《基因工程及其延伸技术应用广泛》第2课时示范课教学设计

第二节基因工程及其延伸技术应用广泛（第2课时）♦教学目标.运用结构与功能等观念，说明蛋白质工程设计的原理。.说明测序技术的开展对人类生命研究的意义。♦教学重难点【教学重点】.蛋白质工程的基本原理..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。【教学难点】.蛋白质工程的基本原理。.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。♦教学过程【新课引入】教师展示资料：.某些水母在紫外线的照射下，会呈现明显的绿色，这种蛋白就是最早被发现的绿色荧光蛋白（GFP）o.有科学家将GO基因导入兔子体内，该基因在这些生物中完成了表达。.科学家通过改造绿色荧光蛋白，获得了黄色、蓝色、青色等荧光蛋白。.以下图是用发出不同颜色荧光的细菌“画”的美妙图案。这些细菌能够发出荧光，是因为它们的体内导入了不同颜色的荧光蛋白基因。（1）科学家利用了什么技术让细菌能够发出荧光？提示：利用基因工程技术使细菌表达了荧光蛋白。（2）科学家如何对天然的绿色荧光蛋白进行改造？【过渡】对天然蛋白质的改造，需要用到蛋白质工程。【新知讲解】一、蛋白质工程的概念【教师活动】向学生阐述蛋白质工程的概念。.概念以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，通过改造或合成基因，来改造现有蛋白质，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。蛋白质工程是在基因工程的基础上，延伸出来的第二代基因工程。【学生活动】根据蛋白质工程的概念思考以下问题：（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，或制造一种新蛋白质。（3）改造对象：蛋白质结构，本质上是改造控制该蛋白质合成的基因的结构。（4）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开展。二、蛋白质工程崛起的缘由【学生活动】复习基因工程的实质，思考基因工程有哪些缺乏，以及天然蛋白质的存在的问题。.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。.基因工程的缺乏：基因工程在原那么上只能产生自然界中已存在的蛋白质。.天然蛋白质的缺乏：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：玉米的改造（1）存在问题玉米中赖氨酸的含量较低，原因是赖氨酸合成过程中的两种关键能一天冬氨酸激随和二氢毗咤二陵酸合成酶的活性，受细胞内赖氨酸浓度的影响较大。

（2）解决方法天冬氨酸激酶（2）解决方法（352位的苏氨酸）（异亮『酸）二氢哦唉二按酸合成酶谡］二氢唯唳二按酸合

（104位的天冬酰胺），■■成酶（异亮氨酸）（3）效果玉米叶片和种子中游离赖氨酸含量分别提高了5倍和2倍。拓展I玉米中赖氨酸代谢途径的调节玉米细胞内生成赖氨酸的代谢途径的调节实质上是一种酹活性的调节，赖氨酸含量高时会抑制天冬氨酸激酶和二氢毗咤二拨酸合成酶的活性，赖氨酸合成减少；赖氨酸含量低时会解除抑制，加速赖氨酸的合成。这对于提高赖氨酸是不利的，但对植物本身来说却是有利的，防止了物质和能量的浪费。思考赖氨酸这种调节方式属于哪种类型？提示：负反应调节。三、蛋白质工程的原理.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。【学生活动】（1）在笔记本上画出中心法那么的具体过程？提示：折叠等、具有空间结构的蛋白质复制竺邑前屿肽链逆转录折叠等、具有空间结构的蛋白质（2）思考对天然的蛋白质进行改造，应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来实现？提示：基因决定蛋白质的合成，改造基因即为改造蛋白质；改造基因可以遗传，改造蛋白质无法遗传。因此通过对基因的操作实现。.蛋白质工程的实质：改造基因或合成基因。.流程:预期蛋白质功能f设计预期的蛋白质结构一推测应有的氨基酸序列f找到相对应的脱氧核尸酸序列（基因）或合成新的基因一获得所需要的蛋白质。【学生活动】某多肽链的一段氨基酸序列是：.怎样得出决定这•段肽链的脱氧核甘酸序列？请把相应的碱基序列写出来。提示：每种氨基酸都有对应的密码子，需要杳密码子表，将题中的氨基酸序列的编码序列查出来。由于氨基酸序列中有几个氨基酸是由多个密码子编码，因此碱基排列组合比拟复杂。可以每个学生任选一种密码子排列，比照全班同学的序列，共有多少种。.确定目的基因的碱基序列后，怎样合成或改造目的基因？提示：人工合成，或从基因文库中获取目的基因。对基因的改造经常会用到基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。拓展2基因定点突变技术科学家通过在蛋白质分子中导入二硫键，提高蛋白酶的热稳定性。用定点突变的方法,改变DNA上的脱氧核糖核甘酸，从而改变了mRNA,使编码第3个氨基酸的核甘酸序列由AUU变为UGU,氨基酸由异光氨酸变成了半胱氨酸。该半胱氨酸可以与第97位的半胱氨酸形成二硫键，增强热稳定性。四、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：体外很难保存-70・C条件下可以保存半年（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，形成人-鼠嵌合抗体，即抗体的可变区来自小鼠，而恒定区那么来自人的抗体。这样的抗体既保持了原来的特异性和亲和力，又大大减少了在人体内的免疫原性。.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）改造某些重要的酷：利用蛋白质工程改造参与调控光合作用的酸，以提高植物光合作用的效率。.蛋白质工程存在问题蛋白质工程难度大，原因是蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构。这种高级结构很复杂，目前对其了解还很不够，还需探索。族岛素锌六聚体干扰素血红蛋白【易错辨析】（1）为什么蛋白质工程不是直接改造蛋白质而是通过基因改造和基因合成来完成？提示：①任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造,而且改造过的蛋白质可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造的蛋白

