人教版高中生物选修3示范教案专题一：基因工程.doc

1重组技术的基本工具一教学目标简述重组技术所需三种基本工具的作用认同基因工程的诞生和发展离不开理论研究和技术创新二教学重点和难点教学重点重组技术所需的三种基本工具的作用教学难点基因工程载体需要具备的条件三教学策略设置问题情境引导学生在思索中学习新知识本节内容主要是介绍重组技术的三种基本工具及其作用如果我们采用直白平淡的方式介绍不利于调动学生学习的积极性也不利于学生科学素养的全面提高应当通过创设情境提出问题诱导学生积极参与教学活动开启他们思想的闸门限制酶分子手术刀主要是介绍限制酶的作用切割后产生的结果可在进入这部分内容学习时设置学生关心的问题限制酶从哪里寻找诱导学生联想从前学过的内容噬菌体侵染细菌的实验进而认识细菌等单细胞生物容易受到自然界外源的入侵那么这类原核生物之所以长期进化而不绝灭有何保护机制进而诱导学生产生可能是有什么酶来切割外源而使之失效达到保护自身的目的这样就将书中直白的这类酶主要是从原核生物中分离纯化出来的写法变成了一个自主探索的思想活动连接酶片段的分子缝合针写得比较简洁我们可以从原有的知识出发诱发学生思考达到辨析明理的作用要想连接被切割开的学生根据从前学过的知识第一反应就想到聚合酶学生这种想法的产生是很自然的但实际上并不能用这种酶进行片段的连接应引领学生分析聚合酶与连接酶的不同作用从而达到更深层次认识连接酶的目的基因进入受体细胞的载体分子运输车的学习内容提到作为载体必需的四个条件教学不能仅仅着眼于让学生记住这几个条件而应该通过诱导思索明确为什么要有这四个条件才能充当载体让抽象的语言在直观的插图中找到注释在实际动手中形成正确认识语言文字具有抽象概括的特点插图等信息媒体具有形象直观的特点容易被感知和理解但抽象概括功能差要想真正理解本节语言文字中的含义教师必须将抽象的语言2文字与形象的插图等非语言信息媒体有机地结合起来做到优势互补这样学生一时琢磨不透的抽象语言就能在具体直观的插图中找到注解抽象的黏性末端平末端的叙述以及磷酸二酯键的部位与直观的插图协同运用可使学生准确地理解切割或连接部位理解黏性的内涵连接酶是缝合磷酸二酯键的在重组过程中到底体现在何处结合插图会易于理解紧密结合质粒载体结构的模式图教学也将使学生对构建载体条件的有关内容变得容易理解在模拟制作重组模型时单纯动手剪纸板只能算是手工劳动而模拟制作是富含科学内涵的动手过程当拿来剪刀时首先意识到这是一把的特异剪刀应去寻找的碱基序列然后从和之间剪开当拿来不干胶时意识到只能黏连磷酸二酯键处而不能去黏连碱基对处当出现模拟制作失误时也要想想这在真实情况下可能是什么原因所致引导学生从基因工程的整体思考问题解决本节教学难点本节的难点是对载体必须具备条件的分析要想解决这个问题就事论事的做法不能奏效只有将这局部的内容整合到整个基因工程的设计过程中才能理解例如我们选用从霍乱弧菌中的质粒来做载体结合基因工程的实际目的来想谁敢用它来做受体细胞的载体显然人们对分离出的基因产物运用后果有顾虑从而认清载体必须对细胞无害当然这里主要考虑载体不能有害于受体细胞影响其生命活动的正常进行又如载体上没有标记基因我们用肉眼又看不到载体是否真正进入那么如何鉴定因此只有真正想到实际工作中这方面的困难才会明白预先为什么要选具备标记基因的载体再如没有一个和多个切割位点就不能进行的重组重组不能复制就可能丢失所以教师要引导学生将一个个的问题置于整体过程中考虑这样才能理解局部的做法是为了实现整体的目标四答案与提示一思考与探究限制酶在的任何部位都能将切开吗以下是四种不同限制酶切割形成的片段3你是否能用连接酶将它们连接起来答和能连接形成和能连接形成和能连接形成和能连接形成联系你已有的知识想一想为什么细菌中限制酶不剪切细菌本身的提示迄今为止基因工程中使用的限制酶绝大部分都是从细菌或霉菌中提取出来的它们各自可以识别和切断上特定的碱基序列细菌中限制酶之所以不切断自身是因为微生物在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制对于外源入侵的可以降解掉生物在长期演化过程中含有某种限制酶的细胞其分子中或者不具备这种限制酶的识别切割序列或者通过甲基化酶将甲基转移到所识别序列的碱基上使限制酶不能将其切开这样尽管细菌中含有某种限制酶也不会使自身的被切断并且可以防止外源的入侵本题不要求学生回答的完全教师可参考教师用书中的提示根据学生的具体情况给予指导上述原则也应适用于其他章节中有关问题的回答天然的分子可以直接用做基因工程载体吗为什么提示基因工程中作为载体使用的分子很多都是质粒即独立于细菌拟核处染色体之外的一种可以自我复制双链闭环的裸露