必修三教案 (2)

DNA重组技术的基本工具 教学过程教学内容教学手段和方法预期目标1.创设情境，引入对基因重组技术工具的学习。2.学习 “分子手术刀”限制酶。3.学习“分子缝合针”DNA连接酶。4.学习“分子运输车”基因进入受体细胞的载体。5.布置作业。师：1973年转基因微生物转基因大肠杆菌问世；1980年第一个转基因动物转基因小鼠诞生；1983年第一例转基因植物转基因烟草出现，实现了一种生物的某些性状在另一种生物中的表达。 同学们，性状的表达与我们从前学过的什么过程有关？ 生：与基因控制蛋白质的合成有关。 师：假若这是一个DNA上的能指导合成某种药物蛋白的基因 （老师用手指出纸条上的该区段），而这是一条烟草的DNA（老师拿出另一纸条）。同学们分析，要实现药物基因在烟草中的表达，提前要做哪些关键工作？ 生：1. 要将药物基因切割下来； 2. 要将药物基因整合到烟草的DNA上。 师：同学们说得对！但还应该实际考虑问题，这两条纸带所代表的DNA是在同一个细胞中吗？生：不是。 师：所以这里就存在一个基因转移的实际问题，谁能具体说一下？ 生：就是如何将控制合成药物的基因转入烟草细胞的问题。 师：同学们思考的问题，正是科学家们思考的问题。刚才我们所探讨的工作，都是在分子水平上进行的，切割也好，连接也好，转移也好，无一例外。中国有句俗语叫“没有金刚钻儿，不揽瓷器活儿”。科学家们在实施基因工程之前，苦苦求索，终于找到了实施基因工程的三种“金刚钻儿”，使基因工程的设想成为了现实。这三种“金刚钻儿”，一是准确切割DNA的工具，“分子手术刀”限制酶；二是DNA片段的连接工具，“分子缝合针”DNA连接酶；三是基因转移工具，“分子运输车”基因进入受体细胞的载体。下面我们就来学习这方面的内容。师：在进入对限制酶的学习时，你们可能最关心的是这种工具酶到哪里去寻找。我们不妨从以往学过的知识谈起，引起思考。自然界中有各种生物，它们所处的环境不是真空。一些生物的DNA可能进入另一种生物的细胞中。这种可能，同学们可用什么实例来说明？生：噬菌体侵染细菌的实验。师：那么现今存在的生物为什么没有在长期的进化过程中被外源DNA的入侵而绝灭，仍能保持一种稳定状态呢？生：生物体有的有免疫系统，如动物；有的有保护作用的组织、器官，如植物。师：那么作为单细胞的生物来讲，怎么会有那么复杂的结构和系统？它如何来抵抗入侵的外源DNA，保护自身呢？生：只有让外来的DNA失效，才能保护自身。师：那么怎样才能让DNA失效？生：用DNA酶，因为在必修课本中学过。师：用DNA酶，那么生物自身的DNA不也要失效了吗？生：一种特殊的酶，能切割外来的DNA，而对自身不切割。师：根据你们的分析可知，这种酶可能是一种不同于DNA酶的、我们还没有认识的酶。我们讨论至此，同学们是否有了从哪里获得这种酶的意向？生：到单细胞的生物中去找。师：科学家的基本意向也和同学们一样。单细胞生物比多细胞生物更容易受到外源DNA的侵入。在长期的进化过程中，使其必须有处理外源DNA的酶。科学家们经过不懈的努力，终于从原核生物中分离纯化出这种酶，叫做限制酶。迄今已从近300种微生物中分离出4 000种限制酶。这种酶与我们以前知道的DNA酶的作用是不同的。请同学们看书，学习限制酶特有的作用。师：书中告诉我们这种特殊的酶有什么作用？生：它们能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开。师：以上这句话，说出了两层意思。一是识别特定核苷酸序列。请同学们看图，EcoRI只能识别GAATTC的核苷酸序列，SmaI只识别CCCGGG的核苷酸序列。第二层意思是从特定部位的两个核苷酸之间切开。请同学们看图，EcoRI就从G和A之间切开，SmaI就从C和G之间切开。师：刚才我们提到科学家们已经分离出4 000多种限制酶。由于酶的不同，它们识别的特定核苷酸序列也不同，这样就为我们切割DNA提供了多种特定的“手术刀”。但它们切割DNA后形成的末端有两种可能，请同学看图回答。生：一种形成黏性末端，一种形成平末端。师：那么这两种末端是如何形成的呢？请从书中找到答案。生：限制酶在它识别序列的中心位置两侧将DNA两条单链分割开，就形成黏性末端，而从识别序列的中心位置切开就产生平末端。师：切断的DNA片段要与受体细胞的DNA连接，同学们根据以往学习的经验，能说出用什么酶吗？