高中生物選修3教案 第1章 基因工程

專題一1.1DNA重組技術(shù)的基本工具

1、教材分析

《DNA重組技術(shù)的基本工具》是人教版生物選修三專題一《基因工程》的第一節(jié)，本

節(jié)內(nèi)容主要是介紹了DNA重組技術(shù)的三種基本工具，是學(xué)習(xí)《基因工程的基本操作程序》

的基礎(chǔ)和前提。

2、教學(xué)目標

I.知識目標：

（1）簡述基礎(chǔ)理論研究和技術(shù)進步催生了基因工程。

（2）簡述DNA重組技術(shù)所需的三種基本工具。

2.能力目標：

運用所學(xué)DNA重組技術(shù)的知識，模擬制作重組DNA模型。

3.情感、態(tài)度和價值觀目標：

（1）關(guān)注基因工程的發(fā)展。

（2）認同基因工程的誕生和發(fā)展離不開理論研究和技術(shù)創(chuàng)新。

3、教學(xué)重點和難點

1、教學(xué)重點

DNA重組技術(shù)所需的三種基本工具的作用。

2、教學(xué)難點

基因工程載體需要具備的條件。

4、學(xué)情分析

學(xué)生在必修課中已經(jīng)學(xué)習(xí)過關(guān)于基因工程的基礎(chǔ)知識，對于本部分內(nèi)容已經(jīng)有了初步了

解，所以學(xué)習(xí)起來應(yīng)該不會有太大的困難。

5、教學(xué)方法

1、學(xué)案導(dǎo)學(xué)：見學(xué)案。

2、新授課教學(xué)基本環(huán)節(jié)：預(yù)習(xí)檢查、總結(jié)疑惑一情境導(dǎo)入、展示目標一合作探究、精

講點撥f反思總.結(jié)、當(dāng)堂檢測一發(fā)導(dǎo)學(xué)案、布置預(yù)習(xí)

6、課前準.備

1.學(xué)生的學(xué)習(xí)準備：預(yù)習(xí)《DNA重組技術(shù)的基本工具》，初步把握DNA重組技術(shù)

所需的三種基本工具的作用。

2.教師的教學(xué)準備：多媒體課件制作，課前預(yù)習(xí)學(xué)案，課內(nèi)探究學(xué)案，課后延伸拓展

學(xué)案。

七、課時安排：1課時

一、教學(xué)過程

（-）預(yù)習(xí)檢查、總結(jié)疑惑。

檢查學(xué)生落實預(yù)習(xí)情況并了解學(xué)生的疑惑，使教學(xué)具有針對性。

（二）情景導(dǎo)入、展示目標。

教師首先提問：

A.我們以前在哪部分學(xué)習(xí)過基因工程？（必修二從雜交育種到基因工程）

B.回想一下，轉(zhuǎn)基因抗蟲棉是怎樣培育出來的？經(jīng)過了哪些主要步驟？

（實質(zhì)是基因工程的基本操作程序：目的基因的獲取，基因表達載體的構(gòu)建，將目的

基因?qū)胧荏w細胞，目的基因的檢測與鑒定）

從這節(jié)課開始，我們將深入學(xué)習(xí)基因工程，今天我們來學(xué)習(xí)DNA重組技術(shù)的基本工具。

我們來看本節(jié)課的學(xué)習(xí)目標。（多媒體展示學(xué)習(xí)目標，強調(diào)重難點）

（三）合作.探究、精講點撥。

學(xué)生每兩人為一組(可以是同桌)，結(jié)合教材，思考并回答學(xué)案上的.問題。

1、基因工程的概念

什么是基因工程？

想.一想，基因,工程是如何發(fā)展起來的？

2、科技探索之路(閱讀課本P2—3頁)

(1)基因工程是在哪些學(xué)科的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的？

(2)哪些基礎(chǔ)理論的突破催生了基因工程？

(3)哪些技術(shù)發(fā)明促進了基因工程的實施？

(4)你覺得，基因工程的誕生和發(fā)展能否離不開理論研究和技術(shù)創(chuàng)新？

3、限制性核酸內(nèi)切醐——“分子手術(shù)刀”

(1)從噬菌體侵染細菌的實驗來看,細菌等單細胞原核生,物容易受到自然界外源DNA

的入侵，那么這類原核生物之所以長期進化而不絕滅，有什么保護機制？由此可知，限制前

可以從哪些生物中分離出來？

(2)限制酶是如何切割DNA分子的？

(1)參考課本P4圖1—2,指出限制酶能破壞的那個磷酸二酯鍵。

(4)以EcoRI為例，畫出限制酶切割后形成的末端。(需要學(xué)生爬黑板)

