2024-2025學年高中生物專題二細胞工程第二節(jié)第一課時動物細胞培養(yǎng)和核移植技術學案新人教版選修3

PAGE11-第一課時動物細胞培育和核移植技術學習目標課程標準1．簡述動物細胞培育的過程、條件(重點)。2．舉例說出動物細胞培育的作用。3．簡述通過動物體細胞核移植技術克隆動物的過程。(重、難點)。4．了解體細胞核移植技術的應用前景。1．簡述動物的細胞培育。2．動物細胞核移植的概念、實例。3．搜集通過動物體細胞核移植進行克隆的實例?；A學問·雙基夯實一、動物細胞工程技術手段：①__動物細胞培育__；②__動物細胞核移植__；③__動物細胞融合__；④__生產單克隆抗體__。二、動物細胞的培育1．概念：從動物機體中取出相關的組織，將它分散成⑤__單個細胞__，然后，放在相宜的培育基中，讓這些細胞⑥__生長__和⑦__增殖__。2．過程：動物組織用⑧__胰蛋白酶或膠原蛋白酶__處理分散→單個細胞→⑨__細胞懸液__→⑩__培育瓶__中培育→?__細胞貼壁__→?__原代培育__eq\o(→,\s\up7(胰蛋白酶))傳代培育。3．條件(1)無菌、無毒的環(huán)境：對?__培育液__和全部?__培育用具__進行無菌處理。(2)養(yǎng)分：合成培育基中有糖、?__氨基酸__、?__促生長因子__、無機鹽、?__微量元素__，通常需加入?__血清__、血漿等。(3)溫度和pHa．相宜溫度：?__36.5__±0.5℃；b．pH：?__7.2～7.4__。(4)氣體環(huán)境：主要是eq\o\ac(○,21)__O2__和eq\o\ac(○,22)__CO2__，O2是eq\o\ac(○,23)__細胞代謝__所必需的，CO2主要維持eq\o\ac(○,24)__培育液__的pH。4．應用(1)生物制品：如eq\o\ac(○,25)__病毒__疫苗、干擾素、eq\o\ac(○,26)單克隆抗體的生產。(2)檢測有毒物質，推斷某種物質的毒性。(3)用于生理、病理、藥理等方面的探討，如篩選抗癌藥物等。三、動物細胞核移植技術和克隆動物1．動物核移植：將動物的一個細胞的eq\o\ac(○,27)__細胞核__，移入一個已經去掉細胞核的卵母細胞中，使其eq\o\ac(○,28)__重組__并發(fā)育成一個eq\o\ac(○,29)__新的胚胎__，這個新的胚胎最終發(fā)育為動物個體。2．種類：eq\o\ac(○,30)__胚胎細胞核移植__；eq\o\ac(○,31)__體細胞核移植__。3．過程4．應用(1)加速家畜eq\o\ac(○,32)__遺傳改良__進程，促進eq\o\ac(○,33)__優(yōu)良畜群__繁育；(2)愛護eq\o\ac(○,34)__瀕危__物種；(3)生產eq\o\ac(○,35)__醫(yī)用蛋白__；(4)作為異種移植的eq\o\ac(○,36)__供體__；(5)用于組織器官的eq\o\ac(○,37)__移植__。5．存在問題(1)克隆動物存在eq\o\ac(○,38)__成活率低__、eq\o\ac(○,39)__遺傳缺陷__和生理缺陷；(2)克隆動物食品的平安性問題也有爭議。思索1．動物細胞培育為什么須要無菌、無毒的環(huán)境？提示：細菌、真菌和病毒等均可造成細胞培育環(huán)境的污染，而離體培育的細胞已失去了對微生物和有毒物質的防衛(wèi)實力，一旦受到污染或自身代謝物質積累等，培育的細胞就會死亡。2．在進行核移植時，為什么一般不選用生殖細胞作為供核細胞？提示：因為生殖細胞的遺傳物質相比正常體細胞的遺傳物質減半。┃┃活學巧練__■推斷題1．動物細胞培育過程中通常在培育液中通入5%的CO2刺激細胞呼吸。(×)分析：動物細胞培育過程中通入5%的CO2目的是維持培育液pH。2．培育動物細胞的第一代(即第一次細胞增殖)被稱為原代培育。(×)分析：動物組織被胰蛋白酶分解后的第一次在培育瓶中的培育被稱為原代培育，原代≠第一代。3．動物細胞培育的結果說明動物體細胞沒有全能性。