最新人教版选修三 221 动物细胞培养和核移植技术 学案.docx
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最新人教版选修三221动物细胞培养和核移植技术学案
2.2 动物细胞工程
2.2.1 动物细胞培养和核移植技术
[学习目标]
[核心素养]
1.简述动物细胞培养的过程、条件及应用。
2.简述通过动物体细胞核移植技术克隆动物的过程和应用前景。
1.科学思维:
结合具体实例,用文字和图示表述体细胞核移植的内涵和过程。
2.社会责任:
了解体细胞核移植技术已取得的进展和尚未解决的问题。
一、动物细胞培养
1.动物细胞工程常用的技术手段及技术基础
(1)动物细胞工程常用的技术手段:
动物细胞培养、
动物细胞核移植、动物细胞融合、生产单克隆抗体等。
(2)技术基础:
动物细胞培养技术是其他工程技术的基础。
2.概念:
从动物机体中取出相关的组织,将它分散成
单个细胞,然后,放在适宜的培养基中,让这些细胞生长和增殖。
3.原理:
细胞增殖。
4.过程
5.培养条件
(1)无菌、无毒的环境:
对
培养液和所有培养用具进行无菌处理,添加
抗生素,定期更换培养液以清除
代谢产物。
(2)营养:
除正常的有机和无机营养外,需加入
血清、血浆等一些天然成分。
(3)适宜的温度和pH:
温度为
36.5±0.5℃(哺乳动物),pH为
7.2~7.4。
(4)气体环境:
含95%空气加
5%CO2的混合气体,其中后者的作用是
维持培养液的pH。
6.应用(填在下列横线处)
A.生产生物制品a.筛选抗癌药物
B.用于基因工程b.病毒疫苗、干扰素、单克隆抗体
C.检测有毒物质c.培养受体细胞
D.用于生理、病理、d.判断物质的毒性药理等研究
填写处
A-bB-cC-dD-a。
二、动物体细胞核移植技术和克隆动物
1.概念
(1)供体:
动物的一个细胞的
细胞核。
(2)受体:
去掉细胞核的
卵母细胞。
(3)结果:
形成
重组细胞并发育成新的胚胎,最终发育为
动物个体。
2.种类:
胚胎细胞核移植和
体细胞核移植。
3.原理:
动物细胞核具有
全能性。
4.体细胞核移植的过程
5.选用去核卵(母)细胞的原因:
卵(母)细胞
比较大,容易操作;卵(母)细胞
细胞质多,营养丰富,含有促进核全能性表达的物质。
6.应用
(1)加速家畜
遗传改良进程,促进优良畜群繁育;
(2)保护
濒危物种;
(3)生产医用蛋白;
(4)作为异种移植的
供体;
(5)用于组织器官的
移植。
7.体细胞核移植技术存在的问题
(1)尽管体细胞核移植技术已经在许多种动物中获得成功,但其成功率仍然非常
低(填“低”或“高”)。
(2)绝大多数克隆动物还存在健康问题。
(3)对克隆动物食品的安全性问题存在争议。
1.判断下列叙述的正误。
(1)克隆植物和克隆动物都只具备一个亲本的遗传特性。
(×)
(2)动物体细胞核移植的难度明显高于胚胎细胞核移植。
(√)
(3)动物细胞培养要定期更换培养液,其目的是便于清除代谢产物,防止代谢产物积累对细胞自身造成伤害。
(√)
(4)选择MⅡ期的卵母细胞作为核移植的受体细胞的主要原因是该细胞大,显微操作方便。
(×)
(5)多数动物细胞培养过程中其培养液所需的适宜pH为6.8~7.0。
(×)
(6)培养动物细胞的第一代(即第一次细胞增殖)被称为原代培养。
(×)
(7)体细胞核移植过程中采用MⅡ期卵母细胞作为受体细胞。
(√)
(8)选择去核的卵母细胞作为核受体进行核移植可提高克隆动物的成功率。
(√)
2.下列属于动物细胞工程技术的是( )
①动物细胞培养 ②动物细胞核移植 ③动物细胞融合 ④制备单克隆抗体
A.①②③B.②③④