4、DNA連接醐一一“分子縫合針”

(1)DNA連接酶是怎么分類的？

(2)DNA連接酶與DNA聚合酶是一回事兒嗎？有哪些區(qū)別？

(比較DNA連接酶與DNA聚合酶)

(3)E-coliDNA連接酶和T&DNA連接酶作用效果一樣大嗎？為什么？

5、基因進入受體細胞的載體——“分子運輸車”

(1)載體的作用是什么？為什么需要載體？把單獨的DNA片段導(dǎo)入受體細胞不行

嗎？

(2)我們選用從霍亂弧菌中分離出來的質(zhì)粒做載體，可以嗎？為什么？

.(3)我們能不能用肉眼直接觀察到載體進入受體細胞？那如何鑒定呢？

(4)如果載體上沒有限制酶切割位點，能否把目的基因運輸進入受體細胞？

6、活動：模擬操作重組DNA分子

(兩人為一組進行：完成后小組之間進行交流)

(四)反思總結(jié)，當(dāng)堂檢測(參考導(dǎo)學(xué)案)

教師組織學(xué)生反思總結(jié)本節(jié)課的主要內(nèi)容，并進行當(dāng)堂檢測。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)并對所學(xué)內(nèi)容進行簡單的反饋糾正。

(五)發(fā)導(dǎo)學(xué)案、布置預(yù)習(xí)。

我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了DNA重組技術(shù)的基本工具，課下大家做一下本節(jié)課的課后練習(xí)。下一

節(jié)課，我們將重點.學(xué)習(xí)基因工程的基本操作程序，內(nèi)容比較多，大家做好預(yù)習(xí)。

九、板書設(shè)計

DNA重組技術(shù)的基本工具

一、基因工程概念

二、限制酶

1、來源

2、作用

3、舉例

三、DNA連接酶

1、分類

2、作用

3、與DNA聚合酶比較

四、載體

1、.質(zhì)粒

2、載體需具備的條件

3、其他載體

十、教學(xué)反思

本課的設(shè)計采用了課前下發(fā)預(yù)習(xí)學(xué)案，學(xué)生預(yù)習(xí)本節(jié)內(nèi)容，找出自己迷惑的地方。課堂

上師生主要解決重點、難點、疑點、考點、探究點以及學(xué)生學(xué)習(xí)過程中易忘、易混點等，最

后進行當(dāng)堂檢測，課后進行延伸拓展，以達到提高課堂效率的目的。

由于三種基本工具是本節(jié)課的重點，所以應(yīng)該多花點時間來掌握重點。尤其是.后面的

模擬制作部分，是直接模擬重組DNA分子，應(yīng)該安排時間來做，不能輕易忽略掉。

專題一1.2基因工程的基本操作程序

2、教材分析

《基因工程的基本操作程序》是專題1《基因工程》的第二節(jié)，也是《基因工程》的核

心，上承《DNA重組技術(shù)的基本工具》，下接《基因工程的應(yīng)用》。本節(jié)課主要介紹了基

因工程的基本操作程序的四個步驟，教學(xué)內(nèi)容多，難點多，最好化整為零、各個擊破。

3、教學(xué)目標

1.知識目標：

簡述基因工程原理及基本操作程序。

三、能力目標：

嘗試設(shè)計某一轉(zhuǎn)基因生物的研制過程。

3.情感、態(tài)度和價值觀目標：

(1.)關(guān)注基因工程的發(fā)展。

(2)認同基因工程的誕生和.發(fā)展離不開理論研究和技術(shù)創(chuàng)新。

三、教學(xué)重點和難點

1、教學(xué)重點

基因工程基本操作程序的四個步驟。

1、教學(xué)難點

(1)從基因文庫中獲取目的基因

(2)利用PCR技術(shù)擴增目的基因

四、學(xué)情分析

本節(jié)課內(nèi)容較多，難點較多，學(xué)生學(xué)習(xí)起來有一定困難，所以之前應(yīng)該要求學(xué)生做好預(yù)

習(xí)，盡量采用化整為零、各個擊破的教學(xué)策略。

五、教學(xué)方法

1、學(xué)案導(dǎo)學(xué)：見學(xué)案。

2、新授課教學(xué)基本環(huán)節(jié)：預(yù)習(xí)檢查、總結(jié)疑惑f情境導(dǎo)入、展示目標一合作探究、精

講點撥一反思總結(jié)、當(dāng)堂檢測一發(fā)導(dǎo)學(xué)案、布置預(yù)習(xí)

