第3章 第1节 细胞培养是动物细胞工程的基础（Word教参）-【优化指导】2024-2025学年高中生物选择性必修3 生物技术与工程（浙科版2019）

第一节　细胞培养是动物细胞工程的基础 课程内容标准 核心素养对接 阐明动物细胞培养是从动物体获得相关组织，分散成单个细胞后，在适宜环境下让细胞生长和增殖的过程。动物细胞培养技术是其他动物细胞工程技术的基础。 1．认同动物细胞培养的条件。(生命观念) 2．说出动物细胞培养的过程。(科学思维) 3．了解动物细胞培养的意义。(社会责任) [对应学生用书P45] 1．动物细胞培养的定义：从动物体获得相关组织，分散成单个细胞后，在适宜环境下让细胞生长和增殖的过程。 2．动物细胞培养的条件 (1)适宜的温度、湿度、pH、气体条件 ①大多数情况下，细胞生长的最适宜温度是37_℃温差不超过±0.5 ℃。 ②大多数细胞适宜的pH为7.2～7.4。 ③再通过给培养箱提供恒定的5%的CO2浓度，使之与培养基中的 NaHCO3处于平衡状态，调节pH的相对稳定。95%的空气可以保证细胞呼吸对氧气的需要。 (2)无菌、无毒的条件 ①防止污染是决定细胞培养成败的关键，无菌意识和无菌操作应贯穿整个培养过程的始终。 ②在培养基中加入抗生素能抑制细菌和真菌的生长，从而预防污染。 ③防止细胞代谢产生的有毒物质危害细胞，定期更换培养液。 (3)动物细胞的生长和增殖需要充足的营养物质。 ①培养动物细胞的培养基通常为液体培养基，其基本成分包括水、无机盐、氨基酸、维生素、糖类、生长因子等。 ②按培养基来源可分为天然培养基和合成培养基。 1．判正误 (1)制备肝细胞悬液时先用机械方法处理肝组织，再用胃蛋白酶处理。(×) (2)培养保留接触抑制的细胞在培养瓶壁上可形成多层细胞。(×) (3)动物细胞培养技术的原理是动物细胞的全能性。(×) (4)细胞克隆培养后的细胞群，形态一致，基因型不同。(×) 2．微思考 (1)动物细胞培养为什么需要无菌、无毒的环境？ 提示　细菌、真菌和病毒等均可造成细胞培养环境的污染，而离体培养的细胞已经失去了对微生物和有毒物质的防御能力，一旦受到污染或自身代谢物质积累等，培养的细胞就会死亡。 (2)如何对原代培养的细胞进行传代培养？ 提示　用胰蛋白酶将原培养瓶中的细胞进行分离并稀释，转移到多个培养瓶中进行传代培养。 [对应学生用书P46] 任务驱动一　动物细胞培养的条件 如图为二氧化碳培养箱， (1)动物细胞培养需要的气体条件是什么？ 提示　95%的空气和5%的CO2。 (2)为保证培养基无菌、无毒，可以向培养基中加入什么物质？ 提示　在培养基中加入抗生素，能抑制细菌和真菌的生长，从而预防污染。 (3)培养动物细胞需要定期更换培养液，其目的是什么？ 提示　为防止细胞代谢产生的有毒物质危害细胞，应定期更换培养液。 (4)为什么在培养细胞过程中，所需的合成培养基中仍要添加天然成分，如血清等？ 提示　由于人们并没有完全了解动物细胞所需要的全部物质，实际工作中往往将天然培养基与人工合成培养基结合使用，如在合成培养基中添加一定比例的血清或其他天然成分。 动物细胞培养的外界条件 所需条件 具体要求或成分 温度 37 ℃±0.5 ℃ pH 7.2～7.4 气体 5%的二氧化碳和95%的空气 无菌、无毒的条件 在培养基中加入抗生素，定期更换培养液 培养基 水、无机盐、氨基酸、维生素、糖类、生长因子、血清等 (2022·湖北卷)某兴趣小组开展小鼠原代神经元培养的研究，结果发现其培养的原代神经元生长缓慢，其原因不可能的是(　　 ) A．实验材料取自小鼠胚胎的脑组织 B．为了防止污染将培养瓶瓶口密封 C．血清经过高温处理后加入培养基 D．