4.2基因工程及其延伸技术应用广泛-教学设计

教学设计
课程基本信息
学科 生物 年级 高二 学期 春季
课题 第四章 第二节 基因工程及其延伸技术应用广泛
教学目标
1.根据不同基因工程药物的特点和生活实际选择不同的受体细胞，并分析原因，培养科学思维； 2.设计简单的实验，理解乳腺生物反应器的原理及应用； 3.通过改良基因工程产物“胰岛素”的时效性，了解蛋白质工程的原理和过程，利用比较和分析的科学思维方法，归纳蛋白质工程和基因工程的区别和联系，形成结构与功能观； 4.举例说明基因工程在法医鉴定、农牧业、环境保护等方面的应用，认同基因工程产生的社会效益、经济效益和生态效益；
教学内容
教学重点： 1.通过真实情境的分析，从受体细胞的选择角度培养学生依据实际情况选择不同方案的能力； 2.联系基因工程操作程序，理解乳腺生物反应器的原理及应用； 3.举例说明蛋白质工程的原理和过程，归纳基因工程与蛋白质工程的区别和联系； 4.基于基因工程的基本操作程序，理解基因工程及其延伸技术在法医鉴定、农牧业环境保护等方面的应用；
教学难点： 1.联系基因工程操作程序，理解乳腺生物反应器的原理及应用； 2.举例说明蛋白质工程的原理和过程，归纳基因工程与蛋白质工程的区别和联系；
教学过程
教学环节及设计意图教师活动学生活动导入 设计意图：自然导入，引出话题“基因工程生产药物”阐述：第1课时中学习了基因工程在疾病诊断、治疗、研究方面的应用，今天我们来看看如何利用转基因生物生产基因工程药物。 提问：你知道哪些药物是转基因的吗？举例说出转基因药物 二、基因工程在医疗制药方面的应用 任务一：选择适合的受体细胞 设计意图：根据产品特点选择合适的受体细胞，学会分析比较不同受体细胞的优缺点 设计意图：明确乳腺生物反应器的制备过程 任务二：产物优化 设计意图：通过真实情境引导学生了解蛋白质工程的诞生，体会蛋白质工程的操作步骤。与基因工程相比较，说明蛋白质工程是基因工程的延伸技术。 设计意图：以改造胰岛素为例了解蛋白质工程的一般操作流程 设计意图：总结蛋白质工程的步骤，并与基因工程进行联系和比较，培养学生辩证的科学思维 情境一：糖尿病是近年来高发的“富贵病”，常见类型有Ⅰ型糖尿病即遗传性糖尿病和Ⅱ型糖尿病,Ⅱ型糖尿病需要注射胰岛素治疗。传统生产胰岛素的方法是从猪、牛等动物的胰腺中提取。曾经生产供一位糖尿病病人使用一年的胰岛素需要上千头牛，生产的成本非常高。 问题1：如何利用基因工程获取更多的胰岛素，从而降低医疗成本？ 微生物细胞作为受体细胞的优点是什么？ 资料1：利用大肠杆菌生产胰岛素技术简单，前期研发成本低。随着生物工程的研究和发展，发现用大肠杆菌生产的很多药物由于缺乏转译后修饰，失去了天然产物所固有的生物活性。 问题2：为什么会出现“缺乏转译后修饰”？ 受体细胞的选择作何调整？请说明理由 资料2：利用动物细胞发酵生产生物药品产量极低，且培养过程需动物血清维持细胞活性，不仅提高了成本，而且给下游产物的纯化带来极大的困难。 问题3：如何解决以上问题？ 该基因插入的位点有何要求？请以获取“血清白蛋白”为目的简要说明该基因工程思路。 请注意受体细胞和血清白蛋白基因表达细胞有何区别 资料3：有人提议将乳腺蛋白基因的启动子换成UroplakinⅡ基因启动子(促进目的基因在膀胱特异性表达。） 