4.2《细胞通过分化产生不同类型的细胞》课件-2026-2027学年高一上学期生物浙科版必修1

该高中生物学课件围绕细胞分化、干细胞、细胞全能性及细胞衰老与凋亡展开，以“二宝救大宝”脐带血移植案例导入，通过干细胞分类、分化实质探究、科学史（如山中伸弥iPSCs研究）等构建知识脉络，衔接细胞分裂与分化、凋亡与坏死的对比学习。 其亮点在于融合生命观念（如细胞全能性的结构与功能观）、科学思维（通过基因表达表格分析分化实质）和探究实践（“猜想细胞分化实质”活动），结合端粒学说、秀丽隐杆线虫凋亡研究等科学案例，采用案例导入与活动探究结合的教学方法。学生能联系生活实际理解抽象概念，教师可借助结构化资料提升教学效率，培养学生的科学素养与社会责任意识。

4.2 细胞通过分化产生不同类型的细胞 高中生物浙科版必修一 1 10月27日,在广东省台心医院南方春富(儿童)血液病研究院的努力下,顺利完成了一例自存脐带血造血干细胞亲缘移植。 本次接受脐带血造血干细胞移植的,是一名 -重型地中海贫血病患儿。患儿的主治医生李春富教授,是广东省地中海贫血防治协会名誉会长、台心医院南方春富(儿童)血液病研究院院长。据李春富教授介绍,造血干细胞移植是目前根治这种贫血病的首选方法,脐带血造血干细胞具有不易受病毒或肿瘤污染、采集时无痛无伤害等不可替代的优势。而患儿父母又有留存二宝的脐带血,所以首选脐带血造血干细胞进行移植治疗。很快,好消息传来。患儿父母留存在脐血库的二宝脐带血,配型相合,大宝可以接受移植治疗! 2 干细胞 干细胞是一类可以分化成各种细胞的分化程度低的细胞。 全能干细胞(受精卵) 多能干细胞(造血干细胞) 单能干细胞(成肌干细胞) 按照分化能力高低可分为下列三种细胞: 3 受精卵 成人约含有1014个细胞,有200多种不同的类型 细胞在形态、结构和功能上发生持久的、差异性变化的过程称为细胞分化 去思考这些 4 肌肉 组织 胚胎干细胞 骨髓干细胞 造血干细胞 淋巴干细胞 血小板 粒细胞 红细胞 淋巴T细胞 淋巴B细胞 肌肉干细胞 成肌干细胞 骨骼肌细胞 心肌细胞 平滑肌细胞 结缔 组织 其他 组织 器官 系统 个体 分化 细胞分化的过程 分裂和分化 5 表皮细胞 叶肉细胞 分生细胞 导管、筛管 保护组织 营养组织 分生组织 输导组织 植物细胞分裂后的“变化” 高度分化的细胞一般失去分裂能力。如神经细胞、植物成熟的叶肉和表皮细胞 生物的个体发育就是通过细胞的分化过程来实现的。 生物体的正常发育,是细胞分化受到高度精妙调控的结果。 6 活动:猜想细胞分化的实质 资料: 1.蛋白质是生命活动的主要承载者。 2.细胞中,基因是一段具有遗传效应的DNA。 3.特定的基因控制特定的蛋白质合成称为基因的表达(图例如下) 遗传物质 DNA ATP 合成酶 基因 肌肉蛋白 基因 晶状体蛋白基因 胰岛素 基因 蛋白质 ATP 合成酶 肌肉蛋白 晶状体蛋白 胰岛素 mRNA 7 活动:猜想细胞分化的实质 1.讨论猜想细胞分化的原因。 2.根据猜想,讨论肌细胞和胰岛 细胞所含的基因和蛋白质, 并将基因和蛋白质填入表格中。 细胞 所含基因 所含蛋白 肌细胞 胰岛 细胞 问题: 1.表中结果是否支持遗传物质部分丢失的观点? 2.据表分析造成这两种分化细胞差异性的原因是什么? 