生：用DNA复制中的DNA聚合酶。师：同学们想到用DNA聚合酶是很正常的，但是现在我们学习的这种连接与DNA复制中的连接有所不同。请看书后议论，由同学来回答。生：DNA连接酶是将双链的DNA片段连接起来，而DNA聚合酶则是将一个个脱氧核苷酸连接起来。师：同学们说得对，但还不深刻。比如刚才说DNA连接酶是将双链的DNA片段连接起来，就是说DNA连接酶是同时连接双链的切口，而DNA聚合酶只是在单链上将一个个脱氧核苷酸连接起来。相同之处都是通过形成磷酸二酯键来连接的。请同学们在图中正确指出其位置。师：开始时，我们学习了限制酶切割后有两种不同的结果，一种产生黏性末端，一种产生平末端。那么恢复它们的连接，所用DNA连接酶是否可以不加选择？同学们应从书中求得真知，自己解答这个问题。生：应该有所选择。因为Ecoli DNA连接酶只能将双链DNA片段黏性末端之间连接起来，不能将双链DNA片段平末端之间连接起来。 T4 DNA连接酶既可“缝合”双链黏性末端， 也可“缝合”双链DNA的平末端， 但平末端之间连接的效率比较低。师：单纯的DNA片段是很难导入受体细胞的，所以我们将切割下来的目的基因导入受体细胞就需要有一个“分子运输车”帮助。不是任何的“分子运输车”都可以用来作目的基因进入受体细胞的载体的。其中的理由要从实际情况出发考虑才能清楚。下面老师提出四个问题供大家思考。1.假如目的基因导入受体细胞后不能复制将怎样？2.作为载体没有切割位点将怎样？3.目的基因是否进入受体细胞，你如何去察觉？4.如果载体对受体细胞有害将怎样？不能分离会怎样？生：1.导入受体细胞的目的基因不能复制，将在细胞增殖中丢失。2.载体没有切割位点，外源的目的基因不可能插入。3.如果载体上有遗传标记基因，这样，在载体进入受体细胞后，就可通过标记基因的表达来检测。4.载体对受体有害，将影响受体细胞新陈代谢，进而使转入的目的基因也无立足之地。载体不能分离，就不能获得更多带有目的基因的载体。师：可见以上内容，都是在选择合适载体时必须考虑的。请同学们阅读课文，归纳出充当基因进入受体细胞载体的必要条件。生：1. 能自我复制；2. 有切割位点；3. 有遗传标记基因；4. 对受体细胞无害、易分离。师：目前通常利用的载体是“质粒”。质粒是能“友好”寄宿在细菌细胞内的小型的环状DNA。下面让我们通过插图一起来认识质粒，尤其要在质粒载体结构模式图上找出刚才归纳几个条件的具体体现。生：找到“复制原点”说明质粒能复制并能带着插入的目的基因一起复制。找到“目的基因的插入位点”说明质粒有切割位点。找到“氨苄青霉素抗性基因”说明有标记基因的存在，将来可用含青霉素的培养基鉴别。 找到此质粒来自大肠杆菌说明没有危害，大肠杆菌是非致病菌，大肠杆菌分裂快，也便于从大量复制个体中分离出来。1.完成书后练习题。2.认真完成模拟制作DNA重组模型。希望大家动手、动脑协调配合，体会每一步骤在基因重组中的真实含义。最后结束时加强反思，回答书中提出的两个问题。 拿出两种不同颜色的等宽的纸条。学生讨论。第三个内容不好回答，教师要引导。赞扬也是教育的一种方式。引导大家思考。学生讨论。讨论中及时发现有创新思维的学生，鼓励发表意见。学生再次议论。及时鼓励学生。学生看书。教师点拨。学生看插图。学生看书。学生看书，接着议论。教师点拨。利用插图。看书学习。将局部问题整合到实际工作的全过程中思考。学生讨论。学生归纳。学生结合插图寻找。课内与课外结合。联系旧知识，使学生认识到基因工程也是建立在基因控制蛋白质合成的基础理论上的，不可割裂。抽象变直观，增强诱思的效果。使学生认识到科学的发展有赖于技术的创新。以上教学也是将三种操作工具整合到一个完整的过程之中。将直白的教学内容变得有思维力度。培养学生思维的创造性。以上教学改变直白的教学方式，通过诱思，提高学生的思维能力。引导学生与DNA酶作对比，在比较中准确认识限制酶。让文字与插图结合，使抽象的文字在直观的插图中得以体现。联系旧知识，提供一个比较的对象，在比较中加深对DNA连接酶的认识。提高学生思维的深刻性。准确认识DNA连接酶的作用部位。解决本课的难点。提出问题，诱导思考，解决难点。培养思维的广阔性。培养学生的归纳能力。利用插图加深对载体必须具备条件的认识。体现基础知识的准确运用。在运用中加深对基础知识的深层1.2基因工程的基本操作程序1.2基因工程的基本操作程序教学过程教学内容教学手段和方法预期目标1.