2018版高中生物 第2章 細胞工程 2.2 動物細胞工程 2.2.1 動物細胞培養(yǎng)和核移植技術(shù)學(xué)案 新人教版選修3.doc

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2．2.1　動物細胞培養(yǎng)和核移植技術(shù) 1．簡述動物的細胞培養(yǎng)及條件。(重點) 2．舉例論證動物細胞培養(yǎng)技術(shù)的應(yīng)用及意義。 3．簡述動物核移植的過程及意義。(重、難點) 　　動 物 細 胞 培 養(yǎng) (一)動物細胞工程 1．常用的技術(shù)手段：動物細胞培養(yǎng)、動物細胞核移植、動物細胞融合、生產(chǎn)單克隆抗體等。 2．基礎(chǔ)：動物細胞培養(yǎng)技術(shù)。 (二)動物細胞培養(yǎng) 1．概念：從動物機體中取出相關(guān)的組織，將它分散成單個細胞，然后，放在適宜的培養(yǎng)基中，讓這些細胞生長和增殖。 2．過程 取動物組織塊 　 分散組織細胞：剪碎，用胰蛋白酶或膠原蛋白酶處理一 段時間 　 制成細胞懸液 　 原代培養(yǎng)：具有貼壁生長和接觸抑制的特點 　 傳代培養(yǎng) 3．相關(guān)概念 (1)細胞貼壁：細胞懸液中分散的細胞貼附在瓶壁上。 (2)細胞的接觸抑制：當(dāng)貼壁細胞分裂生長到表面相互接觸時，細胞停止分裂增殖的現(xiàn)象。 (3)原代培養(yǎng)：指動物組織消化后的初次培養(yǎng)。 (4)傳代培養(yǎng)：貼滿瓶壁的細胞，出現(xiàn)接觸抑制后，需要重新用胰蛋白酶等處理，然后分瓶繼續(xù)培養(yǎng)，讓細胞繼續(xù)增殖的培養(yǎng)過程。 4．培養(yǎng)條件 (2)營養(yǎng) (3)溫度和pH (4)氣體環(huán)境 5．應(yīng)用 連線表示動物細胞培養(yǎng)的應(yīng)用及實例 ①生產(chǎn)生物制品　　　　　 a．篩選抗癌藥物 ②用于基因工程 b．干擾素、單克隆抗體 ③檢測有毒物質(zhì) c．培養(yǎng)受體細胞 d．判斷物質(zhì)毒性 提示：①—b　②—c?、邸猟?、堋猘 探討：為什么切取動物組織塊進行細胞培養(yǎng)時，常選擇胚胎或幼齡動物的器官或組織？ 提示：因為這些細胞增殖能力強，分化程度低，更容易培養(yǎng)。 探討：在進行動物細胞培養(yǎng)過程中，為什么需用胰蛋白酶處理動物組織？ 提示：因組織中細胞間基質(zhì)成分為蛋白質(zhì)，利用胰蛋白酶可以分解細胞間的蛋白質(zhì)。 探討：探究動物細胞培養(yǎng)時，為什么要在培養(yǎng)基中加入血清、血漿等天然成分？ 提示：因血清和血漿中含有多種維持細胞正常代謝和生長的物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、氨基酸、未知的促生長因子等。因此細胞培養(yǎng)時，為保證細胞能順利生長和繁殖，一般需添加血清、血漿等天然成分。 探討：動物細胞培養(yǎng)需要控制的氣體環(huán)境是怎么樣的？各自起什么作用？ 提示：95%的空氣和5%的CO2混合氣體；O2維持細胞代謝，CO2維持培養(yǎng)液的pH。 1．動物細胞培養(yǎng)的操作流程 2．過程解讀 (1)動物細胞培養(yǎng)需要滿足的條件 ①充足的營養(yǎng)供給——微量元素、無機鹽、糖類、氨基酸、促生長因子、血清等。 ②適宜的溫度：哺乳動物多以36.50.5 ℃為宜。 ③適宜的pH：多數(shù)細胞生存的適宜pH為7.2～7.4。 ④氣體環(huán)境 (2)原理：細胞增殖。 (3)要把動物細胞分散成單個細胞培養(yǎng)的原因 分散成單個細胞后容易培養(yǎng)，細胞所需的營養(yǎng)容易供應(yīng)，其代謝廢物容易排出。而用大塊組織培養(yǎng)時，內(nèi)部細胞的營養(yǎng)供應(yīng)和代謝廢物的排出都較困難，因此，這些細胞在體外長時間的生存和生長就較困難。同時，分散成單個細胞培養(yǎng)，可使得在細胞水平操作的其他技術(shù)得以實現(xiàn)。 (4)選取幼齡動物的組織、器官作為材料的原因 動物細胞培養(yǎng)時，一般選取幼齡動物的組織、器官，其細胞的分化程度較低，增殖能力強，有絲分裂旺盛，容易培養(yǎng)。 (5)原代培養(yǎng)和傳代培養(yǎng)的辨析 原代培養(yǎng) 傳代培養(yǎng) 可有兩種表述：a.細胞懸液第一次在瓶中培養(yǎng)，沒有分瓶培養(yǎng)之前的細胞培養(yǎng)；b.第1代細胞的培養(yǎng)與傳10代以內(nèi)的細胞培養(yǎng)統(tǒng)稱為原代培養(yǎng)。兩種表述沒有本質(zhì)區(qū)別。 同樣有兩種表述：a.細胞懸液培養(yǎng)一段時間后，分瓶再進行的細胞培養(yǎng)；b.傳10代以后的細胞培養(yǎng)，統(tǒng)稱為傳代培養(yǎng)。 (6)細胞貼壁(貼壁生長)和接觸抑制 ①細胞貼壁：培養(yǎng)液中分散的動物細胞，置于適宜的條件下，能夠分裂，這些細胞貼附在培養(yǎng)瓶壁上，稱為細胞貼壁，或貼壁生長。 ②接觸抑制：當(dāng)貼壁細胞分裂生長到表面相互接觸時，細胞就會停止分裂增殖的現(xiàn)象。 (7)胰蛋白酶在培養(yǎng)過程中的作用及與原代培養(yǎng)和傳代培養(yǎng)的聯(lián)系 原代培養(yǎng)和傳代培養(yǎng)一般均需對細胞進行胰蛋白酶細胞分散處理，區(qū)分兩種“培養(yǎng)”的關(guān)鍵是看用胰蛋白酶處理的對象。 ①第一次：用胰蛋白酶對剪碎的動物組織進行處理，使其分散成單個細胞后進行培養(yǎng)，即為原代培養(yǎng)。 ②第二次：細胞培養(yǎng)過程中出現(xiàn)接觸抑制，用胰蛋白酶使其從瓶壁上脫離下來，然后，將其分散到多個培養(yǎng)瓶中繼續(xù)培養(yǎng)，即為傳代培養(yǎng)。 1．一般來說，動物細胞體外培養(yǎng)需要滿足以下條件(　　) 【導(dǎo)學(xué)號：72240023】 ①無毒的環(huán)境　②無菌的環(huán)境?、酆铣膳囵B(yǎng)基需加血漿?、軠囟扰c動物體溫相近　⑤需要O2，不需要CO2 ⑥CO2調(diào)節(jié)培養(yǎng)液pH A．①②③④⑤⑥　　　　　 B．①②③④ C．①③④⑤⑥ D．①②③④⑥ 【解析】　動物細胞體外培養(yǎng)要求環(huán)境無菌、無毒，培養(yǎng)液中添加一定量的抗生素，合成培養(yǎng)基中需加血清、血漿等一些天然成分，適宜的溫度、pH分別為36.50.5 ℃、7.2～7.4。O2是細胞代謝所必需的，CO2可維持培養(yǎng)液的pH。 【答案】　D 2．某研究小組進行藥物試驗時，以動物肝細胞為材料，測定藥物對體外培養(yǎng)細胞的毒性。供培養(yǎng)的細胞有甲、乙兩種，甲細胞為肝腫瘤細胞，乙細胞為正常肝細胞。請回答下列有關(guān)動物細胞培養(yǎng)的問題。 (1)將數(shù)量相等的甲細胞和乙細胞分別置于培養(yǎng)瓶中培養(yǎng)，培養(yǎng)液及其他培養(yǎng)條件均相同。一段時間后，觀察到甲細胞數(shù)量比乙細胞數(shù)量________。 (2)在動物細胞培養(yǎng)時，通常在合成培養(yǎng)基中加入適量血清，其原因是____________________________________________________________________ ________。細胞培養(yǎng)應(yīng)在含5%CO2的恒溫培養(yǎng)箱中進行，CO2的作用是__________________________________________________________________。 (3)在兩種細胞生長過程中，當(dāng)乙細胞鋪滿瓶壁時，其生長________。藥物試驗需要大量細胞，兩種細胞頻繁傳代，甲細胞比乙細胞可以傳代的次數(shù)更________。若用動物的肝臟組織塊制備肝細胞懸液，需要_______________處理。 (4)為了防止細胞培養(yǎng)過程中細菌的污染，可向培養(yǎng)液中加入適量的______。 【解析】　癌細胞具有無限增殖的特點，故相同培養(yǎng)條件下，肝腫瘤細胞數(shù)量多于正常肝細胞數(shù)量。動物細胞培養(yǎng)需提供無菌環(huán)境，如向培養(yǎng)液中加入適量的抗生素可防止細菌的污染；需提供一定的營養(yǎng)，如向培養(yǎng)基中加入適量血清，以便補充合成培養(yǎng)基中缺乏的物質(zhì)；需提供一定的氣體環(huán)境，如向恒溫培養(yǎng)箱中加入5%的CO2，目的是維持培養(yǎng)液的pH。 【答案】　(1)多　(2)血清可以補充合成培養(yǎng)基中缺乏的物質(zhì)　維持培養(yǎng)液的pH　(3)停止　多　胰蛋白酶 (4)抗生素 動 物 體 細 胞 核 移 植 技 術(shù) 和 克 隆 動 物 1．概念 (1)供體：動物的一個細胞的細胞核。 (2)受體：去掉細胞核的卵母細胞。 (3)結(jié)果：形成重組胚胎，最終發(fā)育成動物個體。 2．種類：胚胎細胞核移植和體細胞核移植。 3．體細胞核移植的過程 4．體細胞核移植技術(shù)的應(yīng)用前景 (1)畜牧生產(chǎn)中：加速家畜遺傳改良進程，促進優(yōu)良畜群繁育。 (2)保護瀕危物種方面：增加動物的存活數(shù)量。 (3)醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域：轉(zhuǎn)基因克隆動物作為生物反應(yīng)器，生產(chǎn)醫(yī)用蛋白。 (4)治療人類疾?。恨D(zhuǎn)基因克隆動物細胞、組織和器官作為異種移植的供體等。 5．存在問題 (1)體細胞核移植技術(shù)的成功率非常低。 (2)克隆動物存在健康問題，表現(xiàn)出遺傳和生理缺陷等。 (3)克隆動物食品的安全性問題存在爭議。 探討：為什么核移植技術(shù)獲得的動物與供核動物性狀不完全相同？ 提示：(1)克隆動物絕大部分DNA來自于供體細胞核，但其核外線粒體中的DNA是來自于受體卵母細胞。 (2)性狀是基因與環(huán)境共同作用的結(jié)果。供核動物生活的環(huán)境與克隆動物所生活的環(huán)境不會完全相同，其性狀也不可能和供核動物完全相同。 (3)在個體發(fā)育過程中有可能發(fā)生基因突變，產(chǎn)生供核動物沒有的性狀。 探討：結(jié)合動物細胞核移植的過程，分析為什么體細胞核移植較胚胎細胞核移植更困難。 提示：由于動物胚胎細胞分化程度低，恢復(fù)其全能性相對容易；而動物體細胞分化程度高，恢復(fù)其全能性十分困難。因此動物體細胞核移植的難度就明顯高于胚胎細胞核移植。 1．動物體細胞核移植技術(shù)的原理：動物細胞核的全能性。 2．動物體細胞核移植技術(shù)的過程 3．體細胞核移植技術(shù)的條件及原因 (1)卵母細胞的選擇時期及原因 選擇處于減數(shù)第二次分裂中期的次級卵母細胞作為受體細胞，其原因是： ①卵母細胞細胞質(zhì)內(nèi)存在激發(fā)細胞核全能性表達的物質(zhì)； ②卵母細胞體積大，便于操作； ③卵母細胞內(nèi)卵黃多，營養(yǎng)物質(zhì)豐富。 (2)供體細胞：取供體動物的體細胞培養(yǎng)，一般選用傳代10代以內(nèi)的細胞，因為10代以內(nèi)的細胞一般能保持正常的二倍體核型，保證了供體細胞正常的遺傳基礎(chǔ)。 (3)動物體細胞不能經(jīng)培養(yǎng)直接發(fā)育成完整個體的原因是動物體細胞的全能性受到限制。用體細胞核移植技術(shù)能夠得到克隆動物，說明動物體細胞的細胞核具有全能性。 (4)該過程用到的技術(shù)手段：動物細胞培養(yǎng)、動物細胞融合、早期胚胎培養(yǎng)和胚胎移植。 4．核移植產(chǎn)生的克隆動物與提供細胞核的親本不同的原因 (1)克隆動物細胞質(zhì)基因來源于另一個親本。所以與植物組織培養(yǎng)不同(只來自于一個親本)，克隆動物的遺傳物質(zhì)來自2個親本。 (2)在發(fā)育過程中可能發(fā)生基因突變、染色體變異導(dǎo)致性狀改變。 (3)外界環(huán)境條件的影響引起不可遺傳的變異。 1．下列對哺乳動物體細胞核移植技術(shù)的描述不正確的是(　　) A．該技術(shù)的難度明顯高于胚胎細胞核移植 B．通常采用減數(shù)第二次分裂期卵母細胞作為受體細胞 C．可通過顯微操作法除去卵母細胞核 D．克隆動物是對提供體細胞核的動物進行了完全復(fù)制 【解析】　克隆動物的性狀與核供體生物的性狀基本相同，但不是完全相同。 【答案】　D 2．“治療性克隆”是將人胚胎干細胞(簡稱ES細胞)造福人類的一種非常重要的途徑。應(yīng)用人胚胎干細胞進行 “治療性克隆”研究的技術(shù)途徑包括以下幾個步驟：首先取病人的體細胞核，移植到去核的成熟受體卵母細胞中；在早期胚胎形成后，從中分離獲得ES細胞；對ES細胞進行基因修飾和定向分化研究，將定向分化后的細胞移植給病人。進行核移植的目的并不是用于克隆人，而是希望通過對ES細胞進行分離培養(yǎng)、定向分化等處理后，進一步獲得再造的人體組織或器官。請根據(jù)材料回答下列問題。 (1)人類“治療性克隆”屬于動物細胞工程的________________技術(shù)。 (2)科學(xué)家為何要將患者的體細胞核植入去核的卵母細胞中，而不直接用體細胞進行細胞培養(yǎng)？__________________________________________________ _______________________________________________________________。 (3)相同的胚胎干細胞，“克隆”的結(jié)果各種各樣，如有的是胰島細胞，有的是血細胞，有的是心肌細胞，究其本質(zhì)原因是基因____________的結(jié)果。 (4)克隆的器官在給自身移植方面的主要優(yōu)點是______________________。 【解析】　(1)依據(jù)“治療性克隆”的步驟分析，可知此技術(shù)屬于動物細胞工程的細胞核移植技術(shù)。 (2)動物體細胞全能性隨著分化程度的提高而受到限制，而卵母細胞的細胞質(zhì)中含有促使其全能性表達的物質(zhì)。 (3)“治療性克隆”可利用基因選擇性表達這一特點分化出各種組織或器官。 (4)自身移植的最大優(yōu)點是沒有免疫排斥反應(yīng)。 【答案】　 (1)動物細胞核移植 (2)體細胞核在體細胞中不能表達全能性，而卵母細胞的細胞質(zhì)可以為其提供表達全能性的環(huán)境 (3)選擇性表達 (4)沒有免疫排斥反應(yīng) 1．下列關(guān)于動物細胞培養(yǎng)的敘述，不正確的是(　　) A．傳代培養(yǎng)時需要用胰蛋白酶處理貼壁生長的細胞 B．細胞的癌變發(fā)生于原代培養(yǎng)向傳代培養(yǎng)的過渡過程中 C．癌細胞在培養(yǎng)瓶中不會出現(xiàn)接觸抑制現(xiàn)象 D．動物細胞培養(yǎng)一般需要使用CO2培養(yǎng)箱 【解析】　由原代培養(yǎng)換瓶進行傳代培養(yǎng)時，需要用胰蛋白酶或膠原蛋白酶處理貼壁生長的細胞，A項正確；細胞的癌變一般發(fā)生于50代后的細胞培養(yǎng)過程中，B項錯誤；癌細胞膜上糖蛋白減少，細胞黏著性降低，失去了接觸抑制，容易分散和轉(zhuǎn)移，C項正確；動物細胞培養(yǎng)的場所是CO2培養(yǎng)箱，培養(yǎng)箱內(nèi)含有95%的空氣和5%的CO2的混合氣體，為動物細胞提供適宜的氣體環(huán)境，D項正確。 【答案】　B 2．關(guān)于動物細胞培養(yǎng)和植物組織培養(yǎng)的敘述，正確的是(　　) A．動物細胞培養(yǎng)和植物組織培養(yǎng)所用培養(yǎng)基成分不同，但能源物質(zhì)相同，都是葡萄糖 B．植物組織培養(yǎng)無需添加抗生素，動物細胞培養(yǎng)過程中必須添加抗生素 C．通過煙草葉片離體培養(yǎng)能產(chǎn)生新個體，可獲得單倍體煙草植株 D．動物細胞培養(yǎng)可用于檢測有毒物質(zhì)，莖尖培養(yǎng)可獲得植物脫毒苗 【解析】　動物細胞培養(yǎng)和植物組織培養(yǎng)的培養(yǎng)基中的能源物質(zhì)不同，前者是葡萄糖，后者是蔗糖，A項錯誤；兩種培養(yǎng)方式都需要無菌條件，培養(yǎng)基中都需要加入抗生素防止微生物生長，B項錯誤；煙草的葉片細胞是體細胞而非生殖細胞，經(jīng)離體組織培養(yǎng)得到的不會是單倍體植株，C項錯誤；動物細胞培養(yǎng)技術(shù)的應(yīng)用之一是用于檢測有毒物質(zhì)以判斷某種物質(zhì)的毒性，新生的莖尖細胞極少受到病毒感染，經(jīng)組織培養(yǎng)可以得到脫毒苗，D項正確。 【答案】　D 3．從母羊甲的體細胞中取出細胞核，移植入母羊乙的去核卵母細胞中，融合后的細胞經(jīng)卵裂形成早期胚胎，再植入另一只母羊丙的子宮內(nèi)，下列有關(guān)說法正確的是(　　) A．生出小羊的性狀與甲羊完全相同 B．一般來說生出小羊的核基因型與甲羊完全相同 C．生出小羊的遺傳物質(zhì)由甲、乙雙親共同決定，所以該過程為有性生殖 D．