1、 高中生物选修 现代生物科技专题（人教版选修 3） 课 时 教案 专题一 基因工程 第一节 基因工程的简介 教学目标： 1知识方面 （ 1）了解基因工程的基本概念。 （ 2）基因操作的工具和基本操作程序。 （ 3） 举例说出基因工程在农业、医药等领域的应用 。 2态度价值观方面 （ 1）通过学习基因工程的概念，使学生认识到科学研究需要的严谨，激发为祖国而奋斗的精神。 （ 2）通过学习基因操作的工具和基本程序及应用，使学生树立结构与功能相统一的辩证唯物主义观念。 3能力方面 （ 1） 通过对图片、动画等的观察，让学生学会科学的观察方法，培养观察能力。 （ 2）通过利用课本以外的资料和网络信息解决
2、学习中发现的问题，培养学生的自主学习的能力。 （ 3）通过多媒体课件对基本概念、基本原理的学习，引导学生主动参与教学过程的探究活动，培养学生的获取新知的能力、分析和解决问题的能力及交流与合作的能力。 教学重点： 基因操作的工具和基本程序及应用。 教学难点： 1限制酶和运载体的作用。 2提取目的基因的方法和目的基因导入受体细胞的途径。 3基因工程的应用。 教学方法： 以探究法、谈话法、材料教学法相结合 。 具体方法： 1以具体事例讲述，学生制作模型，使学生切身体会基因工程“剪、拼、接、转”的主要过程。 2搜集资料，采用思考、分析、想像、推断和辩论等方法，明确基因工程的应用。 教学课时： 3 课时
3、 教学过程： 第一课时 ： DNA 重组技术的基本工具 一复习导入新课 教师活动：投影幻灯片，引导学生思考、分析讨论。 1遗传的物质基础是什么？ 2生物体遗传的基本单位是什么？ 3为什么生物界的各种生物间的性状有如此大的差别呢？ 4生物的性状是怎样表达的？ 5各种生物的性状都是基因特异性表达的结果，那么， 人类能不能改造基因 呢？使原来本身没有某一性状的生物而具有某个特定的性状呢？ 6各种生物间的性状千差万别，这是为什么呢？ 引导学生回答：生物体的不同性状是基因特异性表达的结果。 教师举例： 1青霉菌能产生对人类有用的抗生素 青霉素 2豆科植物的根瘤菌能够固定空气中的氮气 3人的胰岛 B 细胞
4、能分泌胰岛素调节血糖的浓度 教师提问：以上几种生物各有其特定的性状，这些性状都是基因特异性表达的结果。但是人类能不能改造基因呢？ 在引导学生思考、探究的同时引出本节课题。 二、讲授新课 1基因工程的概念： 课 前布置学生自学教材上的知识内容，让学生理解基因工程的概念，并引导学生回答表中内容。 教师活动： 投影问题引导学生讨论，引出基因操作的工具。 基因工程的操作水平是在 DNA 分子水平进行的，所以用普通的操作工具能够在如此微观的条件下操作吗？ 2基因操作的工具 教师活动：投影基因工程抗虫棉的简要过程。（见下表） 学习探究 1：在基因工程培育抗虫棉的过程中，关键步骤或难点是什么？ 学生活动：分
5、析、讨论，学生与教师共同对基因工程关键归纳总结。 关键步骤一：抗虫棉从苏云金孢杆菌细胞内提取。 关键步骤二：抗虫基因与运载体 DNA 拼接。 关键步骤三：抗虫基因进入棉花细胞。 学习探究 2：怎样才能在苏云金芽孢杆菌 DNA 分子中的众多基因中找到所需抗虫基因呢？又怎样将它从 DNA 长链中提取出来？又如何将提取出的抗虫基因与棉花细胞的 DNA 结合在一起呢？ 引导学生探究、分析、总结： （ 1）“分子手术刀”又叫基因剪刀 限制性 内切酶 分布：主要在微生物中 作用特点：特异性，即识别特定的核苷酸序列，切割特定的切点。 结果：产生黏性末端（碱基互补配对）。 播放投影幻灯片的实例。 基因工程的别
6、名 基因拼接技术或 DNA 管理费用技术 操作环境 生物体外 操作对象 基因 操作水平 DNA 分子水平 基本过程 剪切 拼接 导入 表达 结果 人类需要的基因产物 基因工程培育抗虫棉的简要过程 苏云金芽孢杆菌 （有抗虫特性） 提取 抗虫基因 普通棉花 （无抗虫特性） 棉花细胞 （含抗虫基因） 与运载体 DNA 拼接、导入 棉花植株 （有抗虫特性） C G A A T T G C T T A A A A T T （ 2）“分子缝合针”又叫基因针线 DNA 连接酶 连接部位：磷酸二酯键。 结果：两个相同的黏性末端的连接。 学习探究 3：用 DNA 连接酶连接两个相同的黏性末端要连接几个磷酸二酯键