的分子是否任何质粒都可以作为基因工程载体使用呢其实不然作为基因工程使用的载体必需满足以下条件载体必需有一个或多个限制酶的切割位点以便目的基因可以插入到载体上去这些供目的基因插入的限制酶的切点所处的位置还必须是在质粒本身需要的基因片段之外这样才不至于因目的基因的插入而失活载体必需具备自我复制的能力或整合到受体染色体上随染色体的复制而同步复制载体必需带有标记基因以便重组后进行重组子的筛选载体必需是安全的不会对受体细胞有害或不能进入到除受体细胞外的其他生物细胞中去4载体分子大小应适合以便提取和在体外进行操作太大就不便操作实际上自然存在的质粒分子并不完全具备上述条件都要进行人工改造后才能用于基因工程操作网上查询连接酶有连接单链的本领吗提示迄今为止所发现的连接酶都不具有连接单链的能力至于原因现在还不清楚也许将来会发现可以连接单链的酶二寻根问底根据你所掌握的知识你能分析出限制酶存在于原核生物中的作用是什么吗提示原核生物容易受到自然界外源的入侵但是生物在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制以防止外来病原物的侵害限制酶就是细菌的一种防御性工具当外源侵入时会利用限制酶将外源切割掉以保证自身的安全所以限制酶在原核生物中主要起到切割外源使之失效从而达到保护自身的目的连接酶与聚合酶是一回事吗为什么答不是一回事基因工程中所用的连接酶有两种一种是从大肠杆菌中分离得到的称之为连接酶另一种是从噬菌体中分离得到称为连接酶这两种连接酶催化反应基本相同都是连接双链的缺口而不能连接单链连接酶和聚合酶都是形成磷酸二酯键在相邻核苷酸的位碳原子上的羟基与位碳原子上所连磷酸基团的羟基之间形成那么二者的差别主要表现在什么地方呢聚合酶只能将单个核苷酸加到已有的核酸片段的末端的羟基上形成磷酸二酯键而连接酶是在两个片段之间形成磷酸二酯键不是在单个核苷酸与片段之间形成磷酸二酯键聚合酶是以一条链为模板将单个核苷酸通过磷酸二酯键形成一条与模板链互补的链而连接酶是将双链上的两个缺口同时连接起来因此连接酶不需要模板此外二者虽然都是由蛋白质构成的酶但组成和性质各不相同三模拟制作讨论题你模拟插入的片段能称得上一个基因吗提示不能因为一般基因有上千个碱基对如果你操作失误碱基不能配对可能是什么原因造成的提示可能是剪切位点或连接位点选得不对也可能是其他原因四旁栏思考题5想一想具备什么条件才能充当分子运输车提示能自我复制有一个或多个切割位点有标记基因位点及对受体细胞无害等五知识拓展限制酶所识别的序列有什么特点限制酶所识别的序列无论是个碱基还是个碱基都可以找到一条中心轴线图中轴线两侧的双链上的碱基是反向对称重复排列的图限制酶识别序列的中心轴线限制酶在的任何部位都能将切开吗任何一种限制酶都只识别和切断特定的核苷酸序列这是由限制酶的性质所决定的连接酶连接的是什么部位连接酶是将一段片段端的羟基与另一片段端磷酸基团上的羟基连接起来形成酯键而不是连接互补碱基之间的氢键什么叫磷酸二酯键磷酸二酯键是核酸中核苷酸的连接方式组成了核酸的一级结构在核酸中一个核苷酸核糖上第位的羟基与下一个核苷酸核糖上第位的磷酸羟基脱水缩合成酯键该酯键称磷酸二酯键若干个核苷酸间以磷酸二酯键图连接成的多核苷酸链为核酸在链的一端的一个核苷酸其核糖上第位连接的磷酸只有一个酯键称此核苷酸为链的磷酸末端或端另一端核苷酸上第位的羟基是自由的所以此核苷酸称为羟基末端或端链内的核苷酸第位上的磷酸已形成二酯键第位上的羟基也已参与二酯键的形成故称核苷酸残基6图上的磷酸二酯键基因工程的基本操作程序一教学目标简述基因工程原理及基本操作程序尝试设计某一转基因生物的研制过程二教学重点和难点教学重点基因工程基本操作程序的四个步骤教学难点从基因文库中获取目的基因利用技术扩增目的基因三教学策略本节是基因工程专题的核心上承重组技术的基本工具一节下接基因工程的应用本节教学难点多学生学习有一定的困难因此建议采取化整为零各个击破的教学策略加强预习环节先解决为什么要分四个步骤的问题然后解决每一步骤的技术方法问题7为了突破难点及培养自学能力在上节课结束时可布置学生预习本节内容在上新课时首先解决基因工程的基本操作程序为什么要分四个步骤即分析每一步骤的必要性为什么要有目的基因的获取这一步建议引导学生看本专题题图中基因工程的概念基因工程是指按照人们的愿望进行严格的设计通过体外重组妥虻燃际酰秤枭镆孕碌囊糯匦裕丛斐龈先嗣切枰男碌纳锢嘈秃蜕锊贰笨梢运嫡饧仁歉拍睿彩窃怼饫锼档摹案先嗣切枰保褪悄康模敲锤先嗣切枰哪歉龌蚓褪悄康幕蛄恕辛四康幕颍颐遣拍芨秤枰恢稚镆粤硪恢稚锏囊糯匦浴为什么要有表达载体的构建这一步单独的片段目的基因是不能稳定遗传的课文