C.①③④D.①②③④
解析:
选D 动物细胞工程包括:
动物细胞培养、动物细胞核移植、动物细胞融合和制备单克隆抗体等,其中动物细胞培养是其他动物细胞工程技术的基础。
探究点一|动物细胞培养
|核心探究|
一、动物细胞培养
1.过程解读
(1)原理:
细胞增殖。
(2)选材:
一般取自幼龄动物的器官或组织,因为这些组织或器官的生命力旺盛,分裂能力强。
(3)酶处理
①用酶“两次”处理的目的:
第一次使用的目的是使组织细胞分散开;第二次使用的目的是使细胞从瓶壁上脱离下来,便于分散后继续培养。
②使细胞分散开的原因:
一是能保证细胞所需要的营养供应;二是能保证细胞内有害代谢产物的及时排出。
③不能用胃蛋白酶处理:
由于大多数动物细胞培养的适宜pH为7.2~7.4,而胃蛋白酶发挥作用的最适pH为2.0左右,因此不能用胃蛋白酶使细胞分散开。
2.相关概念的辨析
(1)细胞贴壁和接触抑制
①细胞贴壁:
将细胞悬液放入培养瓶内,置于适宜环境中培养,悬液中分散的细胞很快就贴附在瓶壁上,称为细胞贴壁。
②接触抑制:
当贴壁细胞分裂生长到表面相互接触时,细胞就会停止分裂增殖,这种现象称为细胞的接触抑制。
(2)原代培养和传代培养:
区分两种“培养”的关键是看用胰蛋白酶处理的对象。
①第一次:
用胰蛋白酶对剪碎的动物组织进行处理,使其分散成单个细胞后进行培养,为原代培养。
②第二次:
细胞培养过程中出现接触抑制,用胰蛋白酶使其从瓶壁上脱离下来,然后,将其分散到多个培养瓶中继续培养,为传代培养。
(3)细胞株和细胞系
①细胞株:
传代培养的细胞能传到10~50代,这样的传代细胞称为细胞株。
②细胞系:
传代培养的细胞在传到50代后,有部分细胞的遗传物质发生改变,并且具有癌变的特点,能无限地传代下去,这样的传代细胞称为细胞系。
3.目的:
获得细胞群或细胞代谢产物。
4.培养条件的分析
(1)添加血清、血浆的作用:
血清和血浆中含有多种维持细胞正常代谢和生长的物质,如蛋白质、氨基酸、未知的促生长因子等。
细胞培养时,一般需添加10%~20%的血清或血浆。
(2)气体环境:
CO2调节培养液pH,O2维持细胞有氧呼吸。
[易错易混]
动物细胞培养的五个易错点
(1)使细胞相互分散不能用胃蛋白酶处理,主要是因为pH不合适。
使用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理时,要控制好作用时间,因为胰蛋白酶或胶原蛋白酶不仅能消化细胞间的蛋白质,长时间作用也会分解细胞膜蛋白,对细胞造成损伤。
(2)目前使用的或冷冻保存的正常细胞通常为10代以内,以保持细胞正常的二倍体核型。
(3)一般而言,动物细胞培养不需经过脱分化过程,因为高度分化的动物细胞发育潜能变窄,要想使培养的动物细胞定向分化,通常采用定向诱导动物干细胞的方法,使其分化成所需要的组织或器官。
(4)细胞的增殖能力与供体的年龄有关,幼龄动物细胞增殖能力强,有丝分裂旺盛,老龄动物则相反。
所以,一般来说幼年动物的组织细胞比老年动物的组织细胞易于培养。
同样,组织细胞的分化程度越低,增殖能力越强,所以更容易培养。
(5)动物细胞培养过程中两次用到胰蛋白酶,第一次的作用是将剪碎的组织分散成单个细胞;第二次是将贴壁细胞从瓶壁上分离下来,目的是避免动物细胞的接触抑制现象。
二、植物组织培养和动物细胞培养的比较
比较项目
植物组织培养
动物细胞培养
区
别
原理
植物细胞的全能性
细胞增殖
培养基
一般用固体培养基,其成分包括矿质元素、蔗糖、维生素、有机添加物(如甘氨酸、琼脂)、植物激素等
液体培养基,其成分包括无机盐、葡萄糖、维生素、氨基酸、动物血清等
条件
再分化阶段需要光
不需要光
细胞
来源
