蛋白質設計

在課程標準的具體內容標準中，與本節內容相對應的條目是“概述蛋白質的結構和功能”。要達成這一目標，講授過程中 就應該以結構與功能相適應的生物學觀點為主線，首先聯繫初中知識引導學生説出蛋白質有哪些重要功能，再結合教材中蛋白質主要功能示例，進行這一部分的學 習。在瞭解了蛋白質多種多樣的功能後，重點學習蛋白質的結構。首先學習蛋白質的基本組成單位──氨基酸的結構特點，以及由氨基酸形成蛋白質的過程，然後, 組織學生運用剛獲取的知識對人工合成蛋白質進行探討，在探討過程中理解蛋白質結構多樣性的原因，最後再次呼應“結構與功能的適應”的觀點，引導學生髮現實 例中更深刻的知識，進而回歸主題──蛋白質是生命活動的主要承擔者。

根據以上對教材編排的理解，將本節知識目標定為:

1.説明氨基酸的結構特點，以及氨基酸的種類。

2.概述蛋白質的結構和功能。

3.理解蛋白質是生命活動的主要承擔者。

4. 關注蛋白質研究的新進展 。

本節能力目標為：

1. 嘗試建立氨基酸結構通式的球棍模型(模仿水平)。

2. 使用球棍模型演示脱水縮合過程，肽鏈形成具有空間結構的蛋白質(獨立操作水平)。

3. 能夠利用多媒體蒐集相關信息，學會鑑別、選擇、運用和分享信息。

本節情感目標為：

1.體驗人工合成牛胰島素的大致合成過程(感受水平)。

2.認同蛋白質是生命活動的主要承擔者。

3.初步形成生物體的結構與功能、局部與整體、多樣性與共同性相統一的觀點。樹立辯證唯物主義自然觀，逐步形成科學的世界觀。

4.認識生物科學的價值，樂於學習生物科學，初步養成質疑、求實、創新及勇於實踐的科學精神和科學態度。

蛋白質設計 - 教學設計思路

由於學生缺乏有關氨基酸和蛋白質的化學知識(特別是對連接各原子間的化學鍵感到尤為困惑)，細胞的分子組成又是微 觀的內容，比較抽象，所以在教學時，應注意聯繫學生的生活經驗，利用模型模擬或圖解加強教學的直觀性，增加學生對微觀內容的感性認識，使學生在主動獲取知 識的過程中完成重點、難點知識的學習，鍛鍊動手能力、提高思維能力，形成相應的觀點。

引導回顧初中知識創設問題情境

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交流歸納蛋白質的功能

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播放一則洗髮水廣告

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激發思考蛋白質與氨基酸的關係

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引入氨基酸及其種類的學習

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學生活動:觀察四種氨基酸的結構式

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討論、總結氨基酸的結構通式

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嘗試用球棍模型模擬氨基酸的結構通式

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拓展思考氨基酸的結構特點及其他性質

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引出氨基酸種類的學習

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利用強烈的數據對比，過渡到氨基酸怎樣形成蛋白質

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學生活動：閲讀課文並觀察氨基酸脱水縮合示意圖

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學生活動：小組合作嘗試描述

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啓發引導完成旁欄思考， 並討論肽鏈的空間結構

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觀察氨基酸形成蛋白質的示意圖

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分析蛋白質的結構層次

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介紹人工合成蛋白質的過程

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師生共同探討人工合成牛胰島素的過程

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導出蛋白質的多樣性原因

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總結、評價迴歸主題

蛋白質設計 - 教學實施過程

學習階段

教師組織與引導

學生活動

教學意圖

問題導學

主動獲取知識

加工信息，主動探究，瞭解知識的應用價值。

闡明結構與功能的關係，促進理解

系統總結

教師投影一則洗髮水的產品介紹。啓發思考：在洗髮水中都含有哪些成分?為什麼氨基酸能有效修復髮質？發膜的主要成分是什麼？

評價回答，總結蛋白質和氨基酸都是生命活動所必需的生命物質。它們之間存在着什麼關係？

氨基酸是組成蛋白質的基本單位。

氨基酸有哪些特點呢？

展示四種氨基酸的結構式（甘氨酸、纈氨酸、丙氨酸、亮氨酸）

引導啓發：

教師組織與引導

1.組成氨基酸的基本元素是什麼？

2.四種氨基酸在結構上有哪些共同點？又有哪些差別之處？

教師給與必要的補充，注意語言表述的準確性。

3.嘗試寫出氨基酸分子的結構通式。

教師巡查學生書寫情況，啓發學生依據書寫情況與教材作對比來發現問題，強調結構通式的不同寫法。

引導學生通過球棍模型加深對氨基酸結構的理解，特別要形成其空間結構的認識：(通過對蛋白質的空間結構的理解，為下一步的理解肽鏈的空間結構做鋪墊 )

桔紅色球：氫原子

黑色球：碳原子

綠色球：氧原子

藍色球：氮原子

小鐵棍：化學鍵

彈簧棍：碳氧雙鍵

(要求)裝配出一個甘氨酸或丙氨酸

深入探討:

1. 我們插裝的甘氨酸的側鏈基團是什麼?