中谈到构建表达载体的目的是为了使目的基因在受体细胞中稳定存在并且可以遗传给下一代同时使目的基因能表达和发挥作用为什么要有目的基因导入受体细胞这一步教材指出含有目的基因的表达载体只有进入受体细胞并且维持稳定和表达才能实现一种生物的基因在另一种生物中的转化为什么要有目的基因的检测与鉴定这一步这是因为目的基因是否真正插入受体细胞的中是否能够在受体细胞中稳定遗传和正确表达只有通过检测鉴定才能得知在解决上述为什么基因工程操作程序分四个步骤的基础上进入每一程序的有关技术和方法的学习加强教学媒体的运用解决每一程序中的技术难点在各个操作程序中都有一些技术和方法层面上的难点不好理解成为学生学习过程的拦路虎形象化是解决这一难题的好办法例如在目的基因获取的常用方法中有从基因文库中获得目的基因的说法尽管课文中运用了比喻的方法但语言文字仍显抽象教师应尽可能在教学中编制软件绘制投影片或利用挂图来解决这一难点让学生了解有了基因文库就可随时从中提取所需要的目的基因引入受体细胞使之表达而有关扩增技术则可结合书中插图明示出文字中概括出的变性退火延伸多次重复等四个过程又如在学习基因表达载体的构建方法时可结合插图说明插入必要的元件目的基因启动子终止子和标记基因的位置及其作用再如学习目的基因导入方法时可借用目的基因导入植物细胞的方法农杆菌转化法以及相关的图讲清具体方法攻破一点后再扩展到其他导入方法通过设计某一转基因生物将基因工程的操作程序有机地串联起来本节学习的基因工程的基本操作程序和方法是对转基因植物动物微生物的概括如果在本课将要结束时做个练习带领学生结合设计某一转基因生物的具体过程可将基因工程操作程序有机地串起来从而加深对这一程序的认识例如烟草是人类健康的杀手如果让它生产出人类需要的药物蛋白应如何操作通过这一实例引导学生结合目的基因从何而来表达载体如何构建如何导入烟草如何检测药物蛋白产生与否等问题加以设计可加深学生对基因工程原理的理解不同学生会有不同的方法让学生通过相互比较相互借鉴达到相互学习的目的学生在课下还可查阅科学杂志等参考读物了解科学家成功的做法8四答案和提示一思考与探究作为基因工程表达载体只需含有目的基因就可以完成任务吗为什么答不可以因为目的基因在表达载体中得到表达并发挥作用还需要有其他控制元件如启动子终止子和标记基因等必须构建上述元件的主要理由是生物之间进行基因交流只有使用受体生物自身基因的启动子才能比较有利于基因的表达通过文库获得的目的基因没有启动子只将编码序列导入受体生物中无法转录目的基因是否导入受体生物中需要有筛选标记为了增强目的基因的表达水平往往还要增加一些其他调控元件如增强子等有时需要确定目的基因表达的产物存在于细胞的什么部位往往要加上可以标识存在部位的基因或做成目的基因与标识基因的融合基因如绿色荧光蛋白基因等根据农杆菌可将目的基因导入双子叶植物的机理你能分析出农杆菌不能将目的基因导入单子叶植物的原因吗若想将一个抗病基因导入单子叶植物如小麦从理论上说你应该如何做提示农杆菌可分为根瘤农杆菌和发根农杆菌在植物基因工程中以根瘤农杆菌的质粒介导的遗传转化最多根瘤农杆菌广泛存在于双子叶植物中据不完全统计约有属种双子叶植物对根瘤农杆菌敏感裸子植物对该菌也敏感当这些植物被该菌侵染后会诱发肿瘤近年来也有报道该菌对单子叶植物也有侵染能力根瘤农杆菌侵染植物是一个非常复杂的过程根瘤农杆菌具有趋化性即植物的受伤组织会产生一些糖类和酚类物质吸引根瘤农杆菌向受伤组织集中研究证明主要酚类诱导物为乙酰丁香酮和羧基乙酰丁香酮这些物质主要在双子叶植物细胞壁中合成通常不存在于单子叶植物中这也是单子叶植物不易被根瘤农杆菌侵染的原因近年来还发现一些中性糖如阿拉伯糖木糖等也有诱导作用酚类物质和糖类物质既可以作为根瘤农杆菌的趋化物又可以作为农杆菌中质粒上区毒性区基因的诱导物使区基因活化导致的加工和转移从而侵染植物细胞需要注意的是农杆菌中不同的菌株侵染能力有差别在基因工程中需要加以选择使用利用农杆菌侵染单子叶植物进行遗传转化时是需要加上述酚类物质的同时单子叶植物种类不同农杆菌侵染进行遗传转化的效果也有很大差异如果想将一个抗病毒基因转入小麦也可以用农杆菌但要注意两点要选择合适的农杆菌菌株因为不是所有的农杆菌菌株都可以侵染单子叶植物要加趋化和诱导的物质一般为乙酰丁香酮等目的是使农杆菌向植物组织的受伤部位靠拢趋化性和激活农杆菌的区诱导的基因使转移并插入到染色体上9利用大肠杆菌可以生产出人的胰岛素联系前面有关细胞器功能的知识结合基因工程操作程序的基本思路思考一下若要生产人的糖蛋白可以用大肠杆菌吗提示有些蛋白质肽链上有共价结合的糖链这些糖链是在内质网和高尔基复合体上加工完成的内质网和高尔基复合体存在于真核细