离体的植物器官、组织或细胞,如植物的茎尖、根尖、叶片和花药等
动物胚胎或出生不久的幼龄动物的组织、器官
结果
获得植物新个体或获得大量的细胞和细胞产物
只能获得大量细胞或细胞产物,不能得到生物个体
用途
①快速繁殖名贵花卉和果树;
②培养无病毒植株、转基因植物;
③大规模生产细胞产物,如药物、食品添加剂、香料、色素等
①生产蛋白质制品,如病毒疫苗、干扰素、单克隆抗体等;
②检测有毒物质的毒性;
③用于药理、病理、生理学的研究
相同点
①都需要人工条件下的无菌操作、无菌培养;
②都需要适宜的温度、pH等条件;
③都使用合成培养基
|探究演练|
1.(2019·武汉期末)关于动物细胞培养的叙述,正确的是( )
A.细胞癌变一定发生在动物细胞培养至50代左右时
B.细胞培养液中通常含有葡萄糖、氨基酸和生长素等
C.动物细胞培养的目的之一是获得大量的细胞分泌蛋白
D.动物细胞培养过程中不要求无菌操作
解析:
选C 细胞癌变发生在动物细胞培养的任何时间段,只是癌变的细胞可以突破细胞分裂次数(约50代)的限制,A错误;生长素是植物激素,B错误;在动物细胞培养过程中也需要无菌操作,如通入无菌的空气等,D错误。
2.动物细胞培养包括原代培养和传代培养,下列有关说法正确的是( )
A.原代培养前要用胰蛋白酶处理,传代培养前不需要
B.目前使用的正常细胞通常是传代10代以内的细胞
C.当细胞培养到大约50代时进行冷冻保存
D.原代培养和传代培养所需要的培养液成分不同
解析:
选B 在原代培养和传代培养之前均需要胰蛋白酶处理,A错误;目前使用的或冷冻保存的正常细胞通常为传代10代以内的细胞,以保持细胞正常的二倍体核型,B正确、C错误;原代培养和传代培养所需的培养液成分相同,D错误。
3.(2019·哈尔滨期末)如图为动物细胞培养的基本过程示意图,相关叙述错误的是( )
A.容器A中放置的一般是幼龄动物的器官或组织,原因是其细胞分裂能力强,易于培养
B.在D瓶中极少数细胞存活,是因为存活的细胞获得不死性,其遗传物质不发生改变
C.为保证培养条件无菌,除进行灭菌外,培养基中需要添加一定量的抗生素
D.细胞培养时,需通入5%CO2,其主要作用是维持培养液的pH
解析:
选B 容器A中放置的一般是幼龄动物的器官或组织,原因是其细胞分裂能力强,易于培养,A正确;在D瓶中正常培养一段时间后,发现有许多细胞衰老死亡,只有极少数细胞存活,这是因为存活的细胞发生了突变,遗传物质发生改变,可无限增殖,B错误;为保证培养液无菌的环境,需要添加一定量的抗生素,C正确;细胞培养时,需通入95%的空气和5%CO2,其中5%CO2主要作用是维持培养液的pH,D正确。
4.请回答下列有关动物细胞培养的问题:
(1)在动物细胞培养中,通常在合成培养基中加入一定量的抗生素,其目的是____________________________________________________________。
(2)在使用合成培养基时,通常需加入血清等一些天然成分,作用是_____________________________________________________________。
(3)在动物细胞培养时,当贴壁细胞分裂生长到细胞表面相互接触时,细胞会停止分裂增殖,这种现象称为细胞的____________,因此要定期用____________处理细胞,使贴壁生长的细胞脱落形成细胞悬浮液,否则,贴壁细胞分裂生长到相互接触时,细胞会停止分裂增殖。
(4)在细胞培养过程中,通常在________条件下保存细胞。
(5)若在营养全面的动物细胞培养液中不慎混入了一种细菌,结果所培养的细胞全部死亡。
从科学严谨性的角度考虑,能不能直接认为这些细胞的死亡就是该种细菌作用而导致的?