所使用的培养基呈弱酸性 A　[小鼠胚胎脑组织中含有丰富的原代神经元，细胞增殖能力强，不会造成生长缓慢，A符合题意；培养瓶瓶口密封会使培养液中缺氧，影响细胞有氧呼吸，造成供能不足，可能使细胞生长缓慢，B不符合题意；血清经过高温处理后，其中活性成分变性，失去原有功能，细胞生存环境严重恶化，可能使细胞生长缓慢，C不符合题意；小鼠内环境为弱碱性，所使用的培养基呈弱酸性，使细胞生存环境恶劣，可能造成细胞生长缓慢，D不符合题意。] [借题发挥] 1．(长句专练)细胞培养箱中怎样保持pH的相对稳定？ 提示　造成培养基pH波动的主要物质是细胞代谢产生的CO2，为了解决这一问题，可采用开放式培养的方式，使细胞代谢产生的CO2及时溢出培养器皿，再通过给培养箱提供恒定的5%的CO2浓度，使之与培养基中的NaHCO3处于平衡状态，调节pH的相对稳定。 2．(科学探究)动物细胞培养过程中，培养基的成分，渗透压和pH都与动物体内环境相似，说明了什么问题？ 提示　体外培养条件是对体内环境的模拟，说明细胞的生长、增殖需要适宜的环境。 1．一般来说，动物细胞体外培养需要满足以下条件(　　 ) ①无毒的环境　②无菌的环境　③合成培养基需加血浆 ④温度与动物体温相近　⑤需要O2，不需要CO2　⑥CO2调节培养液pH A．①②③④⑤⑥　　 B．①②③④ C．①③④⑤⑥ D．①②③④⑥ D　[动物细胞体外培养要求环境无菌、无毒，培养液中添加一定量的抗生素，合成培养基中需加血清、血浆等一些天然成分，适宜的温度、pH分别为37±0.5 ℃、7.2～7.4。O2是细胞代谢所必需的，CO2可维持培养液的pH。] 2．动物细胞培养需要满足一定的气体环境，下列相关叙述错误的是(　　 ) A．O2的作用是为细胞需氧呼吸提供原料 B．CO2的作用是维持培养液的pH C．通常采用培养皿或松盖培养瓶培养 D．CO2培养箱内应含有95%的O2和5%的CO2 D　[CO2培养箱内应含有95%的空气和5%的CO2，D项错误。] 任务驱动二　动物细胞培养的过程 如图是动物细胞培养的基本过程示意图。请根据图回答： (1)动物细胞培养时，为什么要将动物组织分散成单个细胞？ 提示　①保证细胞所需要的营养供应；②保证细胞内有害代谢产物的及时排出。 (2)动物细胞培养和植物组织培养一样可以获得完整个体吗？ 提示　动物细胞培养时细胞只进行生长和增殖，不能得到完整个体，但是植物组织培养可以获得完整个体。 (3)动物细胞培养过程中的细胞增殖方式是哪一种？有无细胞周期？ 提示　由于增殖产生的子代细胞是体细胞 ，故为有丝分裂。若细胞持续分裂，则有细胞周期。 (4)根据癌细胞的特点，思考一下培养的癌细胞有没有接触抑制。 提示　癌细胞细胞膜上的糖蛋白减少，细胞的黏着性降低，在适宜的条件下可以无限增殖，因此培养的癌细胞无接触抑制，在培养瓶中能够生长成多层。 (5)在进行传代培养时，对于悬浮生长的细胞与贴壁生长的细胞，应分别采用什么方法收集？ 提示　悬浮生长的细胞直接用离心法收集；贴壁生长的细胞需要重新用胰蛋白酶等处理，使之分散成单个细胞，然后再用离心法收集。 1．图解原代(初代)培养、传代培养与细胞系的关系 2．细胞系与细胞株的分类 3．动物细胞培养和细胞克隆 动物细胞培养 细胞克隆 起点 动物组织 单个细胞 基因型 不一定一致 一致 遗传性状 不均一 均一 结果 都得到细胞群 4．