第6章細胞的生命歷程
第1節細胞的增殖
增殖：增加、繁殖。即親代細胞以分裂的方式產生子代細胞的過程。
知識點一
多細胞生物體體積的增大，即生物體的生長依靠兩方面實現：（1）細胞生長增大細胞的體積，細胞生長中有細胞分化；（2）細胞分裂增加細胞的數量。
不同動植物同類器官或組織的細胞大小一般無明顯差異，器官大小主要取決於細胞數量的多少。
知識點二、制約細胞無限長大的因素
1、相對表面積的大小（細胞表面積與體積之比）
細胞需要通過細胞膜表面與環境進行物質交換，細胞體積增大，相對表面積減小，細胞物質交換的效率降低（如營養物質、氧氣、代謝廢物）。這時就會引起細胞分裂，以恢復原來的表面積與體積的適宜比例。
2、細胞內物質的分配
細胞體積增大後，細胞內通過擴散進行的物質分配需要耗費更長的時間。細胞中的許多組分缺少用於生長所需的重要能源物質或其他重要的分子。
3、核、質體積的平衡
細胞質中的生理、生化過程都受到細胞核中遺傳信息的指導和控制。細胞體積增大所帶來的距離的增加，使控制的效率降低，造成核、質的不平衡，從而引起細胞分裂。
知識點三、細胞通過分裂進行增殖
1、細胞分裂與生物體生長、發育、繁殖、遺傳和變異的關係
（1）細胞分裂是生物體生長、發育和繁殖的基礎。①單細胞生物體：通過細胞分裂而繁衍新個體。②多細胞生物：從受精卵經過分裂和分化逐漸發育為成體。也能使多細胞生物衰老、死亡的細胞及時得到補充。通過細胞分裂，可以將親代細胞複製的遺傳物質，平均分配到兩個子細胞中去。因此，細胞分裂是生物體生長、發育和繁殖的基礎。
（2）細胞分裂對於生物的遺傳有重要意義：有絲分裂是真核生物進行細胞分裂的主要方式，多細胞生物體的有絲分裂增加體細胞數目。有絲分裂過程中，在分裂間期親代細胞染色體經過複製，經過分裂期一系列變化，精確地平均分配到兩個子細胞中去。由於染色體上有遺傳物質（DNA、基因），因而在生物的親代和子代之間保持了遺傳性狀的穩定性，對於生物的遺傳有重要意義。
（3）細胞分裂與生物變異密切相關：①細胞分裂間期，DNA複製時，由於生物內部因素或外界環境條件的作用，使染色體上的基因發生基因突變，從而導致子代（或子細胞）發生變異。②減數分裂中，同源染色體非姐妹染色單體之間的交叉互換，非同源染色體的自由組合，導致基因重組，使親代產生多種類型（基因型）的配子，從而使後代具有更大的變異性和更強的生活力及適應性。③有絲分裂過程中，一些外界條件或因素（如秋水仙素），抑制紡錘體的形成，使有絲分裂過程受阻，使細胞核中染色體數目加倍，形成多倍體，導致生物變異。
2、細胞以分裂的方式進行增殖。
3、真核細胞的分裂方式有三種：有絲分裂、無絲分裂、減數分裂。原核細胞一般為二分裂，不屬於無絲分裂。如細菌，其DNA複製並附著於質膜，隨著質膜延長，DNA分配到兩個細胞中。
★思考：「藍藻在分裂中期，染色體著絲點有序排列於細胞赤道板上，末期細胞中央由高爾基體囊泡形成細胞板，之後形成細胞壁。」這個說法是否正確？答：不正確。藍藻屬於原核細胞，沒有以上行為。
知識點四、細胞周期
1、概念：連續分裂的細胞，從一次分裂完成時開始，到下一次分裂完成時為止，為一個細胞周期。
概念分析：（1）連續分裂的細胞才有細胞周期，如進行有絲分裂的細胞。
（2）分裂間期在前，分裂間期佔細胞周期的90%—95%。所以用顯微鏡觀察有絲分裂裝片中細胞分裂圖像時（此時裝片中的細胞已被殺死），視野中大多數的細胞處於間期。分裂期在後，經歷的時間短。
（3）細胞種類不同，細胞周期的長短也不同。
（4）一般來說，高度分化的細胞無細胞周期，如骨骼肌細胞、神經細胞、減數分裂形成的細胞等。尚未分化的細胞才有細胞周期，如受精卵、幹細胞、形成層細胞、生發層細胞、癌細胞、植物分生組織的細胞等。