胞中大肠杆菌不存在这两种细胞器因此在大肠杆菌中生产这种糖蛋白是不可能的珠蛋白是动物血红蛋白的重要组成成分当它的成分异常时动物有可能患某种疾病如镰刀形细胞贫血症假如让你用基因工程的方法使大肠杆菌生产出鼠的珠蛋白想一想应如何进行设计提示基本操作如下从小鼠中克隆出珠蛋白基因的编码序列将前接上在大肠杆菌中可以适用的启动子另外加上抗四环素的基因构建成一个表达载体将表达载体导入无四环素抗性的大肠杆菌中然后在含有四环素的培养基上培养大肠杆菌如果表达载体未进入大肠杆菌中大肠杆菌会因不含有抗四环素基因而死掉如果培养基上长出大肠杆菌菌落则表明珠蛋白基因已进入其中培养进入了珠蛋白基因的大肠杆菌收集菌体破碎后从中提取珠蛋白二求异思维你能推测出由反转录形成的过程大致分为哪些步骤吗提示年特明和巴尔的摩证实了病毒中含有一种能将转录成的酶这种酶被称为依赖的聚合酶由于与中心法则中的从到的转录是反向的所以称为反转录酶反转录酶既可以利用又可以利用作为模板合成与之互补的链像其他聚合酶一样反转录酶也以方向合成图图由反转录形成的过程合成过程是第一步反转录酶以为模板合成一条与互补的单链形成杂交分子第二步核酸酶使杂交分子中的链降解使之变成单链的第三步以单链为模板在聚合酶的作用下合成另一条互补的链形成双链分子三寻根问底10为什么要构建基因文库直接从含有目的基因的生物体内提取不行吗提示构建基因文库是获取目的基因的方法之一并不是惟一的方式如果所需要的目的基因序列已知就可以通过方式从含有该基因的生物的中直接获得也可以通过反转录用方式从中获得不一定要构建基因文库但如果所需要的目的基因的序列完全不知或只知道目的基因序列的一段或想从一种生物体内获得许多基因或者想知道这种生物与另一种生物之间有多少基因不同或者想知道一种生物在个体发育的不同阶段表达的基因有什么不同或者想得到一种生物的全基因组序列往往就需要构建基因文库将目的基因直接导入受体细胞不是更简便吗如果这么做结果会怎样提示有人采用总注射法进行遗传转化即将一个生物中的总提取出来通过注射或花粉管通道法导入受体植物没有进行表达载体的构建这种方法针对性差完全靠运气也无法确定什么基因导入了受体植物此法目前争议颇多严格来讲不算基因工程五知识拓展的扩增过程是怎样的扩增是获取目的基因的一种非常有用的方法也是进行分子鉴定和检测的一种很灵敏的方法的扩增反应过程包括以下几个主要过程第一步将反应体系包括双链模板引物耐高温的聚合酶四种脱氧核糖核苷酸以及酶促反应所需的离子等加热至使双链模板两条链之间的氢键打开变成单链作为互补链聚合反应的模板第二步将反应体系降温至使两种引物分别与模板链端的互补序列互补配对这个过程称为复性第三步将反应体系升温至在耐高温的聚合酶催化作用下将与模板互补的单个核苷酸加到引物所提供的上使链延伸产生一条与模板链互补的链上述三步反应完成后一个分子就变成了两个分子随着重复次数的增多分子就以的形式增加的反应过程都是在扩增仪中完成的如何从基因文库中找到所需要的基因从基因文库中找到目的基因是一件比较复杂的事情要根据目的基因已有的某些信息来进行下面介绍一种根据基因的部分核苷酸序列找到目的基因的方法第一步通过方法将目的基因已知的部分核苷酸序列扩增出来进行放射性同位素标记也可以用别的标记方法进行如生物素荧光素等即用标记了放射性同位素的目的片段作为探针与扩增出来的杂交第二步将基因文库中的所有菌落转移至硝酸纤维膜上也可以用其他类型的膜然后通过处理溶解消化掉细菌中的蛋白质并使固定在膜上11第三步按杂交的方法进行杂交第四步在光底片上出现黑斑的菌落这表明这个菌落中含有所需要的目的基因若选用别的标记方法有阳性信号的菌落则含有所需要的目的基因第五步从该菌落中再提取目的基因基因工程载体的构建需要考虑哪些方面的因素道理何在主要考虑以下几方面的因素基因的特点如果一个来自动物的目的基因含有内含子就不能用于转基因植物因为动物中内含子的剪接系统与植物的不同植物不能将动物基因的内含子剪切掉只能用该基因的基因的产物如果是一个糖蛋白那么该基因在原核生物细菌中表达出来的蛋白就可能不具备天然状态下的活性因为糖蛋白上的糖链是在内质网和高尔基体上加上的而细菌无这些细胞器要选择强启动子或组织特异性启动子启动子有强有弱选择强启动子可以增加转录活性使基因产物量增多如果希望基因在生物的某个组织表达如只在植物种子中表达就要选择种子中特异表达的启动子要有选择标记基因如抗生素基因以便选择出真正的转基因生物什么是分子杂交技术的显示带分子杂交技术是基因工程中使用频率很高的一项技术主要用于检测和鉴定可以分为核酸分子之间的杂交和蛋白质分子之间的杂交常用的技术有杂交和分子之间的杂交目的基因是否整合到受体生物的染色体中这在真核生物