课前预习，引入对基因工程的基本操作程序的学习。 2.学习目的基因的获取2.1从基因文库中获取目的基因 2.2利用PCR技术扩增目的基因3. 学习基因表达载体的构建4. 将目的基因导入受体细胞4.1将目的基因导入植物细胞4.2将目的基因导入动物细胞4.3将目的基因导入微生物细胞5. 学习目的基因的检测与鉴定6.布置作业课前准备：通过预习解决以下问题1、 基因工程的基本操作程序主要包括哪几个步骤？2、 试分析每一步骤的必要性。师：通过预习同学们都能解决第一个问题，基因工程的基本操作程序包括生：目的基因的获取、基因表达载体的构建、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与鉴定。师：第二个问题我们可以将它拆分成四个小问题逐个儿解决：1、 为什么要有“目的基因的获取”这一步？先请一个同学将基因工程的原理告诉大家。生：基因工程是指按照人们的愿望，进行严格的设计，通过体外DNA重组和转基因等技术，赋予生物以新的遗传特性，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。师：这既是基因工程的原理又是其概念，通过这一表述中的“创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品”你得出什么样的信息？生：这是基因工程的优点也是基因工程的目的，可以实现这一目标的只有目的基因，有了目的基因我们才能赋予一种生物以另一种生物的遗传特性。师：很好，良好的开端等于成功的一半，我们继续往下分析2、 为什么要有“表达载体的构建”这一步？生：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。（教材P11）师：看来同学们课前已经进行了精心预习了，那么第三步 “目的基因导入受体细胞”它又是出于什么目的呢？生：单独的DNA片段目的基因是不能稳定遗传的，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。（教材P12）师：最后一步“目的基因的检测与鉴定”呢？生：这是因为目的基因是否真正插入受体细胞的DNA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。（教材P13）师：看来基因工程的每个操作步骤都是必不可少的，下面我们按照基因工程的操作步骤，对每一程序的相关技术和方法进行学习一、目的基因的获取通俗地讲就是将需要的基因从供体生物的细胞内提取出来。阅读教材911页相关内容，回答下列问题：1、 什么是目的基因，举例说明。生：目的基因主要是指编码蛋白质的结构基因，例如，与生物抗逆性有关的基因、与优良品质相关的基因、与生物药物和保健品有关的基因、与毒物降解有关的基因，以及与工业所需用酶相关的基因等。师：同样目的基因还可以是一些具有调控作用的因子。目前被较广泛提取使用的目的基因有：苏云金杆菌抗虫基因、人胰岛素基因、人干扰素基因、种子贮藏蛋白基因、植物抗病基因等。师：获得目的基因的方法有哪些？生：可以从基因文库中获取目的基因，还可以利用PCR技术扩增目的基因。师：什么是基因文库？生：将含有某种生物不同基因的许多DNA片段，导入受体菌的群体中储存，各个受体菌分别含有这种生物的不同的基因，称为基因文库。师：什么是部分基因文库？生：只含有一种生物的一部分基因，这样的基因文库叫做部分基因文库。师：基因文库包含了某种生物的全部基因，又可称为基因组文库，如果将每个基因看成一本书则基因文库就可以比喻成国家图书馆，这里的资料既多又齐全，而部分基因文库只包含了该生物的部分基因，如，cDNA文库，因此部分基因文库只能比喻成某个市或单位的图书馆。阅读教材P11的生物技术资料卡，比较cDNA文库和基因组文库的区别。师：怎样从基因文库中得到我们所需的目的基因？生：根据基因的核苷酸序列、基因的功能、基因在染色体上的位置、基因的转录产物mRNA，以及基因翻译产物蛋白质等特性来获取目的基因。师：很好。除了这种方法我们还可以利用PCR技术扩增目的基因。PCR是聚合酶链式反应(polymerase chain reaction)的缩写，是一项再生物体外复制特定DNA片段的核酸合成技术。通过此技术，可获取大量的目的基因。