内容正文:
第13讲 细胞的分化、衰老和死亡
【思维导图】
考点一 细胞分化与细胞的全能性
【夯实基础】
一、细胞的分化
概念:在个体发育中,由一个或一种细胞增殖产生的后代,在 形态、结构和生理功能 上发生稳定性差异的过程。
时间:发生在整个生命进程中,胚胎时期达到最大限度。
【提醒】①细胞分化程度越高,细胞分裂的能力一般就越低。②分化的细胞不一定不再进行分裂,如B淋巴细胞,接受抗原和细胞因子等刺激后仍可再分裂。③同一个体不同类型的分化细胞内,遗传物质相同,mRNA和蛋白质不完全相同。
【概念解读】
(1)细胞分化的“不变”与“改变”
不变
DNA、细胞的数目,tRNA、rRNA的种类
改变
mRNA、蛋白质的种类,细胞的形态、结构和生理功能
(2)从不同水平理解细胞分化
细胞
水平
细胞在形态、结构和生理功能上发生稳定性差异(细胞分化的结果)
细胞器
水平
细胞器的数目及细胞质基质成分发生改变
分子
水平
蛋白质种类、数量、功能发生改变(细胞分化的直接原因);基因的选择性表达(细胞分化的根本原因)
【判断对错】
(1)细胞分化使各种细胞的遗传物质发生改变。 (×)
【提示】 细胞分化的实质是基因的选择性表达,遗传物质不变。
(2)愈伤组织再分化形成多种类型的细胞,这些细胞中mRNA的种类和数量相同。 (×)
【提示】 细胞分化的实质是基因的选择性表达,愈伤组织再分化形成的多种细胞中的mRNA的种类和数量不同。
【延伸拓展】
科学家提取了鸡的输卵管细胞、红细胞和胰岛B细胞,对这3种细胞中的DNA和mRNA进行了检测,结果如下表所示。
项目
DNA检测结果
mRNA检测结果
输卵管
细胞
红
细胞
胰岛B
细胞
输卵管
细胞
红
细胞
胰岛B
细胞
核糖体
蛋白基因
+
+
+
+
+
+
卵清蛋
白基因
+
+
+
+
-
-
β-珠蛋
白基因
+
+
+
-
+
-
胰岛素
基因
+
+
+
-
-
+
注:“+”表示检测发现相应的分子,“-”表示检测未发现相应的分子。
(1)这3种细胞中合成的蛋白质种类有什么差别? 有些蛋白质在所有的细胞中都能合成,但也有一些特定功能的蛋白质只在特定的细胞中合成,因此这3种细胞中合成的蛋白质种类不完全相同 。
(2)据表格信息我们能得出基因的表达存在选择性这一结论,得出该结论的事实依据为 3种细胞中的DNA都含有卵清蛋白基因、β-珠蛋白基因、胰岛素基因,但每种细胞中只检测到其中一种基因的mRNA 。
二、细胞的全能性
1.细胞的全能性
【概念解读】
2.细胞“具有”全能性与“体现”全能性的辨析
(1)理论上活细胞(哺乳动物成熟的红细胞等无核细胞除外)都具有全能性。
(2)只有发育为完整有机体或分化成其他各种细胞,才能“体现”或“表现”细胞的全能性。
【判断对错】
(1)壁虎断尾后长出新尾体现了细胞的全能性。 (×)
【提示】 细胞全能性的终点是完整个体或其他各种细胞,而不是生物体的某种组织或器官,因此壁虎断尾后长出新尾没有体现细胞的全能性。
(2)高度分化的成熟叶肉细胞不具有细胞的全能性。 (×)
【提示】 高度分化的成熟叶肉细胞中含有本物种全套的遗传物质,依然具有细胞的全能性。
(3)蜜蜂受精卵发育成工蜂,卵细胞发育成雄蜂,体现了细胞的全能性。 (√)
【提示】 蜜蜂受精卵和卵细胞发育成个体的过程,体现了细胞的全能性。