________,理由是____________________________。
解析:
(1)通常在动物细胞培养液中加一定量的抗生素,以防止培养过程中细菌的污染。
(2)在动物细胞培养过程中,使用合成培养基时通常需加入血清、血浆等天然成分,补充培养基中缺乏的物质。
(3)在动物细胞培养时,当贴壁细胞分裂生长到细胞表面相互接触时,细胞会停止分裂增殖,这种现象称为细胞的接触抑制,因此要定期用胰蛋白酶处理细胞,分散细胞,使贴壁生长的细胞脱落形成细胞悬液。
(4)若保存细胞,通常在液氮(或冷冻)条件下,因为在这种条件下,细胞中酶的活性降低,细胞代谢速率降低。
(5)从科学严谨性的角度考虑,这些细胞的死亡可能是该种细菌作用,也可能是环境中其他因素或操作错误或取材不当,导致了细胞的死亡。
答案:
(1)防止细菌污染
(2)补充培养基中缺乏的物质 (3)接触抑制 胰蛋白酶 (4)冷冻(或超低温、液氮)
(5)不能 也可能是环境中其他因素或操作错误或取材不当导致了细胞的死亡
探究点二|动物体细胞核移植技术和克隆动物
|核心探究|
1.体细胞核移植过程(以克隆高产奶牛为例)
(1)原理:
动物细胞核的全能性,而不是动物细胞的全能性。
因动物体细胞的全能性受到限制,不能经培养直接发育成完整个体。
所以用体细胞核移植技术能够得到克隆动物,说明动物体细胞的细胞核具有全能性。
(2)供体:
一般选用传代10代以内的细胞,因为10代以内的细胞一般能保持正常的二倍体核型,保证了供体细胞正常的遗传基础。
(3)受体
①材料选择:
选择处于减数第二次分裂中期的次级卵母细胞作为受体细胞,其原因是:
a.卵母细胞细胞质内存在激发细胞核全能性表达的物质;
b.卵母细胞体积大,便于操作;
c.卵母细胞内卵黄多,营养物质丰富。
②去核的原因:
保证克隆动物的核基因全部来自供体细胞。
(4)注入
①细胞核移植技术中注入去核卵母细胞中的不是供体细胞核,而是整个细胞,伴随着两细胞融合,体现出细胞膜具有一定的流动性的结构特点。
②核移植时,一般先用电刺激使供体和受体细胞融合,再用物理或化学方法激活受体细胞,使其完成细胞分裂和发育进程。
(5)涉及的生物技术:
动物细胞培养技术、核移植技术、胚胎移植技术等。
其中,核移植是核心技术。
2.克隆动物
(1)性状与供体不完全相同的原因
①克隆动物的细胞质遗传物质来自受体卵母细胞的细胞质。
②生物的性状不仅与遗传物质有关,还受环境影响。
(2)基因型与供体相同:
核移植过程中细胞核只来自供体,因此核遗传物质是对供体核遗传物质的100%复制,其基因型与供体相同。
[易错易混]
动物核移植的三点警示
(1)动物核移植技术可以分为胚胎细胞核移植和体细胞核移植,因为胚胎干细胞的全能性比体细胞大,所以胚胎细胞核移植更容易实现。
(2)该技术形成重组细胞发育成一个新个体,体现了动物细胞核的全能性而非动物细胞的全能性,重组细胞的遗传物质来自2个亲本。
(3)克隆从生殖方式的角度属于无性繁殖,产生新个体的性别、绝大多数性状与供核亲本一致。
|探究演练|
5.(2019·西安期中)下列对动物核移植技术的描述错误的是( )
A.胚胎细胞核移植的难度明显高于体细胞
B.体细胞核移植的过程中可通过显微操作去核法去除卵母细胞中的核
C.用于体细胞核移植的卵母细胞通常要在体外培养到MⅡ中期
D.通过体细胞核移植方法生产的克隆动物与核供体性状并不完全相同
解析:
选A 哺乳动物核移植包括胚胎细胞核移植和体细胞核移植,由于胚胎细胞分化程度低,恢复其全能性相对容易,因此动物体细胞核移植的难度明显高于胚胎细胞核移植,A错误;体细胞核移植的过程中可通过显微操作去核法去除卵母细胞中的核,B正确;用于体细胞核移植的卵母细胞通常要在体外培养至MⅡ中期,C正确;体细胞核移植中,重组细胞的遗传物质有部分来自去核卵母细胞,因此克隆动物的性状与核供体性状不完全相同,D正确。
