第4节 蛋白质是生命活动的主要承担者教学设计

第4节蛋白质是生命活动的主要承担者课程：高中生物学教材：高中生物学人教版必修1分子与细胞章节：第4节蛋白质是生命活动的主要承担者教材分析本节教材重点落实的内容是蛋白质的功能及其结构基础，包括氨基酸的结构特点、蛋白质的形成过程及结构多样性的原因。通过介绍蛋白质在生命活动中的多种功能，如构成细胞结构、催化、运输、调节和免疫等，帮助学生理解“蛋白质是生命活动的主要承担者”这一核心概念。结合氨基酸通式和脱水缩合过程的图解，引导学生从分子水平认识生物大分子的构建规律，培养结构与功能相适应的生物学观点。通过镰状红细胞等实例，说明蛋白质结构变化对功能的影响，强化科学思维与实际问题的联系。联系熟食消化、消毒灭菌等生活情境，促进学生将所学知识应用于解释日常现象，增强社会责任意识。整体内容设计注重知识逻辑与学生认知发展的结合，为后续学习基因表达与代谢调控奠定基础。学情分析学生在初中阶段已接触过细胞的基本组成和营养物质的概念，对蛋白质作为重要营养物质有初步认识，但对其分子结构和功能多样性缺乏系统理解。高中阶段学生抽象思维能力逐步增强，能够理解氨基酸脱水缩合形成肽链的过程，但对蛋白质空间结构的形成及其与功能的关系仍存在认知困难。本节重点在于理解氨基酸的结构特点及其脱水缩合过程，难点在于掌握蛋白质结构多样性的原因及其与功能的关系。要求学生能够运用化学键知识分析蛋白质结构层次，理解结构与功能相适应的生物学观点，同时要结合生活实例理解蛋白质变性的原理和应用。教学目标生命观念：

通过分析蛋白质的多样性与功能关系，理解“蛋白质是生命活动的主要承担者”这一核心概念，并能举例说明蛋白质在细胞结构、催化、运输等方面的具体作用。科学思维：

运用氨基酸结构通式，比较不同R基对蛋白质多样性的影响；结合血红蛋白和镰状红细胞的案例，分析氨基酸序列改变对蛋白质功能的影响。科学探究：

通过脱水缩合示意图的观察，归纳肽键形成过程及多肽链的空间结构特点；利用血红蛋白形成流程图，总结蛋白质结构层次与功能适应性的关系。社会责任：

结合必需氨基酸的获取途径，设计合理膳食方案；讨论蛋白质变性在消毒灭菌中的应用，理解科学知识对健康生活的指导意义。重点难点教学重点1.蛋白质是生命活动的主要承担者。

2.氨基酸通过脱水缩合形成肽键，构成多肽链。

3.蛋白质结构多样性决定功能多样性。教学难点1.理解蛋白质空间结构与其功能的关系。

2.区分必需氨基酸与非必需氨基酸的来源。

3.掌握蛋白质变性对生物活性的影响。课堂导入2020年初，新冠疫情爆发，在这场抗疫战斗中，人体的免疫系统发挥了重要作用。其中，抗体功不可没，它能够帮助人体抵御新冠病毒的侵害。而抗体的本质就是蛋白质。事实上，在日常生活中，蛋白质也无处不在，像头发、肌肉等都含有大量蛋白质，蛋白质还参与细胞内各种化学反应的催化。蛋白质为何能承担如此多样的功能？它的组成和结构又是怎样的？带着这些疑问，让我们一起走进今天关于蛋白质的学习，去探寻其中的奥秘。探究新知蛋白质的功能情境展示情境资料在日常生活中，我们摄入的食物中常含有丰富的蛋白质，如鸡蛋、牛奶、肉类等。这些食物中的蛋白质进入人体后，经过消化吸收，参与构成肌肉、酶、激素和抗体等多种生命物质。例如，运动员通过高蛋白饮食促进肌肉修复与增长；糖尿病患者依赖外源性胰岛素（一种蛋白质）来调节血糖水平；人体在感染病原体后，免疫系统会生成特异性抗体（也是蛋白质）进行防御。这些现象表明，不同来源的蛋白质在体内发挥着各不相同的生物学功能。任务探究为什么蛋白质能够承担如此多样的生命活动？其功能多样性是否与其结构有关？同为蛋白质，胰岛素和抗体在功能上为何截然不同？这种差异可能源于什么？如果某种蛋白质的空间结构被破坏，它是否还能正常发挥作用？任务分析蛋白质的功能多样性与其复杂的结构密切相关。蛋白质由氨基酸组成，不同的氨基酸序列决定了其独特的空间构象，从而赋予其特定的功能。胰岛素具有调节血糖的作用，而抗体则参与免疫防御，二者功能不同是因为它们的氨基酸种类、排列顺序以及空间结构存在显著差异，导致其识别和作用对象不同。若蛋白质的空间结构被破坏（如高温或强酸条件下变性），其功能通常会丧失，因为功能的实现依赖于特定的三维结构。知识讲解（一）蛋白质是生命活动的主要承担者蛋白质是细胞中含量最多的有机物，具有极其复杂和多样的分子结构。几乎所有生命活动都离不开蛋白质的参与。图2-8蛋白质的功能举例（二）蛋白质的主要功能结构功能