中是目的基因可否稳定存在和遗传的关键如何证明这一点就需要通过杂交技术基本做法是第一步将受体生物提取出来经过适当的酶切后走琼脂糖凝胶电泳将不同大小的片段分开第二步将凝胶上的片段转移到硝酸纤维素膜上第三步用标记了放射性同位素或生物素的目的片段作为探针与硝酸纤维素膜上的进行杂交第四步将光底片压在硝酸纤维素膜上在暗处使底片感光第五步将光底片冲洗如果在底片上出现黑色条带则表明受体植物染色体上有目的基因杂交和分子之间的杂交它是检测目的基因是否转录出的方法具体做法与杂交相同只是第一步从受体植物中提取的是而不是杂交带的显现也与杂交相同杂交蛋白质分子抗原抗体之间的杂交它是检测目的基因是否表达出蛋白质的一种方法具体做法是第一步将目的基因在大肠杆菌中表达出蛋白质第二步将表达出的蛋白质注射动物进行免疫产生相应的抗体并提取出抗体一抗第三步从转基因生物中提取蛋白质走凝胶电泳第四步将凝胶中的蛋白转移到硝酸纤维素膜上第五步将抗体一抗与硝酸纤维素膜上的蛋白杂交这时抗体一抗与目的基因表达的蛋白抗原会特异结合由于这种抗原抗体的结合显示不出条带所以加入一种称为二抗的12抗体它可以与一抗结合二抗抗体上带有特殊的标记如果目的基因表达出了蛋白质则结果为阳性基因工程的应用一教学目标举例说出基因工程应用及取得的丰硕成果关注基因工程的进展认同基因工程的应用促进生产力的提高二教学重点和难点教学重点基因工程在农业和医疗等方面的应用教学难点基因治疗三教学策略加强收集信息和处理信息环节的指导基因工程的应用是基因工程基本操作程序的一个必然结果如果本节只作为成果的学习那么就显得思维力度不足了为此建议加强指导学生收集和处理信息这一环节具体做法如下无论是学习转基因植物方面的应用还是学习转基因动物方面的应用乃至转基因工程菌生产药物方面的应用首先必须寻找目的基因教师可利用表指导学生整理课本中提供的信息填写此表这样做既可以调动学生学习的积极性也增强了他们分析和处理信息的能力表转基因生物与目的基因的关系转基因生物目的基因目的基因从何来抗虫棉毒蛋白基因苏云金芽孢杆菌抗真菌立枯丝核菌的烟草几丁质酶基因和抗毒素合成基因抗盐碱和干旱作物调节细胞渗透压的基因耐寒的番茄抗冻蛋白基因鱼抗除草剂大豆抗除草剂基因增强甜味的水果降低乳糖的奶牛13甜味基因肠乳糖酶基因生产胰岛素的工程菌人胰岛素基因人指导学生提高处理信息的能力还可以体现在对教材内容的重组上例如我们可以解决当前世界上存在的重大问题作为主题如以解决粮食环境污染能源危机攻克不治之症等问题作为主题让学生将课文中的知识或学生知道的课外的基因工程应用方面的知识进行重组这样的活动不仅培养了学生处理信息的能力还会使学生感悟到肩负的社会责任从而激发用科学技术报效祖国的志向课文中的一些难点建议采用小组讨论师生共同归纳的方法学习课文中有几处是学生学习感兴趣的知识但文字说明不多学生学习有一定难度例如什么叫乳腺生物反应器什么叫工程菌什么是基因治疗等教师可创设问题情境让学生讨论加深用已有知识认识新事物的能力学生想不到的地方可由师生共同归纳例如学习乳腺生物反应器时学生提出给我们讲讲乳腺生物反应器究竟是怎么回事这时教师可提出以下问题让学生讨论用动物乳腺作为反应器生产高价值的蛋白质如教材中列举的血清白蛋白抗凝血酶等比工厂化生产的优越之处有哪些用基因工程技术实现动物乳腺生物反应器的操作过程是怎样的第一个问题既可以解决乳腺生物反应器的优越性问题而且显示了社会需求是乳腺生物反应器这一创新成果产生的动力学生在充分讨论和发表观点的基础上师生共同归纳出乳腺生物反应器的优点产量高质量好成本低易提取第二个问题用基因工程技术实现动物乳腺生物反应器的操作过程与转基因动物操作过程相同而不同之处可由教师提出为了将目标产品在奶中形成需要使用乳腺组织中特异表达的启动子要在编码目的蛋白质的基因序列前加上乳腺组织中特异表达的启动子构建成表达载体操作过程大致归纳为获取目的基因例如血清白蛋白基因构建基因表达载体在血清白蛋白基因前加特异表达的启动子显微注射导入哺乳动物受精卵中形成胚胎将胚胎送入母体动物发育成转基因动物只有在产下的雌性个体中转入的基因才能表达关于工程菌的学习也可结合基因工程操作程序予以说明并结合微生物生长和代谢的特点说明工程菌生产药物的优越性关于基因治疗可结合课文中的具体实例归纳出大致治疗过程至于是否采用讨论方式可根据课堂时间而定如果时间紧也可采用教师引导学习的方法四答案和提示思考与探究根据所学内容试概括写出基因工程解决了哪些生活生产中难以解决的问题14提示基因工程可以生产人类需要的药物如胰岛素干扰素等我们吃的某些食品如番茄大豆等也可以是基因工程产品农业生产中的抗虫棉抗病毒烟草抗除草剂大豆等都已进入商品化生产上述产品有些