蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用（教學(xué)設(shè)計(jì)）高二下學(xué)期生物人教版選擇性必修3

教案課題蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用（教學(xué)設(shè)計(jì)）20242025學(xué)年高二下學(xué)期生物人教版（2019）選擇性必修3備課人授課日期教學(xué)目標(biāo)（1）生命觀念：理解蛋白質(zhì)工程的基本原理，掌握蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，形成對生命現(xiàn)象的科學(xué)認(rèn)知。（2）科學(xué)思維：通過分析蛋白質(zhì)工程的設(shè)計(jì)流程，培養(yǎng)邏輯推理和問題解決能力，能夠運(yùn)用科學(xué)方法解決實(shí)際問題。（3）探究實(shí)踐：通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作，掌握蛋白質(zhì)工程的基本技術(shù)，提升實(shí)驗(yàn)探究和實(shí)踐操作能力。（4）態(tài)度責(zé)任：了解蛋白質(zhì)工程在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感和科學(xué)倫理意識(shí)，關(guān)注科技發(fā)展對社會(huì)的影響。教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)（1）理解蛋白質(zhì)工程的基本原理，包括如何從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)，設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，并推測相應(yīng)的基因序列，最終實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)的改造或合成。（2）掌握蛋白質(zhì)工程的實(shí)際應(yīng)用，特別是在醫(yī)藥工業(yè)、農(nóng)業(yè)和其他工業(yè)領(lǐng)域中，如何通過蛋白質(zhì)工程技術(shù)解決實(shí)際問題，如提高酶的穩(wěn)定性或開發(fā)新型藥物。（3）分析蛋白質(zhì)工程與基因工程的區(qū)別與聯(lián)系，理解蛋白質(zhì)工程作為基因工程的延伸，如何通過基因改造實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)功能的優(yōu)化和創(chuàng)新。媒體教具（1）多媒體投影儀和電腦，用于展示蛋白質(zhì)工程相關(guān)的圖像、視頻和動(dòng)畫，幫助學(xué)生直觀理解蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用。（2）《現(xiàn)代生物技術(shù)概論》教材，為學(xué)生提供蛋白質(zhì)工程背景知識(shí)和深入學(xué)習(xí)的參考資料。（3）蛋白質(zhì)模型構(gòu)建工具套件，讓學(xué)生通過動(dòng)手操作，更好地理解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系。教法學(xué)法講授法、案例分析法、討論法、練習(xí)法教學(xué)過程二次備課調(diào)整一、導(dǎo)入新課教師活動(dòng)：老師通過展示用細(xì)菌繪制的彩色圖案，向?qū)W生介紹熒光蛋白在生物研究中的重要應(yīng)用。（展示右圖：用發(fā)出不同顏色熒光的細(xì)菌繪制的美妙圖案。這些細(xì)菌能夠發(fā)出熒光，是因?yàn)樗鼈儽粚?dǎo)入了熒光蛋白的基因。最早發(fā)現(xiàn)的綠色熒光蛋白，科學(xué)家通過改造它，獲得了黃色熒光蛋白等其他類型的熒光蛋白。這些熒光蛋白在細(xì)胞內(nèi)生命活動(dòng)檢測、腫瘤示蹤研究等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。）學(xué)生活動(dòng)：學(xué)生課前查閱相關(guān)資料，欣賞細(xì)菌畫畫的效果，并嘗試分析其原因。（生：我們見過許多美麗的圖案，但從未想過可以用細(xì)菌來作畫。原來這是通過導(dǎo)入熒光蛋白基因?qū)崿F(xiàn)的，感覺非常神奇?。┰O(shè)計(jì)意圖：通過有趣的生物現(xiàn)象激發(fā)學(xué)生的好奇心，為引入新課做鋪墊。二、講授新課1.蛋白質(zhì)工程的概念教師活動(dòng)：講解蛋白質(zhì)工程的基礎(chǔ)、手段及目的。（1）基礎(chǔ)：講解蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系，說明如何通過對這些結(jié)構(gòu)的理解來進(jìn)行蛋白質(zhì)的改造。提問：為什么需要研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)？（生：因?yàn)榈鞍踪|(zhì)的功能與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。）講解：蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定了它的功能，而了解這種關(guān)系是進(jìn)行蛋白質(zhì)工程的基礎(chǔ)。（2）手段：詳細(xì)解釋通過基因改造或基因合成，對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進(jìn)行改造，或者制造一種新的蛋白質(zhì)。舉例：基因改造可以改變特定氨基酸，從而改變蛋白質(zhì)的性質(zhì)；基因合成可以創(chuàng)建全新的蛋白質(zhì)序列。（3）目的：強(qiáng)調(diào)獲得滿足人類生產(chǎn)和生活需求的蛋白質(zhì)的重要性。舉例：開發(fā)更有效的藥物，改進(jìn)食品營養(yǎng)成分等。學(xué)生活動(dòng)：聽講并記錄關(guān)鍵點(diǎn)，思考并回答老師的提問。（生：蛋白質(zhì)工程是通過基因改造來改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能，這確實(shí)是一個(gè)復(fù)雜但很有意義的過程。）設(shè)計(jì)意圖：幫助學(xué)生理解蛋白質(zhì)工程的基本概念，為后續(xù)學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2.