许多蛋白质作为结构蛋白，参与构成细胞和生物体的基本框架。例如，肌肉中的肌纤维、头发、羽毛、蛛丝等主要成分均为蛋白质。催化功能

细胞内的绝大多数化学反应都需要酶的催化，而绝大多数酶的本质是蛋白质。例如胃蛋白酶能催化蛋白质的水解反应。图2-8蛋白质的功能举例运输功能

某些蛋白质具有运输小分子或离子的能力。如血红蛋白能与氧结合，在血液中运输氧气。图2-8蛋白质的功能举例调节功能

一些蛋白质类激素可调节机体的生命活动。如胰岛素由胰腺中的特定细胞分泌，能够降低血糖浓度。图2-8蛋白质的功能举例免疫功能

抗体是一类重要的免疫蛋白，由浆细胞产生，能够特异性识别并结合抗原，帮助机体抵御病菌和病毒的侵袭。图2-8蛋白质的功能举例（三）蛋白质功能多样性的基础蛋白质的功能取决于其结构的多样性。人体内存在数万种不同的蛋白质，自然界中蛋白质种类估计可达1010~前沿热点冷冻电镜解析膜蛋白结构助力药物研发2023年，美国斯坦福大学研究团队利用冷冻电子显微镜技术，成功解析了一种与疼痛信号传导相关的人源膜蛋白——钠离子通道Nav1.7的高分辨率三维结构。该蛋白属于跨膜蛋白质，其异常激活与慢性疼痛疾病密切相关。通过对这一蛋白质精细结构的揭示，科研人员可精准设计小分子药物，靶向阻断其功能而不影响其他钠通道，从而开发出更安全有效的镇痛药。此项进展体现了蛋白质结构研究在疾病治疗中的关键作用，也为基于蛋白质结构的精准医疗提供了新路径。蛋白质的基本组成单位——氨基酸情境展示情境资料临床上常使用胶原蛋白缝合线进行外科手术，这种缝合线无需拆线，可在体内逐渐被吸收。其原理在于胶原蛋白在组织中被酶逐步分解为小分子物质，最终被细胞吸收利用。这些小分子正是构成蛋白质的基本单位——氨基酸。人体内的蛋白质种类繁多，功能各异，但它们均由有限种类的氨基酸组成。不同食物中氨基酸的种类和含量差异较大，合理膳食对维持人体正常生理功能至关重要。任务探究胶原蛋白缝合线为何能被人体吸收？这与蛋白质的基本组成单位有何关系？所有氨基酸的结构是否完全相同？若存在差异，这种差异主要体现在哪个部分？为什么人体需要从食物中获取某些氨基酸？这些氨基酸在结构上与其他氨基酸有何本质区别？任务分析胶原蛋白缝合线被人体吸收是因为它在酶的作用下水解为氨基酸，而氨基酸是可被细胞吸收和再利用的小分子物质。不同氨基酸的结构具有共同特征，但其侧链基团（R基）各不相同，这是区分各种氨基酸的关键。人体无法合成必需氨基酸，必须依赖外界摄入，这类氨基酸在结构上虽与其他氨基酸遵循相同通式，但其R基决定了人体代谢途径无法自行合成。知识讲解（一）氨基酸是组成蛋白质的基本单位蛋白质在生物体内承担多种功能，如催化反应、运输物质、免疫防御等。尽管蛋白质种类繁多，但其基本组成单位均为氨基酸。在人体中，参与蛋白质合成的氨基酸共有21种，每种氨基酸都具有特定的化学结构。（二）氨基酸的结构特点氨基酸分子结构通式：