(×)分析：任何細胞都有全能性，只不過動物體細胞的全能性沒有通過培育體現(xiàn)出來，可以說“動物體細胞的全能性是受限的”。4．可以用胃蛋白酶代替胰蛋白酶將動物組織處理為單個細胞。(×)分析：動物細胞培育的相宜pH為7.2～7.4，胰蛋白酶作用的最適pH為7.2～8.4，所以選擇胰蛋白酶來處理動物組織。而胃蛋白酶要在酸性條件下才有活性。5．克隆植物和克隆動物都只具備一個親本的遺傳特性。(×)分析：植物克隆即植物組織培育，只繼承一個親本的遺傳特性；而用核移植技術得到的克隆動物，其核基因和質基因分別來自不同的親本，所以并不是真正的“克隆”。6．選擇MⅡ期的卵母細胞作為核移植的受體細胞的主要緣由是該細胞大，顯微操作便利。(×)分析：選擇MⅡ期的卵母細胞作為受體，一方面是因為細胞大，易操作，且卵黃多、養(yǎng)分物質豐富，為發(fā)育供應足夠的養(yǎng)分，另一方面此時具備受精實力，細胞質中含有能刺激重組細胞進行分裂、分化并形成重組胚胎的物質。課內探究·名師點津學問點動物細胞培育┃┃重難拓展__■1．對概念的理解(1)原理：細胞增殖(2)相關組織：一般是指動物胚胎或誕生不久的幼齡動物的組織，因為這些組織的細胞比老齡動物的組織細胞易于培育，同時增殖實力也強。2．過程：eq\a\vs4\al(動物胚胎或幼,齡的器官組織)eq\o(→,\s\up7(剪碎),\s\do5(用胰蛋白酶處理去掉組織間的蛋白質))單個細胞eq\o(→,\s\up7(加培育液))細胞懸液eq\o(→,\s\up7(原代培育),\s\do5(傳代培育))細胞株eq\o(→,\s\up7(遺傳物質變更),\s\do5(傳代培育))細胞系(少數(shù)細胞會克服細胞壽命的自然極限，獲得不死性，朝著等同于癌細胞的方向發(fā)展，但動物細胞培育不能培育成生物體)。過程解讀——酶處理①用酶“兩次”處理的目的：第一次運用的目的是使組織細胞分散開；其次次運用的目的是使細胞從瓶壁上脫離下來，便于分散后接著培育。②使細胞分散開的緣由：一是能保證細胞所須要的養(yǎng)分供應；二是能保證細胞內有害代謝產物的剛好排出。學問貼士①細胞貼壁和接觸抑制將細胞懸浮液置于相宜環(huán)境的培育瓶中培育，懸液中分散的細胞很快就貼附在瓶壁上，稱為細胞貼壁。當貼壁細胞分裂生長到表面相互接觸時，細胞便會停止分裂增殖，這種現(xiàn)象稱為細胞的接觸抑制。不是全部的細胞增殖過程中都存在接觸抑制。例如，癌細胞增殖時不存在接觸抑制，所以在培育瓶中可以形成多層細胞。②原代培育和傳代培育通常將動物組織消化后的初次培育稱為原代培育。貼壁的細胞須要重新用胰蛋白酶等處理，然后分散后分瓶接著培育，讓細胞接著增殖。這樣的培育即為傳代培育。③目前運用的超低溫、液氮或冷凍保存的正常細胞通常在10代以內，以保持細胞正常的二倍體核型。3．條件(1)無菌、無毒的環(huán)境(2)養(yǎng)分：細胞體外培育所需養(yǎng)分物質與體內基本相同。主要成分是：糖、氨基酸、無機鹽、促生長因子、微量元素、動物血清等。(3)溫度和pH：細胞體外培育的相宜溫度一般和動物的體溫相近。哺乳動物多以36.5±0.5℃為宜。多數(shù)細胞生存的相宜pH為7.2～7.4。(4)氣體環(huán)境：細胞培育所需氣體主要有O2和CO2，O2是細胞代謝所必需的，CO2的主要作用是維持培育液的pH值。4．動物細胞培育的特點(1)細胞貼壁生長；(2)接觸抑制。5．應用(1)大規(guī)模地生產生物制品，如病毒疫苗、干擾素、單克隆抗體等。(2)為皮膚大面積燒傷的病人移植皮膚。(3)用于檢測有毒物質。┃┃典例評析__■典例1關于動物細胞培育的敘述錯誤的是(D)A．用于培育的細胞大都取自胚胎或幼齡動物的器官或組織B．將所取的組織先用胰蛋白酶等進行處理使其分散成單個細胞C．在培育瓶中要定期用胰蛋白酶使細胞從瓶壁上脫離，制成細胞懸液D．動物細胞培育只能傳50代左右，所培育的細胞會蒼老死亡解析：選取胚胎或幼齡動物的器官或組織是因為它們的分裂實力較強。