3.4蛋白质工程的原理和应用说课课件2021-2022学年高二下学期生物人教版选择性必修3（共16张PPT）
文档属性
| 名称 | 3.4蛋白质工程的原理和应用说课课件2021-2022学年高二下学期生物人教版选择性必修3（共16张PPT） |  | |
| 格式 | zip | ||
| 文件大小 | 357.6KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 生物学 | ||
| 更新时间 | 2022-05-18 20:19:41 | ||
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文档简介
(共16张PPT)
课 题
蛋白质工程的原理和应用
一、教材分析
(一)教学目标
(二)教学重点、难点
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。
1、蛋白质工程的原理。
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。
二、教学过程
(一)新课导入（创设情境）
教师提出问题：
创设用细菌画画的情景， 通过“图片”展示细菌画激发学生学习的兴趣，通过分析其中的原理，学生能够知道这需要对荧光蛋白进行设计和改造，进而指出，对蛋白质进行设计和改造的操作属于蛋白质工程的范畴。
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。使学生了解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。
科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢？
(二)新课教学
1.蛋白质工程的概念
教法：利用学生已有的知识经验，促进对蛋白质工程概念的理解 (生命观念)
学生已经学过了蛋白质具有复杂的空间结构，表达生物特有的功能和性状，以及中心法则等知识，通过回忆中心法则遗传信息流动方向，让学生认识到蛋白质的功能由基因决定，要制造出新的蛋白质就要改造基因。并以刚学过的基因工程知识进行比较。在学生已有知识经验的基础上，引导学生分析蛋白质工程的实质和目的，促进学生理解蛋白质工程的概念。
2.蛋白质工程崛起的缘由
教法：引导学生分析进行蛋白质工程研究的原因，通过一个实例“玉米中赖氨酸含量低的改进措施”即改造赖氨酸合成过程中两种酶，来提高玉米赖氨酸含量。说明开展蛋白质工程研究的意义。让学生了解蛋白质工程崛起的缘由（社会责任）
教法：通过问题驱动，加深对蛋白质工程的基本原理的理解(科学思维)
依据人类需要对天然蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程既是学习的重点也是难点。问题驱动教学法，能让学生通过积极思考、分析，过程中加深对原理的理解。
例如，在介绍蛋白质工程的改造过程中。可以探讨以下几个主要问题：
（2）正常中心法则的途径是什么？
（1）对天然蛋白质分子进行改造，是以蛋白质分子为操作对象，还是基因？
3.蛋白质工程的基本原理
（3）蛋白质工程却与中心法则相反，它的基本途径是什么呢
（1）怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？
预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到对应的脱氧核苷酸序列→合成新基因→获得所需要的蛋白质
进一步思考
丙氨酸
色氨酸
赖氨酸
谷氨酸
苯丙氨酸
思考·讨论
（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？
拓展延伸
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
教师归纳总结：蛋白质工程的基本思路，指明该思路是对中心法则的逆推。在此基础上，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。
3.蛋白质工程的应用
1.利用教材科学家改造胰岛素的情境，介绍蛋白质工程有哪些应用？(社会责任)
教法：
2.课后搜集有关蛋白质工程在酶制剂产业中的作用的相关资料，引导他们学以致用，让他们感受到科学技术推动了社会进步，改善了人们的生活。(社会责任)
(三)新课总结
教法：学生自主构建知识概念图
1.蛋白质工程的内容主要有两方面
(1)根据需要设计具有特定氨基酸序列和空间结构的蛋白质
(2)而氨基酸排序由基因决定，所以还需要改造相应基因中脱氧核苷酸序列或人工合成所需要的自然界原本不存在的基因片段，用于蛋白质工程。
拓展延伸
2.蛋白质工程的主要步骤通常包括：
（1）从生物体中分离纯化目的蛋白；
（2）测定其氨基酸序列；
（3）借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段，尽可能地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构;