（5）從增殖的角度看，細胞分為連續分裂的細胞、暫不增殖的細胞和終端分化細胞。連續分裂的細胞如小腸絨毛上皮腺窩細胞、表皮基底層細胞、部分骨髓造血細胞等，可在細胞周期中連續運轉。暫不增殖細胞如某些免疫淋巴細胞、肝、腎細胞及大部分骨髓幹細胞等，它們在適當刺激下可重新進入細胞周期。終端分化細胞如神經、肌纖維細胞等，它們不可逆地脫離細胞周期。所以，一個處於有絲分裂的細胞周期中細胞，其發育方向有三種可能：①繼續處於有絲分裂的細胞周期中；②分化形成各種組織；③分化為暫不分裂的細胞。
★思考：具有細胞周期的細胞不會出現同源染色體的分離？對，因為減數分裂沒有細胞周期。
2、圖解
1、分裂間期：要求正確識別模式圖（見上圖）
（1）分裂間期又可分為G1、S、G2三個時期。其中，S期為DNA複製的時期，所以根據誘變育種原理，誘變劑發揮作用的時期也是此階段。G1、G2期均有RNA和蛋白質的合成，所以也是核糖體功能較為活躍的時期。細胞也有適度生長，體積變大。
★思考1：在細胞分裂的G1期細胞中的mRNA主要用於指導合成與DNA複製有關的蛋白質。同時思考處於分裂期的細胞中mRNA含量較低的最可能原因是：分裂期細胞中的DNA處於高度螺旋化的染色體中，無法解旋，轉錄形成mRNA。
★思考2：「分裂期的細胞不進行DNA的複製和蛋白質的合成」這個說法是否正確？不正確，分裂期的細胞也要進行蛋白質的合成，如酶。
補充說明：①G1期發生細胞器的生長和數目增加，合成RNA和一定量的非組蛋白，DNA與組蛋白的結合變得疏鬆，那些可進行分裂的細胞經常停留在細胞周期的G1期。
②S期DNA的複製和組蛋白的合成同時進行，二者相互聯動，如抑制蛋白質合成，DNA複製也受到抑制。RNA的合成繼續，非組蛋白的合成也繼續，如對於複製的啟動有重要作用的促S期因子。
③G2期核膜開始有破裂的跡象，細胞合成微管蛋白和一些非組蛋白，tRNA仍有合成，rRNA、mRNA合成停止，具有特殊結構的染色體開始移動，細胞複製所需要的物質。
（2）聯繫必修2第3章第3節DNA的複製，回顧DNA的複製過程。
①複製的時期：有絲分裂的間期和減數第一次分裂前的間期。
②過程：首先，DNA分子利用細胞提供的能量，在解旋酶的作用下，解開兩條螺旋的雙鏈。這個過程叫解旋。然後，以解開的每一段母鏈為模板，在DNA聚合酶的作用下，利用細胞中游離的4種脫氧核苷酸為原料，按照鹼基互補配對的原則，各自合成與母鏈互補的一段子鏈。隨著模板鏈解旋過程的進行，新合成的子鏈也不斷延伸。同時，每條新鏈與其對應的模板鏈盤繞成雙螺旋結構。通過複製，遺傳信息從親代傳給了子代，保持了遺傳信息的連續性。
（3）複製結束後，1個DNA分子形成了2個完全相同的DNA分子，細胞內DNA分子數目加倍。此時，一條染色體含兩條染色單體（呈染色質狀態），由於它們共用1個著絲點，由1個著絲點連在一起，彼此並不獨立，因此只能算是一條染色體，但含有兩個DNA分子，所以細胞內染色體數目不變。
2、分裂期：分裂期是連續的過程，人們為了研究方便，把分裂期分為四個時期：前、中、後、末期。分裂期RNA的合成全部停止，蛋白質少量合成，染色質高度螺旋化，形成濃縮的染色體。所以整個細胞周期中，各時期都合成不同的特異性蛋白質，RNA除分裂期都合成，而DNA僅在S期合成。
（1）前期：要求正確識別模式圖（見上圖）
前期核仁逐漸解體，核膜逐漸消失。同時，間期的染色質細絲高度螺旋化，縮短變粗，形成了光學顯微鏡下可見的染色體。另外，從細胞兩極發出紡錘絲形成紡錘體。判斷圖示所給細胞處於有絲分裂前期的判斷理由是：染色體含有染色單體，散亂分布於紡錘體中央。