動物組織細胞間隙中含有肯定量的彈性纖維等蛋白質，易被胰蛋白酶催化分解，從而使細胞分別開來。當貼壁生長的細胞分裂生長到表面相互接觸時就停止分裂增殖，需定期用胰蛋白酶使細胞從瓶壁上脫離下來，制成細胞懸浮液。動物細胞培育傳至50代左右，部分細胞的遺傳物質會發(fā)生變更，并且?guī)в邪┳兊奶攸c，能在培育條件下無限制地傳代下去。┃┃變式訓練__■1．一般來說，動物細胞體外培育須要滿意以下條件(D)①無毒的環(huán)境②無菌的環(huán)境③合成培育基需加血漿④溫度與動物體溫相近⑤須要O2，不須要CO2⑥CO2能調整培育液pHA．①②③④⑤⑥ B．①②③④C．①③④⑤⑥ D．①②③④⑥解析：一般來說，動物細胞體外培育須要滿意以下條件：無菌、無毒的環(huán)境，與體內培育相同的養(yǎng)分，相宜的溫度和pH，還要有適量的CO2。學問點動物體細胞核移植技術和克隆動物┃┃重難拓展__■1．概念：動物核移植是將動物的一個細胞的細胞核，移入一個已經去掉細胞核的卵母細胞中，使其重組并發(fā)育成一個新的胚胎，這個新的胚胎最終發(fā)育為動物個體。用核移植的方法得到的動物稱為克隆動物。2．種類eq\b\lc\{\rc\(\a\vs4\al\co1(胚胎細胞核移植：易,體細胞核移植：難))3．原理：動物體細胞核的全能性。4．過程過程解讀：(1)受體①材料選擇：選擇處于減數(shù)其次次分裂中期的次級卵母細胞作為受體細胞，其緣由是：a．卵母細胞細胞質內存在激發(fā)細胞核全能性表達的物質；b．卵母細胞體積大，便于操作；c．卵母細胞內卵黃多，養(yǎng)分物質豐富。②去核的緣由：保證克隆動物的核基因全部來自供體細胞。(2)注入①細胞核移植技術中注入去核卵母細胞中的不是供體細胞核，而是整個細胞，伴隨著兩細胞融合，體現(xiàn)出細胞膜具有肯定的流淌性的結構特點。②核移植時，一般先用電刺激使供體和受體細胞融合，再用物理或化學方法激活受體細胞，使其完成細胞分裂和發(fā)育進程。(3)涉及的生物技術：動物細胞培育技術、動物細胞融合技術、核移植技術、胚胎移植技術等。其中，核移植是核心技術。5．應用前景①加速家畜遺傳改良進程，促進優(yōu)良畜群繁殖。②愛護瀕危物種③生產醫(yī)用蛋白④作為異種移植的供體⑤用于組織器官的移植6．存在問題(1)探討方面：克隆動物基因組重新編程的機制尚不清晰，克隆技術效率低，克隆動物畸形率高，死亡率高，易出現(xiàn)早衰等問題。(2)應用方面：生產克隆動物費用昂貴，距大規(guī)模應用還有一段距離。學問貼士克隆是從英語clone音譯而來。分為廣義和狹義，廣義的克隆是指全部的無性繁殖，在生物學領域中，有分子、細胞、個體三個水平的不同含義。①分子克隆，即DNA擴增。其含義是將某一特定的DNA片段通過重組DNA技術插入到一個載體(如質粒或病毒等)中，并在宿主細胞自我復制得到的大量完全相同的該DNA片段群體。②細胞克隆，是指一個單一的共同祖先細胞分裂所形成的細胞株。其中每一個細胞的基因都是相同，如低等生物的分裂生殖，動、植物的細胞培育等。③個體克隆，在個體水平上，克隆是指基因型完全相同的兩個或更多的個體組成的群體，如胚胎分割移植，同卵雙胞胎也屬于克隆。狹義的克隆是指動物通過的核移植由重組細胞發(fā)育成新個體的過程。如“多利”羊的培育。┃┃典例評析__■典例2下列對動物核移植技術的描述中，錯誤的是(D)A．哺乳動物核移植包括胚胎細胞核移植和體細胞核移植B．體細胞核移植的過程中可通過顯微操作去除卵母細胞中的核C．體細胞核移植過程中通常采納減數(shù)其次次分裂中期的卵母細胞作為受體細胞D．通過體細胞核移植方法生產的克隆動物是對供核動物進行了100%的復制┃┃變式訓練__■2．一只羊的卵細胞核被另一只羊的體細胞核置換后，這個卵細胞經過多次分裂，再植入第三只羊的子宮內發(fā)育，結果產下一只羊羔。這種克隆技術具有多種用途，但是不能(D)A．有選擇的繁殖某一性別的家畜B．