问题4：比较乳腺生物反应器和膀胱生物反应器 任务一：综上，请小结不同受体细胞的利与弊，分析适用条件。 情境二：目前临床使用胰岛素制剂注射后120 min才出现高峰，与人体生理状态不符。将胰岛素B链的28号和29号氨基酸互换，可以加快胰岛素的起效时间。科研人员通过一定的工程技术手段，将胰岛素B链的28号和29号氨基酸互换，获得了速效胰岛素，已在临床上广泛应用。 问题1：该工程技术是在什么层面进行操作？ 问题2：你能推测该工程技术的操作思路吗？ 展示蛋白质工程的概念并介绍其作用。 蛋白质工程：通过设计和改造编码蛋白质的基因，从而改变氨基酸序列，最终获得特定功能的蛋白质。 任务二：以“蛋白质、氨基酸、mRNA、DNA”为骨架构，利用合适的箭头和文字说明建蛋白质工程的基本过程 问题3：该工程技术与基因工程有何区别与联系？ 为什么蛋白质工程改造基因而不是直接改造蛋白质 ？ 思考，回答：将胰岛素基因导入微生物细胞，进行培养增殖产生胰岛素 学生回答：培养成本低、繁殖快、产物量大 思考，回答：大肠杆菌是原核生物，没有内质网和高尔基体，对于核糖体上形成的蛋白质缺乏加工过程 学生回答：改成动物细胞或者植物细胞（真核细胞） 讨论、回答：培养成转基因动物，并从蛋白分泌旺盛的动物细胞中获取，例如乳腺细胞 学生回答：出入乳腺蛋白基因启动子后面，泌乳期可以不断产生，而且纯化方便，降低成本。 用血清白蛋白基因与质粒构建重组DNA→导入受精卵→胚胎体外培养→胚胎移植 思考、回答：膀胱生物反应器不受性别限制，不受时间（泌乳期）限制 微生物细胞：易培养易繁殖，成本低，产物多，但产物不一定有生物活性； 植物细胞：易培养，但产物提取成本较高； 动物细胞：培养成本高，产物产量低，难纯化，常利用生物发生器。 思考后回答： 操作层面：DNA分子（核苷酸序列） 改造目的：蛋白质的功能 根据胰岛素功能设计改造胰岛素结构→推测氨基酸序列→逆推基因核苷酸序列→改变核苷酸特定位点序列→改造后的基因导入受体细胞并表达 小组合作讨论，完成任务 联系：目的基因的表达结果常常并不理想，合成的蛋白质不能很好地行驶功能，无法满足人们的需求。蛋白质工程可以弥补基因工程这个缺憾，却离不开基因工程技术。 区别：基因工程得到的是天然存在的蛋白质，蛋白质工程得到的不是；基因工程是对基因进行剪切和连接，蛋白质工程是对基因进行合成和改造。 ①蛋白质的高级结构十分复杂，直接改造难度大。②蛋白质是由基因编码的，改造了基因，便可以间接改造蛋白质。③基因可以遗传，蛋白质无法遗传。 三、基因工程在其他方面的应用 1.基因工程在法医鉴定方面的应用 亲子鉴定 个体识别 2.基因工程在改良农牧业品种方面的应用 设计意图：引导学生辩证地看待转基因技术 3.基因工程在环境保护方面的应用 4.基因工程在食品工业方面的应用 设计意图：课堂小结，辩证地看待基因工程，培养学生批判性思维 播放视频，展示亲子鉴定的演变 展示电泳结果图，引导学生判断亲缘关系 展示番茄图片，从不同角度提问学生想要改良的番茄性状 小结基因工程在改良农牧业品种方面的成果和对人类生活产生的影响 提问:转基因产品安全性 提问：你还能说出基因工程在哪些方面的应用？请小组代表上台展示 课后思考：我们应该如何看待基因工程对人类产生的影响？如何利用？ 观看视频，了解亲子鉴定的原理和技术进步 分析电泳结果图，判断亲缘关系 思考、讨论、回答 讨论、回答、争论 学生展示 学生讨论、回答