2. R基的不同如何決定氨基酸種類的不同?嘗試用模型變換(課下完成)

3. R基上能不能含有-NH2或-COOH?

課件展示特殊氨基酸

賴氨酸(含-NH2)

天冬氨酸(含-COOH)

啓發引導:

生物體中組成蛋白質的氨基酸只有20種，而據估計，生物界的蛋白質種類多達1010～1012種。

氨基酸是怎樣形成蛋白質的呢?

根據由部分到整體的認知規律，

先引導:兩個相同或不同的氨基酸分子脱水縮合過程

討論:

1. 氨基酸形成蛋白質的大致過程是怎樣的?

2. 兩個氨基酸脱水縮合反應生成一個二肽，失去幾分子水?

3. 三個氨基酸脱水縮合，失去幾分子水?

4. N個氨基酸脱水縮合反應呢?

演示:

氨基酸分子脱水縮合形成兩條鏈的過程

1. 拿一條兩頭繫有不同顏色緊扣的繩子表示一條多肽鏈

2. 拿剪刀從中間剪開表示肽鍵的斷裂

思考:肽鍵斷裂後需要作出哪些修飾，使其形成兩條完整的多肽鏈?

評價學生回答加以總結教師組織與引導

引導學生觀察:

“氨基酸形成蛋白質的示意圖”

完成“思考與討論”

利用課前蒐集的有關人工合成蛋白質材料，聯繫本書的科學家訪談:

1. 如果你是中國人工合成牛胰島素科研領導小組的成員，你認為首先應做哪些方面的工作以免少走彎路?

2. 設計一個怎樣的方案，以期更科學、更合理?(方案要合理)

3.如果人工合成的牛胰島素沒有達到預期的結果，你應該做哪些方面的分析?

評價學生回答，總結出蛋白質結構多樣性的四大原因。

引導學生再次思考蛋白質功能實例中如何體現結構與功能的適應這一生物學觀點。

討論:

1.對於蛋白質的功能，你還能作出補充嗎?

2.人類研究蛋白質的功能有什麼意義?

教師組織與引導。

展示知識概念圖。

本節課要理解:氨基酸形成蛋白質的過程，蛋白質的結構和功能多樣性的原因。

思考回答：許多蛋白質是構成細胞和生物體結構的重要物質,稱為結構蛋白,如羽毛、肌肉、頭髮的成分主要是蛋白質。

思考回答：C、H、O、N等。

觀察對比， 嘗試用語言描述。

傾聽，並以小組為單位，合作完成。

總結氨基酸在空間結構上的特點。

學生思考回答:

1.甘氨酸的側鏈基團是氫基

2.學生初步思考

3.R基上可以含有-NH2或-COOH，進一步理解 “每個氨基酸分子至少都含有一個-NH2和-COOH”

獲取信息，主動思考，體會巨大的數字差別藴含有哪些信息。

觀察“氨基酸脱水縮合示意圖”，閲讀氨基酸脱水縮合過程的文字、圖解，以小組為單位，討論交流，並嘗試利用手中的模型模擬此過程。

根據模型作出描述。

思考作答。

總結得出公式:

形成肽鍵數(脱去的水分子數)=氨基酸分子數-肽鏈條數。

主動參與交流表達，更深入理解氨基酸形成蛋白質的過程，運用已學知識，解決實際問題。

1. 整合資料信息，能説出幾個關鍵步驟。

2.方案要合乎生物學原理，合成後的牛胰島素要驗證其是否有活性。

3. 合成多肽鏈時少一個氨基酸分子。

合成多肽鏈時，氨基酸的連接順序出現錯誤。

合成多肽鏈時，未嚴格按照規定的17種氨基酸進行合成。

未嚴格按照其肽鏈摺疊方式進行合成(意思對即可)。

能夠深層挖掘，作出相應描述。

回答問題，瞭解“國際人類蛋白質組計劃”的研究進展及成就。

學生能回答出組成蛋白質的基本單位──氨基酸，氨基酸分子的結合方式，蛋白質的結構層次，蛋白質結構多樣性的原因，及其與蛋白質功能多樣性的關係。

激發學生的學習興趣，寓教於樂，同時為知識點的切入提供了良好的素材，為講述氨基酸是組成蛋白質的基本單位做鋪墊。

考慮到這裏出現的“基本單位”一詞，學生接受可能有些許困難，所以採取了直接講授的方法。

這一環節的教學屬於本節的重難點，培養學生處理信息的能力。使其主動感知知識的形成。

由於學生的化學知識有限，通過動手環節會更直觀，突破學習難點，進而加深對各學科間相互關係的認識。

激發學生思維，加深對教材的理解，培養學生吃透知識的能力。

通過強烈的數字對比啓發學生主動發現問題提出問題，進而解決問題。

在實際動手操作中享受學習的快樂。

利用歸納演繹的方法由易到難，逐步推測氨基酸形成蛋白質的過程。

利用演示方法突破本節課的難點。

體驗角色變換的快樂，同時考查學生對已學知識的靈活運用程度。

強調科學發展的過程，滲透科學方法、科學精神的教育。

迴歸主題，闡明蛋白質是生命活動的主要承擔者。

激發學生對科技前沿研究工作的興趣。

通過總結使學生獲得蛋白質是生命活動的主要承擔者的基本認識

2022年，華盛頓大學醫學院生物學家團隊設計了一種生成氨基酸序列的新算法，名為ProteinMPNN，運行時間約為1秒，不需要專家定製即可運行。這一蛋白質設計方面的研究成果發表在《科學》雜誌上。 ^[1]