繁殖家畜中的優(yōu)良個體C．用于保存物種D．變更動物的基因型解析：解題時首先精確推斷出這只小羊羔事實上是通過無性生殖方式產生的。而無性生殖的主要特點就是子代保持母本的優(yōu)良性狀，很少發(fā)生變異，變更基因型。指引迷津·撥云見日1．動物細胞培育與植物組織培育的比較項目動物細胞培育植物組織培育原理細胞的增殖植物細胞的全能性培育基液體培育基，成分主要是葡萄糖、氨基酸、無機鹽、維生素、動物血清固體培育基，成分主要是礦質元素、蔗糖、維生素、植物激素、有機添加劑結果大量產生細胞或細胞產品獲得新個體或細胞產品應用獲得細胞或細胞產物快速繁殖；培育無病毒植株；獲得細胞產品；制造人工種子；轉基因作物的培育等學問貼士(1)與植物組織培育基比較，動物細胞培育液的獨特之處在于：①液體培育基；②其成分中有動物血清。(2)為了保證細胞培育時滿意其養(yǎng)分物質和生長因子的供應，培育基中需添加肯定量的血清，因為血清中含有蛋白質、氨基酸、葡萄糖、激素等及一些未知的養(yǎng)分物質。2．動物細胞培育與動物體細胞核移植比較項目動物細胞培育動物體細胞核移植原理細胞增殖動物細胞核的全能性目的得到很多細胞或細胞產物獲得某種器官或優(yōu)良個體等過程取動物組織塊→剪碎組織→用胰蛋白酶處理分散成單個細胞→制成細胞懸液→轉入培育液中進行原代培育→貼滿瓶壁的細胞用胰蛋白酶處理分散成單個細胞，制成細胞懸液→轉入培育液中進行傳代培育應用生產疫苗、干擾素、單克隆抗體等，還可用于檢測有毒物質，以及臨床醫(yī)學①加速家畜遺傳改良進程，促進優(yōu)良畜群繁育；②愛護瀕危物種，增加存活數(shù)量；③轉基因克隆動物作為生物反應器，生產寶貴的醫(yī)用蛋白；④作為異種移植的供體；⑤用于組織器官的移植等典例3科學家通過轉基因技術獲得了含有人生長激素基因的奶牛，假如要加速轉基因奶牛的繁殖速度，可以對此轉基因奶牛進行克隆(如下圖所示)。(1)在進行細胞培育之前，要對取自轉基因奶牛的組織進行分別，形成單個細胞，這一過程中須要利用__胰蛋白__酶處理，不能用纖維素酶與果膠酶的緣由是__酶具有專一性__。(2)轉基因奶牛的克隆勝利，說明動物細胞的__細胞核__具有全能性。(3)將進行細胞培育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__使犢牛的性狀主要由供體細胞核確定__。(4)重組細胞在培育液中培育成的重組胚胎移入受體母牛體內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，緣由可能是__①生物的性狀受細胞核遺傳物質和細胞質遺傳物質共同限制；②生物的性狀還受環(huán)境因素的影響__。解析：(1)對動物組織進行分別，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)克隆動物的勝利證明白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主要來自供體細胞核，其性狀主要由供體細胞核確定。(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主要來自供體細胞核，少量來自卵母細胞的細胞質，性狀還受環(huán)境的影響。核心素養(yǎng)·技能培優(yōu)案例如圖是某克隆羊的培育過程模式圖，則與獲得該克隆羊接近的生殖方式和其發(fā)育成熟時所分泌的主要性激素分別是(A)A．無性生殖；雄性激素B．無性生殖；雌性激素C．有性生殖；雄性激素D．有性生殖；雌性激素解析：克隆羊的產生屬于無性生殖；由于此過程是雄性羊供核，故得到的克隆羊為雄性，所分泌的性激素是雄性激素。探規(guī)尋律推斷有性生殖與無性生殖的兩種方法(1)從概念上推斷。①有性生殖是指經兩性生殖細胞結合而成的合子或有性配子干脆發(fā)育成個體的生殖方式。②無性生殖是指不經過生殖細胞的結合由親本干脆產生子代的生殖方式。