是常规方法难以生产的或者生产成本过高五知识拓展利用微生物生产药物的优越性何在所谓利用微生物生产蛋白质类药物是指将人们需要的某种蛋白质的编码基因构建成表达载体后导入微生物然后利用微生物发酵来生产蛋白质类药物与传统的制药相比有以下优越性利用活细胞作为表达系统表达效率高无需大型装置和大面积厂房就可以生产出大量药品可以解决传统制药中原料来源的不足例如胰岛素是治疗糖尿病患者的药物一名糖尿病患者每年需用的胰岛素需要从头牛或头猪的胰脏中才能提取到年科学家用大肠杆菌发酵液得到胰岛素相当于从猪胰脏中提取的量又如生长素是治疗侏儒症患者的药物治疗一名侏儒症患者每年需要从具尸体的脑下垂体中提取生长素利用基因工程菌发酵生产就不需要从动物或人体上获取原料降低生产成本减少生产人员和管理人员在抗病毒转基因植物中为什么使用病毒外壳蛋白基因可以抗病毒侵染关于病毒外壳蛋白基因导入植物后的抗病毒机理目前有几种假说一种假说认为基因在植物细胞内表达积累后当入侵的病毒裸露核酸进入植物细胞后会立即被这些外壳蛋白重新包裹从而阻止病毒核酸分子的复制和翻译另一种假说认为植物细胞内积累的病毒外壳蛋白会抑制病毒脱除外壳使病毒核酸分子不能释放出来然而最近的研究表明如果将病毒的外壳蛋白的起始密码缺失使之不能被翻译或者将外壳蛋白基因变成反义基因整合到植物细胞染色体上转基因植物则有很好的抗性因此有人认为抗性机理不是外壳蛋白在起作用而是基因转录出后与入侵病毒之间的相互作用起到了抗性作用利用介导的抗病毒性还存在一些问题转基因植物对病毒的抗性有局限性仅限于特定的病毒被使用基因的病毒或密切相关的病毒转基因植物大多数只是发病延缓一般为两周并非根治潜在着植物表达的外壳蛋白包被与另一种病毒形成新的杂合病毒的危险蛋白质工程的崛起一教学目标举例说出蛋白质工程崛起的缘由15简述蛋白质工程的原理尝试运用逆向思维分析和解决问题二教学重点和难点教学重点为什么要开展蛋白质工程的研究蛋白质工程的原理教学难点蛋白质工程的原理三教学策略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图所示图遗传信息的流动方向16这是学习新知识的基础既然蛋白质的功能是由决定的那么要制造出新的蛋白质就要改造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插图可以较明确地说明这一点还有两点教学建议需要说明第一蛋白质工程的诞生是有其理论与技术条件支撑的正如课本中开头描述的它是随着分子生物学晶体学以及计算机技术的迅猛发展而诞生的也与基因组学蛋白质组学生物信息学的发展等因素有关本书前沿动态中有简要介绍第二说明蛋白质工程目前的现状成功的例子不多主要是因为蛋白质发挥其功能需要依赖于正确的空间结构而科学家目前对大多数蛋白质的空间结构了解很少这样学习可以使学生认识到科学探索之路的漫长艰辛和永无止境四答案和提示一思考与探究蛋白质工程是应怎样的需求而崛起的提示供教师在教学中参考蛋白质工程的崛起主要是工业生产和基础理论研究的需要而结构生物学对大量蛋白质分子的精确立体结构及其复杂的生物功能的分析结果为设计改造天然蛋白质提供了蓝图分子遗传学的以定点突变为中心的基因操作技术为蛋白质工程提供了手段在已研究过的几千种酶中只有极少数可以应用于工业生产绝大多数酶都不能应用于工业生产这些酶虽然在自然状态下有活性但在工业生产中没有活性或活性很低这是因为工业生产中每一步的反应体系中常常会有酸碱或有机溶剂存在反应温度较高在这种条件下大多数酶会很快变性失活提高蛋白质的稳定性是工业生产中一个非常重要的课题一般来说提高蛋白质的稳定性包括延长酶的半衰期提高酶的热稳定性延长药用蛋白的保存期抵御由于重要氨基酸氧化引起的活性丧失等下面举一个如何通过蛋白质工程来提高重组干扰素专一活性和稳定性的例子干扰素是一种抗病毒抗肿瘤的药物将人的干扰素的在大肠杆菌中进行表达产生的干扰素的抗病毒活性为只相当于天然产品的十分之一虽然在大肠杆菌中合成的干扰素量很多但多数是以无活性的二聚体形式存在为什么会这样如何改变这种状况研究发现干扰素蛋白质中有个半胱氨酸第位位和位推测可能是有一个或几个半胱氨酸形成了不正确的二硫键研究人员将第位的半胱氨酸通过基因定点突变改变成丝氨酸结果使大肠杆菌中生产的干扰素的抗病性活性提高到并且比天然干扰素的贮存稳定性高很多在基础理论研究方面蛋白质工程是研究多种蛋白质的结构和功能蛋白质折叠蛋白质分子设计等一系列分子生物学基本问题的一种新型的强有力的手段通过对蛋白质工程的研究可以深入地揭示生命现象的本质和生命活动的规律蛋白质工程操作程序的基本思路与基因工程有什么不同答基因工程是遵循中心法则从蛋白质折