通过阅读教材完成下列填空。原理： （DNA的复制）条件： （已知基因的核苷酸序列，四种脱氧核苷酸，一对引物，DNA聚合酶）方式：以 （指数）方式扩增，即 （2n）（n为扩增循环的次数）结果： （使目的基因的片段在短时间内成百万倍地扩增）过程：a、DNA变性（90-96）：目的基因DNA受热变性， （氢键断裂），形成 （DNA单链）。b、退火（复性25-65）：系统温度降低， （引物）与 （DNA模板）结合，形成局部双链。c、延伸（70-75）：合成链在 （DNA聚合酶）作用下进行延伸，合成与模板互补的DNA。 师：此外，如果基因比较小，核苷酸序列又已知，也可以通过DNA合成仪用化学方法直接人工合成。二、基因表达载体的构建这是实施基因工程的第二步也是基因工程的核心。1.用一定的_（限制酶）切割质粒，使其出现一个切口，露出_（黏性末端）。2.用_（同一种限制酶）切断目的基因，使其产生_（相同的黏性末端）。3.将切下的目的基因片段插入质粒的_（切口）处，再加入适量_（DNA连接酶），形成了一个重组DNA分子（重组质粒）师：看图1-10基因的表达载体模式图总结基因表达载体的组成。 生：基因表达载体是由复制原点，目的基因，启动子，终止子，标记基因师：它们各自的作用是什么呢？生：启动子是一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的首端，它是RNA聚合酶识别和结合的部位，有了它才能驱动基因转录出mRNA，最终获得所需要的蛋白质。生：终止子位于基因的尾端，是一段特殊结构的DNA短片段，使转录在所需要的地方停止下来。生：标记基因的作用是为了鉴别受体细胞中是否含有目的基因，从而将含有目的基因的细胞筛选出师：并不是所有的基因表达载体都是一样，根据受体细胞的不同它们也会有相应的变化。三、将目的基因导入受体细胞师：将目的基因导入受体细胞的方法，目前开发出来的已有很多种，每种方法都有其利弊，适合于不同的受体细胞，在具体实施过程中，究竟选哪种方法，要根据具体情况而定。1、将目的基因导入植物细胞常用的方法有农杆菌转化法、基因枪法、花粉管通道法，阅读教材P12回答下列问题：你能说说农杆菌转化法的大概过程吗？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？生：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，而研究表明这种物质是在双子叶植物的细胞壁中合成的，通常不存在于单子叶植物中，这也是单子叶植物不被根瘤农杆菌侵染的原因。如果想将一个抗病基因导入单子叶植物，理论上你认为该怎么做？生：选择合适的农杆菌菌株，加趋化和诱导的物质使农杆菌向植物受伤组织靠拢。2、将目的基因导入动物细胞显微注射技术是转基因动物中采用最多，也是最为有效的一种将目的基因导入动物细胞的方法。3、将目的基因导入微生物细胞思考：为什么选用微生物作为受体细胞？生：原核生物具有一些其他生物没有的特点：繁殖快，多为单细胞、遗传物质相对较少等，因此，早期的基因工程都用原核生物作为受体细胞。师：大肠杆菌细胞最常用的转化方法是:首先用Ca2+ 处理细胞,以增大细菌细胞壁的通透性,使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态,这种细胞称为感受态细胞.第二步是将重组表达载体DNA分子溶于缓冲液中与感受态细胞混合,在一定的温度下促进感受态细胞吸收DNA分子,完成转化过程.第二步目的基因在受体细胞内，随其繁殖而复制，由于细菌繁殖的速度非常快，在很短的时间内就能获得大量的目的基因。思考：为什么要用Ca2处理细胞？生：因为大肠杆菌等细菌的细胞壁成分主要是肽聚糖，因此一般要先用Ca2处理，以增加细菌细胞壁的通透性。四、目的基因的检测与鉴定师：受体细胞摄入DNA分子后就说明目的基因完成了表达吗？生：不能，受体细胞必须表现出特定的性状，才能说明目的基因完成了表达。师：这是基因工程的最后一步也是检查基因工程是否做成功的一步。可以从以下三个是方面进行测：检测转基因生物的染色体DNA上是否插入了目的基因，一般采用的方法是DNA分子杂交。采用一定的技术手段，将两种生物的DNA分子的单链放在一起，如果这两个单链具有互补的碱基序列，那么，互补的碱基序列就会结合在一起，形成杂合双链区；在没有互补碱基序列的部位，仍然是两条游离的单链检测目的基因是否转录出mRNA方法是分子杂交。