高二生物大單元整體學(xué)程選擇性必修三基因工程

高二生物大單元整體學(xué)習學(xué)程第十八單元基因工程高效科研小組：學(xué)科主任：包科領(lǐng)導(dǎo)：年級主任：班級：小組：姓名：2023年8月第十八單元 基因工程—利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)提升社會效益和經(jīng)濟效益一、單元概述20世紀70年代誕生的基因工程技術(shù)，開創(chuàng)了人類按照自己的意愿在體外操縱生命的新紀元。在隨后的40—50年間，基因工程技術(shù)取得了巨大的令人鼓舞的成就，當今以它為核心的生物技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為許多國家研究發(fā)展的重點，通過基因工程生產(chǎn)的產(chǎn)品也早就融入了我們生活的方方面面。本單元將深入了解基因工程的基本原理和技術(shù)流程，了解基因工程在農(nóng)牧業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生、食品工業(yè)等方面的應(yīng)用及其發(fā)展前景，還延伸介紹了蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用。通過本單元的學(xué)習，能基于基因工程應(yīng)用的事實，運用基因工程的原理，參與有關(guān)推廣和應(yīng)用基因工程產(chǎn)品等社會行為的討論，理性地作出個人決策。認同基因工程給現(xiàn)代農(nóng)牧業(yè)、食品及醫(yī)藥等行業(yè)帶來了深刻的變化，產(chǎn)生了巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。二、單元要素（一）單元內(nèi)容標準概念5基因工程賦予生物新的遺傳特性5.1基因工程是一種重組DNA技術(shù)5.1.1概述基因工程是在遺傳學(xué)微生物學(xué)生物化學(xué)和分子生物學(xué)等學(xué)科基礎(chǔ)上發(fā)展來的5.1.2闡明DNA重組技術(shù)的實現(xiàn)需要利用限制性核酸內(nèi)切酶、DNA連接酶和載體三種基本工具5.1.3闡明基因工程的基本操作程序主要包括目的基因的獲取、基因表達載體的構(gòu)建、目的基因?qū)胧荏w細胞和目的基因及其表達產(chǎn)物的檢測鑒定等步驟5.1.4舉例說明基因工程在農(nóng)牧，食品醫(yī)藥等行業(yè)的廣泛應(yīng)用，改善了人類的生活品質(zhì)5.2蛋白質(zhì)工程是基因工程的延伸5.2.1概述人們根據(jù)基因工程原理，進行蛋白質(zhì)設(shè)計和改造，可以獲得性狀和功能更符合人類需求的蛋白質(zhì)5.2.2舉例說明依據(jù)人類需要對原有蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進行基因改造、生產(chǎn)目標蛋白的過程（二）單元學(xué)習任務(wù)1.相關(guān)概念建構(gòu)基因工程、蛋白質(zhì)工程、限制酶、DNA連接酶、載體2.相關(guān)研究方法目的基因的篩選與獲取、基因表達載體的構(gòu)建、將目的基因?qū)胧荏w細胞的常用方法、目的基因的檢測與鑒定3.運用基因工程技術(shù)研發(fā)“黃金大米”、檢測病毒基因、制備基因工程疫苗4.基因工程和蛋白質(zhì)工程在農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用（三）單元學(xué)習目標1.研讀教材，說出基因工程和蛋白質(zhì)工程的區(qū)別和聯(lián)系，結(jié)合基因工程生產(chǎn)抗蟲棉、胰島素等實例，簡述基因工程的基本工具、基本操作程序和應(yīng)用，初步構(gòu)建基因工程的知識體系。2.模擬DNA分子的重組過程，歸納基因工程基本工具的種類、特點及其作用，構(gòu)建大腸桿菌生產(chǎn)重組人胰島素的流程，總結(jié)基因工程的基本操作程序，闡明利用蛋白質(zhì)工程改造天然胰島素的基本思路，探討轉(zhuǎn)基因食品的利與弊。3.搜集并分析“黃金大米”、“新冠病毒核酸檢測”等熱點問題，闡述獲得“黃金大米”的基本步驟，識圖分析RT－PCR技術(shù)檢測病毒基因的原理，科學(xué)分析“乙肝基因工程疫苗”的生產(chǎn)和使用過程，闡釋基因工程疫苗比血源性疫苗更安全的原因。