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导入——什么是分化？


#第六章 细胞的生命历程
核心素养目标
从本质上、结构与功能观认识细胞分化。
生命观念
LIFE CONCEPT
能够描述植物组织培养、动物克隆过程。
科学探究
SCIENTIFIC EXPLORATION
比较归纳细胞增殖和细胞分化、细胞分化与细胞全能性的异同。
科学思维
SCIENTIFIC THINKING
珍爱生命，尊重生命，关注生命科学发展。
社会责任
SOCIAL RESPONSIBILITY
核心问题
细胞分化的概念？特点？意义？原因？
细胞分化与细胞分裂的异同点？
细胞全能性的概念？原因？
植物组织培养的原理？过程？
什么是干细胞？有何应用？
活动一：描述下列细胞的结构和功能
上皮细胞
红细胞
神经细胞
骨骼肌细胞
这些细胞在形态、结构和功能上的异同
这些细胞都源自早期胚胎中一群彼此相似的细胞，正常情况下，它们还能恢复成早期胚胎细胞吗？就这四种细胞来说，一种细胞会不会转变成其他种类的细胞？
叶肉细胞
有叶绿体
光合作用
表皮细胞
细胞壁上形成角质
保护功能
储藏细胞
没有叶绿体,没有角质层
储藏营养物质
根尖分生区细胞
大多正方形
分裂产生新细胞
这些细胞在形态、结构和功能上有哪些差异 它们的共同来源是？
细胞种类多种多样，但个体发育的起点都是？所以同一个体的细胞遗传物质一样吗？
如果遗传物质一样，为什么这些细胞又会长得不一样呢？
请概况细胞分化的概念，并思考细胞分化的原因。
知识点
不同点
联系
相同点
细胞数量
形态结构功能
分裂
分化
一、细胞的分化——1、概念
在个体发育中，由一个或一种细胞增殖产生的后代，在______、______和____________上发生____________的过程。(教材P119)
形态
结构
生理功能
稳定性差异
分化的时期：个体发育中 分化的对象：一个或一种细胞。
分化的结果：产生形态、结构、功能不同的细胞。
分裂是分化的基础
共同完成个体发育过程
遗传信息都不变
增加
相同
不变
差异
一、细胞的分化——1、概念
既然同一个个体细胞都来自同一个受精卵，遗传信息都一样，那为什么这些细胞最后会长得不一样，出现细胞分化呢？
受精卵
有丝分裂
细胞分化
唾液腺细胞
肌肉细胞
胰岛细胞
免疫细胞
活动二：细胞分化实质合作探究
小组合作讨论，填表：
唾液腺细胞
呼吸酶
核糖体相关
唾液淀粉酶
肌肉蛋白
胰岛素
血红蛋白
细胞类型
基因
心肌细胞
胰岛B细胞
红细胞
管家基因和奢侈基因
请分析以下基因在不同分化细胞内的表达情况，说明细胞内的所有基因只在特定的细胞内表达吗？
ATP合成酶基因
胰岛素基因
血红蛋白基因
呼吸酶基因
核糖体合成酶基因
抗体基因
管家基因
Housekeeper genes
奢侈基因
Housekeeper genes
管家基因和奢侈基因
请分析以下基因在不同分化细胞内的表达情况，说明细胞内的所有基因只在特定的细胞内表达吗？
ATP合成酶基因
胰岛素基因
血红蛋白基因
呼吸酶基因
核糖体合成酶基因
抗体基因
管家基因
Housekeeper genes
奢侈基因
Housekeeper genes
所有细胞均表达，维持生命活动所必需的。
指不同类型细胞中特异性表达的基因，其产物赋予各种类型细胞特异的形态结构特征与功能。
红细胞能合成血红蛋白，肌细胞能合成肌动蛋白；原因是红细胞含有血红蛋白基因，肌细胞含有肌动蛋白基因，是否正确？
不正确
合成血红蛋白
#不合成肌动蛋白
红细胞
RED BLOOD CELL
铁
血红素基
肌动蛋白基因关闭
血红蛋白基因开启
合成肌动蛋白
#不合成血红蛋白
血红蛋白基因关闭
肌动蛋白基因开启
肌细胞
MUSCLE CELLS
活动二：细胞分化实质合作探究
两种细胞的差异直接原因和根本原因分别是什么？
根本原因:
基因的选择性表达
直接原因:
蛋白质种类的不同
DNA
控制合成
蛋白质
表达