检测目的基因是否翻译成蛋白质进行抗原抗体杂交。作业：1. 教材15页“思考与探究”第4题2. 教材11页“寻根问底” 学生讨论。引导大家思考。赞扬也是教育的一种方式。学生讨论。讨论中及时发现有创新思维的学生，鼓励发表意见。学生再次议论。及时鼓励学生。学生看书。教师点拨。学生看插图。学生看书。学生看书，接着议论。看书学习。学生讨论。将局部问题整合到实际工作的全过程中思考。学生归纳。学生结合插图寻找分析插图看书学习。教师点拨学生讨论，讨论中及时发现有创新思维的学生，鼓励发表意见。教师点拨加强预习环节使学生认识每一步骤的必要性。 将直白的教学内容变得有思维力度。以上教学也是将四个操作过程整合到一个完整的过程之中 引导学生对基因组文库和部分基因文库作对比，在比较中加深认识。让文字与插图结合，使抽象的文字在直观的插图中得以体现。提高学生思维的深刻性。解决本课的难点。以填空的形式，诱导思考，解决难点。利用插图加深对载体必须具备条件的认识。培养学生的归纳能力。体现基础知识的准确运用。在运用中加深对基础知识的深层次理解培养思维的广阔性。以上教学改变直白的教学方式，通过诱思，提高学生的思维能力。专题1 1.3 基因工程的应用一、 教学目标 1.举例说出基因工程应用及取得的丰硕成果。 2.关注基因工程的进展。 3.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 1.教学重点 基因工程在农业和医疗等方面的应用。 2.教学难点 基因治疗。三、教学策略 1.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1-1，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1-1 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Bt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 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2.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。 （1）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？ （2）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。 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 1.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： （1）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。 （2）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40头牛或50头猪的胰脏中才能提取到。1978年科学家用2 000 L大肠杆菌发酵液得到100 g胰岛素，相当于从1 000 kg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80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。 （3）降低生产成本，减少生产人员和管理人员。 2.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（coat protein，CP）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：CP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AUG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RNA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CP基因转录出RNA后，与入侵病毒RNA之间的相互作用起到了抗性作用。 