4.圍繞基因工程的基本工具、操作程序、基因工程和蛋白質(zhì)工程的聯(lián)系與應(yīng)用重構(gòu)本單元，運用基因工程原理，辯證分析轉(zhuǎn)基因技術(shù)、生殖性克隆在實際生產(chǎn)生活中的利與弊，從食品安全、社會倫理和社會價值等角度，對生物技術(shù)的安全性和倫理性問題等社會熱點議題進行科學(xué)的評判。（四）單元學(xué)習計劃學(xué)習階段主要學(xué)習任務(wù)學(xué)時安排整體感知結(jié)合學(xué)程預(yù)習課本并厘清概念，借助思維導(dǎo)圖建構(gòu)知識體系。說出基因工程和蛋白質(zhì)工程的區(qū)別和聯(lián)系。1探究建構(gòu)梳理大腸桿菌生產(chǎn)重組人胰島素的流程，歸納基因工程的基本操作程序；闡明蛋白質(zhì)工程改造天然胰島素的基本思路，探討轉(zhuǎn)基因食品的利與弊。3應(yīng)用遷移結(jié)合材料，闡述獲得轉(zhuǎn)基因“黃金大米”的基本步驟；說明RT－PCR技術(shù)中PCR反應(yīng)體系設(shè)置不同溫度參數(shù)的目的；闡釋基因工程疫苗比血源性疫苗更安全的原因。1重構(gòu)拓展重構(gòu)基因工程基本工具、4個操作程序間的聯(lián)系、基因工程和蛋白質(zhì)工程的聯(lián)系，運用基因工程原理，解決農(nóng)牧業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生和食品工業(yè)等方面的問題。能夠?qū)ι锛夹g(shù)的安全性和倫理性問題等社會熱點議題進行科學(xué)的評判。2（五）單元學(xué)習資源學(xué)習階段資源類別（課件微課素材資源包、習題、教案）資源分層（ABCT)整體感知學(xué)習活動1：基因工程視頻“轉(zhuǎn)基因棉花在中國”文本材料、學(xué)習活動2：基因工程知識體系文本TAT探究建構(gòu)學(xué)習活動4：轉(zhuǎn)基因胰島素的生產(chǎn)視頻學(xué)習活動6：“轉(zhuǎn)基因大豆油對身體有什么危害嗎”文本TB應(yīng)用遷移學(xué)習活動7：“黃金大米”視頻學(xué)習活動8：實時熒光RT－PCR技術(shù)視頻學(xué)習活動9：基因工程疫苗的生產(chǎn)視頻TAT重構(gòu)拓展單元拓展：五種育種方式比較圖片B（六）單元學(xué)習目標追求三、單元學(xué)習內(nèi)容（一）整體感知基因工程—初步構(gòu)建基因工程人類基因工程近年來，基于基因工程改造的CART細胞療法在治療血液類癌方面展現(xiàn)了強大療效，研究人員也在積極探索CART治療實體瘤的潛力,隨著基因編輯技術(shù)的進步，我們已經(jīng)可以實現(xiàn)在原代人T細胞中的特定位點精確整合目標基因?；蚬こ淌窃诜肿铀綄ι镞z傳作人為干預(yù),迄今為止，基因工程已經(jīng)在從細菌到家畜的幾乎所有生命體上做了實驗，并取得了成功。事實上，所有用于治療糖尿病的胰島素都來自一種細菌，其DNA中被插入人類可產(chǎn)生胰島素的基因，細菌便可自行復(fù)制胰島素?；蚬こ碳夹g(shù)使得許多植物具有了抗病蟲害和抗除草劑的能力......什么是基因工程？培育轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品一般包括哪幾個步驟？基因工程給我們的生產(chǎn)和生活帶來了怎樣的影響？【學(xué)習目標】1.研讀教材，說出對基因工程和蛋白質(zhì)工程的理解，比較兩者之間的區(qū)別與聯(lián)系。2.結(jié)合基因工程生產(chǎn)抗蟲棉、胰島素等實例，簡述基因工程的基本工具、基本操作程序和應(yīng)用，初步構(gòu)建基因工程的知識體系。3.查閱材料，列舉23個生產(chǎn)生活中的轉(zhuǎn)基因生物或產(chǎn)品，并簡述其產(chǎn)生過程。學(xué)習活動1：初步感知基因工程和蛋白質(zhì)工程1.我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的轉(zhuǎn)基因抗蟲棉就是基因工程的產(chǎn)物。什么是基因工程？基因工程的操作水平是什么？2.最早被發(fā)現(xiàn)的熒光蛋白是綠色熒光蛋白,科學(xué)家通過改造它,獲得了黃色熒光蛋白等。