(2)從培育細胞的種類上推斷。①組織培育中培育的不是體細胞而是有性配子或合子時，才屬于有性生殖。②植物體細胞雜交和動物細胞核移植都屬于無性生殖。問題釋疑·探究升華教材P44旁欄思索題1進行動物細胞傳代培育時用胰蛋白酶分散細胞，說明細胞間的物質主要是什么成分？用胃蛋白酶行嗎？提示：用胰蛋白酶分散細胞，說明細胞間的物質主要是蛋白質。胃蛋白酶作用的相宜pH約為2，當pH大于6時，胃蛋白酶就會失去活性。胰蛋白酶作用的相宜環(huán)境pH為7.2～8.4。多數(shù)動物細胞培育的相宜pH為7.2～7.4，胃蛋白酶在此環(huán)境中沒有活性，而胰蛋白酶在此環(huán)境中活性較高，因此胰蛋白酶相宜用于細胞培育時的消化。教材P44尋根問底胰蛋白酶真的不會把細胞消化掉嗎？為什么？提示：胰蛋白酶除了可以消化細胞間的蛋白外，長時間的作用也會消化細胞膜蛋白，對細胞有損傷作用，因此必需限制好胰蛋白酶的消化時間。教材P46旁欄思索題2為什么對動物細胞進行培育時通常要添加血清？提示：血清中含有蛋白質、氨基酸、葡萄糖、激素等，其中蛋白質主要為白蛋白和球蛋白。氨基酸有多種，是細胞合成蛋白質的基本成分，其中有些氨基酸動物細胞本身不能合成(稱為必需氨基酸)，必需由培育液供應。血清激素有胰島素、生長激素等及多種生長因子(如表皮生長因子、成纖維細胞生長因子、類胰島素生長因子等)；血清還含有多種未知的促細胞生長因子、促貼附因子及其他活性物質，能促進細胞的生長、增殖和貼附。因此，細胞培育時，要保證細胞能夠順當生長和增殖，一般需添加10%～20%的血清。教材P46探討1多細胞動物和人體的細胞都生活在內環(huán)境中，依據(jù)你所學的內環(huán)境的學問，思索并探討以下問題：1.體外培育細胞時須要供應哪些物質？提示：足夠的養(yǎng)分供應、相宜的溫度、相宜的pH和氣體環(huán)境。2．體外培育的細胞須要什么樣的環(huán)境條件？提示：無菌、無毒的環(huán)境。教材P49探討21．在體細胞的細胞核移植到受體卵母細胞之前，為什么必需先去掉受體卵母細胞的核？提示：為使核移植的胚胎或動物的遺傳物質幾乎全部來自有重要利用價值的動物供應的體細胞，在供體細胞的細胞核移至受體細胞之前，必需將受體細胞的細胞核去掉。2．用于核移植的供體細胞一般都選用傳代10代以內的細胞，想一想，這是為什么？提示：培育的動物細胞一般傳至10～50代左右時，部分細胞核型可能會發(fā)生變更，其細胞遺傳物質可能會發(fā)生突變，而10代以內的細胞一般能保持正常的二倍體核型。因此，在體細胞核移植中，為了保證供體細胞正常的遺傳基礎，通常采納傳代10代以內的細胞。3．你認為用上述體細胞核移植方法生產的克隆動物，是對體細胞供體動物進行了100%的復制嗎？為什么？提示：克隆動物絕大部分DNA是來自供體細胞核，但其核外還有少量的DNA，即線粒體中的DNA是來自受體卵母細胞。所以，用教材中所述的方法克隆的動物不是供核動物完全相同的復制。此外，即便動物的遺傳基礎完全相同，但動物的一些行為、習性的形成與所處環(huán)境有很大關系，核供體動物生活的環(huán)境與克隆動物所生活的環(huán)境不會完全相同，其形成的行為、習性也不行能和核供體動物完全相同，從這一角度看，克隆動物不會是供體動物100%的復制。教材P50異想天開有了體細胞核移植技術生產的器官，我們就可以像汽車壞了換零件一樣，換掉生病的器官，這樣一來，人類是否就可以長生不老了？提示：不行以，盡管體細胞核移植技術已經在很多種動物中獲得勝利，但其勝利率仍舊特別低，產下的活克隆動物占移植克隆胚胎的比率平均不到10%。克隆技術的各個環(huán)節(jié)也有待進一步改進。此外，絕大多數(shù)克隆動物還存在健康問題，很多克隆動物表現(xiàn)出遺傳和生理缺陷?？傊?，體細胞核移植技術的探討仍在接著深化，人類對克隆技術的應用還有很多問題須要解決。期盼在不遠的將來，克隆技術能更好地造福于人類。教材P50思索與探究1．幼齡與老齡動物的組織