动物细胞培养与植物组织培养的比较 比较项目 动物细胞培养 植物组织培养 生物学原理 细胞增殖 细胞全能性 培养基性质 液体 固体 培养结果 子代细胞 新的植株 应用 是动物细胞 工程的基础 (1)快速繁殖； (2)培育作物新品种； (3)细胞产物的工厂化生产； (4)作物脱毒 培养条件 无菌、适宜的温度和pH 取材 新鲜的组织 植物器官、组织或细胞 比较项目 动物细胞培养 植物组织培养 培养对象 分散的单个细胞 植物器官、组织或细胞 过程 原代培养、传代培养 脱分化、再分化 细胞分裂、生长、分化特点 (1)贴附生长； (2)接触抑制 (1)脱分化：形成愈伤组织； (2)再分化：形成根、芽等 某研究性学习小组同学在研究细胞工程时，列表比较了动物细胞培养和植物细胞工程的有关内容，其中错误的是(　　) 选项 比较项目 植物细胞工程 动物细胞培养 A 处理方法 酶解法去除细胞壁 用胰蛋白酶处理后制成细胞悬液 B 原理 细胞增殖 细胞的全能性 C 应用 快速繁殖技术 生产干扰素等 D 培养基性质 固体培养基 液体培养基 B　[植物细胞工程中去除细胞壁时用的是纤维素酶和果胶酶，而在动物细胞培养中采用胰蛋白酶处理动物组织，使其分散成单个细胞；植物细胞工程的原理是植物细胞的全能性，动物细胞培养的原理是细胞增殖，没有体现出全能性；植物细胞工程可以高效快速地实现种苗的大量繁殖，利用动物细胞培养可以大规模生产病毒疫苗、干扰素等；两者培养基的物理性质和成分是不同的。] [借题发挥] 1．(长句专练)细胞株与细胞系有何区别？ 提示　通过一定的选择或纯化方法，从原代培养物或细胞系中获得的具有特殊性质的细胞称为细胞株。细胞株一般具有恒定的染色体组型、病毒敏感性或抗性及其他生化特性等。 2．(科学思维)实验过程中，用胰蛋白酶溶液处理时间过长或过短，会出现什么结果？ 提示　处理时间过长，胰蛋白酶会破坏细胞膜，即损伤细胞。处理时间过短，组织细胞不能充分分散开。 1．下列有关动物细胞培养的叙述，正确的是(　　 ) A．培养瓶中要定期用胰蛋白酶等处理，使细胞从瓶壁上脱离，制成细胞悬液 B．将所取的组织先用胃蛋白酶等进行处理，使其分散成单个细胞 C．用于培养的细胞大都取自成年动物的器官或组织 D．动物组织经处理后的初次培养称为传代培养 A　[体外培养的动物细胞往往具有贴附生长和接触抑制等特点，因此培养瓶中要定期用胰蛋白酶等处理，使细胞从瓶壁上脱离，制成细胞悬液，A项正确；动物细胞培养的适宜pH为7.2～7.4，这样的环境会使胃蛋白酶变性失活，因此动物细胞培养过程中，应将所取的组织先用胰蛋白酶等进行处理，使其分散成单个细胞，B项错误；用于培养的细胞大都取自胚胎或幼龄动物的器官或组织，因为胚胎或幼龄动物的器官或组织分裂能力强，C项错误；动物组织经处理后的初次培养称为原代培养，D项错误。] 2．在将动物组织块分散成单个细胞时，可以使用胰蛋白酶。由此判断以下推测不合理的是(　　 ) A．动物细胞之间可能依靠蛋白质相互联系 B．处理时一定要注意处理时间、加酶量 C．胰蛋白酶一定不会对动物细胞造成损伤 D．动物细胞培养液的pH应与胰蛋白酶作用的适宜pH基本一致 C　[胰蛋白酶可使蛋白质分解，由胰蛋白酶可破坏动物细胞之间的联系，可推测动物细胞之间可能依靠蛋白质相互联系；细胞膜中含有蛋白质成分，所以一定要注意处理的时间和酶的用量，以防止对动物细胞造成损伤；酶促反应需要适宜的pH，所以动物细胞培养液的pH应与胰蛋白酶作用的适宜pH基本一致。] 知识网络构建 关键知识积累 1.大多数情况下，细胞生长的最适宜温度是37 ℃，温差一般不超过±0.5 ℃，适宜的pH为7.2～7.4。 2.培养动物细胞需要提供无菌、无毒的条件，防止污染是决定细胞培养成败的关键，无菌意识和无菌操作应贯穿整个培养过程的始终。 3.体外培养的动物细胞往往具有贴附生长和接触抑制等特点。 4.细胞系是泛指可传代的细胞，细胞株是具有特殊性质的细胞系。细胞株是细胞系经过进一步的克隆培养得到的。 [对应学生用书P49] 1．动物细胞培养与植物组织培养的重要区别在于(　　) A．培养基不同 B．动物细胞培养不需要在无菌条件下进行 C．动物细胞可以传代培养，而植物细胞不能 D．