利用CP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CP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 例题解析例1人体血红蛋白由两条链和两条链构成，链和链分别含有141个和146个氨基酸组成，请分析回答：（1）组成人体血红蛋白的氨基酸种类数最多约为_种，形成_个肽键，写出肽键的结构简式_。（2）控制该蛋白质合成的基因至少含有_个脱氧核苷酸。（3）蛋白质是一切生命活动的体现者，请举例说明蛋白质在生物体新陈代谢方面的作用（写出三种不同类型的蛋白质，并说明起作用）名称_，作用_名称_，作用_名称_，作用_解析第（1）小题考查蛋白质的组成、结构及有关计算。组成蛋白质的氨基酸都是-氨基酸，约为20种，由于血红蛋白分子含有四条链，共（141+146）2=574（个）氨基酸，4条肽链，则在合成过程中共脱去570分子水，形成570个肽键，肽键是由于一个氨基酸的氨基和另一个氨基酸的竣基脱去1分子水形成的，其结构式可表示为：-NH-CO-。第（2）小题考查根据转录、翻译过程进行计算的能力。蛋白质的合成受基因的控制，其表达式为：DNAmRNA蛋白质。mRNA上三个相邻的碱基决定一个氨基酸，可知mRNA上至少含有5743=1722（个）核糖核苷酸。mRNA是根据碱基互补配对原则，由基因转录形成的，DNA为双链结构，则脱氧核苷酸数至少为17222=3444（个）。第（3）小题考查蛋白质的功能。蛋白质分子具有多种重要功能。有些蛋白质是构成细胞和生物体的重要物质，如肌蛋白等；有些蛋白质有催化作用，如蛋白酶能催化蛋白质分子分解形成多肽；有些蛋白质具有运输功能，如血红蛋白；有些蛋白质具有调节功能，如胰岛素、生长激素；有些蛋白质具有免疫功能，如免疫球蛋白（抗体）。答案（1）20 570 -NH-CO- （2）3444 40 （3）根据具体情况，要注意是否是不同类型，如列举淀粉酶、胰岛素、血红蛋白及其功能。例2蛋白质工程是根据蛋白质的精细结构和功能之间的关系，利用基因工程的手段，按照人类的需要，定向改造天然蛋白质、甚至创造出自然界根本不存在的蛋白质分子的一门科学技术。试将其与基因工程技术相比，谈谈蛋白质工程技术的特点及其所具有的意义。解析可以从蛋白质与基因功能入手分析。蛋白质是生命活动直接的体现者，是生物性状的表达者。结构的改造必然与功能相关联，而基因是生物性状的控制者，基因工程的最终目的是获得优良的性状。结合所学的生物学知识综合考虑。例3阅读下列短文：干扰素是人或动物细胞受到病原微生物的诱导刺激后产生的蛋白质，它作用于邻近的细胞，能使之产生一类能干扰和抑制病原微生物的复制，使自身免受伤害的蛋白质。干扰素不具有特异性，能用于病毒性疾病及恶性肿瘤的治疗。干扰素过去只能从人的血液中提取，每30万毫升人血才能提取互毫克，因而价格十分昂贵。科学家们把能产生干扰素的人细胞与鼠细胞融合成人一鼠杂种细胞，这种杂种细胞在培养液中能进行分裂，也能合成干扰素，但随着分裂的进行，杂种子细胞会逐步“丢失”人细胞染色体。如果丢失了人的某条染色体后，杂种细胞便不再产生干扰素，或者杂种细胞中除了鼠的全套染色体外只剩下一条人的染色体仍能产生干扰素，那么即可将干扰素基因定位于该染色体上。通过这种方法，科学家们知道了控制干扰素合成的基因定位于人的第5号染色体上。科学家们利用特殊的“剪刀”限制性核酸内切酶将其剪下，插到适当的载体上，再将这种重组体导人大肠杆菌或酵母菌，进行培养后就可以获得大量与人细胞所产生的一样的干扰素。利用这种基因工程的方法产生干扰素，每公斤微生物培养物可得到2040mg。价格可望下降到只有原来的1/150。图示如下：据以上叙述，结合你学过的生物知识，回答下列问题：（1）下列有关干扰素的叙述，不正确的是 A干扰素不能直接对病原微生物起抑制作用B由于干扰素不具有特异性故能治疗所有恶性肿瘤C产生干扰素的细胞是被病原微生物侵袭过的细胞D人及其它动物能产生干扰素来保护邻近细胞的事实说明了生物体是一个统一的整体（2）文中所指的“载体”名称是 ，由 提供。（3）医学上干扰素一般制成 （针剂、口服的药丸），保存的条件是 ，其理由是 。