資源簡介

教學設計
課程基本信息
學科 生物學 年級 高二 學期 春季
課題 蛋白質工程是基因工程的延伸
教學目標
1. 通過對蛋白質工程的實例分析教學，引導學生歸納概括改造蛋白質及生產新蛋白的方法，形成蛋白質工程的基本思路，概述蛋白質工程的基本原理； 2.在案例教學過程中，滲透蛋白質工程與基因工程的關系，認識到蛋白質工程是根據人類需要生產目標蛋白，是基因工程的延伸技術； 3.講解蛋白質工程的多項應用實例，讓學生認同現代生物技術發展給人類帶來的諸多利好。
教學內容
教學重點： 1.蛋白質工程的概念與原理。
2.蛋白質工程的應用實例。
教學難點： 1.蛋白質工程與于基因工程之間的聯系。 2.蛋白質工程的基本流程與方法
教學過程
【情境導入】血友病的癥狀、病因、治療手段的介紹。資料：根據缺乏的凝血因子種類不同，血友病有多種類型。其中，甲型血友病最為常見，占80%以上。甲型血友病患者血液中缺乏凝血因子Ⅷ(簡稱FⅧ )。患者大多需采取注射FⅧ進行預防性治療。凝血因子Ⅷ來源： ①從血漿中分離提純； ②利用基因工程技術制備。 提問：天然凝血因子仍存在蛋白穩定性差、易降解、產量低等諸多問題。如何開展后續研究和改進？ 【任務一】材料分析：科研人員通過分子生物學實驗、X-晶體衍射實驗等技術認識到成熟的F Ⅷ由5段肽鏈組成，共含2332個氨基酸，其結構如下圖：
研究過程中還發現，A2區內部多個谷氨酸和天冬氨酸帶有較多電荷，影響了活化過程中A2區與A1區或A3區的相互作用，進而影響了凝血活性與熱穩定性。 根據材料，你能否提出一些后續研究的思路？我們可否通過現代生物技術，實現FⅧ的改良？ （思考2分鐘） 【學生答案】 小宇：破譯凝血因子的蛋白質氨基酸序列，通過人工化學合成，替換對應的氨基酸，再進行活性和穩定性檢驗。 樂樂：改變凝血因子基因序列，再利用基因工程技術使其表達出“新”凝血因子…… 【教師講解】（由學生評價上述兩個思路的優缺）直接改變蛋白質結構的操作技術難度大；無法遺傳給子代，且難以持續生產。改變基因更加容易，且可遺傳給子代，可實現持續生產。 【知識銜接】通過講解基因表達合成蛋白質的過程，進行逆向思維。根據結構與功能相適應的觀點，對蛋白質功能進行預期設計，通過改變多肽鏈氨基酸種類、數目和排列順序等實現蛋白質結構的改良，進一步推演mRNA序列、改造基因結構。 同時介紹蛋白質結構與功能改造所需要依賴的的工具，例如X射線衍射技術——分析蛋白質晶體結構；晶體學技術——獲得蛋白質的結晶體；計算機技術——建立蛋白質三維結構模型等。 【任務二】拓展思考：若經過計算機模擬發現，將F Ⅷ的A2區272位的谷氨酸替換為丙氨酸，可提高凝血活性與熱穩定性。請嘗試模擬基因序列的推演過程。（思考2分鐘） 【教師講解】明確目的序列后，可通過人工化學合成或在原基因基礎上改造（如：基因定點突變技術等）來獲得改造的目的基因。詳細介紹定點突變中的重疊延伸技術，如圖示： 【任務三】新知建構：教師梳理案例中從發現問題到解決問題的過程： 1、基因工程的局限性： （1）只能產生自然界已經存在的蛋白質； （2）天然蛋白質不一定完全符合人類生產和生活的需要 2、蛋白質分子的結構規律及其與生物功能的關系的研究 3、提出蛋白質結構改造思路 4、改造編碼的基因結構 5、通過基因工程技術實現蛋白質的生產 根據上述梳理，嘗試歸納蛋白質工程的概念。（思考20秒） 【教師歸納】蛋白質工程的概念：以蛋白質分子的結構規律及其生物功能關系作為基礎，通過設計和改造基因，從而改變氨基酸序列，最終獲得特定功能的蛋白質，以滿足人類生產和生活需要。 與基因工程的聯系：蛋白質工程是在基因工程的基礎上，延伸出來的第二代基因工程。 【拓展】近30年以來，科研人員不斷地對FⅧ的蛋白質結構進行改良與探索，實現了改良型重組F Ⅷ在產量和穩定性上的較大提升。2021年7月，首款國產改良型“重組人凝血因子Ⅷ”獲批上市，為大量血友病患者帶去福音。 【蛋白質工程的應用與發展】 一、醫療領域：穩定性更高的干擾素、降低排異反應的人鼠嵌合抗體； 二、其他領域：以綠色熒光蛋白為基礎改造的各色熒光蛋白；將蛋白酶改造為更好用的洗滌添加劑； 三、蛋白質從頭設計：2018年美國華盛頓州大學的David Baker教授在雜志《Science》上發文實現了熒光激活的β-桶蛋白的從頭設計。 這都顯示著蛋白質工程為生產生活提供了諸多利好，蛋白質工程的發展前景十分廣闊。 【課后任務】收集資料，了解更多蛋白質工程的應用實例，并基于蛋白質工程的基本概念和原理，表明自己的觀點并展開討論。

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