质也是无法遗传下去的。②对基因进行改造比对蛋白质进行直接改造容易操作，难度小得多。（2）蛋白质工程的操作程序的基本思路与基因工程有什么不同？提示：基因工程操作程序的基本思路遵守中心法那么，从DNA-mRNA-多肽一折置产生蛋白质，基本上是生产出自然界中已有的蛋白质。蛋白质工程是按照相反的思路进行的,确定蛋白质的功能一蛋白质应用的高级结构一蛋白质具备的折叠状态一应有的氨基酸序列一基因中的碱基序列，可以创造自然界不存在的蛋白质。五、以测序为基础建立的基因数据库是人类共同的财富.基因数据库的建立：2003年人类基因组计划测序完成。.意义：测序技术的开展使得人类获得了海量的生物数据。【课堂小结】【教师活动】根据流程图复习蛋白质工程的基本原理并向学生强调这是本节课的重点和难点。蛋白质工

程的实质基因1改造或合成I转录氨基酸序列多肽链蛋白质三维结构生物预期

基因1改造或合成I转录氨基酸序列多肽链蛋白质三维结构【学生活动】比拟蛋白质工程和基因工程的区别。工程蛋白质工程基因工程区别起点预期蛋白质功能目的基因过程预期蛋白质功能一设计蛋白质结构一推测氨基酸序列一推测脱氧核甘酸序列一合成DNAr表达出蛋白质获取目的基因-构建基因表达载体一导入受体细胞一目的基因的检测与鉴定实质通过改造相应的基因到达对蛋白质进行改造的目的基因重组结果可以创造出自然界不存在的蛋白质生产自然界已存在的蛋白质联系①蛋白质工程获得目的基因后，需要通过第②蛋白质工程是在基因工程的基础上，延佃E因工程获得预期蛋白质4出来的第二代基因工程【课堂检测】1.蛋白质工程的基本操作程序正确的选项是（C）①蛋白质分了-结构合成②DNA合成③mRNA合成④蛋白质的预期功能⑤根据氨基酸的序列推出脱氧核甘酸的序列A.①一②一③一④一⑤一①B.⑤一④一③f②一①一②C.④一①⑤一②③一①D.②一③-*⑤f①一②一④.科研人员利用相关技术改变「胰岛素B链的第9位氨基酸，从而防止门质岛素结合成无活性的二聚体形式。以下相关表达中，不正确的选项是（D）A.胰岛素的本质是蛋白质，不宜口服使用B.可通过测定DNA的序列确定突变是否成功C.对胰岛素结构的改造属于蛋白质工程D.该过程的操作对象是胰岛素分子.以下关于蛋白质工程和基因工程的比拟，不合理的是（C）A.蛋白质工程的操作起点是从预期的蛋白质功能出发，设计出相应的基因，并借助基因工程实现B.蛋白质工程是在基因工程的基础上开展起来的，蛋白质工程最终还是要通过基因改造或基因合成来完成c.当得到可以在-7（rc条件下保存半年的干扰素后，在相关酶