高三生物一輪復(fù)習(xí)學(xué)案第17單元-基因工程

271生物學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)與指導(dǎo)第十七單元基因工程編制：___________審核：___________審批：___________時(shí)間：第十七單元基因工程—揭秘胰島素生產(chǎn)的發(fā)展史國際糖尿病聯(lián)合會(huì)（IDF）發(fā)布的第9版《IDF全球糖尿病概覽》數(shù)據(jù)顯示，全世界糖尿病患者已接近4.63億，而我國目前糖尿病患者的總數(shù)已達(dá)到1.16人，躍居世界首位，其中數(shù)千萬患者長期依賴于胰島素治療。圖17-1胰島素是機(jī)體內(nèi)唯一降低血糖的激素，也是唯一同時(shí)促進(jìn)糖原、脂肪、蛋白質(zhì)合成的激素，廣泛存在于人和動(dòng)物的胰臟中。傳統(tǒng)的生產(chǎn)胰島素方法是從豬、牛等動(dòng)物的胰腺中獲取，但此方法生產(chǎn)成本極高。生產(chǎn)供為一個(gè)糖尿病病人使用一年的胰島素，可能需要上千頭牛。圖17-1而現(xiàn)如今隨著基因工程的飛速發(fā)展，人們可以利用大腸桿菌作為受體獲取“人胰島素”。這種制備方法不僅產(chǎn)量高，而且具有免疫原性顯著降低、生物活性強(qiáng)、吸收速率快等一系列優(yōu)點(diǎn)?？茖W(xué)家還通過改造胰島素基因?qū)崿F(xiàn)了對胰島素的改造，降低了天然胰島素的聚合作用，研發(fā)出速效胰島素類似物。除了醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域，基因工程還在農(nóng)牧業(yè)、食品工業(yè)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。那基因工程是如何實(shí)現(xiàn)不同物種間的性狀改造的，需要用到哪些工具，具體應(yīng)該如何操作？讓我們一起走進(jìn)基因工程，尋找問題的答案，揭秘胰島素生產(chǎn)的發(fā)展史。單元學(xué)習(xí)主題（一）單元學(xué)習(xí)目標(biāo)1.結(jié)合271BAY資源及基因工程的科技探索之路，明確基因工程誕生和發(fā)展歷程，闡明基因工程的三種基本工具以及基本操作程序和蛋白質(zhì)工程的設(shè)計(jì)流程，能夠概述兩大工程在生產(chǎn)生活中應(yīng)用的實(shí)例。2.利用DNA重組技術(shù)設(shè)計(jì)重組人胰島素的生產(chǎn)過程，明確過程中的基本工具和基本操作程序，并能說出每一步操作程序中的注意事項(xiàng)。3.結(jié)合兩大工程的相關(guān)技術(shù)為研發(fā)速效胰島素類似物設(shè)計(jì)方案，并預(yù)測在操作層面會(huì)遇到哪些技術(shù)性難題，探討轉(zhuǎn)基因技術(shù)的安全性。（二）單元學(xué)習(xí)計(jì)劃學(xué)習(xí)內(nèi)容課時(shí)內(nèi)容要求單元整體認(rèn)知3結(jié)合《學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)與指導(dǎo)》中本單元內(nèi)容設(shè)計(jì)的問題研讀教材，也可查閱271BAY中資源，形成自己的整體認(rèn)知，嘗試初步構(gòu)建知識結(jié)構(gòu)核心內(nèi)容基因工程的工具和基本操作程序21.闡明三種基本工具，明確作用機(jī)理及相關(guān)來源。2.準(zhǔn)確表述基因工程的基本操作程序及注意事項(xiàng)基因工程的應(yīng)用和延伸11.