叠产生功能基本上是生产出自然界已有的蛋白质蛋白质工程是按照以下思路进行的确定蛋白质的功能蛋白质应有的17高级结构蛋白质应具备的折叠状态应有的氨基酸序列应有的碱基排列可以创造自然界不存在的蛋白质你知道酶工程吗绝大多数酶都是蛋白质酶工程与蛋白质工程有什么区别提示酶工程就是指将酶所具有的生物催化作用借助工程学的手段应用于生产生活医疗诊断和环境保护等方面的一门科学技术概括地说酶工程是由酶制剂的生产和应用两方面组成的酶工程的应用主要集中于食品工业轻工业以及医药工业中淀粉酶葡萄糖淀粉酶和葡萄糖异构酶这三个酶连续作用于淀粉就可以代替蔗糖生产出高果糖浆蛋白酶用于皮革脱毛胶以及洗涤剂工业固定化酶还可以治疗先天性缺酶病或是器官缺损引起的某些功能的衰竭等至于我们日常生活中所见到的加酶洗衣粉嫩肉粉等就更是酶工程最直接的体现了通常所说的酶工程是用工程菌生产酶制剂而没有经过由酶的功能来设计酶的分子结构然后由酶的分子结构来确定相应基因的碱基序列等步骤因此酶工程的重点在于对已存酶的合理充分利用而蛋白质工程的重点则在于对已存在的蛋白质分子的改造当然随着蛋白质工程的发展其成果也会应用到酶工程中使酶工程成为蛋白质工程的一部分二正文中讨论题某多肽链的一段氨基酸序列是丙氨酸色氨酸赖氨酸甲硫氨酸苯丙氨酸讨论怎样得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列请把相应的碱基序列写出来确定目的基因的碱基序列后怎样才能合成或改造目的基因答每种氨基酸都有对应的三联密码子只要查一下遗传密码子表就可以将上述氨基酸序列的编码序列查出来但是由于上述氨基酸序列中有几个氨基酸是由多个三联密码子编码因此其碱基排列组合起来就比较复杂至少可以排列出种可以让学生根据学过的排列组合知识自己排列一下首先应该根据三联密码子推出序列为或或或或或再根据碱基互补配对规律推出脱氧核苷酸序列或或或或或确定目的基因的碱基序列后就可以根据人类的需要改造它通过人工合成的方法或从基因库中获取三异想天开能不能根据人类需要的蛋白质的结构设计相应的基因导入合适的细菌中让细菌生产人类所需要的蛋白质食品呢提示理论上讲可以但目前还没有真正成功的例子一些报道利用细菌生产人类需要的蛋白质往往都是自然界已经存在的蛋白质并非完全是人工设计出来而自然不存在的蛋白质主要原因是蛋白质的高级结构非常复杂人类对蛋白质的高级结构和在生物体内如何行使功能知之甚少很难设计出一个崭新而又具有生命功能作用的蛋白质而且一个崭新的蛋白质会带来什么危害也是人们所担心的四旁栏思考题18你知道人类蛋白质组计划吗它与蛋白质工程有什么关系我国科学家承担了什么任务提示人类蛋白质组计划是继人类基因组计划之后生命科学乃至自然科学领域一项重大的科学命题年国际人类蛋白质组组织宣告成立之后该组织正式提出启动了两项重大国际合作行动一项是由中国科学家牵头执行的人类肝脏蛋白质组计划另一项是以美国科学家牵头执行的人类血浆蛋白质组计划由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕人类肝脏蛋白质组计划是国际上第一个人类组织器官的蛋白质组计划由我国贺福初院士牵头这是中国科学家第一次领衔的重大国际科研协作计划总部设在北京目前有个国家和地区的多个实验室报名参加它的科学目标是揭示并确认肝脏的蛋白质为重大肝病预防诊断治疗和新药研发的突破提供重要的科学基础人类蛋白质组计划的深入研究将是对蛋白质工程的有力推动和理论支持对天然蛋白质进行改造你认为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答毫无疑问应该从对基因的操作来实现对天然蛋白质改造主要原因如下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过的蛋白质分子还是无法遗传的对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作难度要小得多前沿动态动物乳腺生物反应器年美国科学家戈登等人首次在小鼠的奶中生产出一种医用蛋白组织型纤溶酶原激活物展示了用动物乳腺生产高附加值产品的可能性利用动物乳腺生产高价值产品的方式称为动物乳腺反应器为什么要用动物乳腺作为反应器生产高价值的蛋白质产品呢这是因为动物乳房是一种高度分化的专门化腺体合成蛋白质的能力非常强尤其是一些经过长期的遗传改良专门产奶的乳用动物品种蛋白质合成能力更是惊人一头优质奶牛一年可产奶即便是一只奶山羊一年也可产奶动物乳腺生物反应器归纳起来有四大优点产量高且易收获目标产品可以随乳汁分泌而排出动物体外目标产品的质量好动物乳腺组织不