浙科版 (2019)选择性必修3 生物技术与工程第一节 细胞培养是动物细胞工程的基础学案

这是一份浙科版 (2019)选择性必修3 生物技术与工程第一节 细胞培养是动物细胞工程的基础学案，共11页。


一、动物体细胞可在体外适宜条件下进行培养
1．动物细胞培养(animal cell culture)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。
2．动物细胞的生长和增殖需要适宜的温度、湿度、pH、气体条件。
(1)二氧化碳培养箱可模拟类似体内的生长环境条件而用于动物细胞培养。
(2)培养箱不仅提供了适宜的温度，还能控制稳定的pH环境。
(3)造成培养基pH波动的主要物质是细胞代谢产生的CO2。
(4)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。
(5)95%的空气可以保证细胞呼吸对氧气的需要。
3．培养动物细胞需要提供无菌、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)除了培养材料、培养基、培养环境、操作过程严格控制无菌外，在培养基中加入抗生素也能抑制细菌和真菌的生长，从而预防污染。
(3)动物细胞培养液中常含有在高温条件下变性失去功能的物质，如血清等，因而对培养液的这些成分采用过滤除菌。
(4)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．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。
(2)天然培养基主要来自动物体液或动物组织分离提取液，如血清、淋巴液、鸡胚浸出液等。
(3)合成培养基是根据细胞生存所需物质的种类和含量，用人工方法模拟合成的，便于对各种成分进行人工控制和标准化。
二、动物细胞培养包括原代培养和传代培养
1．原代培养是指细胞或组织离开有机体后的首次培养。
(1)培养过程
取材―→解离细胞―→制成细胞悬液―→接种―→培养。
(2)解离细胞的方法是先将组织块剪碎，用胰蛋白酶或胶原蛋白酶等消化处理一段时间，使组织松散，细胞分开。
(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。
①贴附是有机体细胞在体内生存和生长发育的基本方式，包括细胞与细胞间的相互接触和细胞与细胞外基质之间的相互接触。
②来源于血液、淋巴组织的细胞以及某些肿瘤细胞不需要贴附在支持物上，而是呈悬浮生长状态。
(4)接触抑制是体外细胞培养时贴附型细胞生长的特性。
①当细胞由于移动而相互靠近发生接触时，细胞不再移动，接触区域的细胞膜皱褶样活动停止，最终细胞分裂停止，这种现象称为接触抑制。
②是否接触抑制可作为区别正常细胞与癌细胞的标志之一。
2．传代培养是指将原培养瓶内的细胞分离并稀释后转到多个培养瓶中，在新的培养基中进行的培养。
(1)细胞系：原代培养物经首次传代成功后即成细胞系。
①连续细胞系：能连续培养下去的细胞系称为连续细胞系或无限细胞系。
②有限细胞系：不能连续培养下去的细胞系称为有限细胞系。
(2)细胞株：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。
①特点：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类型：连续细胞株、有限细胞株。
③比较：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。
(3)细胞克隆
①定义：把一个单细胞从群体中分离出来单独培养，使之繁衍成一个新的细胞群体的技术，称为细胞克隆(cell clning)或克隆培养(clne culture)。
②细胞克隆的最基本要求是：必须保证分离出来的细胞是一个而不是多个，即必须肯定所建成的克隆来源于单个细胞。
3．动物细胞培养的应用
(1)在动物细胞、组织培养技术还不成熟的时期，研究人员主要选取整个动物体或其组织、细胞予以固定，然后通过观察来了解细胞的形态结构和生命活动。