7、？用限制性内切酶切一个特定基因要切断几个磷酸二酯键？ （ 3）“分子运输车”又叫基因的运输工具 基因进入受体细胞的载体 作用：将外源基因送入受体 细胞。 具备的条件：能在宿主细胞内复制并稳定地保存；具有多个限制酶切点；具有某些标记基因。 种类：质粒、噬菌体和动植物病毒。 质粒的特点： 质粒是基因工程中最常用的运载体； 最常用的质粒是大肠杆菌的质粒； 是细胞染色体外能自我复制的小型环 状 DNA 分子； 质粒的大小只有普通细菌染色体的 1% 左右； 存在于许多细菌及酵母菌等微生物中； 质粒的存在对宿主细胞生存没有决定 性的作用； 质粒的复制只能在宿主细胞内完成。 （自身细胞中也可） 学习探究 4
8、： 1、质粒上会存在某些标记基因，这些标记基因有什么用途？ 2、要想将某个特定基因与质粒相连，需要用几种限制性内切酶和几 DNA 连接酶处理？ 课堂小结： 基因工程的概念和的基本操作工具。 DNA连接酶作用示意图 C G A A T T G C T T A A 鸟枪法的过程 供体细胞中 DNA 限制酶 许多 DNA片段 载入 运载体 导入 逆转录法的过程 目的基因的 mRNA 逆转录酶 单链 DNA 合成 双链 DNA （目的基因） 课后记： 本节课主要学习基因工程的基本概念和基因工程的基本操作工具，学生能充分利用自己查找和老师提供的教学资料进行学习探究，效果较好。但学生在质粒的认识上还有待进
9、一步提高。下节课应重新启发学生复习有关知识，提高学生的认知能力。 第二课时 基因工程的基本操作程序 一、复习巩固，引出课题 教师活动：以谈话的方式提出下列问题 1、什么是基因工程？ 2、基因工程的工具酶有几种？分别 是什么？ 3、基因的剪刀是什么？其主要作用是什么？ 4、基因的针线是什么？其主要作用是什么？ 5、基因的运输工具是什么？ 6、运载体必须具备的条件是什么？最常用的运载体是什么？ 7、质粒的结构是什么？ 学习探究 1：有了基因操作的工具后，对基因是如何进行操作的呢？ 二、讲授新课 引导学生按幻灯片中提供的问题进行阅读课文提供的材料，并讨论、分析有关基因工程操作的基本程序。 举例说明什
10、么是目的基因？ 从供体细胞 DNA 中直接分离基因的方法叫什么？ 人工合成基因的方法有几种？其操作过程分别是怎样的？ 将目的基因与用限 制内切酶处理后的运载体混合并用 DNA 连接酶处理后会出现几种结果？ 将目的基因的重组质粒导入细胞受体细胞的过程常用哪种化学试剂？其目的是什么？ 在目的基因的检测过程中，检测的对象是什么？ 通过观看材料，思考问题，引起师生在相关知识点上的共鸣。 （ 1）目的基因的提取： 途径：从供体细胞的 DNA 基因文库中直接提取目的基因（一般用于原核生物）；人工合成目的基因（一般用于真核生物）。 “鸟枪法” 优点：操作简单。缺点：操作量大，盲目性大 方法： 逆转录法： 直
11、接合成法 PCR 技术 基本操作方法见下图： 质粒 DNA分子 同一种限制酶处理 一个切口的 两个黏性末端 两个切口的 获得目的基因 DNA连接酶 重组 DNA分子 （重组质粒） 受体细胞：细菌 氯化钙 细胞壁的通透性增大 重组质粒进入受体细胞 目的基因随受体细胞的繁殖而复制 （ 2）目的基因与运载体结合： 学习探究：目的基因与运载体的结合的结果可能有向种情况？ 引导学生探究，归纳总结出相关内容。 （ 3）将目的基因导入受体细胞： 导入方法：借鉴细菌或病毒侵入细胞的途径。 导入过程：运载体为质粒，受体细胞为细菌。 （ 4）目的基因的检测和表达： 引导学生生教材的有关内容，使学生明确检测与表达的