不表达
肌动蛋白基因
血红蛋白基因
血红蛋白
控制合成
肌动蛋白基因
血红蛋白基因
不表达
表达
不合成
肌动蛋白
控制合成
不合成
REASONING
假设1个DNA分子上有基因A、B、C，可指导合成蛋白质
a、b、c，那该DNA基因指导合成蛋白质的情况有多少种？
基因A
基因B
基因C
蛋白质a
蛋白质b
蛋白质c
3个基因控制蛋白质合成的情况有8种，而人体有数万对基因，不同细胞遗传信息的表达情况不同，基因选择性表达产生的蛋白质情况千差万别，使细胞之间存在巨大差距，细胞发生分化。
8种：
a
b
c
ab
ac
bc
abc
都不合成
一、细胞的分化——2、实质
现假设一个细胞里有五个基因
未表达基因
已表达基因
只表达基因A和C
实质(根本原因):
（奢侈）基因选择性表达的结果/
不同种类细胞遗传信息的表达情况不同
直接原因:
蛋白质种类的不同
只表达基因B和C
只表达基因C和E
以此类推
特别提醒
1、多细胞生物的细胞都来自同一个受精卵分化而来，所以遗传物质并没有改变，细胞不同的直接原因是蛋白质种类不同，根本原因是遗传信息的表达情况不同或（奢侈）基因的选择性表达的结果。
2、多细胞生物体内的细胞都含有该物种全套遗传信息，不同细胞开启和关闭基因的情况不同而使奢侈基因的选择性表达情况不同，例如我们的体细胞中都含有胰岛素基因，但只有胰岛B细胞才能表达产生胰岛素。
3、多细胞生物不同细胞表达产生的蛋白质一般不同，但管家基因可以控制不同的细胞合成相同的蛋白质，例如几乎所有细胞都会表达产生呼吸酶，用于细胞呼吸产生ATP，为各项生命活动供能。
4、哺乳动物的成熟红细胞没有细胞核，寿命短，没有基因，所以不能进行基因的选择性表达，是由骨髓中的造血干细胞分化而来。
细胞分化具有怎样的特点呢？
一、细胞的分化——3、特点
分析以下资料，总结细胞分化的特点：
资料一：细胞分化发生在整个生命进程中。
持久性
资料二：黑色素细胞在体外培养30多代后仍能合成黑色素；离体培养的上皮细胞， 始终保持为上皮细胞，而不会变成其他类型的细胞。
稳定性
资料三：分化后的细胞将一直保持分化后的状态，不能再回到分化前的状态，直到死亡。
不可逆性
资料四：细胞分化是生物界普遍存在的生命现象，是生物个体发育的基础。
#注：一般来说，细胞分化是不可逆的，但是在离体状态，人工培养等条件下,某些高度分化的细胞也能恢复分裂能力。
普遍性
细胞为什么要进行分化？细胞分化有什么意义呢？
资料五：人体在生长发育过程中,如果仅仅有细胞的增殖，而没有细胞的分化，就不可能形成具有特定形态、结构和功能的组织和器官，生物体不能正常发育。
一、细胞的分化——4、意义
1）细胞分化是生物个体发育的基础。
资料六：哺乳动物成熟的红细胞，没有细胞核和众多的细胞器，细胞中有大量的血红蛋白，因此提高了红细胞运输氧气的能力。肌肉细胞含有大量线粒体，细胞中有大量收缩蛋白质，因此肌肉细胞有很强的收缩功能。
2）细胞分化使多细胞生物体中的细胞趋向专门化，有利于提高生物体各种生理功能的效率。
思考下列问题
既然细胞分化具有稳定性、持久性、不可逆性、普遍性，如果给予一定条件，高度分化的细胞，还能像早期胚胎细胞那样，再分化成其它细胞吗
从遗传的角度分析，受精卵为什么能发育成一个完整的个体？
体细胞含有的遗传物质和受精卵相同，是否也能够发育成一个完整的个体呢？
实验材料：
培养液成分：
实验结果：
活动四：描述胡萝卜组织培养过程
1958年，美国科学家斯图尔德用胡萝卜韧皮部细胞成功地培育出了一棵完整的植株。
韧皮部细胞
细胞团
根或芽
幼苗
胡萝卜植株
愈伤组织
脱分化
再分化
胡萝卜的韧皮部细胞
植物激素、无机盐和糖类物质等
离体培养的细胞长成了新植株
活动四：描述胡萝卜组织培养过程
韧皮部细胞
细胞团
根或芽
幼苗
胡萝卜植株
愈伤组织
脱分化
再分化
脱分化：
已分化的细胞经过诱导后失去其特有的结构和功能，恢复分生状态的过程。
再分化：
脱分化后的细胞，再一次分裂分化出各种组织和器官。
活动四：描述胡萝卜组织培养过程