這些熒光蛋白在細胞內(nèi)生命活動的檢測、腫瘤的示蹤研究等領(lǐng)技有著重要應(yīng)用?？茖W(xué)家對蛋白質(zhì)分子進行設(shè)計和改造是通過蛋白質(zhì)工程來實現(xiàn)的。簡要說明蛋白質(zhì)工程和基因工程有什么區(qū)別和聯(lián)系？學(xué)習活動2：初步構(gòu)建基因工程的基本工具和操作程序結(jié)合基因工程生產(chǎn)抗蟲棉、胰島素等實例，概述基因工程的基本工具及其作用、基因工程基本操作程序和應(yīng)用，初步構(gòu)建單元體系。（二）探究建構(gòu)基因工程—重組人胰島素重組胰島素的生產(chǎn)與改造胰島素是機體內(nèi)唯一降低血糖的激素，廣泛存在于人和動物的胰臟中。傳統(tǒng)的生產(chǎn)胰島素方法是從豬、牛等動物的胰腺中獲取，但此方法生產(chǎn)成本極高。生產(chǎn)供為一個糖尿病病人使用一年的胰島素，可能需要上千頭牛?，F(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、吸收速率快等一系列優(yōu)點?？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，研發(fā)出速效胰島素類似物。如何利用大腸桿菌生產(chǎn)重組胰島素呢？科學(xué)家又是如何利用蛋白質(zhì)工程改造胰島素的呢？【學(xué)習目標】1.模擬DNA分子的重組過程，歸納基因工程基本工具的種類、特點及其作用。2.構(gòu)建大腸桿菌生產(chǎn)重組人胰島素的流程，總結(jié)基因工程的基本操作程序，闡述蛋白質(zhì)工程改造天然胰島素的基本思路，評價利用細菌生產(chǎn)蛋白質(zhì)食品的可行性。3.分享交流轉(zhuǎn)基因食品的利與弊，為合理利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)獲得生物或產(chǎn)品提出23條建議。學(xué)習活動3：模擬DNA分子的重組請在兩張紙條上分別寫下以下兩段DNA序列，并找到兩條片段上EcoRI的識別序列和切割位點，用剪刀切割后形成的是什么類型的末端？嘗試將下邊DNA鏈上切下的片段重組到上邊的DNA鏈切口處，請寫出重組后的DNA序列。思考：重組后的DNA序列進入受體細胞需要借助“分子運輸車”—載體，常用的載體有哪些？作為載體應(yīng)具備怎樣的條件？學(xué)習活動4：設(shè)計方案生產(chǎn)重組人胰島素1.在生產(chǎn)重組人胰島素的過程中，目的基因是什么？在生產(chǎn)制備過程中常用PCR技術(shù)獲取和擴增目的基因，請總結(jié)PCR反應(yīng)的基本條件和過程。2.胰島素基因表達載體的構(gòu)建有什么意義？它由哪幾部分組成？分別有什么作用？3.什么是轉(zhuǎn)化？將胰島素基因?qū)氪竽c桿菌，常采用什么方法？若將目的基因?qū)胫参锛毎游锸芫鸭毎刹捎檬裁捶椒ǎ?.胰島素基因進入大腸桿菌后，是否穩(wěn)定維持和表達其遺傳特性，只有通過檢測與鑒定才能知道。請寫出在分子水平檢測和個體水平鑒定的方法。學(xué)習活動5：“改造”天然胰島素隨著分子生物學(xué)、晶體學(xué)以及計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展,蛋白質(zhì)工程取得了很大的進展。目前,它已成為研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的重要手段,并將廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥和其他工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。分析下列資料,回答問題。資料1在正常人體內(nèi),血液中胰島素的含量通常在進食后30~60min達到高峰。而目前使用的胰島素制劑,注射120min后其作用效果才出現(xiàn)高峰。實驗證明,胰島素在低濃度(小于109mol/L)時主要以單體形式存在,在高濃度(大于109mo/L)時以二聚體的形式存在,從而延長了胰島素從注射部位進入血液所需的時間。資料2人胰島素由A鏈和B鏈構(gòu)成,其中B鏈的第20~29位氨基酸是胰島素分子相互作用形成多聚體的關(guān)鍵區(qū)域。若將B28位脯氨酸替換為天冬氨酸或者將它與B29位的賴氨酸交換位置,即可有效抑制胰島素的聚合。這種改變結(jié)構(gòu)的胰島素不會形成二聚體，從而使胰島素快速起作用。