能舉例說出基因工程在農(nóng)牧、食品及醫(yī)藥行業(yè)的應(yīng)用2.能列表對比基因工程和蛋白質(zhì)工程，區(qū)分兩者的區(qū)別和聯(lián)系3.明確對蛋白質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造的基本流程。4.搜集相關(guān)材料，能說出轉(zhuǎn)基因技術(shù)在應(yīng)用過程中帶來的影響（三）單元學(xué)習(xí)評價(jià)評價(jià)內(nèi)容評價(jià)量規(guī)等級整體認(rèn)知說出基因工程三種工具的名稱、種類、各自的作用、基因工程四大操作步驟及基本的方法、蛋白質(zhì)工程的基本途徑★較好完成271BAY中關(guān)于整體認(rèn)知的階段性評價(jià)★★結(jié)合認(rèn)知情況用思維導(dǎo)圖的形式初步構(gòu)建出本單元的知識結(jié)構(gòu)★★★基因工程的工具和基本操作程序說出基因工程三種工具、作用并能夠設(shè)計(jì)胰島素生產(chǎn)的基本步驟★結(jié)合胰島素生產(chǎn)過程，具體描述每步操作用到的工具及注意事項(xiàng)★★能夠用基因工程相關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)干擾素的生產(chǎn)過程基本思路★★★基因工程的應(yīng)用和延伸舉例說明基因工程在生產(chǎn)、生活中有哪些應(yīng)用；與基因工程對比說出蛋白質(zhì)工程崛起的緣由，概述蛋白質(zhì)工程改造胰島素的基本途徑★能準(zhǔn)確描述乳腺生物反應(yīng)器原理；能理解蛋白質(zhì)工程的目標(biāo)、操作對象及原因★★能準(zhǔn)確分析蛋白質(zhì)工程在操作層面十分復(fù)雜的原因；能提供論據(jù)說出對轉(zhuǎn)基因技術(shù)安全性的觀點(diǎn)★★★二、單元學(xué)習(xí)內(nèi)容（一）單元整體認(rèn)知：依據(jù)教材與271BAY中的資源，來理解以下核心內(nèi)容1.基因工程的誕生和發(fā)展史。2.基因工程原理、應(yīng)用、三種基本工具及作用、基本操作程序。3.蛋白質(zhì)工程的原理、基本思路及應(yīng)用。（二）單元學(xué)習(xí)活動(dòng)第一學(xué)時(shí)基因工程的工具和基本操作程序?qū)W習(xí)目標(biāo)：1.研讀文本并借助271BAY等相關(guān)資源，說出對基因工程原理、工具及操作程序的理解。2.設(shè)計(jì)胰島素生產(chǎn)流程，明確所需工具及操作程序，總結(jié)關(guān)鍵步驟的注意事項(xiàng)。3.運(yùn)用基因工程原理設(shè)計(jì)乳腺生物反應(yīng)器生產(chǎn)干擾素的基本流程。學(xué)習(xí)任務(wù)：探索基因工程的基本操作程序基因工程是按照人們的意愿，通過轉(zhuǎn)基因等技術(shù)，賦予生物新的遺傳特性，且是在分子水平進(jìn)行的操作，他們是如何實(shí)現(xiàn)的呢？我們一起來探索基因工程中用的工具和基本操作流程。學(xué)習(xí)活動(dòng)1：模擬重組DNA分子的構(gòu)建過程用兩張硬紙板（紙板1和紙板2）、剪刀（(代表EcoRI或SmaI）、透明膠條（代表DNA連接酶)等材料，模擬重組DNA分子的構(gòu)建過程，準(zhǔn)確描述構(gòu)建過程中用到的工具種類、名稱及作用。紙板1紙板1圖17-2圖17-2紙板2思考：1.操作過程中用到了哪幾種工具，其作用分別是什么？2.寫出DNA連接酶與DNA聚合酶的區(qū)別和聯(lián)系，在右圖中標(biāo)出限制酶其中一個(gè)切割位點(diǎn)，并標(biāo)明名稱。