细胞分化并非由于遗传物质丢失造成的,与遗传物质有选择的发挥作用(基因的选择性表达)有关 8 活动:猜想细胞分化的实质 细胞 种类 基因 蛋白质 ATP 合成酶基因 肌肉蛋白基因 晶状体蛋白基因 胰岛素 基因 ATP 合成酶 肌肉 蛋白 晶状体蛋白 胰岛素 肌细胞 + + + + + + 胰岛 细胞 + + + + + + 有的基因是维持细胞生存所必须的(管家基因),在各类细胞中都处于活动状态,有的基因在不同组织细胞中表现不同的活动状态(奢侈基因),从而造成同一个体不同组织细胞中呈现出形态、结构和功能的特异性变化。 9 分化的特点 (1). 细胞分化贯穿在生物体的整个发育过程中。 持久性 (3). 黑色素细胞培养30多代之后依然为黑色素细胞,而不会变为其它类型的细胞,也不会恢复为分化前的细胞。 稳定性和一般不可逆性 (2).对于多细胞生物来说,从低等生物到高等生物都存在细胞分化现象。 (4). 红细胞和肌肉细胞都具有肌动蛋白基因和血红蛋白基因。 遗传物质不变 普遍性 10 讨论与交流 新生儿脐带血与父母配型成功概率是50%,与兄弟姐妹配型成功概率是25%,自体保存的脐带血完全不存在排斥反应,无血缘关系供体间配型,配型成功的概率仅在十五万分之一至三十万分之ー (1)“二宝救大宝”的方案中是否存在风险? (2)根据你所学的知识,我们还能找到哪些治疗方案? 干细胞 山中伸弥 (2012年诺贝尔生理或医学奖获得者) 他的研究有何意义?为何值得一个诺贝尔奖。 iPSCs对于再生医学研究是一个巨大的福利,研究人员可以用一个人的皮肤细胞、血细胞或者其他细胞进行重新编码,将它们转化为诱导性多功能干细胞,这些细胞就可以分化为干细胞、神经细胞或是其他任何需要再生的细胞。这种个性化的疾病治疗方法不仅可以规避免疫排斥的风险,还能避免使用胚胎干细胞带来的伦理方面的争论。 器官移植具有免疫排斥反应,干细胞的获取更加容易 由胚胎来源所引发的问题是干细胞研究的另一个伦理争议点。用于研究的人类胚胎干细胞可能通过下列方式获得:体外受精时多余的配子或囊胚、自然或自愿选择流产的胎儿细胞、体细胞核移植技术所获得的囊胚和单性分裂囊胚、自愿捐献的生殖细胞、以研究为目的制造的胚胎,等等。不同来源的胚胎干细胞的伦理敏感度不同。除了使用自然流产的胎儿细胞或人工授精后的剩余胚胎之外,是否可以运用体外受精技术制造胚胎?是否还可以利用无性生殖技术复制出胚胎以供研究?如果这样可以的话,那么是否可以允许克隆人?这是一个渐进式的问题串。一旦一步步地放开许可,其伦理尺度也将越来越大。由此,人们对干细胞的未来发展充满担忧。 12 细胞全能性 为什么分化的细胞具有全能性? 体细胞中都含有该物种全套的遗传物质, 都含有发育成完整个体所必需的全部基因 1.定义: 指高度 的组织细胞仍具有 的潜能。 分化 发育成完整个体 13 细胞具有全能性 高度分化的植物组织具有发育成完整植株的潜能,保持着发育的全能性。 14 细胞具有全能性 高度分化的植物组织具有发育成完整植株的潜能,保持着发育的全能性。 15 高度分化的高等动物细胞的不表现出全能性,原因是细胞内物质的限制 高度分化的动物细胞的细胞核仍具有全能性 细胞核具有全能性的原因在于细胞核内具有全部的遗传物质。 细胞的全能性 一般将全能性定义为分化为各种细胞的特性,对于哺乳动物的各种细胞,除了完整有机体的各种细胞还包括胚外组织。