1.利用蛋白質(zhì)工程改造天然胰島素的基本思路是什么？2.能否根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，設(shè)計相應(yīng)的基因，導(dǎo)入合適的細菌中，讓細菌生產(chǎn)人類所需要的蛋白質(zhì)食品呢？請說明理由。學(xué)習活動6：探討基因工程應(yīng)用的利弊目前，是否該在農(nóng)業(yè)中采用轉(zhuǎn)基因動植物已成為人們爭論的焦點：支持者認為，轉(zhuǎn)基因的農(nóng)產(chǎn)品更容易生長，也含有更多的營養(yǎng)（甚至藥物），有助于減緩世界范圍內(nèi)的饑荒和疾?。欢磳φ邉t認為，在農(nóng)產(chǎn)品中引入新的基因會產(chǎn)生副作用，尤其是會破壞環(huán)境。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？自主選擇角色進行角色扮演，舉辦一場聽證會，從不同立場分析基因工程應(yīng)用的利弊。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.消費者E.食品與藥品檢測監(jiān)督部門。探討轉(zhuǎn)基因食品的利與弊，提出23條合理利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)獲得生物或產(chǎn)品的建議。（三）應(yīng)用遷移基因工程—解決食品工業(yè)和醫(yī)藥衛(wèi)生問題基因工程的應(yīng)用及前景基因工程在20世紀70年代興起后，得到了飛速發(fā)展，在農(nóng)牧業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生和食品工業(yè)方面，展示出了廣闊的前景。研究證明，一些困擾人類健康的主要疾病，如心腦血管疾病、糖尿病、肝病、癌癥等都與基因有關(guān)。找出這些基因并針對相應(yīng)的病變區(qū)位進行藥物篩選，甚至基于已有的基因知識來設(shè)計新藥，就能“有的放矢”地修補或替換這些病變基因，從而根治頑癥。醫(yī)生還會根據(jù)各人不同的基因序列給予因人而異的指導(dǎo)，使其養(yǎng)成科學(xué)合理的生活習慣，最大可能地預(yù)防疾病?！緦W(xué)習目標】1.搜集并分析“黃金大米”等基因工程應(yīng)用的資料，闡述獲得轉(zhuǎn)基因“黃金大米”的基本步驟，制定出防止目的基因和質(zhì)粒自身環(huán)化和隨意連接的措施。2.結(jié)合“新冠病毒核酸檢測”等熱點問題，分析RT－PCR技術(shù)檢測病毒基因的原理，說明PCR反應(yīng)體系設(shè)置不同溫度參數(shù)的目的。3.結(jié)合情境資料，科學(xué)分析“乙肝基因工程疫苗”的生產(chǎn)和使用過程，闡釋基因工程疫苗比血源性疫苗更安全的原因。學(xué)習活動7：轉(zhuǎn)基因“黃金大米”八氫番茄紅素合酶（其基因用psy表示）和胡蘿卜素脫飽和酶（其基因用crtⅠ表示）參與β—胡蘿卜素的合成。pmi為磷酸甘露醇異構(gòu)酶基因，它編碼的蛋白質(zhì)可使細胞在特殊培養(yǎng)基上生長?？茖W(xué)家將pay和crtⅠ基因轉(zhuǎn)入水稻，使水稻胚乳中富含β—胡蘿卜素，其β胡蘿卜素的含量是普通大米的23倍，因大米在拋光后呈黃色，由此產(chǎn)生的大米被稱為“黃金大米”。請寫出利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)獲得富含β—胡蘿卜素的“黃金大米”的基本操作程序。【拓展提升】在用甲、乙構(gòu)建基因表達載體時，容易出現(xiàn)目的基因和質(zhì)粒的自身環(huán)化和隨意連接現(xiàn)象，請結(jié)合圖示分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，并說明如何保證目的基因和質(zhì)粒的正向連接。學(xué)習活動8：利用RT－PCR技術(shù)檢測病毒基因新冠病毒感染人體之后，首先會在呼吸道系統(tǒng)中進行繁殖，因此可以通過檢測痰液、鼻咽拭子中的病毒核酸判斷人體是否感染病毒。檢測新型冠狀病毒特異序列的方法最常見的是實時熒光RT—PCR技術(shù)。RT—PCR技術(shù)是將RNA的反轉(zhuǎn)錄（RT）和DNA的聚合酶鏈式擴增（PCR）相結(jié)合的技術(shù)。