12、区别，并可按以下形式归纳。 检测：通过检测标记基因的有无来判断目的基因是否导 入。 表达：通过特定性状的产生与否来确定目的基因是否表达。 教学小结： 引导学生复述。 课后记： 本节教学重点、难点是理清目的基因导入受体细胞及是否已导入、导入后是否得到了表达。通过学习探讨，学生基本上能掌握本节的知识内容。但还未能熟练掌握本节的知识要领，这将运用练习来进一步加以巩固。 第三课时 基因工程的应用 复习基因工程的操作的基本程序和重要工具。 检查课前收集到的有关基因工程应用的实例。（以学生汇报形式展示各自收集到的资料） 通过资料、教学图片展示，引出课题。 1982 年，帕尔蒂曼和布林斯坦等人 构建了大鼠金
13、属硫蛋白和人的生长激素融合基因，生产出生长速度比正常小鼠快一倍的超级小白鼠。此后，许多实验室用人、猪、羊和牛的生长激素基因生产转基因小鼠时，都获得了类似结果。 1988 年，西曼克等人用猪的生长激素和大鼠 MT 融合基因，生产出生长快、瘦肉率高和表现正常的转基因猪。 印发基因工程研究的现状资料（另见材料），引导学生阅读。 学习探究： 1人类在基因工程领域取得了哪些成就呢？ 2基因工程在环境保护过程中有何作用？ 通过学生汇报，讨论、分析、概括如下： 一、基因工程与医药卫生： 1生产基因工程药品：胰岛 素、干扰素等。 2用于基因诊断与基因治疗：概念见课件。 二、基因工程与农业、食品工业： 1农业上
14、的应用： （ 1） 培育高产、稳质和具有优良品质的农作物。 （ 2） 用基因工程的方法培养出具有各种抗逆性的作物新品种。 2畜牧业上的应用： （ 1）培育人们所需要的各种优良品质的转基因动物。 （ 2）利用某些特定的外源基因在哺乳动物体内表达。 3食品工业上的应用：为人类开辟新的食物来源。 三、基因工程与环境保护： 1 环境监测：运动 DNA 分子杂交的方法进行检测。 特点：快速、灵敏、精确、高效。 2 环境净化。 课堂小结： 让学生交流对 基因工程学习的体会，明确基因工程的前景和安全性。 课后记： 本节课通过学生汇报、交流各自的材料收集，共同探讨知识的相关内容，课堂气氛活跃，从争辩中获取相关
15、知识要点。但有极个别的学生对资料的收集不够，仍需进一步引导。 第二节 蛋白质工程的崛起 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。 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。 教学方法： 探究法、导读 法、分析交流 具体做法： 1.建议采用 “ 问题 探究 新问题 再探究 ” 的教学模式。 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
16、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
17、的联系，用逆向思维的方法解决新问题。 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。 教学课时： 1 课时 教学过程： 复 习旧课，导出新课题： 学习探究： 1、 基因工程的实质是什么？ 2、 基因工程的基本操作程序有哪些？ 3、 通过基因工程产生的蛋白质都是属于自然界的蛋白质，即各种生物经过漫长的进化过程中形成的。 随着人们生活的改变，自然界现在的蛋白质不一定能满足人 类生产和生活的需要，那么，有什么办法可以获得人类所需的蛋白质呢？ 4、什么是蛋白质工程？ 引导学生认真阅读课文中的材料，引出课题。 一、蛋白质工程
18、的概念： 根据蛋白质工程的概念，关注两方面的内容： 1、蛋白质工程的基础：基因工程。 2、蛋白质工程的实质：按 意愿产生人们所需要的蛋白质。 学习探究： 1、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，还是通过参基因的操作来实现呢？ 2、蛋白质工程是怎样进行的呢？ 二、蛋白质工程的基本原理： 1、蛋白质工程的目标： 按人们对蛋白质功能的特定要求，对蛋白质的结构进行分子改造和设计。 2、 蛋白质合成的基本方法： 通过人工的方法，先确定所需蛋 白质的基本功能，再按逆向推出相关基因的基本组成，再进行转录和翻译得到所需蛋白质。 3、 蛋白质工程的基本途径： 确定蛋白质功能 应有的蛋白质高