因此胚胎干细胞并不是严格意义上具有全能性的细胞,因为通常不能形成胎盘的胚外组织细胞。但是教材此处把这个概念扩大化了。不需要过分纠结于概念的变化,现在的叙述其实具有一定的等价性。 分化为各种细胞——其含义就是可以分化形成所有细胞类型,自然也就可以形成完整的有机体——这一点对于人而言尤为重要,因为不伦理上人类克隆不允许形成完整个体,科学家的人类克隆是指培养出类似胚胎干细胞的细胞以及胚外组织细胞。 16 2.细胞全能性的大小比较: ① 不同的细胞具有不同的全能性 ② 分化程度越高,分裂能力越 ,全能性越 植物细胞 动物细胞 > 受精卵 生殖细胞 体细胞 > > 弱 低 17 细胞具有全能性 细胞全能性的应用: ①快速繁殖花卉、蔬菜等 ②拯救珍稀、濒危动植物 ③克隆人体器官,用于器官移植 体细胞克隆猴“中中”、“华华” 18 比较细胞分裂和分化 细胞 变化 发生 时间 在个体发 育中意义 数量增多 细胞分裂 细胞分化 细胞形态、结构、功能发生稳定性差异 发生在整个生命进程中 发生在整个生命进程中, 胚胎时期达到最大限度 保持亲代和子代 之间遗传稳定性 没有细胞分化,生物体 不能进行正常发育 细胞分裂是分化的基础 19 第4章 细胞的生命历程 4.3 细胞凋亡是编程性死亡 课程导入 “生老病死”是生物界的普遍现象,生物个体是这样,作为生物体基本结构和功能单位的细胞亦如此。细胞的衰老、死亡是如何发生的?对生命活动有什么意义? 21 一、衰老细胞的结构和代谢产生异常 早年衰老综合征,又称儿童早衰症,属遗传病,1886年首见报道。患该病的儿童的身体衰老速度比正常衰老过程快5~10倍,使其貌如老人。患者体内的器官快速衰老,造成各种生理机能下降。儿童早衰症病童常出现的症状包括脱发、较晚长牙、身材矮小及皮下脂肪减少等,但病童的心智年龄大多与同龄儿童无异。病童一般只能活7~20年,大多死于心血管疾病等衰老病。目前没有有效治疗儿童早衰症的是什么原因让这些患病儿童过早地衰老呢? 22 (一)衰老(老化)的概念 通常指生物个体发育成熟后,随着年龄的增加,机能减退,内环境稳定性下降,趋向死亡的不可逆现象。 整体 种群 个体 细胞 分子 机体的衰老是否源于细胞的衰老? 23 单细胞生物 个体衰老与死亡=细胞衰老与死亡 多细胞生物 个体衰老与死亡=细胞衰老与死亡 细胞普遍衰老与死亡 例如,高等动物和人的肠道上皮细胞,每24~48 h就更新一次;人红细胞的寿命为100~120天。人体每立方毫米血液中有数百万个红细胞,所以每分钟就有数百万至数千万个红细胞死亡,同时又有同样多的新细胞生成。至于生物体表面每天死亡和脱落的细胞,更是数不胜数。 生物体内的细胞不断地衰老和死亡,同时又有增殖产生的新细胞来代替它们。 25 (二)细胞衰老的特征 生理生化变化 形态结构变化 1. 细胞膜:膜脂氧化导致细胞膜流动性降低; 2. 细胞质:细胞质色素积累、空泡形成;线粒体的数量随年龄增大而减少,体积则随年龄增大而变大;哺乳动物脂褐质的沉积; 3. 细胞核:细胞核体积增大,染色加深,核膜内陷,染色质凝聚、碎裂、溶解; 1. DNA的功能受抑制,RNA含量降低; 2. 蛋白质合成下降,酶的活性降低; 3. 