六、課前準備

1.學(xué)生的學(xué)習(xí)準備：預(yù)習(xí)《基因工程的基本操作程序》，初步把握基因工程原理及基

本操作程序。

2.教師的教學(xué)準備：多媒體課件制作，課前預(yù)習(xí)學(xué)案，課內(nèi)探究學(xué)案，課后延伸拓展

學(xué)案。

七、課時安排：2課時

八、教學(xué)過程

（一）預(yù)習(xí)檢查、總結(jié)疑惑

檢查學(xué)生落實預(yù)習(xí)的情況并了解學(xué)生的疑惑，使教學(xué)具有針對性。

（2）情境導(dǎo)入、展示目標

教師首先提問：

2、什么是基因工程？（基因工程的概念）

3、DNA重組技術(shù)的基本工具有哪些？（限制酶、DNA連接酶、教體）

4、運載體需要具備哪些條件？（有一個或多個限制酶切割位點；有標記基因：能在受

體細胞中穩(wěn)定存在并自我復(fù)制或者整合到受體細胞染色體DNA上隨染色體DNA的復(fù)

制而同步復(fù)制）

上節(jié)課我們學(xué)習(xí)了DNA重組技術(shù)的基本工具，本節(jié)課我們將繼續(xù)學(xué)習(xí)《基因工程》的

核心內(nèi)容——基因工程的基本操.作程序。我們來看本.節(jié)課的學(xué)習(xí)目標。（多媒體展示學(xué)習(xí)

目標，強調(diào)重難點）

（5）合作探究、精講點撥

學(xué)生每兩人為一組（可以是同桌），結(jié)合教材，思考并回答學(xué)案上的問題。

1、目的基因的獲?。ㄏ胍幌?，為什么要有這一步？）

思考并回答：

（1）目的基因的獲取方法有哪些？

（2）為什么要建立基因文庫？怎么建立的？

（3）如何從基因文庫中獲取目的基因？

（4）為什么要建立cDNA文庫？,如何獲.取cDNA?

（補充真核生物基因與原核生物基因比較）

（5）PCR技術(shù)的原理是什么？

（6）如何獲取引物？

（7）PCR技術(shù)擴增的過程是？

5、基因表達載體的構(gòu)建

（1）為什么要構(gòu)建基因表達載體？單獨的DNA片段能不能穩(wěn)定遺傳？

（2）基因表達載體的構(gòu)成包括哪些元件？

（繪制基因表達載體的模式圖）

（3）什么是啟動子、終止子,？他們位于哪里？有什么作用？

（4）為什么要有標記基因？它的作用是？

6、將目的基因?qū)胧荏w細胞

（想一想，為什么要導(dǎo)入受體細胞？在外界能不能維持穩(wěn)定和表達？）

（1）什么是轉(zhuǎn)化？

（2）將目的基因?qū)胫参锛毎姆椒ㄓ心男?？最常用的方法是？哪些細胞可以?/p>

為受體細胞？（結(jié)合示意圖，了解農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法的基本過程）

（3）將目的基因?qū)雱游锛毎幕?，本操作程序是？要用到什么技術(shù)？哪些細胞可

以作為受體細胞？

（4）早期的基因工程為什么選擇原核生物作為受體細胞？

（5）大腸桿菌細胞最常用的轉(zhuǎn)化方法是？

7、目的基因的檢測與鑒定（為什么要檢測和鑒定？）

（1）目的基因的檢測與鑒定可以從什么水平來做？

（2）核酸雜交技術(shù)基本過程是？什么是探針？

(3)如何檢測目的基因是否翻譯出蛋白質(zhì)？

(4)如何從個體生物學(xué)水平鑒定轉(zhuǎn)基因抗蟲棉？

7、反思總結(jié)、當(dāng)堂檢測(參考導(dǎo)學(xué)案)

教師組織學(xué)生反思總結(jié)本節(jié)課的主要內(nèi)容，并進行當(dāng)堂檢測。

(五)發(fā)導(dǎo)學(xué)案、布置預(yù)習(xí)

我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了基因工程的基本操作程序，課下大家做一下本節(jié)課的課后練習(xí)。下一節(jié)

