3.4蛋白质工程的原理和应用-学历案2026-2027学年高二下学期生物人教版选择性必修3

该高中生物学学历案围绕《蛋白质工程的原理和应用》，设置“改造Bt蛋白增强杀虫效果”“设计抗新冠病毒药物蛋白”学习任务，通过资料分析、学生活动及表格归纳等支架，引导学生从蛋白质功能推测结构、氨基酸及基因序列，理解工程流程。 以真实情境任务驱动教学，通过Bt蛋白改造发展结构与功能观（生命观念），逆向思维归纳流程培养科学思维，抗新冠药物设计提升社会责任感（态度责任），学生主动推测、设计、归纳建构知识，教师以问题和资料引导，体现学科特色教学方法。

《蛋白质工程的原理和应用》学历案 授课年级： 授课教师： 【学习目标】 1.通过完成“改造 Bt 蛋白，增强杀虫效果”的学习任务，由蛋白质的功能推测相应结构，再进一步推测氨基酸序列和基因序列，发展结构与功能观、信息观。 2.运用逆向思维分析“改造Bt蛋白”的基本流程，归纳改造一般蛋白质的思路，形成蛋白质工程的概念，发展归纳与推理的科学思维。 3.将蛋白质工程迁移运用到新情境“设计抗新冠病毒药物蛋白”中，尝试提出生产目标蛋白的工程学构想，尝试解决生产生活中实际问题，提升社会责任感。 【学习过程】 温故知新： 以棉铃虫为主的病虫害，制约着我国棉花产业的发展。在这样的背景下，我国于1997年成功培育出拥有自主知识产权的转基因抗虫棉并批准商业化种植；现今，转基因抗虫棉已经在全球范围内取得了巨大成功。 思考：请你简述利用“基因工程”技术得到Bt抗虫棉的流程图。 在论述Bt抗虫棉生产的基础上，归纳基因工程的实质：将一种生物的 转移到另一种生物体内，后者可以产生它 ，进而表现出 。 苏云金杆菌Bt抗虫基因最终能在棉花细胞中表达出来的理论基础是什么，请写下来： 任务一：改造Bt抗虫蛋白，增强杀虫效果 观看视频，回顾已学过的知识和图1的内容结合教材P93-94，思考并回答以下问题： 1.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 ，而它往往十分复杂。图1：蛋白质的高级结构 2.要分析并获得蛋白质的三维结构，现今我们可以利用哪些技术手段？ 资料1：Bt抗虫蛋白被分解为多肽，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厚的细胞膜疏水区，而结构Ⅱ、Ⅲ并未发现足够长度的疏水区域，研究人员推测结构Ⅰ可能参与昆虫肠上皮细胞膜中孔道的形成。 思考：结合资料1、2，请你推测可能参与昆虫肠上皮细胞膜中孔道的形成是Bt抗虫蛋白的哪部分结构？并尝试说明理由。 资料3：Bt抗虫蛋白结构Ⅰα5螺旋通过6聚体的形式，即以α螺旋亲脂侧朝外，亲水侧朝内形成亲水离子通道，由于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。研究人员推测：氨基酸的改变可能会引起蛋白质空间结构的细微差异和功能的改变。他们尝试用疏水性更强的精氨酸代替组氨酸。 思考：1.精氨酸代替组氨酸对蛋白质有何影响？ 2.可以直接对蛋白质进行改造吗？（从难易程度、可持续性角度考虑） 3.为什么不直接使用基因工程进行改造呢？（使用教材上的话回答） 学生活动1：若要将Bt抗虫蛋白的第168为组氨酸代替为精氨酸，改造后的Bt抗虫基因序列是什么？你是如何得到序列信息的？ 提示：UUA、CUU是亮氨酸的密码子，CAU是组氨酸的密码子；精氨酸的密码子是CGU、CGC、CGA、CGG、AGA、AGG。 通过上述活动，确定新Bt抗虫基因序列后，结合已学过的知识及教材P94“学科交叉”，思考并回答下列问题： 1.怎样才能合成或改造目的基因？ 2.改造后的Bt抗虫基因如何指导新Bt蛋白质的合成？ 3.如果要将Bt抗虫蛋白的改造成果应用到生产实践中去，还要做哪些工作呢？ 学生活动2：以Bt抗虫蛋白的改造为例，归纳改造蛋白质的基本思路吗？ 1、预期Bt蛋白有更强的杀虫功能 1、预期蛋白质的功能 2、推测结构Ⅰ中的5号螺旋可能参 与上皮细胞孔道的形成，与杀虫功能有关 3、预测结构Ⅰ的新氨基酸序列， 将168位的组氨酸替换为精氨酸 4、根据密码子设计相应的Bt抗虫基因核苷酸序列 5、改造并合成新的Bt抗虫基因，并进行转基因操作 6、指导合成新的Bt蛋白 7、新的Bt蛋白质鉴定，行使杀虫功能 7、新蛋白质鉴定，行使预期功能 根据“改造Bt抗虫蛋白，增强杀虫效果”的过程，初步构建核心概念： 蛋白质工程是指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 ， 以满足人类的生产和生活的需求。 【学以致用】 1.苏云金芽孢杆菌中的杀虫晶体蛋白Cry具有杀虫毒性，但Cry蛋白存在杀虫谱窄、毒力有限等问题，制约了其在农业生产中的进一步应用。