（2）中期：要求正確識別並會畫中期模式圖
中期最主要的特點是染色體的著絲點排列在細胞中央的赤道板上。這是染色體受附著在著絲點上紡錘絲牽引的結果。此時，細胞內染色體的形態最清晰，是我們觀察細胞中染色體形態和數目的最佳時期。注意：赤道板是一個假想的平面，並不真實存在。
（3）後期：要求正確識別並會畫模式圖
每條染色體的著絲點一分為二，兩條姐妹染色單體隨之分開，擁有各自的著絲點，成為染色體。所以，此時細胞內染色體數目加倍。隨後，由於紡錘絲的牽引，兩套染色體分別移向細胞兩極。這時細胞核中的染色體就平均分配到了細胞的兩極，使細胞的兩極各有一套染色體。這兩套染色體的形態和數目完全相同，每一套染色體與分裂前親代細胞中的染色體的形態和數目也相同。
注意：此時，細胞中染色體數目加倍，DNA數目不變，染色單體數目為0。
3、有絲分裂的意義：將親代細胞的染色體經過複製（實質為DNA的複製）之後，精確地平均分配到兩個子細胞中。由於染色體上有遺傳物質DNA，因而在細胞的親代和子代之間保持了遺傳性狀的穩定性。
★思考：在有絲分裂過程中，染色體發生的一系列形態變化和活動都是與染色體及DNA平均分配到兩個子細胞中去相適應的。染色體的活動決定於紡錘絲牽引的作用。
知識點六、染色體、染色單體與DNA的數量關係
1、計算染色體數目時，以染色體著絲點的數目為依據，有一個著絲點，就是一條染色體。
2、未複製的一條染色體上無染色單體，有一個DNA分子。複製後一條染色體上有兩個DNA分子，分別位於一個著絲點連接的兩條染色單體上。當染色體的著絲點分裂後，原來的一條染色體就成為兩條染色體。因為這兩條染色體由一條染色體複製而來，所以一般情況下，二者是完全相同的（基因突變、染色體變異除外）。
★思考1：處於有絲分裂各時期的細胞一定有同源染色體的存在？不正確，例如人工誘導二倍體植物的單倍體的形成過程或單倍體生物的有絲分裂。
★思考2：細胞增殖過程中，可能不會發生的是：①DNA含量的變化；②紡錘體的形成；③基因突變；④染色體自由組合。答：②③④ 解析：無絲分裂不形成紡錘體。
知識點七、有絲分裂涉及的幾種變化規律
※相關信息：在剛剛完成分裂的子細胞中只含有一對由母細胞而來的中心粒，它必須再複製一對才能在有絲分裂時形成完整的紡錘體。中心粒要經過一個複雜的發育周期，才能複製並成熟。細胞進入間期的G1晚期時，兩個中心粒開始稍稍分離，並成為母中心粒。在間期的S期和間期的G2期中，每個母中心粒上逐漸形成一個相對應的中心粒，所以在一對新中心粒中包括一個母中心粒和一個子中心粒。在新的中心粒形成的同時，作為基質的周圍物質也不斷聚集，並且兩對中心粒沿著核膜移向兩極，有絲分裂期M早期時，中心粒不僅複製完成，而且處在兩極位置。這樣中心粒的複製與移動，一方面保證了紡錘體的形成，另一方面決定了紡錘體的兩極，也就是最終決定了細胞分裂的方向。
知識點九、與有絲分裂相關的細胞器
1、線粒體：提供能量（DNA複製、DNA轉錄、蛋白質合成、染色體運動等）
2、中心體：複製、形成紡錘體（動物、低等植物細胞）
3、高爾基體：形成細胞板，進而形成細胞壁（植物細胞）
4、核糖體：合成蛋白質（染色體中與DNA結合的組蛋白、紡錘絲成分微管蛋白等）。
知識點十、無絲分裂
無絲分裂是最早發現的一種細胞分裂方式，早在1841年就在雞胚的血細胞中看到了，因為分裂時沒有紡錘絲與染色體的變化而得名。
1、過程：細胞進行無絲分裂時，首先是細胞核延長，核的中部向內凹進，呈啞鈴型，縊裂成為兩個細胞核；然後整個細胞從中部縊裂成兩部分（即細胞質分裂），形成兩個子細胞。
2、模式圖：見課本114頁。