（4）设计各种处理条件，了解蛋白质的结构变化，包括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响；
（5）设计编码该蛋白的基因改造方案，如点突变；
（6）分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。
3.蛋白质改造工程举例
(1)水蛭素改造
水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂，它有多种变异体，由65或66个氨基酸残基组成。水蛭素在临床上可作为抗栓药物用于治疗血栓疾病。为提高水蛭素活性，在综合各变异体结构特点的基础上提出改造水蛭素主要变异体HV2的设计方案，将47位的Asn（天冬酰胺）变成Lys（赖氨酸），使其与分子内第4或第5位Thr（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素N端肽段的正确取向，从而提高凝血效率，试管试验活性提高4倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高20倍。
(2)生长激素改造
生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机体的生长发育，然而它不仅可以结合生长激素受体，还可以结合许多种不同类型细胞的催乳激素受体，引发其他生理过程。在治疗过程中为减少副作用，需使人的重组生长激素只与生长激素受体结合，尽可能减少与其他激素受体的结合。经研究发现，二者受体结合区有一部分重叠，但并不完全相同，有可能通过改造加以区别。由于人的生长激素和催乳激素受体结合需要锌离子参与作用，而它与生长激素受体结合则无需锌离子参与，于是考虑取代充当锌离子配基的氨基酸侧链，如第18和第21位His（组氨酸）和第17位Glu（谷氨酸）。实验结果与预先设想一致，但要开发作为临床用药还有大量的工作要做。
(3)胰岛素改造
天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体，延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了其降血糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素B23-B28氨基酸残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基，则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速效胰岛素已通过临床实验。
(4)治癌酶的改造
癌症的基因治疗分二个方面：药物作用于癌细胞，特异性地抑制或杀死癌细胞；药物保护正常细胞免受化学药物的侵害，可以提高化学治疗的剂量。疱疹病毒（HSV）胸腺嘧啶激酶（TK）可以催化胸腺嘧啶和其它结构类似物磷酸化而使这些碱基3’-OH缺乏,从而阻断DNA的合成，杀死癌细胞。HSV—TK催化能力可以通过基因突变来提高。从大量的随机突变中进行筛选出一种酶,在酶活性部位附近有6个氨基酸被替换，催化能力20倍以上。
蛋白质工程的发展很快，研究工作很多，以上仅介绍了几个例子。蛋白质工程除了用于改造天然蛋白质或设计制造新的蛋白质外，其本身还是研究蛋白质结构功能的一种强有力的工具，它在解决生物理论方面所起的作用，可以和任何重大的生物研究方法相提并论。
课 题
蛋白质工程的原理和应用
一、教材分析
(一)教学目标
(二)教学重点、难点
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。
1、蛋白质工程的原理。
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。
二、教学过程
(一)新课导入（创设情境）
教师提出问题：
创设用细菌画画的情景， 通过“图片”展示细菌画激发学生学习的兴趣，通过分析其中的原理，学生能够知道这需要对荧光蛋白进行设计和改造，进而指出，对蛋白质进行设计和改造的操作属于蛋白质工程的范畴。
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。使学生了解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。
科学家是怎样对蛋白质分子进行设计和改造的呢？
(二)新课教学
1.蛋白质工程的概念
教法：利用学生已有的知识经验，促进对蛋白质工程概念的理解 (生命观念)
学生已经学过了蛋白质具有复杂的空间结构，表达生物特有的功能和性状，以及中心法则等知识，通过回忆中心法则遗传信息流动方向，让学生认识到蛋白质的功能由基因决定，要制造出新的蛋白质就要改造基因。并以刚学过的基因工程知识进行比较。在学生已有知识经验的基础上，引导学生分析蛋白质工程的实质和目的，促进学生理解蛋白质工程的概念。
2.蛋白质工程崛起的缘由
教法：引导学生分析进行蛋白质工程研究的原因，通过一个实例“玉米中赖氨酸含量低的改进措施”即改造赖氨酸合成过程中两种酶，来提高玉米赖氨酸含量。说明开展蛋白质工程研究的意义。让学生了解蛋白质工程崛起的缘由（社会责任）
教法：通过问题驱动，加深对蛋白质工程的基本原理的理解(科学思维)