韧皮部细胞
细胞团
根或芽
幼苗
胡萝卜植株
愈伤组织
脱分化
再分化
胡萝卜的组织培养过程需要哪些条件？
①离体
②植物激素
③一定的营养条件
④适宜的环境（pH、温度等）
⑤无菌环境
如换成其他已高度分化植物细胞，在适宜条件下，这些细胞也能形成新植株吗？
能
从该实验可以得出什么结论？
已分化细胞在离体培养下能形成完整植物体
※已分化的植物细胞具有全能性
植物组织培养技术有哪些应用？
补充：
二、1、细胞的全能性
细胞经分裂和分化后，仍具有产生完整有机体或分化成其他各种细胞的潜能和特性
细胞内含有发育成完整个体的全套遗传信息
①离体（必要条件）
②一定的营养物质（无机盐、维生素、氨基酸等）和植物激素
③适宜的外界条件（适宜的温度、pH等）、无菌无毒的环境
想一想
为什么高度分化的体细胞具有全能性呢？
想一想
植物体上的细胞没有表现出全能性，而是分化成了不同的组织何器官，为什么呢？
植物组织培养取得成功后，科学家尝试培养动物细胞，预期能用动物的体细胞培养出完整的动物体，但是无一例成功。为什么受精卵一个细胞能发育成动物体，而体细胞就不可以呢？受精卵和体细胞的细胞核是基本相同的，对此你有什么看法？
二、1、细胞的全能性
紫外线
蛙卵
蝌蚪的
肠上皮细胞
去核
细胞核
核移植
8细胞卵
为什么动物细胞要取细胞核来做，
而植物细胞则可以是整个细胞？
细胞全能性高低不同
蝌蚪
核移植实验的成功，说明已分化的动物细胞的细胞核是具有全能性的。
已分化的动物体细胞的细胞核中含有该动物几乎全部的遗传物质
绝大多数
发育成蝌蚪
小于2%
发育成蝌蚪
紫外线
蛙 卵
早期
胚胎细胞
分化程度低
分裂能力强
蝌蚪的肠
上皮细胞
分化程度高
分裂能力弱
胚胎细胞核移植成功率远高于体细胞核移植。分化程度越高的细胞，越不容易表现出全能性。
克隆羊多利
※已分化的动物细胞核具有全能性
体外培养体细胞
卵细胞供体
体细胞
去核卵母细胞
去核
融合
激活
克隆胚胎
体细胞注射
胚胎移植
受体动物
“中中”和“华华”
卵母细胞
细胞全能性的比较
不同生物
植物体细胞 动物体细胞
同一生物
受精卵 生殖细胞 干细胞 体细胞
幼嫩细胞 衰老细胞
细胞分化程度越高，细胞的全能性越___。
低
如生殖细胞由性原细胞分化而来，属于高度分化的细胞，但全能性依然很高。
如B淋巴细胞，接受抗原刺激后仍可再分裂。
①雌蜂未受精的卵细胞发育成雄蜂证明了动物生殖细胞具有全能性。（ ）
②分化程度高的细胞全能性一定低（ ）
③分化的细胞一定不再进行分裂（ ）
判断：
活动五：细胞分化与细胞全能性的比较
细胞分化和细胞的全能性之间有矛盾吗？
小组讨论，完成表格：
细胞分化
细胞全能性
原因
细胞内基因的选择性表达
已分化细胞依旧含有本物种全套遗传信息
特点
①持久性②稳定性和不可逆性
③普遍性
①高度分化的植物体细胞具有全能性
②动物已分化的体细胞全能性受限制，但细胞核仍具有全能性
结果
形成形态、结构、功能不同的细胞
可形成新的个体
比较
分化程度：
体细胞＞生殖细胞＞受精卵
全能性：
受精卵＞生殖细胞＞体细胞
关系
① 两者的遗传物质都不发生改变，已分化的细胞保持具有全能性
② 细胞的分化程度越高，具有的全能性越小
名称
实例
特点
二、细胞的全能性——2、干细胞
动物和人体内仍保留着少数具有分裂和分化能力的细胞，这些细胞叫做干细胞。例如：胚胎干细胞、造血干细胞、神经干细胞、成肌细胞等。
想一想
成熟动物和人体内还有没有具有分裂和分化能力的细胞呢？
#种类（按分化潜能的大小）
全能干细胞
可分化为各种细胞，构成各种组织和器官，最终发育成完整个体
胚胎干细胞
多能干细胞
发育形成一种器官的多种组织，但不能发育成完整个体
造血干细胞
专能干细胞
只能分化成某一类型的细胞
神经干细胞
根据来源可分为胚胎干细胞、造血干细胞、神经干细胞和肌肉干细胞。
干细胞的种类和特点
※干细胞分裂能力强，分化潜能也强
干细胞
造血干细胞
干细胞
二、细胞的全能性——2、干细胞
干细胞的应用