3、特點：分裂過程中沒有出現紡錘絲和染色體的變化，核膜、核仁也不消失，但無絲分裂中遺傳物質也要複製，並且細胞要增大，當細胞核體積增大一倍時，細胞核就分裂，核中物質就分配到子細胞中去，由於不產生紡錘體和染色體，所以不能保證遺傳物質平均分配到兩個子細胞中去。
無絲分裂的優越性是：比有絲分裂消耗能量少，分裂迅速，分裂時細胞核保持正常的生理功能，在不利條件下仍可進行細胞分裂。
4、實例：這種分裂方式常出現於生活力旺盛、生長迅速的高度分化成熟的組織中，如蛙的紅細胞、雞胚血細胞、增殖迅速的腫瘤細胞、某些植物的胚乳細胞、肝細胞、腎小管上皮細胞、腎上腺皮質細胞。但要注意哺乳動物成熟的紅細胞中無細胞核和其他細胞器，因而沒有分裂的能力，當然也不能進行基因的表達和有氧呼吸，儘管紅細胞內的血紅蛋白運輸O2。
註：酵母菌在營養充足時進行出芽生殖，營養貧乏時進行有性生殖。
知識點十一、實驗—觀察根尖分生組織細胞的有絲分裂
1、原理：在高等植物體內，有絲分裂常見於根尖、芽尖等分生區細胞。由於各個細胞的分裂是獨立進行的，因此在同一分生組織中可以看到處於不同分裂時期的細胞。通過在高倍顯微鏡下觀察各個時期細胞內染色體的存在狀態，就可以判斷這些細胞各處於有絲分裂的哪個時期，進而認識有絲分裂的完整過程。染色體因容易被鹼性染料（如龍膽紫溶液、醋酸洋紅溶液）著色而得名。
2、材料用具：洋蔥（蔥、蒜），顯微鏡，載玻片，蓋玻片，玻璃皿，剪子，鑷子，滴管，質量分數為15%的鹽酸，體積分數為95%的酒精，質量濃度為0.01g/ml或0.02g/ml的龍膽紫溶液（將龍膽紫溶解在質量分數為2%的醋酸溶液中配製而成）或醋酸洋紅溶液，洋蔥根尖細胞有絲分裂固定裝片。
3、方法步驟：
（1）洋蔥根尖的培養：上課前3—4天，取洋蔥，放在廣口瓶上。瓶內裝滿清水，讓洋蔥的底部接觸到瓶內的水面。把這個裝置放在溫暖的地方培養，每天換水3次。待根長約5cm時，取生長健壯的根尖製成臨時裝片觀察。
（2）臨時裝片的製作：製作流程為：解離→漂洗→染色→製片。
①解離：上午10時至下午2時（洋蔥根尖分生區細胞處於分裂期的較多，這會因洋蔥品種、室溫等的差異而有所不同），剪取洋蔥根尖2—3mm，立即放入盛有鹽酸和酒精混合液（1:1）的玻璃皿中，在室溫下解離。時間為3—5min。這一步的目的是：用藥液使組織中的細胞相互分離開來。同時解離充分細胞才能分散，細胞才不會在製片時重疊。
②漂洗：待根尖酥軟後，用鑷子取出，放入盛有清水的玻璃皿中漂洗。時間為10min。這一步的目的是：洗去藥液，防止解離過度。
③染色：把根尖放進盛有質量濃度為0.01g/ml或0.02g/ml的龍膽紫溶液（或醋酸洋紅液）的玻璃皿中染色。時間為3—5min。這一步的目的是：龍膽紫溶液或醋酸洋紅液能使染色體著色。在這一步中染色液的濃度和時間應掌握好，染色過深則不利於觀察。
④製片：用鑷子將這段根尖取出來，放在載玻片上，加一滴清水，並用鑷子尖把根尖弄碎，蓋上蓋玻片，在蓋玻片上再加一片載玻片。然後，用拇指輕輕地按壓載玻片，使根尖成薄霧狀。這一步的目的是：使根尖細胞分散開來，有利於觀察。按壓時用力過重容易將組織壓爛，過輕則細胞未分散，二者都對觀察有影響。
（3）洋蔥根尖細胞有絲分裂的觀察：①把製成的裝片先放在低倍顯微鏡下觀察，掃視整個裝片，找到分生區細胞。再換成高倍顯微鏡仔細觀察，首先找出分裂中期的細胞，然後再找前期、後期、末期的細胞，注意觀察各時期細胞內染色體形態和分布的特點。最後觀察分裂間期的細胞。②也可觀察洋蔥根尖固定裝片。③調節顯微鏡的放大倍數，統計視野中處於各時期的細胞數記錄在記錄表中。把視野移動到分生區一個新的區域再進行統計，再記錄。