課，我們將學(xué)習(xí)基因工程的應(yīng)用，大家做好預(yù)習(xí)。

九、板書設(shè)計

基因工程的基本操作程序

(3)目的基因的獲取

獲取方法：

1、從基因文庫中獲取目的基因

7、利用PCR技術(shù)擴增目的基因

8、通過,DNA合成儀用化學(xué)方法直接人工合成

二、基因表達載體的構(gòu)建

基因表達載體的模式圖

三、將目的基因?qū)胧荏w細胞

1、轉(zhuǎn)化

2、導(dǎo)入植物細胞

3、導(dǎo)入動物細胞

4、導(dǎo)入微生物細胞

四、目的基因的檢測與鑒定

1、分子水平

2、個體生.物學(xué)水平

十、教學(xué)反思

本課的設(shè)計采用了課前下發(fā)預(yù)習(xí)學(xué)案，學(xué)生預(yù)習(xí)本節(jié)內(nèi)容，找出自己迷惑的地方。課堂

上師生主要解決重點、難點、疑點、考點、探究點以及學(xué)生學(xué)習(xí)過程中易忘、易混點等，最

后進行當(dāng)堂檢測，課后進行延伸拓展，以達到提高課堂效率的目的。

本節(jié)課內(nèi)容較多，建議2個課時完成。難點較多，所以要加強預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，另外教學(xué)媒

體的利用，也有利于解決每一個程序中的技術(shù)難點。如在學(xué)習(xí)基因表達載體的構(gòu)建時，要結(jié)

合模式圖，說明插入元件的位置及其作用；又如，學(xué)習(xí)目的基因?qū)氲姆椒〞r，可以借用目

的基因?qū)胫参锛毎姆椒ㄒ灰晦r(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法以及相關(guān)的圖，講清具體方法。攻破,一點后,

再擴展到其它導(dǎo)入方法?.

授課時，先解決為什么分四個步驟的問題，然后解決每一步驟的技術(shù)方法問題，再通過

設(shè)計某一轉(zhuǎn)基因生物，將基因工程的操作程序有機地串聯(lián)起來。

選修三專題一第3節(jié)基因工程的應(yīng)用

一、教學(xué)目標

1.舉例說出基因工程應(yīng)用及取得的豐碩成果。

2.關(guān)注基因工程的進展.

3.認同基因工程的應(yīng)用促進生產(chǎn)力的提高。

二、教學(xué)重點和難點

1.教學(xué)重點

基因工程在農(nóng)業(yè)和醫(yī)療等方面的應(yīng)用。

2.教學(xué)難點

基因治療。

三、教學(xué)過程

1、轉(zhuǎn)基因生物與目的基因的關(guān)系

轉(zhuǎn)基因生物目的基因目的基因從何來

抗蟲棉Bt毒蛋白基因蘇云金芽狗桿菌

抗真菌立枯絲核菌的煙草幾丁質(zhì)酶基因和抗毒素合成基因

抗鹽堿和干旱作物調(diào)節(jié)細胞滲透壓的基因

耐寒的番茄抗凍蛋白基因魚

抗除草劑大豆抗除草劑基因

增強甜味的水果降低乳糖的奶牛

甜味基因腸乳糖酶基因

生產(chǎn)胰島素的工程菌人胰島素基因人

討論：

1、用動物乳腺作為反應(yīng)器，生產(chǎn)高價值的蛋白質(zhì)（如教材中列舉的血清白蛋白、抗凝血酶

等）比工廠化生產(chǎn)的優(yōu)越之處有哪些？（乳腺生物反應(yīng)器的優(yōu)點：①產(chǎn)量高；②質(zhì)量好；

③成本低；④易提取。）

簡介：動物乳腺生物反應(yīng)器

1987年美國科學(xué)家戈登（Gordon）等人首次在小鼠的奶中生產(chǎn)出一種醫(yī)用蛋白——LPA

（組織

型纖溶酶原激活物），展示了用動物乳腺生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品的可能性。利用動物乳腺生產(chǎn)高

價值產(chǎn)

