2021-2022学年高二下学期生物人教版选择性必修3-3.4蛋白质工程的原理和应用教案

生物技术与工程 第3章 基因工程
3.4蛋白质工程的原理和应用 教学设计
一、教学目标的确定
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。
二、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。
三、教学设计思路
通过“从社会中来”用细菌“画画”的情境激发学生的兴趣，让学生了解到，要想做到用细菌“画画”，需要对原有的绿色荧光蛋白进行设计和改造。
展示“人重组干扰素”药品的包装盒图片，解释之所以称作重组干扰素是由于天然干扰素很难体外保存，人类通过改变干扰素的某一氨基酸分子改变了干扰素的特性。像这样对蛋白质分子进行设计和改造的操作属于蛋白质工程的范畴。
四、教学步骤
1、新课导入
课件展示细菌“画画”作品。
教师：画画很常见，但是用细菌创作色彩斑斓的“画”，很多学生可能是第一次见到。这样的作品是通过什么方法完成的呢？
学生：这些细菌能够发出荧光。
教师：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，并导入到细菌体内，使细菌能够发出各种颜色的荧光。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的应用。
提问：在上一节课基因工程的应用的学习中，我们已经了解过“人重组干扰素”生产方法，课件展示“人重组干扰素”的药品包装盒图片。重组干扰素与天然干扰素有什么不同，为什么要对其进行“重组”呢？
学生：天然干扰素无法体外保存（预习得知）
教师：科学家将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，就使其在-70℃的条件下可以保存半年。
提问：这种对天然蛋白质进行设计和改造的操作技术属于什么工程呢？
学生：蛋白质工程。
教师：下面我们一起来了解一下蛋白质工程的概念。
2、新课讲授
概念
（1）基础：蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系。
（2）手段：通过基因改造或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质。
（3）目的：获得满足人类的生产和生活需求的蛋白质。
理论和技术条件：分子生物学、晶体学以及计算机技术的迅猛发展。
蛋白质工程崛起的缘由
基因工程的实质：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。
基因工程的不足：基因工程在原则上只能产生自然界中已存在的蛋白质。
天然蛋白质的不足：天然蛋白质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。
实例：玉米中赖氨酸的含量比较低，赖氨酸合成中两种酶的氨基酸被替换，就可以使玉米叶片和种子中游离赖氨酸分别提高5倍和2倍。
（二）蛋白质工程的基本原理
目标：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。
方法：改造基因或合成基因。
流程：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。
课件展示基因工程和蛋白质工程的比较。
（三）蛋白质工程的应用
在医药工业方面的应用
（1）研发速效胰岛素类似物：科学家通过改造胰岛素基因使B链28位脯氨酸替换为天冬氨酸或者将它与29位的赖氨酸交换位置，从而有效抑制了胰岛素的聚合，研发出速效胰岛素类似物。
（2）提高干扰素的保存期：将干扰素分子上的一个半胱氨酸变成丝氨酸，提高了干扰素的保存时间。
（3）改造抗体：将小鼠单克隆抗体上结合抗原的区域“嫁接”到人的抗体上，降低了诱发人体免疫反应的强度。
在其他工业和农业方面的应用
（1）改进酶的性能或开发新的工业用酶：利用蛋白质工程获得蛋白酶的多种突变体。
（2）改造某些重要的酶：利用蛋白质工程改造参与调控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率。
课件展示“到社会中去”。
3、课堂小结
基因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。科学家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，我们相信，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祉。
六、板书设计