4、實驗現象及結論：
植物的分生組織一般位於根和莖的生長尖端，以及莖向外加粗生長的部位。洋蔥根尖分生區細胞特點：細胞呈正方形，小而排列緊密，核大，有的正在分裂，不含葉綠體和大液泡。
各時期細胞：同一個視野中所有分裂期細胞不會全部看到，慢慢移動裝片，找全各時期細胞。間期細胞最多。
注意：①實驗中剪取根尖的長度（出過高考題）。②實驗中為了統計的細胞分裂指數（視野內分裂期細胞數佔細胞總數的百分比）更加科學，計數時應採取的方法是：每組裝片觀察多個視野（為了使數據更準確，誤差更小，就要在每組裝片中觀察多個視野，再取這些數據的平均值作為結果）。
※補充資料：雞蛋有受精和未受精兩種情況。未受精雞蛋的形成：母雞在卵巢內形成成熟卵細胞，不經受精就排入輸卵管，在輸卵管的下行過程中，被輸卵管中、後段管壁的分泌物依次包裹，形成卵白、卵殼膜、卵殼，進入子宮時已經是蛋的形式。產蛋前子宮壁色素細胞分泌色素於殼表面，形成各種色斑。因此，未受精雞蛋的卵細胞是卵黃部分，由卵黃膜、卵黃、胚盤（細胞核所在部位，如果受精，細胞在此處開始分裂）組成。雞蛋（見課本粘貼資料中的圖片）的卵黃外還包含卵白、卵殼膜和卵殼等卵膜。卵殼有保護內容物和供給胚胎發育所需鈣的作用。卵殼膜能保護蛋內部不受細菌、黴菌等微生物的侵襲。卵白含有豐富的營養物質，其成分是：水分佔85.5%，蛋白質佔12.8%，脂肪佔0.25%，碳水化合物佔0.77%。此外，還含有微量元素、無機鹽等。
受精雞蛋的形成：如果卵細胞在輸卵管前端的喇叭部與精子結合，則受精卵順管而下，裹上卵白等。受精雞蛋在母雞體內就已經開始進行卵裂，它從母體產出時已包含一個早期胚胎。
★思考1：在「觀察根尖分生組織細胞的有絲分裂」實驗中，若持續觀察視野中某一正在分裂的細胞，將會看到該細胞分裂成兩個子細胞？錯誤，因為在解離過程中，細胞已被殺死，我們所看到的是已經固定的分裂相。
★思考2：用顯微鏡觀察洋蔥根尖有絲分裂後期的圖像，可見紡錘絲牽引著染色體平均分成兩組向兩極緩慢移動。這個說法是否正確？答：錯誤，因為細胞在固定解離的過程中已被殺死。
★思考3：在完成了觀察洋蔥根尖分生區細胞有絲分裂實驗後，教師給學生提供了2份資料。其中：資料二：全班20個實驗小組的實驗數據匯總表（註：各小組計數50個細胞，實驗條件與觀察計數方法相同）
| 細胞周期 | 間期 | 分裂期 | ||
| 前期 | 中期 | 後期和末期 | ||
| 實驗小組1計數細胞個數 | 43 | 4 | 1 | 2 |
| 實驗小組2計數細胞個數 | 44 | 3 | 0 | 3 |
| …… | …… | …… | …… | …… |
| 全班計數細胞個數 | 880 | 67 | 18 | 35 |
| 計數細胞總數 | 1000 | |||
| 各時期細胞數的百分比 | 88.0 | 6.7 | 1.8 | 3.5 |
（2）若已知洋蔥根尖分生區細胞的細胞周期為12.0h，請根據「資料二」，在餅狀圖中表示出間期、前期、中期以及後期和末期所佔的時間（單位：h，精確到小數點後一位）。
解析：因眾多細胞分裂處於非同步狀態，根據細胞分裂各時期細胞數的百分比，可以推測細胞分裂各時期的比例。又題幹告知洋蔥根尖分生區細胞的細胞周期為12.0h，對各時期細胞數的百分比和洋蔥根尖分生區細胞的細胞周期進行求積，可以求得細胞分裂各時期的時間，如表所示。（作圖略）
| 細胞周期 | 間期 | 分裂期 | ||
| 前期 | 中期 | 後期和末期 | ||
| 各時期細胞數的百分比 | 88.0 | 6.7 | 1.8 | 3.5 |