品的方式稱為動物乳腺反應(yīng)器。

為什么要用動物乳腺作為反應(yīng)器生產(chǎn)高價值的蛋白質(zhì)產(chǎn)品呢？這是因為動物乳房是一

種高度分化的專門化腺體，合成蛋白質(zhì)的能力非常強，尤其是一些經(jīng)過長期的遺傳改良，專

門產(chǎn)奶的乳用動物品種，蛋白質(zhì)合成能力更是驚人。一頭優(yōu)質(zhì)奶牛，一年可產(chǎn)奶10000kg。

即便是一只奶山羊，一年也可產(chǎn)奶2000kgo

動物乳腺生物反應(yīng)器歸納起來有四大優(yōu)點：①產(chǎn)量高，且易收獲目標產(chǎn)品，可以隨乳

汁分泌而,排出動物體外；②目標產(chǎn)品的質(zhì)量好。動物.乳腺組織不僅具有按遺傳信息流向合

成蛋白質(zhì)的能力，而且具備一整套對蛋白進行修飾和加工的能力，如糖基化、竣化、磷酸化

以及分子組裝等，而微生物和植物系統(tǒng)都不具備這種全面的蛋白質(zhì)后加工能力；③產(chǎn)品成本

低；④從奶牛中提取產(chǎn)品，操作比較簡單。

正因為利用動物乳腺生物反應(yīng)器生產(chǎn)高附加值的產(chǎn)品有上述優(yōu)點，目前利用動物乳腺

生物反應(yīng)器生產(chǎn)醫(yī)用蛋白質(zhì)已成為一種風(fēng)險投資產(chǎn)業(yè)，受到科.學(xué)家、商界和醫(yī)藥界的高度

重視。目前瞄準的目標醫(yī)藥產(chǎn)品有：①血液蛋白質(zhì)，如表1-2所示，這些血液蛋白質(zhì)有巨大

的經(jīng)濟效益，其中利用奶牛生產(chǎn)的凝血酶HI已通過第三期臨床實驗，即將投放市場。②第二

代醫(yī)用蛋白質(zhì)，主要有抗體、降鈣素、人的生長激素、胰島素等藥物蛋白，乳白蛋白、乳鐵

蛋白等營養(yǎng)蛋白，疫苗，組織修復(fù)物等。③生產(chǎn)“人源化牛奶”，即用成人的乳蛋白基因替

代牛的乳蛋白基因，使牛奶變成像人奶的一種基因工程奶。

動物乳腺生物反應(yīng)器的做法與轉(zhuǎn)基因動物的操作是相同的，只是為了將目標產(chǎn)品在乳

汁中形成，需要使用乳腺組織中特異表達的啟動子，即在目標產(chǎn)品蛋白質(zhì)編碼框的前面加

上乳腺組織中特異表達的啟動子等，構(gòu)建成表達載體后通過注射導(dǎo)入受精卵中，再將其送入

母體動物內(nèi)，發(fā)育成動物個體，這個轉(zhuǎn)基因動物就會在奶中產(chǎn)生所需要的目標產(chǎn)品。

2、用基因工程技術(shù)實現(xiàn)動物乳腺生物反應(yīng)器的操作過程是怎樣的？

用基因工程技術(shù)實現(xiàn)動物乳腺生物反應(yīng)器的操作過程與轉(zhuǎn)基因動物操作過程相同。

不同之處：為了將目標產(chǎn)品在奶中形成，需要使用乳腺組織中特異表達的啟動子，要

在編碼目的蛋白質(zhì)的基因序列前加上乳腺組織中特異表達的啟動子構(gòu)建成表達載體。

操作過程大致歸納為：獲取目的基因（例如血清白蛋白基因）一構(gòu)建基因表達載體（在

血清白蛋白基因前加特異表達的啟動子）-顯微注射導(dǎo)入哺乳動物受精卵中f形成胚胎一將

胚胎送入母體動物f發(fā)育成轉(zhuǎn)基因動物（只有在產(chǎn)下的雌性個體中，轉(zhuǎn)入的基因才能表達）。

3、什么叫工程菌？

關(guān)于工程菌的學(xué)習(xí)，也可結(jié)合基因工程操作程序，予以說明，并結(jié)合微生物生長和代

謝的特點，說明工程菌生產(chǎn)藥物的優(yōu)越性。

補充：利用微生物生產(chǎn)藥物的優(yōu)越性何在?

所謂利用微生物生產(chǎn)蛋白質(zhì)類藥物，是指將人們需要的某種蛋白質(zhì)的編碼基因，構(gòu)建

成表達載體后導(dǎo)入微生物，然后利用微生物發(fā)酵來生產(chǎn)蛋白質(zhì)類藥物。與傳統(tǒng)的制藥相比有

以下優(yōu)越性：

(1)利用活細胞作為表達系統(tǒng)，表達效率高，無需大型裝置和大面積廠房就可以生產(chǎn)