①骨髓移植的方法治疗白血病
②利用胚胎干细胞修复病人损伤组织
利用胚胎干细胞修复病人损伤组织
肝细胞
脂肪细胞
神经细胞
其他细胞
特别提醒
1、没有分化的细胞，如受精卵、动物和人体的早期胚胎细胞、植物体的分生组织也具有全能性。
2、目前为止,人们还没有成功地将单个已分化的动物体细胞培养成新的个体。
3、哺乳动物成熟红细胞不具有全能性。
4、干细胞可分为胚胎干细胞和成体干细胞：
①胚胎干细胞（ES细胞）存在于早期胚胎中，具有分化为成年动物体内的任何一种类型的细胞，并进一步形成机体的所有组织和器官甚至个体的潜能。
特点：体积小，细胞核大、核仁明显。取自早期胚胎。也叫做全能干细胞。
②成体干细胞：存在于成体组织或器官内中。
造血干细胞：也叫做多能干细胞。
神经干细胞
精原干细胞
专能干细胞
问题探讨
在我们体内，红细胞的寿命为120天左右，白细胞的寿命更短，只有5-7天。这些血细胞都是失去了分裂能力的细胞。白血病患者的血液中出现了大量的异常白细胞，而正常的血细胞又明显减少。通过骨髓移植可以有效地治疗白细胞。
1.为什么健康人的血细胞数量不会随着血细胞的死亡而减少？
健康人会不断产生新的血细胞，补充到血液中去。
2.骨髓与血细胞的形成有什么关系？
骨髓中造血干细胞能够通过增殖和分化不断产生不同种类的血细胞。
课堂小结
知识点
归纳与结论
1、细胞分化
及其意义
2、细胞的
全能性
a.概念：
形态、结构、功能 稳定性差异
b.细胞分化的特点：
形态、结构、功能 稳定性差异
c.细胞分化的实质：
奢侈基因的选择性表达(遗传物质没有改变)
d.细胞分化的意义：
细胞分化是个体发育的基础；细胞分化使多细胞生物体中的细胞趋向专门化，有利于提高各种生理功能的效率。
a.概念：
已分化的细胞，仍然有发育成完整个体的潜能。
b.高度分化的植物细胞具有全能性
c.动物细胞的细胞核具有全能性
d.干细胞
动物和人体内仍保留着少数具有分裂和分化能力的细胞
课堂巩固
1. 将自体骨髓干细胞植入胰腺组织后可分化为“胰岛样”细胞，以替代损伤的胰岛 B 细胞，达到治疗糖尿病的目的。下列叙述正确的是 （ ）
A. 骨髓干细胞与“胰岛样”细胞的基因组成不同，基因表达情况不同
B. “胰岛样”细胞与胰岛 B 细胞基因组成不同，基因表达情况相同
C. 骨髓干细胞与“胰岛样”细胞基因组成相同，基因表达情况也相同
D. 骨髓干细胞与胰岛 B 细胞的基因组成相同，基因表达情况不同
课堂巩固
2.MyoD基因是一个控制肌细胞发育的主导基因，其表达产物MyoD蛋白可以调控其他与肌肉发生相关基因的转录，还能促进MyoD基因的表达，最终使前体细胞分化为肌细胞。以下叙述不正确的是（ ）
A.前体细胞分化为肌细胞的过程是不可逆的
B.与肌细胞相比,前体细胞的分化程度较低
C.含有MyoD基因的细胞只能分化为肌细胞
D.MyoD蛋白对MyoD基因的表达存在正反馈调节
课堂巩固
3.取同一生物体的不同类型细胞,检测其基因表达,结果如下图所示。下列分析正确的是（ ）
A.基因1～6中控制ATP水解酶合成的基因最可能是基因4
B.细胞a～g中生理功能最为近似的应该是细胞b和细胞e
C.组成1～6基因的脱氧核苷酸种类、数量和排列方式均不同
D.a～g各个细胞中染色体上所含基因的种类和数量完全不同
课堂巩固
5.下列有关细胞全能性的叙述，正确的是( )
A.植物体只有体细胞才具有发育成完整个体所必需的全套基因
B.将紫色糯性玉米种子培育成植株，反映了植物种子具有全能性
C.高度分化的植物细胞只有处于离体状态时才有可能表现出全能性
D.植物体内某些体细胞没有表现出全能性，其原因是所含基因发生了改变
6、下列实例中能体现细胞全能性的是 （ ）
①用悬浮培养的胡萝卜单个细胞培养成了可育的植株
②植物用种子进行繁殖
③用烟草组织培养的单个细胞培育出了可育的完整植株
A.①② B.①③ C.②③ D.①②③

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