三、干细胞
【判断对错】
造血干细胞是胚胎发育过程中未分化的细胞。 (×)
【提示】 造血干细胞是已分化的细胞,但仍能继续分化形成血细胞和淋巴细胞等。
【深化探究】
类器官是利用成体干细胞或诱导多能干细胞在体外培养条件下,培育出的微型、简化但具有真实器官关键结构和功能特性的细胞团。研究发现,将从人类羊水中收集的胎儿胃肠道、肾源和肺源的上皮细胞进行体外培养,会形成组织特异性原生胎儿类器官,即小肠、肾脏和肺,并显示出来源组织的功能性特征。下列叙述错误的是()。
A.干细胞在体外诱导下形成具有特定功能的类器官细胞,这一过程属于细胞分化
B.与高度分化的成熟细胞相比,干细胞通常体积较小,细胞核相对较大
C.在培育类器官的过程中,需要定期更换培养液以清除凋亡的细胞,这些细胞的凋亡对于类器官的健康发展是有害的
D.利用患者自身干细胞培育类器官进行药物敏感性测试,其显著优势是能更真实地模拟患者体内器官的生理和病理状态
【答案】 C
【解析】 细胞凋亡是基因决定的细胞程序性死亡,这些细胞的凋亡对于类器官的健康发展是有益的,C错误。
【题后归纳】
细胞分化的根本原因是基因的选择性表达。即同一个体不同类型的细胞中,遗传信息(DNA)是相同的,但表达的基因种类和数量不同,从而合成了不同的蛋白质,最终导致细胞在形态、结构和功能上出现差异。
【高考链接】
一、细胞分化的实质、特点和意义分析
1.(2025·安徽卷,T3)胰岛类器官是由干细胞在体外诱导分化形成的具有器官特性的细胞集合体,可模拟胰岛的结构和功能,具有广泛的应用价值。下列叙述错误的是()。
A.胰岛类器官中不同细胞在结构和功能上存在差异,这是基因选择性表达的结果
B.胰岛类器官中胰岛A细胞是由干细胞诱导分化而来的,其细胞核不具有全能性
C.对胰岛类器官中细胞的mRNA序列进行分析,可判断其细胞类型
D.胰岛类器官模型可应用于胰岛发育和糖尿病发病机制等研究
【答案】 B
【解析】 干细胞诱导分化形成的胰岛A细胞,细胞核仍含全套遗传信息,故其细胞核具有全能性,B错误。
2.(2024·浙江卷6月,T4)同一个体的肝细胞和上皮细胞都会表达一些组织特异性的蛋白质。下列叙述错误的是()。
A.肝细胞和上皮细胞没有相同的蛋白质
B.肝细胞和上皮细胞所含遗传信息相同
C.肝细胞的形成是细胞分裂、分化的结果
D.上皮细胞的形成与基因选择性表达有关
【答案】 A
【解析】 肝细胞和上皮细胞有相同的蛋白质,如呼吸酶,A错误;肝细胞和上皮细胞的形成是细胞分裂、分化的结果,是基因选择性表达的结果,二者是由同一个受精卵分化而来的,所含遗传信息相同,B、C、D正确。
3.(2024·重庆卷,T8)科研小组以某种硬骨鱼为材料在鱼鳍(由不同组织构成)“开窗”研究组织再生的方向性和机制(题图所示),下列叙述不合理的是()。
A.“窗口”愈合过程中,细胞之间的接触会影响细胞增殖
B.对照组“窗口”远端,细胞不具有增殖和分化的潜能
C.“窗口”再生的方向与两端H酶的活性高低有关,F可抑制远端H酶活性
D.若要比较尾鳍近、远端的再生能力,则需沿鳍近、远端各开“窗口”观察
【答案】 B