出大量藥品。

(2)可以解決傳統(tǒng)制藥中原料來源的不足。例如，胰島素是治療糖尿病患者的藥物，

一名糖尿病患者每年需用的胰島素需要從40頭?；?0頭豬的胰臟中才能提取到。1978年

科學(xué)家用2.000L大腸桿菌發(fā)酵液得到100g胰島素，相當(dāng)于從1000kg豬胰臟中提取的

量。又如，生長素是治療侏儒癥患者的藥物，治療一名侏儒癥患者每年需要從80具尸體的

腦下垂體中提取生長素。利用基因工程菌發(fā)酵生產(chǎn)就不需要從動物或人體上獲取原料。

(3)降低生產(chǎn)成本，減少生產(chǎn)人員和管理人員。

4、什么是基因治療？

關(guān)于基因治療，可結(jié)合課文中的具體實例，歸納出大致治療過程。至于是否采用討論

方式，可根據(jù)課堂時間而定。如果時間緊，也可采用教師引導(dǎo)學(xué)習(xí)的方法。

四、答案和提示

思考與探究

根據(jù)所學(xué)內(nèi)容，試概括寫出基因工程解決了哪些生活、生產(chǎn)中難以解決的問題。

提示：基因工程可以生產(chǎn)人類需要的藥物，如胰島素、干擾素等。我們吃的某些食品

如番茄、大豆等也可以是基因工程產(chǎn)品。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的抗蟲棉、抗病毒煙草、抗除草劑大豆

等都已進入商品化生產(chǎn)，上述產(chǎn)品有些是常規(guī)方法難以生產(chǎn)的或者生產(chǎn)成本過高。

五、知識拓展

1.利用微生物生產(chǎn)藥物的優(yōu)越性何在？

所謂利用微生物生產(chǎn)蛋白質(zhì)類藥物，是指將人們需要的某種蛋白質(zhì)的編碼基因，構(gòu)建

成表達載體后導(dǎo)入微生物，然后利用微生物發(fā)酵來生產(chǎn)蛋白質(zhì)類藥物。與傳統(tǒng)的制藥相比有

以下優(yōu)越性：

(1)利用活細胞作為表達系統(tǒng)，表達效率高，無需大型裝置和大面積廠房就可以生產(chǎn)

出大量藥品。

(2)可以解決傳統(tǒng)制藥中原料來源的不足。例如，胰島素是治療糖尿病患者的藥物，

一名糖

尿病患者每年需用的胰島素，需要從40頭?；?0頭豬的胰臟中才能提取到。1978年科

學(xué)家用2000L大腸桿菌發(fā)酵液得到100g胰島素，相當(dāng)于從1000kg豬胰臟中提取的量。

又如，生長素是治療侏儒癥患者的藥物，治療一名侏儒癥患者每年需要從80具尸體的腦下

垂體中提取生長素。利用基因工程菌發(fā)酵生產(chǎn)就不需要從動物或人體上獲取原料.