19、级结构 应具备的折叠状 态 推测氨基酸序列 找到或合成相应的碱基序列 （基因） 改造的蛋白质 4、实施蛋白质工程的前提条件： 了解蛋白质的结构和功能 三、蛋白质改造的方法： 基因定点诱变技术、重组 DNA 技术 1、制造出自然界中不存在的全新蛋白质 大改 根据氨基酸性质和特点来改造，使之具有特定氨基酸序列、空间结构和预期功能。 2、在蛋白质分子中替代一个肽段或一个特定的结构 中改 3、改造蛋白质分子中的几个氨基酸的残基 小改 通过基因工程的定点诱变技术，有目的改造，以改善蛋白质的性质和功能。 引导学生阅读课文材料，探讨蛋白质工程在人类 生活中的实际应用及进展情况。最后经分析讨论，得出相关结论。
20、 四、蛋白质质工程的应用： 1、提高蛋白质的热稳定性： 主要是改造酶的结构，提高酶的热稳定性 主要用于工业化生产 （ 1）替换酶的部分氨基酸； （ 2）引入二硫键 2、改变蛋白质的活性 3、合成嵌合抗体，用于临床治疗 五、蛋白质工程的进展和前景： 课堂小结： 蛋白质工程的基本原理 课后记： 本节内容少，且在已有知识的基础上较易掌握。关键在明确所需蛋白质的功能，找出相关的基因结构即可。 辅助材料： （供教师在教学中 为学生提供 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
21、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
22、抗病毒、抗肿瘤的药物。将人的干扰素的 cDNA 在大肠杆菌中进行表达，产生的干扰素的抗病毒活性为 106 U/mg，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 3 个半胱氨酸（第 17 位、 31 位和 141 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 17 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 108 U/mg，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
23、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。 专题二 细胞工程 第一节 植物细胞工程 教 学目标 1知识方面： （ 1） 细胞的全能性。 （ 2） 植物细胞工程的主要技术 植物组织培养和植物体细胞杂交。 2态度观念方面： （ 1） 通过介绍植物组织培养技术的发展史、植物体细胞杂交技术所取得的进展和尚未解决的问题，激发学生探索生命科学奥秘的兴趣，通过学习使学生达到用发展的眼光看问题、分析问题，勇于开拓、推陈出新。 （ 2） 在植物细胞工程两在技术的学习中，渗透科学
24、态度、科学方法和科学精神的养成教育，培养学生形成正确的的唯物主义世界观和人生观。 3能力方面： （ 1） 合理利用录像、软件等多媒体课件，培养学生的观察能力、分析应用能力和整合信息的综合能力。 （ 2） 创设问题，在质疑、探究中培养学生独立思考、推理判断和创造性思维能力。 （ 3） 通过联系生产生活实际，培养学生理论联系实际的能力。 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。 教学难点： 植物 体细胞杂交 教学方法： 探究法、谈话法、讲授法相结合。 具体教学思路： 1课前布置预习； 2温故知新，复习细胞全能性理论。 3充分利用学生已有知识，借助多媒体教学手段，提供更多的资料供学生阅读，让学生探究知识的奥秘。 4智能训练，实现知识的正向迁移。 教学课时： 2 课时 教学过程： 教师活动：课堂课件展示，提出问题，导入新课。