呼吸变慢等 26 (三)细胞衰老与机体衰老的关系 衰老症状 原因分析 皮肤干燥、发皱 头发变白(黑色素少) 老人斑 吸收能力下降 细胞水分减少,体积减小 细胞内的酶活性降低 细胞内色素(脂褐素)的累积 细胞膜通透性功能改变 无力 细胞内呼吸速度减慢 “君不见高堂明镜悲白发,朝如青丝暮成雪” 衰老的原因是细胞不再分裂,细胞之所以停止分裂,是因为受到端粒长短的限制。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。端粒DNA序列在每次细胞分裂后会缩短一截。随着细胞分裂次数的增加,截短的部分会逐渐向内延伸。在端粒DNA序列被“截”短后,端粒内侧正常基因的DNA序列就会受到损伤,结果使细胞活动渐趋异常。 1. 端粒学说 28 2009年诺贝尔奖——端粒和端粒酶保护染色体的机理 29 2. 一些与衰老相关基因的活化; 3. 细胞代谢产物积累到一定量后会危害细胞,引起衰老,如哺乳动物脂褐质的沉积; 4. 化学性质活泼的自由基攻击生物体内的DNA、蛋白质和脂类等大分子物质,造成损伤; 5. 随着年龄的增加,机体自我修复能力下降,导致遗传物质发生改变时不能完全修复,“错误”累积等导致细胞的衰老。 30 异常活泼的带电分子或基团 ①什么是自由基? 含有未配对的电子, 有高度的反应活泼性。 ②自由基的特性? ③自由基的产生? A. 胞内的氧化反应产生 B. 辐射和有害物质的入侵刺激细胞产生。 ④自由基的危害? 31 衰老的控制不仅在于细胞内部,同时也与外部环境有关。良好的外部环境可以延缓细胞的衰老。对人类来说,合理的饮食结构、良好的生活习惯、适当的运动和乐观的人生态度等都有利于延缓衰老。 32 二、衰老细胞的死亡受基因的调控 (一)细胞凋亡的概念 是借用古希腊语,表示细胞像秋天的树叶一样凋落的死亡方式。 细胞凋亡是细胞发育过程中的必然步骤,是由某种基因引发的。这种严格受基因调控的死亡,属于正常的生理性变化,不同于病变或伤害导致的病理性死亡。 33 (二)细胞凋亡的表现 1. 染色质聚集、分块、位于核膜上; 2. 胞质凝缩; 3. DNA被有规律地降解为大小不同的片段,最后核断裂,细胞通过出芽的方式形成许多凋亡小体; 4. 凋亡小体内有结构完整的细胞器,还有凝缩的染色质,可被邻近细胞吞噬、消化。 细胞凋亡因始终有膜封闭,没有内含物释放,故不会引起炎症。 正常白细胞 凋亡白细胞 34 实质:与凋亡相关的基因选择性表达的结果。 思考:凋亡细胞内基因表达都下降,酶活性都减弱吗? 不是。其中促进细胞凋亡的基因加强,相应的酶活性也增强。 35 2002年诺贝尔奖——细胞凋亡的分子机理 36 拓展延伸 秀丽隐杆线虫与细胞凋亡的发现 秀丽隐杆线虫是一种在土壤中自由生活的线虫,成 体仅1.5mm长。其生命周期短,全身透明,易于观察。其 雌雄同体成虫有959个体细胞,雄成虫有1031个体细胞, 每一个体细胞的发育情况都研究得较为清楚,且发育规 律在每个个体之间是几乎不变的。两种性别的个体,都 有许多的细胞将经由细胞凋亡的过程被除去。 秀丽隐杆线虫具有价格低廉,试验操作方便简单,基因组容量小、全序列已知,可操控性强等诸多优点,可作为模式生物应用于众多生物学研究。 