(3)降低生產(chǎn)成本，減少生產(chǎn)人員和管理人員。

2.在抗病毒轉(zhuǎn)基因植物中，為什么使用病毒外殼蛋白基因可以抗病毒侵染？

關(guān)于病毒外殼蛋白(coatp.rotein,CP)基因?qū)胫参锖蟮目共《緳C理，目前有幾種

假說。一種假說認為：CP基因在植物細胞內(nèi)表達積累后，當(dāng)入侵的病毒裸露核酸進入植物

細胞后，會立即被這些外殼蛋白重新包裹，從而阻止病毒核酸分子的復(fù)制和翻譯。另一種假

說認為：植物細胞內(nèi)積累的病毒外殼蛋白會抑制病毒脫除外殼，使病毒核酸分子不能釋放出

來。然而最近的研究表明，如果將病毒的外殼蛋白的AUG起始密碼缺失，使之不能被翻譯，

或者將外殼蛋白基因變成反義RNA基因，整合到植物細胞染色體上，轉(zhuǎn)基因植物則有很好的

抗性。因此，有人認為抗性機理不是外殼蛋白在起作用，而是CP基因轉(zhuǎn)錄出RNA后，與入

侵病毒RNA之間的相互作用起到了抗性作用。

利用CP介導(dǎo)的抗病毒性還存在一些問題：①轉(zhuǎn)基因植物對病毒的抗性有局限性，僅限

于特定的病毒(被使用CP基因的病毒)或密切相關(guān)的病毒；②轉(zhuǎn)基因植物大多數(shù)只是發(fā)病

延緩，一般為,兩周，并非根治；③潛在著植物表達的外殼蛋白包被與另一種病毒形成新的

雜合病毒的危險。

專題一1.4蛋白質(zhì)工程的崛起

一、教學(xué)目標

1.舉例說出蛋白質(zhì)工程崛起的緣由。

2.簡述蛋白質(zhì)，工程的原理。

3.嘗試運用逆向思維分析和解決問題。

二、教學(xué)重點和難點

1.教學(xué)重點

(1)為什么要開展蛋白質(zhì)工程的研究？

(2)蛋白質(zhì)工程的原理。

2.教學(xué)難點

蛋白質(zhì)工程的原理。

三、教學(xué)過程

一、蛋白質(zhì)工程崛起的緣由（P26）

引言：要想讓一種生物的性狀在另一種生物中表達，在種內(nèi)可以用常規(guī)雜交育種的辦

法實現(xiàn)，但要使有生殖隔離的種間生物實現(xiàn)基因交流，就顯得力不從心了?；蚬こ痰恼Q生,

為克服這一遠緣雜交的障礙問題，帶來了新的希望。于是取得了豐碩成果：大腸桿菌為人類

生產(chǎn)出了胰島素，牛的乳腺生物反應(yīng)器為人類制造出了蛋白質(zhì)類藥物，煙草植物體內(nèi)含有了

某種藥物蛋白……至此，人們也只是實現(xiàn)了世界上現(xiàn)有基因在轉(zhuǎn)基因生物中的表達。但一個

新問題出現(xiàn)了，生物產(chǎn)生的天然蛋白質(zhì)是在長期進化過程中形成的，它的結(jié)構(gòu)、.性能不能

完全滿足人類生產(chǎn)和生活的需要。舉例：P26干擾素例子、工業(yè)用酶的例子

于是要對現(xiàn)有蛋白質(zhì)進行改造，制造出目前從天然蛋白質(zhì)中找不到的蛋白質(zhì)。這樣人

們又開始了新一輪的探索，蛋白質(zhì)工程應(yīng)運而生了。

二、蛋白質(zhì)工程的原理

回顧己學(xué)習(xí)過中心法則及蛋白質(zhì)具有復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)等知識。中心法則告訴我們遺傳

信息的流動方向如圖1-4所示。

備dA（基因）如*mRNA史上■肽鏈包”*具有空

間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)一表達生物將有的功能或性狀

圖1-4遺傳信息的流動方向

那么，既然蛋白質(zhì)的功能是由DNA決定的，那么要制造出新的蛋白質(zhì)，就要改造DNA。

所以蛋白質(zhì)工程的原理應(yīng)該是中心法則的逆推。（結(jié)合課本中插圖）

小結(jié)：蛋白質(zhì)工程的概念（是研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)與功能的關(guān).系，然后人為地設(shè)計一

個新蛋白質(zhì)，并按這個設(shè)計的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)去改變其基因結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生新的蛋白質(zhì)?；蛘邚?/p>

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系出發(fā)，定向地改造天然蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，特別是對功能基因的修飾，

也可以制造新型的蛋白質(zhì)。）

思考：蛋白質(zhì)工程操作程序的基本思路與基因工程有什么不同？

答：基因工程是遵循中心法則，從DNA-mRNAf蛋白質(zhì)一折疊產(chǎn)生功能，基本上是生產(chǎn)

出自然界已有的蛋白質(zhì)。

蛋白質(zhì)工程是按照以下思路進行的：確定蛋白質(zhì)的功能一蛋白質(zhì)應(yīng)有的高級結(jié)構(gòu)一蛋

白質(zhì)應(yīng)具備的折疊狀態(tài)f應(yīng)有的氨基酸序列f應(yīng)有的堿基排列,可以創(chuàng)造自然界不存在的蛋

白質(zhì)。

三、蛋白質(zhì)工程的進展和前景

1、蛋白質(zhì)工程的誕生是有其理論與技術(shù)條件.的，它是隨著分子生物學(xué)、晶體學(xué)以及計算機

技術(shù)的發(fā)展而誕生的，與基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、生物信息學(xué)的發(fā)展等因素有關(guān)

2、現(xiàn)狀：成功的例子不多，主要是因為蛋白質(zhì)發(fā)揮其功能需要依賴于正確的空間結(jié)構(gòu)，而

科學(xué)家目前對大多數(shù)蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)了解很少。

科學(xué)探索之路的漫長、艱辛和永無止境。

四、答案和提示

（一）思考與探究1.蛋白質(zhì)工程是應(yīng)怎樣的需求而崛起的？

提示（供教師在教學(xué)中參考）：蛋白質(zhì)工程的崛起主要是工業(yè)生產(chǎn)和基礎(chǔ)理論研究的

需要。而結(jié)構(gòu)生物學(xué)對大量蛋白質(zhì)分子的精確立體結(jié)構(gòu)及其復(fù)雜的生物功能的分析結(jié)果，為

設(shè)計改造天然蛋白質(zhì)提供了藍圖。分子遺傳學(xué)的以定點突變?yōu)橹行牡幕虿僮骷夹g(shù)為蛋白質(zhì)