(2)动物细胞培养技术完善之后，能直接观察到培养细胞的动态变化过程，从而能直接观察、分析细胞的形态结构和真正意义上的生命活动。
(3)培养正常或病变的细胞，可用于生理、病理、药理等方面的研究。
(4)细胞培养在现实生活中具有重要意义，如皮肤细胞的培养用于烧伤患者的皮肤移植，其他器官的细胞培养用于相关损伤组织器官的修复等。
(5)借助于某些细胞的大规模培养获得细胞代谢产物。
判断对错(正确的打“√”，错误的打“×”)
1．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。(×)
提示：多数动物细胞培养过程中其培养液所需的适宜pH为7.2～7.4。
2．动物细胞培养要定期更换培养液，其目的是便于清除代谢物，防止代谢物积累对细胞自身造成伤害。(√)
3．动物细胞培养技术的原理是动物细胞的全能性。(×)
提示：动物细胞培养技术的原理是细胞增殖。
4．解离细胞的方法是先将组织块剪碎，再用胃蛋白酶等消化处理一段时间，使组织松散，细胞分开。(×)
提示：应该用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理。
5．体外培养的动物细胞都具有贴附生长和接触抑制等特点。(×)
提示：来源于血液、淋巴组织的细胞以及某些肿瘤细胞呈悬浮生长状态。
6．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。(√)
动物细胞培养
1．动物细胞培养的一般过程
eq \a\vs4\al(动物组织块)eq \(―――→,\s\up10(剪碎),\s\d8(解离))eq \a\vs4\al(组织分散、,细胞分开)eq \(―――→,\s\up10(制成))eq \a\vs4\al(细胞悬液)eq \(――――――――→,\s\up10(转入特殊培养液),\s\d8(放入CO2培养箱))原代培养eq \(――――→,\s\up10(分离),\s\d8(稀释))传代培养。
2．动物细胞培养过程中酶的处理
(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。
3．相关概念辨析
(1)原代培养和传代培养
①原代培养是指细胞或组织离开有机体后的首次培养。
②传代培养是指将原培养瓶内的细胞分离并稀释后转到多个培养瓶中，在新的培养基中进行的培养。
(2)贴附生长和接触抑制
①贴附生长：体外培养时，绝大多数细胞必须贴附在某一固相支持物上如培养瓶壁上生长。
②接触抑制：当细胞由于移动而相互靠近发生接触时，细胞不再移动，接触区域的细胞膜皱褶样活动停止，最终细胞分裂停止，这种现象称为接触抑制。
(3)细胞系和细胞株
①细胞系：原代培养物经首次传代成功后即成细胞系。
②细胞株：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。
③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。
1．动物细胞培养过程中有接触抑制现象，这一现象说明了细胞膜具有什么功能？细胞膜接受信息后，细胞停止分裂又说明了什么？
提示：细胞培养过程中的接触抑制说明了细胞膜能进行细胞间的信息交流。细胞膜接受信息后，细胞停止分裂，说明了细胞膜接受的信息能够传递到细胞核。
2．为什么动物细胞培养中有贴附生长的特性？
提示：动物细胞膜上有糖蛋白使细胞具有黏着性。
3．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现象。
提示：癌细胞细胞膜上糖蛋白减少，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现象，在培养瓶中能够生长成多层。
1．下图为肾脏上皮细胞培养过程示意图，下列叙述不正确的是( )
甲 乙 丙 丁
A．甲→乙过程需要用胰蛋白酶或胶原蛋白酶处理
B．丙过程指细胞在添加血清的合成培养基中进行原代培养
C．丙和丁过程均会出现细胞贴附和接触抑制现象
D．丁过程是传代培养的细胞，该过程体现了动物细胞的全能性