| 各時期所佔時間（h） | 10.6 | 0.8 | 0.2 | 0.4 |
★思考4：用放射性同位素標記胸腺嘧啶脫氧核苷酸的培養基培養蠶豆根尖分生區細胞，觀察其有絲分裂，根據胸腺嘧啶脫氧核苷酸被細胞利用的速率為縱坐標，細胞周期時間為橫坐標繪製曲線（曲線略），則是不是曲線的最高點對應的時刻，細胞中DNA含量達到最大值？不是，最高點對應的時刻表示細胞正在大量合成DNA。
第2節 細胞的分化
知識點一、細胞分化
1、概念：在個體發育中，由一個或一種細胞增殖產生的後代，在形態、結構和生理功能上發生穩定性差異的過程，叫做細胞分化。
補充說明：生物的個體發育是指受精卵經過細胞分裂、組織分化和器官的形成，直到發育成性成熟個體的過程。在這一過程中生物體的各種性狀（或表現型）得以逐漸表現。
2、細胞分化在生物界是普遍存在的生命現象。
3、細胞分化的過程：在細胞外觀尚未出現明顯變化之前，細胞分化的前途就由遺傳信息的執行情況決定了。分化的細胞內首先出現化學物質的變化，如結構蛋白和催化化學反應的酶不同，進而出現細胞形態、結構和生理功能上的不同。
如圖：受精卵→有絲分裂→相同細胞→分化→首先出現化學成分上的不同→繼續分化→繼而出現形態、結構和生理功能上的不同（染色體數、核內DNA數相同）。
4、細胞分化的時期：細胞分化發生在生物體的整個生命過程中，在胚胎時期達到最大限度。
5、細胞分化的特點
（1）細胞分化的持久性：一般來說，分化了的細胞將一直保持分化後的狀態，直到死亡。
註：①植物組織培養證明已經分化的細胞仍具有從分化狀態恢復到具有潛在分裂能力的狀態。
②持久性也有穩定性、不可逆性的含義。
（2）普遍性：生物界中普遍存在。
（3）高等生物比低等生物分化顯著；動物比植物分化顯著。
6、細胞分化的本質：多細胞生物個體由受精卵發育為新個體是受一系列基因調控的，是通過細胞增殖和細胞分化實現的。這些基因在發育過程中，按照時間和空間的順序啟動和關閉，互相協調，對胚胎細胞的生長和分化進行調節，產生的眾多體細胞均來自同一受精卵的有絲分裂，因而含有相同的遺傳物質和基因，但生物體不同部位的細胞表現出不同的性狀，並且不同性狀出現的時間並不相同，可見這是基因選擇性表達（和基因順序表達）的結果。也就是說是特定的基因在特定的時間內在特定的組織中表達。這句話可以作以下兩方面的理解：①不同的細胞含有相同的基因，但不同的細胞表達不同的基因。②某一部位組織細胞內能表達的基因並非同時表達，而是在個體發育的不同時期有順序地表達不同基因。分化的結果是在空間上細胞之間出現差異，在時間上同一細胞和它以前的狀態有所不同。從分子水平看，細胞分化意味著各種細胞內合成了不同的專一蛋白質（蛋白質是生命活動的體現者），所以分化雖然常伴隨著顯著的細胞外觀變化，但細胞的基因組總是保持不變，即細胞分化過程中，細胞中的遺傳物質不改變。
補充說明：選擇性表達：不同的細胞含有相同的基因，但不同的細胞表達不同的基因。順序性表達：某一部位組織細胞內能表達的基因並非同時表達，而是在個體發育的不同時期有順序地表達不同的基因。
分子雜交實驗證明，在任何時間細胞基因組中只有少數基因表達（活動），這些表達的基因大致可分為兩類：一類是維持細胞生存所必需的，它們在各種細胞中都處於活動狀態，這類基因稱為「持家基因」。如編碼核糖體蛋白、線粒體蛋白、呼吸酶、細胞膜結構蛋白、ATP合成酶的基因。另一類是在各種組織細胞中有不同的選擇表達的基因，這些基因稱為「奢侈基因」。如幼紅細胞中的血紅蛋白基因，皮膚的角質蛋白基因等。組織專一基因的選擇表達，合成了組織專一的蛋白質，如胰島B細胞合成胰島素、胰島A細胞合成胰高血糖素。