圖1圖17-33.列舉出基因工程中常用的載體有哪些，并分析質(zhì)?？梢宰鳛檫\(yùn)輸載體的原因？學(xué)習(xí)活動(dòng)2：探究利用基因工程生產(chǎn)胰島素的步驟隨著基因工程的飛速發(fā)展，人們可以利用大腸桿菌作為受體獲取人胰島素，大大提高了胰島素的生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。思考：1.請用流程圖形式歸納基因工程生產(chǎn)重組人胰島素的簡要步驟。2.在生產(chǎn)制備過程中常用PCR技術(shù)獲取和擴(kuò)增胰島素基因，總結(jié)PCR技術(shù)擴(kuò)增過程需要的基本條件，分析引物的作用。獲取目的基因是否還有別的方法？3.胰島素基因表達(dá)載體的構(gòu)建有什么意義？它應(yīng)該包含哪幾部分？各部分有什么作用？4.將胰島素基因?qū)氪竽c桿菌，采用什么方法？若將目的基因?qū)胫参锛?xì)胞、動(dòng)物受精卵細(xì)胞采用什么方法？5.胰島素基因進(jìn)入大腸桿菌后，歸納如何在分子水平和個(gè)體水平進(jìn)行檢測？學(xué)習(xí)活動(dòng)3：實(shí)驗(yàn)探究實(shí)驗(yàn)一：DNA、RNA、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)等在物質(zhì)和化學(xué)方面差異較大，利用這些差異選用適當(dāng)?shù)姆椒▽NA進(jìn)行粗提取和鑒定。實(shí)驗(yàn)二：:利用PCR技術(shù)可以在體外進(jìn)行DNA片段的擴(kuò)增，通過電泳的方式可以對產(chǎn)物進(jìn)行鑒定。圖17-4借助于教材及271圖17-4思考：1.寫出DNA粗提取的原理及鑒定原理。2.電泳鑒定的結(jié)果是幾條帶？如果不止一條，分析原因？遷移提升：干擾素是動(dòng)物或人體細(xì)胞受到病毒侵染后產(chǎn)生的一種糖蛋白，它是一種抗病毒的特效藥。中國“干擾素之父”侯云德院士曾利用基因工程的方法獲得了人干擾素a-lb，用于臨床疾病的治療。在干擾素的生產(chǎn)中，除了利用大腸桿菌及酵母菌可以作為基因工程的受體外，人們還嘗試?yán)萌橄偕锓磻?yīng)器技術(shù)生產(chǎn)干擾素，結(jié)合所學(xué)試寫出簡易步驟。學(xué)時(shí)評價(jià)：評價(jià)內(nèi)容評價(jià)量規(guī)自我評價(jià)說出基因工程三種工具、各自作用、胰島素生產(chǎn)的基本步驟★結(jié)合胰島素生產(chǎn)過程，具體描述每步操作用到的工具及注意事項(xiàng)★★能夠用基因工程相關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)大體思路解決生活中的問題★★★第二學(xué)時(shí)基因工程的應(yīng)用和延伸學(xué)習(xí)目標(biāo)：1.研讀教材，理解第二代基因工程---蛋白質(zhì)工程崛起的原因，并能區(qū)分兩者的區(qū)別與聯(lián)系。2.分析天然胰島素改造過程，歸納蛋白質(zhì)工程的基本途徑并列舉應(yīng)用的其它實(shí)例。3.探討兩代基因工程在實(shí)際操作層面中遇到問題和轉(zhuǎn)基因技術(shù)的安全性。學(xué)習(xí)任務(wù)：探索基因工程在農(nóng)牧業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、食品工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用基因工程技術(shù)的應(yīng)用范圍涉及農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)藥、能源、環(huán)保等諸多領(lǐng)域。