【解析】 “窗口”愈合过程中存在细胞增殖以增加细胞的数量,正常细胞增殖过程中存在接触抑制,即细胞之间的接触会影响细胞增殖,A合理;对比处理组与对照组发现,添加F后,“窗口”远端的细胞继续增殖和分化,说明对照组“窗口”远端的细胞仍具有增殖、分化的潜能,B不合理;由题图可知,“窗口”再生的方向与两端H酶的活性高低有关,由活性低的向活性高的方向再生,添加F后可抑制远端H酶活性,使组织再生的方向往中间延伸,C合理;图中的近端和远端为同一个“窗口”,只能判断出再生的方向,若要判断出再生的能力,则需沿鳍近、远端各开“窗口”分别观察,D合理。
二、细胞的全能性和干细胞
1.(2025·河南卷,T5)导管是被子植物木质部中运输水分和无机盐的主要输导组织,由导管的原始细胞分裂、分化、死亡后形成。下列叙述正确的是()。
A.细胞坏死形成导管的过程是一种自然的生理过程
B.分化成熟后的导管仍具备脱分化和再分化的能力
C.导管的原始细胞与叶肉细胞的基因表达情况存在差异
D.细胞骨架在维持导管的形态及物质的运输中发挥作用
【答案】 C
【解析】 细胞坏死是一种非自然的生理过程,形成导管的细胞死亡属于细胞凋亡,A错误;分化成熟后的导管是死细胞,没有细胞骨架,也不具备脱分化和再分化的能力,B、D错误;导管的原始细胞与叶肉细胞的遗传物质相同,但结构、形态和功能存在差异,源于基因的选择性表达,C正确。
2.(2024·吉林卷,T2)手术切除大鼠部分肝脏后,残留肝细胞可重新进入细胞周期进行增殖;肝脏中的卵圆细胞发生分化也可形成新的肝细胞,使肝脏恢复到原来体积。下列叙述错误的是()。
A.肝细胞增殖过程中,需要进行DNA复制
B.肝细胞的自然更新伴随着细胞凋亡的过程
C.卵圆细胞分化过程中会出现基因的选择性表达
D.卵圆细胞能形成新的肝细胞,证明其具有全能性
【答案】 D
【解析】 细胞的全能性是指细胞分裂和分化后,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。肝脏中的卵圆细胞能形成新的肝细胞,但没有分化成其他各种细胞或产生完整有机体,不能证明其具有全能性,D错误。
考点二 细胞的衰老和死亡
【夯实基础】
一、细胞的衰老
1.细胞衰老与个体衰老的关系
总体上看,个体衰老的过程也是组成个体的 细胞普遍衰老 的过程。
2.细胞衰老的特征
(1)代谢的变化
【思考】
衰老个体中是否所有细胞都衰老?衰老细胞中是否所有酶活性都降低? 衰老个体中并非所有细胞都衰老,并且衰老细胞中并非所有酶活性都降低。多细胞生物个体衰老时,其细胞普遍衰老,但衰老个体中也会有“新生细胞”(如造血干细胞)生成。细胞衰老时,其多数酶活性降低,然而与衰老相关基因表达的酶的活性升高 。
(2)细胞核的变化:体积 增大 ;核膜 内折 ;染色质 收缩 、染色加深。
3.细胞衰老的原因
(1)自由基学说:细胞代谢中产生的自由基会攻击 生物膜、DNA和蛋白质 ,致使细胞衰老。
(2)端粒学说:每条染色体的两端都有一段特殊序列的 DNA—蛋白质复合体 ,称为端粒。染色体两端的端粒会随着细胞分裂次数的增加而 缩短 ,导致端粒内侧正常基因的DNA序列受到损伤,使细胞活动渐趋异常。
4.细胞衰老的意义
细胞衰老是人体内发生的正常生命现象,正常的细胞衰老有利于机体更好地实现自我更新。
二、细胞的死亡
1.细胞凋亡(细胞死亡的一种主要方式)
2.细胞凋亡的机理
【判断对错】
(1)人成熟的红细胞衰老后控制其凋亡的基因开始表达。 (×)