★思考：某組織的細胞內都存在將葡萄糖分解為丙酮酸的酶，說明這些細胞還沒有分化，這個說法是否正確？不正確。這些酶是持家基因表達的產物。
7、影響細胞分化的因素
細胞分化是基因選擇性表達的結果，但細胞質、相鄰的細胞、激素等也會對細胞分化產生重要影響。
8、細胞分化的結果：經過細胞分化，多細胞生物體形成各種不同的細胞和組織、器官。
9、細胞分化的意義：
①是生物個體發育的基礎。②細胞分化使多細胞生物體中的細胞趨向專門化，形成具有特定形態、結構和功能的組織和器官，有利於提高各種生理功能的效率。
10、細胞分裂（增殖）和細胞分化的關係：
（1）細胞分裂使細胞增多，是個體發育過程中的「量變」，是生物體生長、發育和繁殖的基礎，也是細胞分化的基礎；細胞分化則使細胞種類多樣化，是個體發育過程中的「質變」。沒有細胞分化，生物體就不能正常發育。
（2）細胞在分裂的過程中通常就有分化，在有些分化過程中也有細胞分裂。
（3）生物的個體發育是通過細胞分裂和細胞分化過程共同實現的。
★思考：「細胞分化既能使細胞數量增加，也能使細胞種類增加。」這個說法是否正確？不正確。
★思考：某種藥物能阻斷DNA的複製，如果用加入了該藥物的培養基進行植物組織培養，則結果是：
答案：植物細胞既不能進行增殖，也不能進行分化。
知識點二、細胞的全能性
1、概念：指已經分化的細胞，仍然具有發育成完整個體的潛能。選修3中的概念：具有某種生物全部遺傳信息的任何一個細胞，都具有發育成完整生物體的潛能。即在合適的條件下，有些分化的細胞具有恢復分裂，重新分化發育成完整新個體的能力。全能性的表現需要離體，而且需要激素、營養物質等適宜的外界條件。
2、細胞具有全能性的原因：生物體的每個細胞都含有該物種所特有的全套遺傳物質（遺傳信息），都有發育成為完整個體所必需的全部基因。
★思考：由皮膚幹細胞可以誘導形成各種體細胞，其根本原因是皮膚幹細胞含有人體全套的遺傳物質（遺傳信息）。
3、植物細胞的全能性：聯繫選修3的內容
（1）植物組織培養過程：離體的植物器官、組織或細胞→脫分化→愈傷組織→再分化→幼根和芽→植物體（小植株）
（2）植物細胞工程的實際應用：①微型繁殖（快速繁殖）；②作物脫毒：植物分生區附近（如莖尖）的病毒極少，甚至無病毒；③人工種子；④單倍體育種；⑤突變體的利用；⑥細胞產物的工廠化生產；⑦轉基因植物的培育。
4、動物細胞的全能性
（1）體細胞的全能性：到目前為止，人們還沒有成功地將單個已分化的動物體細胞培養成新的個體。
（2）生殖細胞的全能性：某些動物的生殖細胞可發育為個體。如雄蜂是由未受精的卵細胞發育而來的。雄白蟻也是由未受精的卵細胞發育而來的。
（3）細胞核的全能性：動物細胞的全能性隨著細胞分化程度的提高而逐漸受到限制，細胞分化潛能變窄，這是指整體細胞而言。而動物細胞的細胞核，由於含有保持本物種遺傳特性所需的全套基因，因此，高度分化的細胞的細胞核仍然具有全能性。這可以從細胞核移植實驗得到證實。
（4）動物細胞工程技術的應用：①動物細胞培養技術的應用：生產病毒疫苗、幹擾素、單克隆抗體等生物製品；用於動物基因工程；檢測有毒物質；培養正常或各種病變的細胞，用於生理、病理、藥理方面的研究。
②體細胞核移植技術的應用：利用體細胞克隆技術加速家畜遺傳改良進程，促進優良畜群繁育；保護瀕危物種；利用轉基因動物作為生物反應器，生產珍貴醫用蛋白；作為器官移植的供體；了解胚胎發育及衰老的過程；用克隆動物作疾病模型。③動物細胞融合技術的應用：產生雜交瘤，生產單克隆抗體。
5、細胞全能性高低的比較：
（1）受精卵＞卵細胞（精子）＞體細胞
自然條件下卵細胞全能性高於精子，更易發育成新個體。
（2）植物體細胞＞動物體細胞