D [甲→乙是组织细胞的分离，用胰蛋白酶或胶原蛋白酶分解细胞间蛋白质，制备细胞悬液，A项正确；丙过程还未分瓶，属于原代培养，培养基中需要添加血清，B项正确；在动物细胞培养过程中会出现细胞贴壁和接触抑制的现象，C项正确；丁过程已经分瓶培养，属于传代培养，丁过程并没有体现动物细胞的全能性，D项错误。]
2．如图所示是某动物细胞培养时，培养液中活细胞和死亡细胞密度统计结果，下列相关叙述错误的是( )
A．实验中要控制胰蛋白酶溶液的浓度和处理时间，以免损伤细胞
B．培养液中应适当加入青霉素、链霉素，以避免杂菌污染
C．曲线bc段变化的主要原因是培养液中营养物质不足及有害代谢物积累等
D．培养至第6 d时，新产生的细胞数等于死细胞数
D [实验中要控制胰蛋白酶溶液浓度和处理时间，以免损伤细胞，A正确；培养液中应适当加入青霉素、链霉素等一定量的抗生素，以避免杂菌污染，B正确；曲线bc段表示活细胞密度减少，而此时间段内死细胞密度增加，产生这种变化的主要原因是培养液中营养物质不足及有害代谢物积累等，C正确；培养至第6 d时，活细胞数等于死细胞数，D错误。]
动物细胞培养与植物组织培养的比较
动物细胞培养与植物组织培养的比较
1．动物细胞培养和植物组织培养的目的有什么不同？
提示：动物细胞培养是为了获得大量的动物细胞或细胞产物；植物组织培养是为了获得新个体或细胞产物。
2．动物细胞培养和植物组织培养过程中细胞分裂的方式相同吗？
提示：相同，都是有丝分裂。
3．下列属于动物细胞培养与植物组织培养区别的是( )
A．动物细胞培养基与植物细胞培养基的成分有所不同
B．动物细胞培养不需要在无菌条件下进行
C．动物细胞培养可发生遗传物质改变，而植物组织培养不能
D．植物组织培养和动物细胞培养都体现了细胞的全能性
A [动物细胞培养所用的培养基与植物组织培养所用的培养基的成分不同，如培养动物细胞的培养基需加入血清，而植物组织培养所用的培养基则不需加入血清；动物细胞培养与植物组织培养都需要在无菌、人工控制的条件下进行；动物细胞培养与植物组织培养过程中都可发生遗传物质的改变；植物组织培养最终能够形成完整的植物体，能体现植物细胞的全能性，动物细胞最终不能被培养成新的动物，不能体现动物细胞的全能性。]
为了初步检测药物X和Y的抗癌活性，在细胞培养板的每个孔中加入相同数量的肝癌细胞，实验组加入等体积相同浓度的溶于二甲基亚矾(溶剂)的药物X或Y，培养过程及结果如下所示。
实验结果
本案例考查学生设计对照实验和对实验结果的交流讨论的能力。
(1)对照组应加入的成分是什么？(科学探究)
提示：对照组中应加入等体积的二甲基亚矾(溶剂)。
(2)根据实验结果，判断药物X、药物Y有没有抗癌作用？如果有抗癌作用，哪一种药物抗癌效果更好？(科学探究)
提示：药物X、药物Y都有抗癌作用，药物X的抗癌作用更好。
[课堂小结]
1．下列哪项条件不是动物细胞培养所需要的( )
A．无菌、无毒的环境
B．充足的营养物质
C．适宜的温度和pH
D．95%的空气和5%的氧气
D [二氧化碳培养箱的气体条件是95%的空气和5%的二氧化碳。]
2．动物细胞培养过程的顺序是( )
①原代培养 ②传代培养 ③胰蛋白酶处理组织，形成单个细胞，制成细胞悬液
A．①②③ B．①③②
C．②①③ D．③①②
D [动物细胞培养是用动物胚胎或幼龄动物器官通过胰蛋白酶处理制成细胞悬液，再通过原代培养和传代培养得到细胞株。]
3．下列关于动植物体的体细胞进行离体培养的叙述正确的是( )
A．都需用CO2培养箱
B．都需用液体培养基
C．都要在无菌条件下进行
D．都可体现细胞的全能性
C [植物组织培养不需要用CO2培养箱，是用的固体培养基。动物细胞培养是为了获得更多的动物细胞，不能体现细胞的全能性。]
4．下列关于动物体细胞培养过程中细胞的活动或特性的叙述，错误的是( )
A．细胞通常贴附生长
B．正常的细胞在培养过程中有接触抑制的特性
C．二倍体细胞通常为有限细胞系
D．连续细胞系遗传物质发生改变，但仍保留接触抑制现象
D [连续细胞系被认为是发生转化了的细胞系(遗传物质发生改变)，有的连续细胞系是恶性细胞系，有的连续细胞系虽已获得了不死性，但保留接触抑制现象，不致癌，是良性无限细胞系。]
5．某研究小组进行药物实验时，以动物肝细胞为材料，测定药物对体外培养细胞的毒性。供培养的细胞有甲、乙两种，甲细胞为肝肿瘤细胞，乙细胞为正常肝细胞。请回答下列有关动物细胞培养的问题。