【提示】 人成熟的红细胞没有细胞核,与衰老相关的基因表达发生在细胞核消失之前,即人成熟的红细胞衰老后不存在凋亡的基因表达。
(2)细胞凋亡过程中不需要新合成蛋白质。 (×)
【提示】 细胞凋亡是指由基因决定的细胞自动结束生命的过程,细胞凋亡过程中有控制凋亡的基因表达,需要新合成蛋白质。
3.细胞坏死
【概念辨析】
区分与病原体感染有关的细胞死亡情况:细胞若被病原体感染而被动、无序死亡,则属于细胞坏死;细胞若感染后自身启动基因调控,而后被机体免疫系统清除,则属于细胞凋亡。
4.细胞自噬
【高考链接】
一、细胞衰老的特征和原因
1.(2025·甘肃卷,T4)绝大多数细胞在经历有限次数的分裂后不再具有增殖能力而进入衰老状态。癌细胞具有较高的端粒酶活性,能防止端粒缩短,体外培养时可无限增殖不衰老。关于细胞衰老,下列叙述错误的是()。
A.衰老的细胞中细胞核形态异常,核质间的物质交换频率降低
B.细胞产生的自由基可以通过攻击DNA和蛋白质引起细胞衰老
C.体外培养癌细胞时,培养液中加入端粒酶抑制剂可诱导癌细胞衰老
D.将衰老细胞与去细胞核的年轻细胞融合,获得的融合细胞可以增殖
【答案】 D
【解析】 衰老细胞的细胞核体积增大,导致核质间物质交换效率降低,A正确;自由基会学说指出,自由基会攻击DNA、蛋白质等生物大分子,导致细胞衰老,B正确;癌细胞依赖端粒酶维持端粒长度以无限增殖,抑制端粒酶活性会导致端粒缩短,最终引发癌细胞衰老,C正确;衰老与细胞核密切相关,融合细胞的核来自衰老细胞,即使细胞质年轻,仍无法恢复增殖能力,D错误。
2.(2025·湖北卷,T13)科研人员以SA-β-Gal作为细胞衰老的分子标志,以EdU作为细胞DNA复制的标记,揭示了AP2A1蛋白通过调节p53蛋白表达量来影响细胞衰老的机制,实验结果如下图。下列叙述错误的是()。
A.对照组中也有衰老的细胞
B.蛋白质AP2A1促进了细胞中p53蛋白积累
C.据图可推测衰老细胞中各种蛋白质的表达量上升
D.含EdU标记的细胞所占比例越大,表明细胞增殖越旺盛
【答案】 C
【解析】 分析题图可知,对照组的SA-β-Gal含量不为0,而SA-β-Gal是细胞衰老的分子标志,因此对照组中也有衰老的细胞,A正确;分析题图可知,AP2A1基因过表达组的p53蛋白含量明显比对照组多,推测蛋白质AP2A1促进了细胞中p53蛋白的积累,B正确;据图可知,衰老细胞中与衰老有关的蛋白质表达量增加,但不是各种蛋白质的表达量都会增加,C错误;EdU作为细胞DNA复制的标记,细胞增殖过程中会发生DNA复制,所以含EdU标记的细胞所占比例越大,表明细胞增殖越旺盛,D正确。
4.(2024·湖南卷,T4)部分肺纤维化患者的肺泡上皮细胞容易受损衰老。下列叙述错误的是()。
A.患者肺泡上皮细胞染色体端粒可能异常缩短
B.患者肺泡上皮细胞可能出现DNA损伤积累
C.患者肺泡上皮细胞线粒体功能可能增强
D.患者肺泡上皮细胞中自由基可能增加
【答案】 C
【解析】 由题干可知,部分患者肺泡上皮细胞容易受损衰老。由细胞衰老的端粒学说可知,染色体中端粒缩短,端粒内侧正常基因的DNA序列会受到损伤,细胞活动渐趋异常,导致细胞衰老,A、B正确;衰老细胞的呼吸速率减慢,表明其线粒体功能可能减弱,C错误;根据细胞衰老的自由基学说,细胞代谢产生的自由基会攻击和破坏细胞内各种执行正常功能的生物分子,引起细胞衰老,D正确。