許多科學(xué)家預(yù)言，生物學(xué)將成為21世紀(jì)最重要的學(xué)科，基因工程技術(shù)及相關(guān)領(lǐng)域?qū)⒊蔀?1世紀(jì)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一?；蚬こ碳暗诙蚬こ?蛋白質(zhì)工程具體已經(jīng)被應(yīng)用于哪些生產(chǎn)實(shí)踐？又引起了怎樣的評價(jià)呢？學(xué)習(xí)活動(dòng)4：“改造”天然胰島素圖17-5實(shí)驗(yàn)證明，胰島素在低濃度時(shí)主要以單體形式存在，在高濃度時(shí)多以二聚體形式存在，這是胰島素β23-β28氨基酸殘基結(jié)構(gòu)所致。這樣就會(huì)延緩胰島素從注射部位進(jìn)入血液，從而延緩了其降低血糖的作用，也增加了抗原性?？茖W(xué)家根據(jù)胰島素的結(jié)構(gòu)和其功能間的關(guān)系，設(shè)計(jì)對胰島素基因的改造方案。通過堿基替換的方法，改變基因序列，將β鏈第28位改為賴氨酸/29位改為脯氨酸，從而改變胰島素的結(jié)構(gòu)。這種改變結(jié)構(gòu)的胰島素不會(huì)形成二聚體，從而使胰島素快速起作用。結(jié)合上述內(nèi)容，構(gòu)建模型歸納蛋白質(zhì)工程的操作流程。圖17-5思考：1.請?jiān)O(shè)計(jì)利用蛋白質(zhì)工程改造胰島素的基本途徑。2.蛋白質(zhì)工程最終要達(dá)到的目標(biāo)是什么？直接操作對象是蛋白質(zhì)還是基因？為什么？學(xué)習(xí)活動(dòng)5：角色扮演，探討基因工程的應(yīng)用利弊圖17-6隨著基因工程應(yīng)用的推廣，近來，一些市民和媒體紛紛向市政府反映了他們對轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品或轉(zhuǎn)基因安全性的擔(dān)憂，呼吁市政府制定條例對轉(zhuǎn)基因生物及轉(zhuǎn)基因食品的生產(chǎn)和銷售加以控制。你對基因工程的應(yīng)用及其產(chǎn)品又有怎樣的看法呢？自主選擇角色，與同學(xué)們進(jìn)行角色扮演，舉辦一場聽證會(huì)，從不同立場分析基因工程應(yīng)用的利弊。圖17-6角色如下：A.基因工程研發(fā)人員角色B.轉(zhuǎn)基因生物農(nóng)場主或轉(zhuǎn)基因食品生產(chǎn)商。C.環(huán)保志愿者D.消費(fèi)者E.食品與藥品檢測監(jiān)督部門。思考：1.觀察生活實(shí)際或利用271BAY搜集相關(guān)資料，舉例說明基因工程在各領(lǐng)域的應(yīng)用成果。2.總結(jié)聽證會(huì)陳述，形成有關(guān)基因工程應(yīng)用的安全性報(bào)告。遷移提升：1.研究人員在研究轉(zhuǎn)基因煙草中外源卡那霉素抗性基因的遺傳穩(wěn)定時(shí)發(fā)現(xiàn)，44株轉(zhuǎn)基因煙草中有4株該基因的遺傳不符合孟德爾遺傳規(guī)律，在它們的自交后代中出現(xiàn)了較多的沒有卡那霉素抗性的植株。請查找相關(guān)資料，嘗試對這個(gè)問題作出解釋。搜集其它資料論述轉(zhuǎn)基因生物是否還存在其它方面的問題。2.枯草桿菌產(chǎn)生的蛋白酶具有催化分解蛋白質(zhì)的活性，但極易被氧化而失效。1985年，美國的埃斯物爾將枯草桿菌蛋白酶分子中的第222位氨基酸替換后，雖然其水解活性有所下降，但抗氧化能力大大提高。用這種水解酶作為洗滌劑的添加劑，可以有效地除去