蛋白質(zhì)工程崛起的緣由教師活動(dòng)：講解基因工程的實(shí)質(zhì)及不足：實(shí)質(zhì)：將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物體內(nèi)，使其產(chǎn)生原本不能產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，表現(xiàn)出新的性狀。不足：僅能生產(chǎn)自然界中存在的蛋白質(zhì)，不能創(chuàng)造新的蛋白質(zhì)。說明天然蛋白質(zhì)的局限性：天然蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能是適應(yīng)特定物種生存需要的，可能不符合人類生產(chǎn)和生活的特定需求。引入具體例子：玉米中賴氨酸的含量較低，通過替換賴氨酸合成過程中兩種酶的氨基酸，可以使玉米葉片和種子中游離賴氨酸分別提高5倍和2倍。學(xué)生活動(dòng)：思考并討論基因工程與蛋白質(zhì)工程的區(qū)別，發(fā)表自己的見解。（生：基因工程只能生產(chǎn)自然界已存在的蛋白質(zhì)，而蛋白質(zhì)工程可以創(chuàng)造出新的、自然界不存在的蛋白質(zhì)。）設(shè)計(jì)意圖：通過對比，讓學(xué)生深入理解蛋白質(zhì)工程的重要性和必要性。3.蛋白質(zhì)工程的基本原理教師活動(dòng)：講解蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)：根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的具體需求，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造。介紹方法：改造基因或合成新基因。詳細(xì)講解流程：預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→找到相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列（基因）或合成新的基因→獲得所需的蛋白質(zhì)。分步驟講解每個(gè)環(huán)節(jié)：設(shè)定目標(biāo)：明確希望蛋白質(zhì)具有的功能。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：根據(jù)功能要求設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。序列推測：根據(jù)結(jié)構(gòu)預(yù)測所需氨基酸序列?；颢@?。和ㄟ^基因改造或合成本獲取相應(yīng)的基因序列。表達(dá)驗(yàn)證：通過合適的表達(dá)系統(tǒng)驗(yàn)證新蛋白質(zhì)的功能。學(xué)生活動(dòng)：跟隨老師的講解，逐步理解和記憶蛋白質(zhì)工程的整個(gè)流程。（生：這個(gè)流程看起來很復(fù)雜，但通過老師的講解，我逐漸明白了每一步的操作和邏輯。）設(shè)計(jì)意圖：幫助學(xué)生掌握蛋白質(zhì)工程的基本原理和操作流程，增強(qiáng)他們的實(shí)踐操作能力。4.蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用教師活動(dòng)：講解在醫(yī)藥工業(yè)方面的應(yīng)用：速效胰島素類似物的研發(fā)：科學(xué)家通過改造胰島素基因，使得B鏈28位脯氨酸替換為天冬氨酸或?qū)⑺c29位的賴氨酸交換位置，有效抑制胰島素聚合，研發(fā)出速效胰島素類似物。提高干擾素的保存期：將干擾素分子上的一個(gè)半胱氨酸變成絲氨酸，提高了干擾素的保存時(shí)間。改造抗體：將小鼠單克隆抗體上結(jié)合抗原的區(qū)域“嫁接”到人的抗體上，降低誘發(fā)人體免疫反應(yīng)的強(qiáng)度。講解在其他工業(yè)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用：改進(jìn)酶的性能或開發(fā)新的工業(yè)用酶：利用蛋白質(zhì)工程獲得蛋白酶的多種突變體。改造某些重要的酶：例如，利用蛋白質(zhì)工程改造參與調(diào)控光合作用的酶，以提高植物光合作用的效率。學(xué)生活動(dòng)：聽講并記錄實(shí)際應(yīng)用的例子，積極參與討論。（生：原來蛋白質(zhì)工程在醫(yī)藥領(lǐng)域和其他工業(yè)領(lǐng)域都有這么多重要的應(yīng)用，真是令人驚嘆。）設(shè)計(jì)意圖：通過具體的實(shí)例，讓學(xué)生了解蛋白質(zhì)工程在現(xiàn)實(shí)生活中的廣泛用途，加深他們對這一領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)。三、總結(jié)與練習(xí)教師活動(dòng)：總結(jié)本節(jié)課的主要內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)和難點(diǎn)。蛋白質(zhì)工程并不是直接改造蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)，而是通過基因操作來實(shí)現(xiàn)對天然蛋白質(zhì)的改造。蛋白質(zhì)工程的基本途徑：從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)→設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→找到相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列。蛋白質(zhì)工程是以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系作為基礎(chǔ)，通過基因改造或基因合成，來改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)，或制造一種新的蛋白質(zhì)，以滿足人類的生產(chǎn)和生活的需要。學(xué)生活動(dòng)：完成總結(jié)筆記，并回答相關(guān)問題。教師提問：蛋白質(zhì)工程中需要直接進(jìn)行操作的對象是什么？生：基因結(jié)構(gòu)。教師提問：蛋白質(zhì)工程在設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)依據(jù)的是什么？生：蛋白質(zhì)功能。設(shè)計(jì)意圖：鞏固學(xué)生對本節(jié)課內(nèi)容的