依据人类需要对天然蛋白质结构进行基因改造、生产目标蛋白的过程既是学习的重点也是难点。问题驱动教学法，能让学生通过积极思考、分析，过程中加深对原理的理解。
例如，在介绍蛋白质工程的改造过程中。可以探讨以下几个主要问题：
（2）正常中心法则的途径是什么？
（1）对天然蛋白质分子进行改造，是以蛋白质分子为操作对象，还是基因？
3.蛋白质工程的基本原理
（3）蛋白质工程却与中心法则相反，它的基本途径是什么呢
（1）怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列？
预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到对应的脱氧核苷酸序列→合成新基因→获得所需要的蛋白质
进一步思考
丙氨酸
色氨酸
赖氨酸
谷氨酸
苯丙氨酸
思考·讨论
（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？
拓展延伸
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
教师归纳总结：蛋白质工程的基本思路，指明该思路是对中心法则的逆推。在此基础上，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。
3.蛋白质工程的应用
1.利用教材科学家改造胰岛素的情境，介绍蛋白质工程有哪些应用？(社会责任)
教法：
2.课后搜集有关蛋白质工程在酶制剂产业中的作用的相关资料，引导他们学以致用，让他们感受到科学技术推动了社会进步，改善了人们的生活。(社会责任)
(三)新课总结
教法：学生自主构建知识概念图
1.蛋白质工程的内容主要有两方面
(1)根据需要设计具有特定氨基酸序列和空间结构的蛋白质
(2)而氨基酸排序由基因决定，所以还需要改造相应基因中脱氧核苷酸序列或人工合成所需要的自然界原本不存在的基因片段，用于蛋白质工程。
拓展延伸
2.蛋白质工程的主要步骤通常包括：
（1）从生物体中分离纯化目的蛋白；
（2）测定其氨基酸序列；
（3）借助核磁共振和X射线晶体衍射等手段，尽可能地了解蛋白质的二维重组和三维晶体结构;
（4）设计各种处理条件，了解蛋白质的结构变化，包括折叠与去折叠等对其活性与功能的影响；
（5）设计编码该蛋白的基因改造方案，如点突变；
（6）分离、纯化新蛋白，功能检测后投入实际使用。
3.蛋白质改造工程举例
(1)水蛭素改造
水蛭素是水蛭唾液腺分泌的凝血酶特异抑制剂，它有多种变异体，由65或66个氨基酸残基组成。水蛭素在临床上可作为抗栓药物用于治疗血栓疾病。为提高水蛭素活性，在综合各变异体结构特点的基础上提出改造水蛭素主要变异体HV2的设计方案，将47位的Asn（天冬酰胺）变成Lys（赖氨酸），使其与分子内第4或第5位Thr（苏氨酸）间形成氢键来帮助水蛭素N端肽段的正确取向，从而提高凝血效率，试管试验活性提高4倍，在动物模型上检验抗血栓形成的效果，提高20倍。
(2)生长激素改造
生长激素通过对它特异受体的作用促进细胞和机体的生长发育，然而它不仅可以结合生长激素受体，还可以结合许多种不同类型细胞的催乳激素受体，引发其他生理过程。在治疗过程中为减少副作用，需使人的重组生长激素只与生长激素受体结合，尽可能减少与其他激素受体的结合。经研究发现，二者受体结合区有一部分重叠，但并不完全相同，有可能通过改造加以区别。由于人的生长激素和催乳激素受体结合需要锌离子参与作用，而它与生长激素受体结合则无需锌离子参与，于是考虑取代充当锌离子配基的氨基酸侧链，如第18和第21位His（组氨酸）和第17位Glu（谷氨酸）。实验结果与预先设想一致，但要开发作为临床用药还有大量的工作要做。
(3)胰岛素改造
天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体，延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了其降血糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素B23-B28氨基酸残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基，则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速效胰岛素已通过临床实验。
(4)治癌酶的改造
癌症的基因治疗分二个方面：药物作用于癌细胞，特异性地抑制或杀死癌细胞；药物保护正常细胞免受化学药物的侵害，可以提高化学治疗的剂量。疱疹病毒（HSV）胸腺嘧啶激酶（TK）可以催化胸腺嘧啶和其它结构类似物磷酸化而使这些碱基3’-OH缺乏,从而阻断DNA的合成，杀死癌细胞。HSV—TK催化能力可以通过基因突变来提高。从大量的随机突变中进行筛选出一种酶,在酶活性部位附近有6个氨基酸被替换，催化能力20倍以上。
蛋白质工程的发展很快，研究工作很多，以上仅介绍了几个例子。蛋白质工程除了用于改造天然蛋白质或设计制造新的蛋白质外，其本身还是研究蛋白质结构功能的一种强有力的工具，它在解决生物理论方面所起的作用，可以和任何重大的生物研究方法相提并论。