二、以情境为载体考查细胞的死亡(高频)
1.(2025·重庆卷,T13)在T细胞凋亡和坏死过程中,ATP生成速率和氧气消耗速率如图1、2所示,下列说法错误的是()。
A.可根据氧气的消耗速率计算ATP生成的总量
B.有氧呼吸中氧气的消耗发生在线粒体的内膜
C.在t1时,凋亡组产生的乳酸比坏死组多
D.在t2时,凋亡组产生的CO2比坏死组多
【答案】 A
【解析】 无氧条件下,细胞无氧呼吸也可以产生ATP,仅根据氧气的消耗速率无法计算ATP 生成的总量,A错误;有氧呼吸第三阶段消耗氧气,场所在线粒体内膜,B正确;在t1时,凋亡组和坏死组氧气消耗速率相等,凋亡组ATP生成速率大于坏死组,因此凋亡组无氧呼吸产生的乳酸多,C正确;在t2时,凋亡组氧气消耗速率大于坏死组,因此凋亡组产生的CO2比坏死组多,D正确。
2.(2025·四川卷,T3)通俗地说,细胞自噬就是细胞“吃掉”自身的结构和物质。下列叙述错误的是()。
A.溶酶体作为“消化车间”可为细胞自噬过程提供水解酶
B.线粒体作为“动力车间”为细胞自噬过程提供所需能量
C.细胞自噬产生的氨基酸可作为原料重新用于蛋白质合成
D.细胞自噬“吃掉”细胞器不利于维持细胞内部环境稳定
【答案】 D
【解析】 溶酶体含有多种水解酶,能分解衰老、损伤的细胞器等,可作为 “消化车间” 为细胞自噬过程提供水解酶,A正确;线粒体是有氧呼吸主要场所,能为细胞生命活动(包括细胞自噬)提供能量(ATP),B正确;细胞自噬分解衰老细胞器等产生氨基酸,氨基酸可作为原料参与蛋白质合成,C正确;细胞自噬 “吃掉” 衰老、损伤的细胞器,能维持细胞内部环境稳定,有利于细胞正常代谢,D错误。
3.(2025·湖南卷,T4)单一使用干扰素-γ治疗肿瘤效果有限。降低线粒体蛋白V合成,不影响癌细胞凋亡,但同时加入干扰素-γ能破坏线粒体膜结构,促进癌细胞凋亡。下列叙述错误的是()。
A.癌细胞凋亡是由基因决定的
B.蛋白V可能抑制干扰素-γ诱发的癌细胞凋亡
C.线粒体膜结构破坏后,其DNA可能会释放
D.抑制蛋白V合成会减弱肿瘤治疗的效果
【答案】 D
【解析】 细胞凋亡是由基因决定的细胞自动结束生命的过程,A正确;根据题意可知,降低线粒体蛋白V合成,同时加入干扰素-γ会促进癌细胞凋亡,由此推测蛋白V可能抑制干扰素-γ诱发的癌细胞凋亡,所以抑制蛋白V合成会增强肿瘤治疗的效果,B正确,D错误;线粒体是半自主性细胞器,含有少量DNA,线粒体膜结构破坏后,其DNA可能会释放出来,C正确。
4.(2025·北京卷,T4)科学家对线虫进行诱变,发现C3基因功能缺失突变体中本应凋亡的细胞存活,C9基因功能缺失突变体中本不应凋亡的细胞发生凋亡。下列叙述错误的是()。
A.C3基因促进细胞凋亡
B.C9基因抑制细胞凋亡
C.细胞凋亡不利于线虫发育
D.细胞凋亡受基因的调控
【答案】 C
【解析】 C3基因功能缺失导致本应凋亡的细胞存活,说明正常C3基因促进细胞凋亡,A正确;C9基因功能缺失导致本不应凋亡的细胞凋亡,说明正常C9基因抑制细胞凋亡,B正确;细胞凋亡是生物体正常发育的基础,有利于线虫发育,C错误;细胞凋亡是由基因控制的程序性死亡,受基因的调控,D正确。
三、细胞生命历程的综合分析
1.