（4）知道了干扰素的氨基酸排列顺序，也可以人工合成干扰素基因，简述其合成原理： 。（5）大肠杆菌等微生物是基因工程最早的突破口和最常用的实验材料，这是因为：大肠杆菌结构 ，容易从体内取出和导入 ；大肠杆菌繁殖 ，产量大，成本低。（6）大肠杆菌（基因工程菌）生产人干扰素的原理是：“目的基因”与大肠杆菌的DNA分子结合，并在大肠杆菌分裂时随大肠杆菌的DNA一起复制，形成带有“目的基因”的新大肠杆菌菌株，使大肠杆菌在“目的基因”的控制下合成相应蛋白质人的干扰素。图中的大肠杆菌b不同于大肠杆菌a的特点是b含有 ，这种变异属于可遗传变异类型中的 。“目的基因”能在大肠杆菌内表达其功能，说明人和大肠杆菌共用一套 ，也说明人和大肠杆菌之间有一定的 。解析本题是材料信息题，要求学生在有限的文字说明中得到正确题目答案，这就得具备良好的生物学知识功底，以及合乎逻辑的判断与推理。答案（1）B 干扰素只对由DNA病毒或RNA病毒引发的恶性肿瘤有疗效，许多恶性病毒是自身细胞基因突变造成的 （2）质粒 大肠杆菌（3）针剂 低温避光 干扰素是蛋白质，如制成口服药丸会在胃肠中被水解成氨基酸。高温、强光下保存会使蛋白质结构变性，失去生理活性。（4）根据干扰素的氨基酸排列顺序和遗传密码表，确定信使RNA上的碱基序列，然后根据碱基互补配对的原则确定RNA的碱基对排列顺序，以此为蓝图合成干扰素基因。（5）简单 基因（DNA片段） 速度快（6）目的基因，基因重组 密码子 亲缘关系蛋白质工程的崛起一、 教学目标1.举例说出蛋白质工程崛起的缘由。 2.简述蛋白质工程的原理。3.尝试运用逆向思维分析和解决问题。二、 教学重点和难点1.教学重点 （1）为什么要开展蛋白质工程的研究？（2）蛋白质工程的原理。2.教学难点 蛋白质工程的原理。三、 教学策略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图1-4所示。图1-4 遗传信息的流动方向这是学习新知识的基础。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。2.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：（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，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传的。（2）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。植物细胞工程的基本技术一、教学目标1. 简述植物组织培养和植物体细胞杂交技术。2. 列举植物细胞工程的实际应用。3. 尝试进行植物组织培养。情感态度和价值观体验植物组织培养技术能力方面尝试植物组织培养技术二、教学重点和难点1.教学重点（1） 植物组织培养的原理和过程。（2） 植物体细胞杂交的原理。（3） 植物细胞工程应用的实例。2.教学难点植物组织培养的实验三、教学策略本节教材内容对学生来说，虽说在必修模块中学了一些细胞的知识，但仍然是一个新的领域，学习起来有一定的困难。教师可采用讲授为主结合讨论的方法。四、教学手段录像、软件。五、教学过程教学过程1、课前预习，布置预习作业2、创设情境引入新课3、学习新课植物细胞工程的基本技 术（1） 细胞的全能性a定义b原因c植物细胞表现出全能性的必要条件教学过程（2）植物细胞工程的基本技术细胞脱分化a概念b实质c结果教学过程植物细胞工程的基本技术的流程图脱分化处理的必要（3）植物体细胞杂交技术植物体细胞杂交技术概念教学过程过程1去除细胞壁过程2诱导原生质体融合a是关键环节b人工诱导方法:物理： 离心.振动.电激。化学:聚乙二醇(PFG)作诱导剂c植物体细胞杂交技术的流程图植物体细胞杂交技术的意义4、总结新学知识5、布置作业教学内容生：1请分别理出细胞全能性和植物组织培养的知识结构和层次。2对高一必修课中与上述两知识点有关的内容进行全面、充分地复习。3找出新旧知识之间的联系与区别。师：引导学生观看专题的首页的三幅图，题图的愚意是表明细胞工程是在细胞水平的操作，它包含植物细胞工程和动物细胞工程等方面。在章引言中通过列举细胞工程的应用，把学生带进细胞工程的科技领域。