每种氨基酸至少含有一个氨基（-NH2）和一个羧基（-CO

图2-9氨基酸分子结构通式R基决定氨基酸种类：

各种氨基酸之间的区别在于R基的不同。例如，甘氨酸的R基为氢原子（-H），丙氨酸的R基为甲基（-CH3）。前沿热点基于氨基酸精准编辑的新型蛋白质设计技术（2023年）2023年，美国麻省理工学院研究人员在《Nature》发表成果，开发出一种可在活细胞内实现非天然氨基酸定点插入的技术，突破了自然界21种氨基酸的限制。该技术通过改造tRNA合成酶与核糖体协同作用，在指定位置引入具有特殊化学功能的非天然氨基酸，从而构建具备新催化活性或稳定结构的蛋白质。此项进展拓展了蛋白质工程的应用边界，在药物研发和生物材料领域展现出巨大潜力，体现了对氨基酸作为蛋白质基本单位这一核心概念的深度应用与创新延伸。蛋白质的结构及其多样性情境展示情境资料在日常生活中，人们常将鸡蛋煮熟后食用。生鸡蛋中的蛋清呈透明胶状，而煮熟后则变为不透明的白色固体。同样，肉类在加热后也会变硬、颜色改变。这些变化不仅影响食物的口感，也改变了其消化吸收的难易程度。此外，在医疗消毒中，常用高温、酒精或强酸处理器械或环境，以杀灭细菌和病毒。这些方法的共同作用对象是微生物体内的蛋白质。任务探究鸡蛋煮熟后蛋白质发生了什么变化？这种变化是否可逆？为什么煮熟的鸡蛋更容易被消化？高温、酒精等为何能有效杀灭细菌和病毒？任务分析鸡蛋煮熟后，蛋白质的空间结构被破坏，发生变性，由原本有序的折叠结构变得松散伸展，这一过程不可逆。蛋白质变性后空间结构变得松散，暴露出更多酶切位点，更容易被蛋白酶水解，因此熟鸡蛋更易消化。高温、酒精等因素可破坏细菌和病毒蛋白质的空间结构，使其失去生物活性，从而达到灭菌消毒的目的。知识讲解（一）氨基酸脱水缩合形成肽链氨基酸是构成蛋白质的基本单位。一个氨基酸分子的羧基（-COOH）与另一个氨基酸分子的氨基（

图2-10氨基酸脱水缩合示意图（二）肽链折叠形成蛋白质的空间结构多肽链通过肽键连接而成，通常呈线性链状。由于不同氨基酸残基之间可形成氢键等相互作用，肽链能够进行有规律的盘曲、折叠，形成特定的空间结构。一条肽链可折叠成具有一定构象的蛋白质分子。（三）多条肽链构成复杂蛋白质许多蛋白质由两条或以上肽链组成，这些肽链通过二硫键等化学键连接，并非呈直线排列，也不在同一平面上，而是进一步组装成更复杂的立体结构。

图2-11某种胰岛素的二硫键示意图（四）蛋白质结构多样性的原因组成蛋白质的氨基酸种类、数量、排列顺序不同，以及肽链的盘曲折叠方式和空间结构差异，导致蛋白质结构极其多样。这种多样性决定了蛋白质功能的多样性。（五）蛋白质结构与功能的关系每种蛋白质都有与其功能相适应的独特结构。若氨基酸序列改变或空间结构被破坏，蛋白质的功能可能受到影响甚至丧失。例如，正常血红蛋白为球状结构，使红细胞呈两面凹的圆盘状，利于运输氧气。当某一位点的谷氨酸被缬氨酸取代时，血红蛋白可聚集成纤维状，导致红细胞扭曲成镰刀状，携氧能力显著下降。

图2-13镰状红细胞（图中左下方，放大3000倍）（六）蛋白质变性及其应用蛋白质变性是指在物理或化学因素（如高温、强酸、酒精）作用下，其特定空间构象被破坏，导致理化性质改变和生物活性丧失的现象。变性不破坏肽键，因此一级结构不变，但空间结构被破坏。例如，鸡蛋煮熟后蛋白质变性凝固，无法恢复原状；细菌和病毒的蛋白质经高温或酒精处理后变性失活，从而实现消毒灭菌。

图2-12由氨基酸形成血红蛋白的示意图前沿热点冷冻电镜技术解析膜蛋白结构助力药物研发2023年，科学家利用冷冻电子显微镜技术成功解析了多种人类膜蛋白的高分辨率三维结构，包括G蛋白偶联受体和离子通道蛋白。这些蛋白质在细胞信号传导中起关键作用，其空间结构的精确解析有助于理解其功能机制，并为靶向药物设计提供结构基础。该进展体现了蛋白质空间结构研究在现代医学中的重要价值，推动了精准治疗的发展。课堂练习第1题【题文】研究表明天然RNA都含有四种碱基，组成多肽链的各氨基酸残基用3个字母缩写表示。若对带有多肽链Met-Phe-Ser-Tyr-Cys的tRNA进行化学成分分析，会有（）种单体A．25B．21C．9D．无法确定【答案】C第2题【题文】下图甲、乙、丙分别为细胞中常见有机物的示意图，不同形状代表不同的结构单体，不同颜色代表同一结构单体中的不同类别，则甲、乙、丙分子依次可能为（）A．DNA、抗体、胆固醇B．淀粉、淀粉酶、DNAC．受体、纤维素、RNAD．糖原、甘油、脂肪酸【答案】B第3题【题文】下列多肽在人消化道中水解（分解成氨基酸）时，不可能产生的氨基酸是（

）A．B．C．D．【答案】B板书设计蛋白质的功能、结构及相关知识一、蛋白质功能生命活动主要承担者，有结构、调节、催化、运输、免疫等功能。二、氨基酸组成蛋白质基本单位，21种，结构通式及必需、非必需氨基酸。三、蛋白质结构脱水缩合、肽键、肽链、空间结构及多样性。教学反思本节课通过图文结合的方式系统讲解了蛋白质的功能多样性与结