因PCR反應(yīng)模板僅為DNA，因此在進行PCR反應(yīng)前，應(yīng)將新型冠狀病毒核酸（RNA）經(jīng)反轉(zhuǎn)錄酶的作用逆轉(zhuǎn)錄為cDNA，再以cDNA為模板，在DNA聚合酶作用下擴增合成目的片段。RT—PCR技術(shù)靈敏而且用途廣泛，可用于檢測細胞中基因表達水平、細胞中RNA病毒的含量和直接克隆特定基因的cDNA序列。請思考下列問題：1.提取RNA病毒的H基因時，提取液中需要加入鹽酸胍以抑制RNA酶的活性，加入鹽酸胍的目的是什么？2.以病毒的H基因為模板，設(shè)計上游引物H1和下游引物H2，用RT－PCR技術(shù)對目的基因進行擴增。PCR反應(yīng)體系如下：H基因緩沖液等4種脫氧核苷酸上游引物H1下游引物H2①酶雙蒸H2O2.5μL5μL0.5μL1μL1μL1μL14μL上表中的①酶有哪些？在PCR儀上依次設(shè)置不同的循環(huán)溫度參數(shù)：45℃—45min，94℃—30s、55℃—45s、72℃—60s，多輪循環(huán)。其中45℃處理和72℃處理的目的分別是什么？3.將RT－PCR技術(shù)擴增后的產(chǎn)物進行電泳處理，結(jié)果如圖所示。其中可能感染病毒的樣品是什么？RT－PCR技術(shù)也可用于基因工程目的基因的檢測與鑒定。該技術(shù)主要用于檢測什么？4.實時熒光定量PCR技術(shù)因其靈敏度高，可用于對樣品中特定DNA序列進行定量分析。將熒光標記的Taqman探針與待測樣本DNA混合，當探針完整時，不產(chǎn)生熒光。在PCR過程中，與目的基因結(jié)合的探針被TaqDNA聚合酶水解，R與Q分離后，在特定光的激發(fā)下R發(fā)出熒光，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，熒光信號強度增加，通過實時檢測熒光信號強度，可得Ct值(達到熒光閾值所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù))。下列相關(guān)敘述正確的是（

）A．熒光基因R連接在探針的3’端B．該反應(yīng)體系中并未加入ATP，所以新鏈的合成不需要消耗能量C．TaqDNA聚合酶在該反應(yīng)中的作用是合成磷酸二酯鍵D．Ct值越小，說明樣品中特定DNA序列的含量越多學(xué)習活動9：探究乙型肝炎疫苗乙型病毒性肝炎（viralhepatitistypeB）是由乙型肝炎病毒引起的以肝臟病變?yōu)橹鞯囊环N傳染病。臨床上以食欲減退、惡心、上腹部不適、肝區(qū)痛、乏力為主要表現(xiàn)。部分患者可有黃疸發(fā)熱和肝大伴有肝功能損害。有些患者可慢性化，甚至發(fā)展成肝硬化，少數(shù)可發(fā)展為肝癌。人類是乙型肝炎病毒的唯一宿主,接種乙肝疫苗是預(yù)防乙肝病毒感染的最有效方法，乙型肝炎疫苗的研制先后經(jīng)歷了血源性疫苗和基因工程疫苗階段。如圖為“乙肝基因工程疫苗”的生產(chǎn)和使用過程,質(zhì)粒中l(wèi)acz基因可使細菌利用加入培養(yǎng)基的物質(zhì)Xgal,從而使菌落顯現(xiàn)出藍色,若無該基因,菌落則成白色。1.圖中過程①有兩種限制酶選擇方案,它們分別是什么？你覺的哪種選擇最好，請說明你的理由。2.如何篩選出含目的基因的重組質(zhì)粒的大腸桿菌？請寫出你的實驗設(shè)計思路及現(xiàn)象。3.用基因工程疫苗接種比血源性疫苗更安全,試從疫苗的結(jié)構(gòu)特點解釋原因是什么？（四）重構(gòu)拓展基因工程—重構(gòu)基因工程體系基因工程的未來基因工程的誕生實現(xiàn)了在微生物、植物、動物之間的基因交流，人類以前不能實現(xiàn)的種種奇思妙想變?yōu)榱爽F(xiàn)實?；蚬こ藤x予了生物新的遺傳特性，以人類需求為目標進行產(chǎn)品的開發(fā)，進而推動生物學(xué)的不斷進步，提高人類生活質(zhì)量。當今，國際上一項合作性的基因組測序計劃正在大規(guī)模的實施中，眼下已取得了階段的突破性研究進展，隨著功能性基因不斷被開發(fā)，分離及轉(zhuǎn)基因技術(shù)的不斷完善，轉(zhuǎn)基因表達效率不斷提高，21世紀基因工程研究必然有一個更大的發(fā)展。人類將因為有了基因工程會使壽命大大延長，生物的多樣性將得到維護和發(fā)展……?？茖W(xué)家們紛紛發(fā)表文章稱“基因工程，前