6.(2019·宿迁检测)如图为哺乳动物(羊)的生殖过程,下列叙述不正确的是( )
A.个体2为克隆动物,c细胞为高度分化的体细胞
B.个体2的遗传性状与提供c细胞的羊不完全相同
C.产生动物个体1与动物个体2的生殖方式是不同的
D.e细胞为完成减数分裂的卵细胞
解析:
选D 据题图可知,个体2是通过细胞核移植技术形成的克隆动物,c细胞为高度分化的体细胞,A正确;个体2的遗传物质主要来自c细胞提供的细胞核,少部分来自b细胞提供的细胞质,因此其遗传性状与提供c细胞的羊不完全相同,B正确;个体1是通过有性生殖产生的,个体2是通过克隆技术产生的,属于无性生殖,C正确;在核移植过程中,去核卵细胞一般选用处于减数第二次分裂中期的次级卵母细胞,而不是完成减数分裂的卵细胞,D错误。
7.(2019·北师大附中期中)科学家培育克隆羊时,使用了三种供体细胞的细胞核,分别将这些细胞核移入去核卵母细胞中,形成重组细胞,发育成重组胚胎,这些重组胚胎的发育情况如下。
供体细胞类型
妊娠数/受体母羊数
乳腺上皮细胞
1/13
胚胎成纤维细胞
4/10
早期胚胎细胞
14/27
下列相关分析不正确的是( )
A.早期胚胎细胞作为供体细胞时,妊娠成功率最高
B.克隆羊的遗传信息与供体细胞完全相同
C.体细胞核移植难度高于胚胎细胞核移植
D.重组细胞的发育与去核卵母细胞的细胞质有关
解析:
选B 分析表格数据可知,早期胚胎细胞作为供体细胞时,妊娠成功率最高,A正确;克隆羊的绝大部分DNA来自供体细胞核,但去核卵母细胞的细胞质中也有少量DNA,故克隆羊的遗传信息并非与供体细胞完全相同,B错误;对比表格中的数据可知,体细胞核移植难度高于胚胎细胞核移植,C正确;重组细胞的发育与去核卵母细胞的细胞质有关,D正确。
8.如图是利用现代生物工程技术治疗遗传性糖尿病的过程图解。
请据图回答下列问题。
(1)图中①所示的结构名称是________。
(2)图中③④所示的生物技术名称分别是____________、____________。
(3)过程③通常用去核的卵母细胞作为受体细胞的原因除了它体积大、易操作、营养物质丰富外,还因为它______________________________________。
(4)图示方法与一般的异体核移植相比最大的优点是________________,该种基因治疗所属类型为________________。
解析:
(1)①是从供体(患者)体细胞分离出的细胞核。
(2)③表示核移植技术,④表示转基因技术。
(3)核移植的受体细胞一般是卵母细胞,原因是它体积大、易操作,含有供胚胎发育的营养物质,还含有促使细胞核全能性表达的物质。
(4)图示培育出的细胞(胰岛B细胞)核遗传物质来自患者本人,所以移植后不发生免疫排斥反应;图中所示基因治疗应用了体外转基因技术,故所属类型为体外基因治疗。
答案:
(1)细胞核
(2)核移植技术 转基因技术(或基因工程、DNA重组技术、基因拼接技术) (3)含有促使细胞核全能性表达的物质 (4)不发生免疫排斥反应 体外基因治疗
课堂小结
|网络构建|
|巩固基础|
1.动物细胞工程的常用技术有动物细胞培养、动物细胞核移植、动物细胞融合、生产单克隆抗体等,其中动物细胞培养是基础。
2.原代培养和传代培养均需用胰蛋白酶对细胞进行分散处理。
3.动物细胞要分散成单个细胞培养,培养液中通常要添加血清。
4.动物体细胞核移植的难度高于胚胎细胞核移植,因为动物体细胞分化程度高,恢复其全能性十分困难。
5.动物细胞培养中的两个显著特点是贴壁生长、接触抑制。
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