋白质工程操作起点；小组氨基酸推导练习时间不足，学生自主逆向逻辑推理能力薄弱。 2 修改措施 课前发放基因工程 / 蛋白质工程、氨基酸推导填空预习单；课堂压缩教师读图讲授时长，增加 10 分钟小组推导、案例讨论环节；配套两类工程辨析、定点突变 PCR 原理专项填空题当堂巩固；课后配套逆向推导绘图、赖脯胰岛素改造流程论述习题，夯实逆向分子逻辑。 学科网（北京）股份有限公司 $