37 1963年,悉尼 布伦纳(Sydney Brenner,1927—)选择秀丽隐杆线虫作为试验生物模型,把基因分析、细胞分化及组织器官发育联系起来,并通过显微镜直接观察研究细胞分化,开创了一个全新的领域,具有里程碑的意义。 约翰 萨尔斯顿(Sir John Sulston,1942-2018)利用微分干涉显微镜研究秀丽隐杆线虫的细胞。20世纪60年代末,他开始追踪秀丽隐杆线虫发育过程中每个细胞的分裂和分化过程。他用该技术完成了从受精卵到成体的959个细胞的系统研究,绘制出秀丽隐杆线虫发育细胞谱系。在研究细胞谱系的过程中,萨尔斯顿发现秀丽隐杆线虫的全部1090个细胞中的131个细胞以一种不变的方式,在固定的发育时间和固定位置消失,即细胞凋亡。 38 罗伯特 霍维茨(H.Robert Horvitz,1947—)继承了悉尼 布伦纳及约翰 萨尔斯顿的研究工作。从20世纪70年代开始,他开展了一系列的实验,研究是否存在一个控制细胞凋亡的分子机制。在1986年所发表的一篇开创性的论文中,他证明了两个“致死基因”(ced-3和ced-4)是细胞凋亡得以完成的一个先决条件。继而,他证明另一个基因(ced-9)可通过与前述两个“致死基因”的相互作用来阻止细胞凋亡。 开启 关闭 细胞存活 细胞凋亡 细胞凋亡 39 细胞凋亡是细胞死亡的一种主要方式 40 2. 人胚胎发育过程中会产生过量的神经细胞,需要调整神经细胞的数量,使之与受神经细胞支配的细胞数量相适应,以保证神经系统对生命活动的精确调节。这种调整也是通过细胞凋亡实现的。 41 约50%的神经细胞的凋亡 42 植物胚柄的退化 43 (四)细胞凋亡的意义 思考:某人因长期吸烟,导致肺部局部细胞病变死亡,属于细胞凋亡吗? (1)在胚胎发育时期清除多余的细胞,有利器官建成。 (2)在成体中,细胞的自然更新,被病原体感染的细胞的清除,也是通过细胞凋亡完成的。 细胞死亡有两种形式:细胞坏死和细胞凋亡。 44 方式 细胞凋亡 细胞坏死 原因 范围 大片组织或成群细胞 细胞膜 细胞器 无明显变化 肿胀、内质网崩解 细胞体积 细胞凋亡和细胞坏死的比较 正常生理变化 病理性变化或剧烈损伤 多为单个细胞 内陷 破损 收缩变小 肿胀变大 凋亡小体 无,细胞自溶,残余被吞噬细胞吞噬 DNA的变化 随即断裂 调节过程 炎症反应 不释放细胞内容物,无炎症反应 对机体的影响 对机体有利 对机体有害 有,被邻近细胞吞噬,消化 有规律的降解成大小不同的片段 受到基因调控 被动进行 释放细胞内容物,引发炎症 项目 细胞的凋亡 细胞的坏死 别称 细胞编程性死亡 细胞病理性死亡 与基因的关系 受基因控制的 不受基因控制 对机体的影响 对机体有利 对机体有害 细胞坏死 细胞凋亡 线粒体形态学变化 染色体样式保守 膜破裂 线粒体形态学保守 细胞核变化 染色体片段 凋亡小体 完整的膜 6. 研究发现,直肠癌患者体内存在癌细胞和肿瘤干细胞。用姜黄素治疗,会引起癌细胞内BAX等凋亡蛋白高表达,诱发癌细胞凋亡;而肿瘤干细胞因膜上具有高水平的ABCG2蛋白,能有效排除姜黄素,从而逃避凋亡,并增殖分化形成癌细胞。下列叙述错误的是( ) A. 肿瘤干细胞和癌细胞中基因的活动状态不同 B. 肿瘤干细胞的增殖及姜黄素的排除都需要消耗ATP C. 编码BAX蛋白和ABCG2蛋白的基因都属于原癌基因 D. 用ABCG2抑制剂与姜黄素联合治疗,可促进肿瘤干细胞凋亡 C $