仅具有按遗传信息流向合成蛋白质的能力而且具备一整套对蛋白进行修饰和加工的能力如糖基化羧化磷酸化以及分子组装等而微生物和植物系统都不具备这种全面的蛋白质后加工能力产品成本低从奶牛中提取产品操作比较简单19正因为利用动物乳腺生物反应器生产高附加值的产品有上述优点目前利用动物乳腺生物反应器生产医用蛋白质已成为一种风险投资产业受到科学家商界和医药界的高度重视目前瞄准的目标医药产品有血液蛋白质如表所示这些血液蛋白质有巨大的经济效益其中利用奶牛生产的凝血酶已通过第三期临床实验即将投放市场第二代医用蛋白质主要有抗体降钙素人的生长激素胰岛素等药物蛋白乳白蛋白乳铁蛋白等营养蛋白疫苗组织修复物等生产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变成像人奶的一种基蚬棠獭表一些医用蛋白质的需求情况第因子第因子蛋白凝血酶抗胰蛋白酶血纤蛋白原白蛋白市场需求量单价美元万万万总价值亿美元动物乳腺生物反应器的做法与转基因动物的操作是相同的只是为了将目标产品在乳汁中形成需要使用乳腺组织中特异表达的启动子即在目标产品蛋白质编码框的前面加上乳腺组织中特异表达的启动子等构建成表达载体后通过注射导入受精卵中再将其送入母体动物内发育成动物个体这个转基因动物就会在奶中产生所需要的目标产品基因沉默转基因植物和转基因动物中往往会遇到这样的情况外源基因存在于生物体内并未丢失或损伤但该基因不表达或表达量极低这种现象称为基因沉默这是基因工程中遇到的一个影响实际应用的重要问题一般认为基因沉默有三种情况位置效应的基因沉默转录水平的基因沉默和转录后水平的基因沉默如果外源基因整合到甲基化程度高转录活性低的异染色质上一般不能表达这种现象称为位置效应产生的基因沉默如果外源基因的启动子产生甲基化或者外源基因异染色质化都会使外源基因不能转录产生转录水平上的基因沉默如果外源基因可以转录出但不能积累或被降解或被相应的或蛋白质封闭使之不能翻译出蛋白质称为转录后水平的基因沉默如何避免基因沉默呢这是科学家一直在努力解决的问题之一目前主要的对策是在构建表达载体时应可能避免外源基因与内源序列同源性过高或者选择甲基化酶活性低的受体细胞或选择外源基因在生物体内为单拷贝的转基因生物无抗性选择标记基因的策略当前转基因植物中大部分都是使用了抗生素抗性基因作为选择标记基因由于担心这样做会对人类健康和环境带来负面影响因此科学工作者正在想办法消除转基因植物中的抗性基因基本的做法有两种一是将抗性选择标记基因和目的基因分别构建在两个不同的表达载体上用这两种载体同时转化受体细胞通过筛选和分子检测找到同时含有抗性筛选标记基因和目的基因的植株通过自交在代分离时由于抗性筛选标记基因和目的基因不是在一个表达载体上它们整合到受体细胞染色体上时不在同一个位点上两者相距较远不会连锁因此分离时可以将二者分开分别存在于不同的植株中这样就可以得到含有目的基因而不含抗性筛选标记基因的植株二是采用位点专一性重组系统通过重组酶的作用将抗性筛选标记基因从转基因植株的中切除掉20当前生命科学中的几个前沿研究领域基因组学基因组学是阐明各种生物基因组中碱基对的排列顺序破译相关的遗传信息的学科目前除人类基因组的测序工作已完成外水稻基因组拟南芥基因组鸡基因组等也已完成这些工作的相继完成为揭示生命奥秘提供了基本的资料功能基因组学基因组测序工作的完成只是为人类从基因水平认识生命本质提供了基本的资料功能基因组学就是要揭示每个基因在生命活动中的具体功能为勾画整个生命蓝图充分利用基因资料打下基础发现新的功能基因和新的基因功能的确定从而获得知识产权已成为当前生命领域世界各国竞相争夺的制高点结构基因组学结构基因组学是继人类基因组计划之后又一个大的科学热点是在生物的整体水平测定出全部蛋白质分子的三维结构以及蛋白质之间蛋白质与核酸之间蛋白质与多糖之间蛋白质和核酸以及多糖之间的精细三维结构获得这些蛋白质在整个生命活动中的三维结构全息图即单个蛋白质的三维结构以及蛋白质与其他生物大分子结合后的复合体的三维结构状态与生命活动的关系从而在生命整体水平上理解生命的原理结构基因组学的研究进展将对人类疾病机理的阐明疾病的防治有重要意义蛋白质组学蛋白质组学是独立于基因组学发展的一门新兴的前沿学科它是研究一个完整的生物体或细胞等所表达的所有蛋白质的特征包括蛋白质的表达水平翻译后的修饰蛋白质之间的相互作用等从蛋白质水平上全面认识生物体的生理活动和病理过程生物信息学生物信息学是综合运用生物学信息学数学以及计算机科学等诸多学科的理论和方法处理和分析大规模复杂的生物信息的交叉学科从浩瀚的生物信息数据中找出某些规律和共同点从而揭示生命的奥秘和利用对人类有用的生物信息