蛋白质工程的崛起教案(1)

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1、教学建议1.建议采用“问题—探究—新问题—再探究”的教学模式。本节内容是基因工程的延伸和发展。由于蛋白质工程刚刚起步,学习内容较少。如何学得充实,又让学生悟出些终身学习的道理,建议采用“问题—探究—新问题—再探究”的教学模式。新课一开始,可以带领学生回忆原有知识:要想让一种生物的性状在另一种生物中表达,在种内可以用常规杂交育种的办法实现,但要使有生殖隔离的种间生物实现基因交流,就显得力不从心了。基因工程的诞生,为克服这一远缘杂交的障碍问题,带来了新的希望。于是取得了丰硕成果:大肠杆菌为人类生产出了胰岛素,牛的乳腺生物反应器为人类制造出了蛋白质类药物,烟草植物体内含有了某种

2、药物蛋白……至此,人们也只是实现了世界上现有基因在转基因生物中的表达。但一个新问题出现了,生物产生的天然蛋白质是在长期进化过程中形成的,它的结构、性能不能完全满足人类生产和生活的需要。为了加深这一点的认识,可调动学生从书中找实例(干扰素例子、工业用酶的例子)加以佐证。于是要对现有蛋白质进行改造,制造出目前从天然蛋白质中找不到的蛋白质。这样人们又开始了新一轮的探索,蛋白质工程应运而生了。2.建议加强与已有知识的联系,用逆向思维的方法解决新问题。学生在必修课中已学习过中心法则及蛋白质具有复杂的空间结构等知识。中心法则告诉我们遗传信息的流动方向如下图所示。遗传信息的流动方向这是

3、学习新知识的基础。既然蛋白质的功能是由DNA决定的,那么要制造出新的蛋白质,就要改造DNA,所以蛋白质工程的原理应该是中心法则的逆推。结合课本中蛋白质工程流程图,可以较明确地说明这一点。3.建议以与基因工程比较的方式进行课堂小结。从操作场所、操作起点、操作对象、基本过程、目的、实质等几个方面对蛋白质工程和基因工程的异同进行扫描式梳理,既巩固了学生对蛋白质工程的理解,又促进了新旧知识间的融会贯通。参考资料蛋白质工程研究的核心内容1.结构分析蛋白质工程的核心内容之一就是收集大量的蛋白质分子结构的信息,以便建立结构与功能之间关系的数据库,为蛋白质结构与功能之间关系的理论研究奠定

4、基础。三维空间结构的测定是验证蛋白质设计的假设即证明是新结构改变了原有生物功能的必需手段。晶体学的技术在确定蛋白质结构方面有了很大发展,最明显的不足是需要分离出足够量的纯蛋白质(几毫克至几十毫克),制备出单晶体,然后再进行繁杂的数据收集、计算和分析。另外,蛋白质的晶体状态与自然状态也不尽相同,在分析的时候要考虑到这个问题。2.结构、功能的设计和预测根据对天然蛋白质结构与功能分析建立起来的数据库里的数据,可以预测一定氨基酸序列的肽链的空间结构和生物功能;反之也可以根据特定的生物功能,设计蛋白质的氨基酸序列和空间结构。通过基因重组等实验可以直接分析结构与功能之间的关系;也可以

5、通过分子动力学、分子热力学等,分析计算蛋白质分子的立体结构和生物功能。这方面的工作尚在起步阶段。3.蛋白质改造的方法蛋白质的改造有多种方法。物理化学法:对蛋白质进行变性、复性处理,修饰蛋白质侧链官能团,分割肽链,改变表面电荷分布促进蛋白质形成一定的立体结构等;生物化学法:使用蛋白酶选择性地分割蛋白质,利用转糖苷酶、酯酶、酰酶等去除或连接不同化学基团,利用转酰胺酶使蛋白质发生胶连等。以上方法只能对相同或相似的基团或化学键发生作用,缺乏特异性,不能针对特定的部位起作用。采用基因重组技术或人工合成DNA,不但可以改造蛋白质,而且可以实现从头合成全新的蛋白质。氨基酸序列是蛋白质的

6、一级结构,它决定着蛋白质的空间结构和生物功能。而氨基酸序列是由合成蛋白质的基因的碱基序列决定的,改变基因的碱基序列就可以改变蛋白质的氨基酸序列,实现蛋白质的可调控生物合成。