引导学生总结细胞工程的概念。师：细胞工程是指应用细胞生物学和分子生物学的原理和方法，通过细胞水平或细胞器水平上的操作，在细胞整体水平或细胞器水平，按照人们的意愿来改变细胞内的遗传物质或获得细胞产品的一门综合科学技术。根据操作对象的不同，可分为植物细胞工程和动物细胞工程两大领域。师：为什么植物的一个花瓣就可以培育出完整的植株呢？生：细胞的全能性师：对，是细胞的全能性，我们一起把细胞的全能性知识复习起来师：投影显示质疑问题。1、什么是细胞的全能性？表现全能性的条件？2、为什么运用植物组织培养技术能把植物离体器官、组织或细胞培养成完整植物体？3、克隆羊“多莉”的诞生说明了什么？4、生物体内的细胞为什么没有表现出全能性，而是分化成不同的组织器官？对于问题4：教师启发学生将题目读懂弄透，对新旧知识进行必要的加工和整合，再得出结论2、为什么运用植物组织培养技术能把植物离体器官、组织或细胞培养成完整植物体？生：细胞的全能性：师：何为细胞的全能性？生：已分化的细胞仍然具有发育成完整个体的潜能。师：为什么已分化的细胞仍然具有发育教学内容成完整个体的潜能生：原因：生物体的每一个细胞都含有本物种的全套遗传物质，都有发育成完整个体的全套基因。师：回答得很好师：植物细胞表现出全能性的必要条件是什么？生：植物细胞表现出全能性的必要条件：离体、提供营养物质、激素及其他适宜条件。3、克隆羊“多莉”的诞生说明了什么？师：动物细胞随着细胞分化程度的提高而逐渐受到限制，分化潜能变窄，这是指整体细胞而言。（细胞核，它含有保持物种遗传性所需的全套基因，而且并没有因细胞分化而丢失基因，因此高度分化细胞的细胞核仍具有全能性）4、生物体内的细胞为什么没有表现出全能性，而是分化成不同的组织器官？师：在生物体内，由于基因的选择性表达，细胞不能表现出全能性，而是分化成为不同的组织器官。师：如何把植物的一个花瓣就可以培育出完整的植株呢？生：植物细胞工程的基本技术生：概括其过程：离体的植物器官，组织或细胞脱分化形成愈伤组织，再分化根、芽，最终形成植物师：脱分化的概念是什么？师：脱分化的概念：分化的细胞经诱导后，失去特有的结构功能转变成末分化的细胞的过实程。实质：是恢复细胞的全能性的过程（脱去细胞分化）师：脱分化的结果是什么？生：形成愈伤组织师：下面学生根据植物细胞工程的基本技术的过程讨论书本上的讨论生：回答书本讨论1，2，3生：讨论题1植物组织培养中用到的培养基含有丰富的营养成分，有利于培养物的生长，然而各种杂菌同样也可以在上面迅速生长，所以植物组织培养过程中污染现象经常发生。培养基一旦被污染，迅速生长的各种杂菌不但会和培养物争夺营养，而且这些杂菌生长的过程中会生成大量对培养物有害的物质，导教学内容致培养物迅速死亡。师：回答很好生：胡萝卜的其他部分（如茎、叶、花）也能培养再生形成小植株，只是诱导愈伤组织比较困难。师生一起：完成完成植物细胞工程的基本技术的流程图师：1、离体的器官、组织或细胞如果不进行脱分化处理，能否培养成完整的植物体？2、决定植物细胞脱分化、再分化的关键因素是什么？生：1、不能，因为细胞已经分化，失去了分裂能力。师：植物激素的种类和比例。特别是生长素和细胞分裂素的协同调控作用在组培中非常重要，被称为“激素杠杆”。师生一起归纳：植物细胞培养的概念：无菌和在人工控制的条件下将体的植物器官组织细胞，培养在人工配制的培养基上，给予一定的培养，诱导产生愈伤组织，芽丛，最终形成完整的植株它植物是细胞工程的主要技术师：20世纪60年代，有的科学家提出这样一个设想：让番茄和马铃薯杂交，培育出一种地上结番茄果实，地下结马铃薯块茎的植物。这就要用到植物体细胞杂交技术。师生：植物体细胞杂交技术的概念师：1你认为两个来自不同植物的体细胞完成融合，遇到的第一个障碍是什教学内容么？生：去除细胞壁师：2.有没有一种温和的去细胞壁的方法？生：有,用酶，纤维素酶和果胶酶去细胞壁师：补充：酶有专一性，而细胞壁的主要成分是纤维素和果胶，所以用纤维素酶和果胶酶去壁将不会对其内的原生质体造成损伤。师：（3）如果两个来源不同的原生质体发生融合形成了杂种细胞，下一步该对此细胞做何种处理？生：植物组织培养，培育成新的植物体师：以上就是植物体细胞杂交技术的第一个关键步骤，过程二关键步骤如何？师：细胞壁去除之后，另一个关键关键环节就是原生质体融合，而把原生质体的放在一起会自然融合吗？生