(1)将数量相等的甲细胞和乙细胞分别置于培养瓶中培养，培养液及其他培养条件均相同。一段时间后，观察到甲细胞数量比乙细胞数量________。
(2)在动物细胞培养时，通常在合成培养基中加入适量血清，其原因是___________________________________________________________________
________。细胞培养应在含5% CO2的恒温培养箱中进行，CO2的作用是__________________________________________________________________，
95%的空气可以保证_________________________________________________。
(3)在两种细胞生长过程中，当乙细胞铺满瓶壁时，其生长________。药物实验需要大量细胞，两种细胞频繁传代，甲细胞比乙细胞可以传代的次数更________。若用动物的肝脏组织块制备肝细胞悬液，需要用________________处理。
(4)为了防止细胞培养过程中细菌的污染，可向培养液中加入适量的____________。
[解析] 癌细胞具有无限增殖的特点，故相同培养条件下，肝肿瘤细胞数量多于正常肝细胞数量。动物细胞培养需提供无菌环境，如向培养液中加入适量的抗生素可防止细菌的污染；需提供一定的营养，如向培养基中加入适量血清，以便补充合成培养基中缺乏的物质；需提供一定的气体环境，如向恒温培养箱中加入5%的CO2，目的是维持培养液的pH。
[答案] (1)多 (2)血清可以补充合成培养基中缺乏的物质 调节pH的相对稳定 细胞呼吸对O2的需要 (3)停止 多 胰蛋白酶 (4)抗生素课标内容要求
核心素养对接
1.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，在适宜的培养条件下让细胞生长和增殖的过程。动物细胞培养是动物细胞工程的基础。
2.简述干细胞在生物医学工程中有广泛的应用价值。
1.生命观念——运用稳态与平衡观，分析动物细胞培养的条件。
2.科学思维——采用归纳与概括、演绎与推理等方法，用文字和图示说明动物细胞培养的过程。
3.社会责任——对干细胞培养用于人类疾病治疗等社会热点问题进行科学评价。
比较项目
植物组织培养
动物细胞培养
理论基础
植物细胞的全能性
细胞增殖
培养基
类型
固体或半固体培养基
液体培养基
成分
水、矿质元素、维生素、蔗糖、氨基酸、琼脂
葡萄糖、氨基酸、无机盐、维生素、促生长因子、动物血清等
取材
植物幼嫩部位或花药等
动物胚胎或出生不久的幼龄动物的器官或组织
关键环节
细胞的脱分化和再分化
细胞增殖和癌变
结果
新的组织或植株个体，可以体现全能性
新的细胞系或细胞株，不形成个体，不体现全能性
应用
①植株快速繁殖
②脱毒植株的培育
③制备人工种子
④生产药物、杀虫剂等
⑤转基因植物的培育
①蛋白质生物制品的生产
②皮肤移植材料的培育
③检测有毒物质
④生理、病理、药理学研究
相同点
①两技术手段培养过程中细胞都进行有丝分裂，都是无性繁殖，都可称克隆，都不涉及减数分裂
②均为无菌操作，需要适宜的温度、pH等条件
组别
细胞个数(个/孔)
对照
7.8×106
药物X
6.7×104
药物Y
5.3×105
知 识 网 络 构 建
核 心 语 句 背 诵
1.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。
2.给CO2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。
3.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。
4.原代培养是指细胞或组织离开有机体后的首次培养。将原培养瓶内的细胞分离并稀释后转到多个培养瓶中，在新的培养基中进行的培养为传代培养。
5.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。
6.把一个单细胞从群体中分离出来单独培养，使之繁衍成一个新的细胞群体的技术，称为细胞克隆或克隆培养。