科学家通过定点突变，将Cry蛋白第168位的组氨酸替换为精氨酸后，Cry蛋白对烟草天蛾的毒性提高了3倍;将Cry蛋白第282位、第283位的丙氨酸和亮氨酸分别替换成甘氨酸和丝氨酸后，Cry蛋白对舞毒蛾的毒性提高了7倍。请回答下列问题: (1)对Cry蛋白改造描述正确的是( )。 A.直接改造 Cry 蛋白 B.直接改造Cry蛋白的mRNA C.改造编码Cry蛋白的基因 D.重新合成新的基因 (2)如果将第168、第282、第283位的氨基酸全部替换，Cry蛋白对舞毒蛾的毒( )。 A.增加7倍 B.增加3倍 C.增加21倍 D.不确定，需要重新检测 (3)基因工程和蛋白质工程在利用苏云金芽孢杆菌方面有哪些不同? 基因角度 蛋白质角度 不同 基因工程 将Bt抗虫基因从苏云金杆菌体内转移到棉花体内 生产苏云金杆菌的Bt抗虫蛋白 蛋白质工程 联系 任务二：利用蛋白质工程生产抗新冠病毒的药物蛋白。 蛋白质工程仅能改造自然界已有的蛋白质吗? 能否制造出新的蛋白质? 资料4：2021年2月西湖大学周强团队揭开了新冠病毒入侵人体细胞的关键是新冠病毒表面的S蛋白中含有受体接合结构域-RBD，能够与人体细胞上血管紧张素转化酶2-ACE2结合，进而侵入人体，ACE2是人体一种参与血压调节的受体蛋白，在在肺、心脏、肾脏和肠道细胞表面广泛存在。 思考：1.通过阅读资料4，从干扰冠状病毒入侵人体细胞的角度，说出抗新冠病毒药物蛋白的关键作用环节。 学生活动3：从干扰冠状病毒入侵人体细胞的角度，尝试设计与新冠病毒RBD结合的药物蛋白，写出设计思路。 资料5：科学家使用专门进行蛋白质设计的软件Rosetta模拟能够与RBD结合的蛋白质，获得对应多肽链的氨基酸序列信息，最终获得5种与RBD高亲和力结合的小蛋白，命名为LCB1—LCB5。新蛋白对新冠病毒的中和作用 资料6：为检测新蛋白的生物学功能，科学家测定LCB1—LCB5对新冠病毒的中和作用，结果如图所示。 思考：抗病毒实验表明 对新冠病毒的中和作用效果最好。 再思考：能否用“改造”的技术，改造已有的蛋白质结构呢？若可以，那么选择哪一部分进行改造呢？ 根据“利用蛋白质工程生产抗新冠病毒的药物蛋白”的过程，完善核心概念： 蛋白质工程是指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 ，来改造现有蛋白质，或 ，以满足人类的生产和生活的需求。 【学以致用】 2.水蛭唾液腺分泌的水蛭素（蛋白质）是一种优良的凝血酶抑制剂，在血栓治疗上有着重要的医学价值，但天然的水蛭素的临床活性较低，如果将水蛭素分子中第47位的天冬酰胺替换成赖氨酸，其分子活性会提高20倍。结合上述信息，请回答下列问题： （1）在生物学领域，对水蛭素进行分子改造使用的技术是 。获得上述分子的基本途径为： →设计预期的水蛭素的蛋白分子结构→推测应有的 →找到相对应的脱氧核苷酸序列。 （2）科学家通过反复实验，获得了改造后的水蛭素基因，将水蛭素基因导入大肠杆菌中，结果发现，获得的水蛭素注入血栓患者体内后并没有达到令人满意的效果。请你试分析可能的原因是 。 【本节小结】 【检测与作业】 1.干扰素是动物体内合成的一种蛋白质，可以用于治疗病毒感染和癌症，但体外保存相当困难，如果将其分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，就可在一70℃条件下保存半年，给广大患者带来福音。回答下列问题： (1)蛋白质的合成是受基因控制的，因此获得能够控制合成“可以保存的干扰素”的基因是生产的关键，依据蛋白质工程原理，设计如图所示的实验流程，让动物生产“可以保存的干扰素”。其中①表示 ；②表示 ；③表示 ；④表示 。 (2)基因工程和蛋白质工程相比较，基因工程在原则上只能生产 的蛋白质，不一定符合 的需要。 (3)蛋白质工程实施的难度很大，原因是蛋白质具有十分复杂的 结构。 2.利用木聚糖酶进行纸浆漂白时，可以大幅度减少氯化物的用量，减轻造纸工业对环境的污染。纸浆漂白需要在高温碱性条件下进行，因此需要耐热耐碱的木聚糖酶。根据生产需要，科学家将木聚糖酶的第110位的丝氨酸和第154位的天冬氨酸都突变为半胱氨酸，从而在该蛋白的第110位和第154位形成一个二硫键，并在羧基末端将第162位的谷氨酰胺突变为组氨酸或酪氨酸，使木聚糖酶在65℃时的半衰期从不到1min延长到63min，减少了纸浆漂白时木聚糖酶的用量，提高了生产效率。请回答下列问题: (1)科学家对木聚糖酶的改造过程是怎样的? (2) 有研究表明在木聚糖酶中特定部位引入精氨酸可以增加木聚糖酶的离子键数目，从而增加酶在碱性环境中的稳定性。根据这一研究结果，请利用蛋白质工程技术设计改造木聚糖酶，提高其在碱性条件下的稳定性。 (3) 利用蛋白质工程技术，针对目前水体污染，提出治理的构想和初步方案。 【学后反思】 请自主梳理本节课的知识体系，写下还有哪些地方存有疑惑，需要老师提供何种帮助。 2 学科网（北京）股份有限公司 $