(2025·江苏卷,T9)右图表示小肠上皮组织,a~c表示3类不同功能的细胞。下列相关叙述错误的是()。
A.a类干细胞分裂产生的子细胞都继续分化成b类或c类细胞
B.压力应激引起a类干细胞质膜通透性改变,可促使干细胞衰老
C.c类细胞凋亡和坏死,对细胞外液的影响不同
D.3类不同功能的细胞都表达细胞骨架基因
【答案】 A
【解析】 a类干细胞分裂产生的子细胞,一部分继续保持干细胞的状态,另一部分分化成b类或c类细胞,并非都继续分化成 b类或 c类细胞,A错误。压力应激引起a类干细胞质膜通透性改变,会影响细胞内的正常代谢等,可促使干细胞衰老,B正确。细胞凋亡是由基因决定的细胞自动结束生命的过程,对机体是有利的;细胞坏死是在种种不利因素影响下,由细胞正常代谢活动受损或中断引起的细胞损伤和死亡,对机体是有害的,所以c类细胞凋亡和坏死对细胞外液的影响不同,C正确。3类不同功能的细胞都需要细胞骨架发挥作用,都表达细胞骨架基因,D正确。
2.(2025·重庆卷,T2)在中国文化中,“肝胆相照”用来比喻朋友之间真心相待。研究表明,当某实验动物的肝脏或者胆管受到严重损伤时,机体可通过下图所示的相互转化机制进行修复。据图分析,下列叙述正确的是()。
A.肝、胆严重损伤时,内环境稳态的破坏是细胞凋亡所致
B.过程①②为细胞增殖,在细胞分裂中期染色体数目会加倍
C.过程③产生的细胞,其分化程度比胆管细胞高
D.过程④⑤中均存在基因的选择性表达
【答案】 D
【解析】 肝、胆严重损伤是由外界因素导致的细胞坏死,而不是细胞凋亡,所以内环境稳态的破坏不是细胞凋亡所致,A错误;过程①②为细胞增殖,在细胞分裂后期,着丝粒分裂,染色体数目加倍,B错误;过程③产生的细胞是干细胞特性的细胞,其分化程度比胆管细胞低,C错误;过程④⑤是细胞分化过程,细胞分化的实质是基因的选择性表达,D正确。
【思维训练系列】 分析数据
【思维案例】
人体不同细胞的寿命和分裂能力不同(见下表)。请分析表中有关数据,回答下列问题:
细胞
种类
小肠上皮
细胞
平滑肌细
胞(分布于
内脏器官)
心肌细胞
神经细胞
白细胞
寿命
1~2 d
很长
很长
很长
5~7 d
能否
分裂
能
能
不能
绝大多
数不能
不能
1.有人认为,细胞寿命与细胞分裂能力之间有明显的对应关系,寿命越短的细胞,其分裂能力一定越强。你是否支持这种说法?请分析说明。
。
【答案】 不支持。表中数据显示,细胞的寿命与分裂能力无明显对应关系。寿命短的细胞不一定能分裂(如白细胞),寿命长的细胞有些能分裂(如平滑肌细胞)
2.细胞的寿命和分裂能力与它们承担的功能有关系吗?
。
【答案】 有关系
【高考链接】
(2025·北京卷,T21节选)有一个远离大陆的孤岛,陆生哺乳动物几乎无法到达,人类活动将食肉动物貉带到该岛上。科学家在岛上采集貉的新鲜粪便,提取DNA,扩增并分析了10个微卫星“基因”,结果在30份样品中成功鉴定出个体(如表)。几个月后再次采集貉的新鲜粪便,进行同样的分析,在40份样品中成功鉴定出个体(如表)。据此,科学家估算出该岛上貉的种群数量。
两次采样所鉴定出的貉的个体编号
第一次采集的30份粪便样品所对应的个体编号
N01
N02
N03
N04
N05
N06
N07
N08
N08
N09
N10
N11
N12
N12
N13
N14
N14
N15
N16
N17
N18
N18
N19
N20
N21
N22
N22
N23
N24
N24
第二次采集的40份粪便样品所对应的个体编号
N03
N04
N05
N08
N09
N09
N12
N14
N18
N23
N24
N25
N26
N26
N26
N27
N28
N29
N30
N30
N31
N32
N32
N33
N33
N33
N34
N35
N36
N37
N38
N39
N40
N41
N42
N43
N44
N44
N45
N46
(3)科学家根据表中信息,使用了 法的原理来估算这个岛上貉的种群数量,计算过程及结果为
。
【答案】 (3)标记重捕 根据标记重捕法的计算公式N=(M×n)/m,则该岛上貉的种群数量N=(24×32)/10≈77(只)
【解析】 科学家采用了标记重捕法的原理来估算种群数量。第一次采集 30 份粪便样品鉴定出24个不同个体(相当于标记数M=24),第二次采集40份粪便样品鉴定出32个不同个体(相当于重捕数n=32),其中两次都有的个体数为10个(相当于重捕中被标记的个体数m=10)。根据标记重捕法的计算公式N=(M×n)/m,则该岛上貉的种群数量N=(24×32)/10≈77(只)。
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