生出小羊的性狀由甲、乙、丙3個親本的基因型與環(huán)境共同決定 【解析】　核移植獲得克隆動物的生殖方式是無性生殖，遺傳物質(zhì)中甲羊的和乙羊的都有，因此認(rèn)為生出的小羊性狀完全同甲羊是不正確的，應(yīng)是主要性狀與甲羊相同，核基因型一般與甲羊完全相同，因此B項正確。 【答案】　B 4．科學(xué)家通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)獲得了含有人生長激素基因的奶牛，如果要加速轉(zhuǎn)基因奶牛的繁殖速度，可以對此轉(zhuǎn)基因奶牛進行克隆(如下圖所示)。 (1)在進行細胞培養(yǎng)之前，要對取自轉(zhuǎn)基因奶牛的組織進行分離，形成單個細胞，這一過程中需要利用________酶處理，不能用纖維素酶與果膠酶的原因是________________。 (2)轉(zhuǎn)基因奶牛的克隆成功，說明動物細胞的________具有全能性。 (3)將進行細胞培養(yǎng)的供體細胞核注入去核的卵母細胞中，去掉卵母細胞核的目的是____________________________________________________________ _______________________________________________________________。 (4)重組細胞在培養(yǎng)液中培養(yǎng)成的重組胚胎移入受體母牛體內(nèi)會生出與供體奶牛遺傳性狀相同的犢牛，但也有可能出現(xiàn)性狀上的某些差異，原因可能是____ _______________________________________________________________。 (5)體細胞核移植技術(shù)得到的克隆牛從生殖方式上看屬于________(填“有性生殖”或“無性生殖”)。 【解析】　(1)對動物組織進行分離，用胰蛋白酶處理，才能形成單個細胞。因為酶具有專一性，所以不能用纖維素酶和果膠酶將動物細胞分散開。 (2)克隆動物的成功證明了動物細胞的細胞核具有全能性。 (3)去掉卵母細胞核后，重組細胞的遺傳物質(zhì)主要來自供體細胞核，其性狀主要由供體細胞核決定。 (4)重組細胞發(fā)育而來的犢牛與供體奶牛不完全相同，因為重組細胞的遺傳物質(zhì)主要來自供體細胞核，少量來自卵母細胞的細胞質(zhì)，性狀還受環(huán)境的影響。 (5)體細胞核移植沒有經(jīng)過兩性生殖細胞的結(jié)合，所以從生殖方式上看屬于無性生殖。 【答案】　(1)胰蛋白　酶具有專一性 (2)細胞核 (3)使?fàn)倥５男誀钪饕晒w細胞核決定 (4)①生物的性狀受細胞核和細胞質(zhì)共同控制；②生物的性狀還受環(huán)境因素的影響 (5)無性生殖 課堂小結(jié)： 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 核心回扣 1.動物細胞工程的常用技術(shù)有動物細胞培養(yǎng)、動物細胞核移植、動物細胞融合、生產(chǎn)單克隆抗體等，其中動物細胞培養(yǎng)是基礎(chǔ)。 2．原代培養(yǎng)和傳代培養(yǎng)均需用胰蛋白酶對細胞進行分散處理。 3．動物細胞要分散成單個細胞培養(yǎng)，培養(yǎng)液中通常要添加血清。 4．動物體細胞核移植的難度高于胚胎細胞核移植，因為動物體細胞分化程度高，恢復(fù)其全能性十分困難。 5．動物細胞培養(yǎng)中的兩個顯著特點是貼壁生長、接觸抑制。