工程提供了手段。

在已研究過的幾千種酶中，只有極少數(shù)可以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，絕大多數(shù)酶都不能應(yīng)用

于工業(yè)生產(chǎn)，這些酶雖然在自然狀態(tài)下有活性，但在工業(yè)生產(chǎn)中沒有活性或活性很低。這是

因為工業(yè)生產(chǎn)中每一步的反應(yīng)體系中常常會有酸、堿或有機溶劑存在，反應(yīng)溫度較高，在這

種條件下，大多數(shù)酶會很快變性失活。提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性是工業(yè)生產(chǎn)中一個非常重要的課

題。一般來說，提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性包括：延長醐的半衰期，提高酶的熱穩(wěn)定性，,延長藥

用蛋白的保存期，抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性喪失等。

下面舉一個如何通過蛋白質(zhì)工程來提.高重組B-干擾素專一活性和穩(wěn)定性的例子。干

擾素是一種抗病毒、抗腫瘤的藥物。將人的干擾素的cDNA在大腸桿菌中，進行表達，產(chǎn)生的

干擾素的抗病毒活性為10'U/mg,只相當(dāng)于天然產(chǎn)品的十分之一，雖然在大腸桿菌中.合成

的B-干擾素量很多，但多數(shù)是以無活性的二聚體形式存在。為什么會這樣？如何改變這種

狀況？研究發(fā)現(xiàn)，B-干擾素蛋白質(zhì)中有3個半胱氨酸（第17位、31位和141位），推測

可能是有一個或幾個半胱氨酸形成了不正確的二硫鍵。研究人員將第17位的半胱氨酸，通

過基因定點突變改變成絲氨酸，結(jié)果使大腸桿菌中生產(chǎn)的干擾素的抗病性活性提高到1（/

U/mg,并且比天然B-干擾素的貯存穩(wěn)定性高很多。

在基礎(chǔ)理論研究方面，蛋白質(zhì)工程是研究多種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能、蛋白質(zhì)折疊、蛋

白質(zhì)分子設(shè)計等一系列分子生物學(xué)基本問題的一種新型的、強有力的手段。通過對蛋白質(zhì)工

程的研究，可以深入地揭示生命現(xiàn)象的本質(zhì)和生命活動的規(guī)律。

2.蛋白質(zhì)工程操作程序的基本思路與基因工程有什么不同？

答：基因工程是遵循中心法則，從DNA-mRNA-蛋白質(zhì)一折疊產(chǎn)生功能，基本上是生產(chǎn)

出自然界已有的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)工程是按照以下思路進行的：確定蛋白質(zhì)的功能一蛋白質(zhì)應(yīng)

有的高級結(jié)構(gòu)f蛋白質(zhì)應(yīng)具備的折疊狀態(tài)一應(yīng)有的氨基酸序列f應(yīng)有的堿基排列，可以創(chuàng)造

自然界不存在的蛋白質(zhì)

3.你知道酶工程嗎？絕大多數(shù)酶都是蛋白質(zhì)，酶工程與蛋白質(zhì)工程有什么區(qū)別？

提示：酶工程就是指將酶所具有的生物催化作用，借助工程學(xué)的手段，應(yīng)用于生產(chǎn)、

生活、醫(yī)療診斷和環(huán)境保護等方面的一門科學(xué)技術(shù)。概括地說，醐工程是由酶制劑的生產(chǎn)和

應(yīng)用兩方面組成的。酶工程的應(yīng)用主要集中于食品工業(yè)、輕工業(yè)以及醫(yī)藥工業(yè)中。a-淀粉

酶、葡萄糖淀粉酶和葡萄糖異構(gòu)酶這三個酶連續(xù)作用于淀粉，就可以代替蔗糖生產(chǎn)出高果糖

漿；蛋白酶用于皮革脫毛膠以及洗滌劑工業(yè)；固定化酶還可以治療先天性缺酶病或是器官缺

損引起的某些功能的衰竭等。至于我們?nèi)粘Ｉ钪兴姷降募用赶匆路?、嫩肉粉等，就更?/p>

酶工程最直接的體現(xiàn)了。通常所說的酶工程是用工程菌生產(chǎn)酶制劑，而沒有經(jīng)過由酶的功能

來設(shè)計酶的分子結(jié)構(gòu)，然后由酶的分子結(jié)構(gòu)來確定相應(yīng)基因的堿基序列等步驟。因此，酶工

程的重點在于對已存酶的合理充分利用，而蛋白質(zhì)工程的重點則在