动物细胞能够大量培养，而植物细胞只能培养成植株 A　[动物细胞培养的培养基与植物组织培养的培养基不同，动物细胞一般用液体培养基培养，而植物组织培养一般用固体培养基，与植物组织培养的培养基相比，动物细胞培养的培养基中还要加动物血清等，A项正确；它们都是在无菌条件下进行的，都可以传代培养，且都能够大量培养，B、C、D项的叙述有误。] 2．(2021·浙江1月高考)下图为动物成纤维细胞的培养过程示意图。下列叙述正确的是(　　 ) A．步骤①的操作不需要在无菌环境中进行 B．步骤②中用盐酸溶解细胞间物质使细胞分离 C．步骤③到④的分瓶操作前常用胰蛋白酶处理 D．步骤④培养过程中不会发生细胞转化 C　[动物细胞培养过程需要无菌操作，故步骤①的操作需要在无菌环境中进行，A错误；动物细胞培养过程需要用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理动物组织，分散成单个细胞，制成细胞悬液，B错误；传代培养时需要用胰蛋白酶处理贴壁生长的细胞，使之分散成单个细胞，再分瓶培养，C正确；步骤④为传代培养过程，该过程中部分细胞可能发生细胞转化，核型改变，D错误。] 3．下列有关细胞株的说法，不正确的是(　　) A．可分为连续细胞株和有限细胞株 B．细胞株就是具有特殊性质的细胞系 C．细胞株一般没有恒定的染色体组型，遗传物质发生了改变 D．可连续传代的细胞株称为连续细胞株 C　[细胞株传到50左右不能再继续传代，部分细胞遗传物质改变，具有癌变细胞的特点，因此不能继续传代的称为有限细胞株，癌变的细胞称为连续细胞株，A正确；细胞株就是具有特殊性质的细胞系，B正确；细胞株能够保持正常的染色体组型，其遗传物质没有发生改变，C错误；可连续传代的细胞株称为连续细胞株，D正确。] 4．如图为动物细胞培养过程示意图，请回答以下几个问题： (1)容器A中的动物器官或组织首先要剪碎，然后用胰蛋白酶处理，其目的是_____________________________________________________ ____________________________________________________________。 (2)培养先在B瓶中进行。瓶中的培养基成分有葡萄糖、氨基酸、无机盐、维生素和____________等。细胞增殖产生的新细胞会表现出________生长现象。当细胞分裂生长到____________时，就会停止分裂增殖，这种现象称为接触抑制，需用胰蛋白酶处理后分瓶继续培养，称为________。有一类不正常的动物细胞，体外培养不受接触抑制机制的制约而表现为“疯长”，这类细胞最可能是________。 (3)细胞在C瓶中培养一段时间后，大部分细胞衰老死亡，但有极少数细胞存活并传代下去，能够无限传代的原因是______________________________________________________。 解析　(1)用胰蛋白酶处理动物的组织碎块，能使组织分散成单个细胞，形成细胞悬液，有利于细胞的生长和增殖；(2)进行动物细胞培养，需要在培养基中加入一定量的动物血清，内含多种营养物质和促生长因子；体外进行细胞培养，细胞会表现出贴附生长现象，当它们分裂生长到表面相互接触时，细胞的分裂增殖就会停止，即所谓的接触抑制，而癌细胞不受这一机制的制约，表现为“疯长”。出现接触抑制时，需对细胞进行传代培养；(3)传代培养到大约50代，大部分细胞不能继续传代，但一部分细胞核内遗传物质发生类似于癌变的改变，能无限增殖。 答案　(1)使细胞分散成单个细胞，每个细胞可以与培养液充分接触　(2)动物血清　贴附　表面相互接触　传代培养　癌细胞　(3)细胞遗传物质发生改变，带有癌细胞特点，能无限增殖 学科网（北京）股份有限公司 $$