（3）桑椹胚及這一階段前的每一個細胞都屬於全能細胞。胚胎幹細胞（由早期胚胎—囊胚的內細胞團細胞或原始性腺中分離出來）也具有全能性。幹細胞既有分化潛能又有自我更新能力。
（4）細胞的分化程度越高，全能性越小。
★思考1：下列能說明某細胞已經發生分化的是：A、進行ATP的合成；B、進行mRNA的合成；C、存在血紅蛋白；D、存在纖維蛋白原基因
★思考2：皮膚細胞在體內無法轉變成其他體細胞，這是因為它是高度分化的細胞，其分化的根本原因是___。
答：基因的選擇性表達或在個體發育過程中遺傳信息的執行情況不同。
★思考3：將小鼠胚胎幹細胞定向誘導分化成一種特定的細胞(命名為M細胞)，再將M細胞移植到糖尿病模型小鼠(胰島細胞被特定藥物破壞的小鼠)體內，然後測定小鼠的血糖濃度，結果如圖所示(虛線表示正常小鼠的血糖濃度值)。請回答相關問題：
第3節 細胞的衰老和凋亡
知識點一、個體衰老與細胞衰老的關係
1、個體衰老與細胞衰老有關，但二者又不能完全畫等號。
2、對於單細胞生物來說：細胞的衰老或死亡就是個體的衰老或死亡。
3、對於多細胞生物來說：細胞的衰老和死亡並不等於個體的衰老或死亡。如幼年個體每天都有細胞衰老或死亡，而老年個體每天也有新細胞產生。
4、從總體上看，個體衰老的過程是組成個體的細胞普遍衰老的過程。體內正常細胞的壽命受分裂次數的限制，細胞會隨著分裂次數的增多而衰老。
聯繫選修3動物細胞培養的內容：
（1）過程：動物組織塊→剪碎→用胰蛋白酶處理，使其分散成單個細胞→用培養液將分散的細胞稀釋製成細胞懸液→培養瓶中的細胞出現細胞貼壁生長，即原代培養→出現細胞接觸抑制→貼滿瓶壁的細胞重新用胰酶處理，然後分瓶繼續培養，讓細胞繼續增殖，即傳代培養。
（2）傳代培養的細胞一般傳至10代以後就不易傳下去了。一般來說，細胞在傳至10—50代左右時，增殖會減慢，以至於完全停止，這時部分細胞的細胞核型可能會發生變化。繼續傳代培養，少部分細胞會克服細胞壽命的自然極限，獲得不死性，這些細胞發生了突變，正在朝著等同於癌細胞的方向發展。
（3）動物細胞培養的條件：①無菌、無毒的環境：培養液和所有培養用具要進行無菌處理。培養液中添加抗生素。定期更換培養液，清除代謝廢物。②營養：糖、胺基酸、促生長因子、無機鹽、微量元素等。一般用合成培養基並添加血清、血漿等天然成分。有時出於研究需要也使用無血清培養基。③溫度和PH：哺乳動物多以36.5±0.5℃為宜，PH為7.2—7.4。④氣體環境：O2、CO2。CO2的作用是維持培養液的PH。通常在含95%空氣加5%CO2的混合氣體的培養箱中進行培養。
知識點二、細胞衰老的特徵
1、應該說細胞衰老的過程是細胞的生理狀態和化學反應發生複雜變化後，最終表現出來的細胞形態、結構和功能發生變化的過程。
2、衰老的細胞的特徵：
形態及生理變化：①細胞內水分減少，細胞萎縮，體積變小。細胞新陳代謝速率因此減慢。使人出現皮膚乾燥、皺紋等特徵。②細胞核體積增大。細胞核體積增大的原因是細胞衰老，物質運輸或吸收變得困難，為了增強吸收，細胞核進行代償性增大。同時，核膜通透性的改變也導致正常的滲透壓改變，使得細胞核腫脹。③核膜內折（陷），通透性改變。④染色質收縮、染色加深。DNA的複製與轉錄均受到影響，細胞內呼吸速率減慢。⑤細胞膜流動性降低，通透性改變，選擇透過性功能減弱。⑥細胞內色素逐漸積累，妨礙細胞內物質的交流和信號傳遞，影響細胞生理功能。如老年人出現的老年斑是長壽命蛋白質與DNA及脂質共價縮合形成的叫做脂褐素的色素在細胞內積累的結果，它結構緻密，不能徹底水解，又不能排出細胞。⑦細胞內多種酶的活性降低。如頭髮黑色素細胞衰老，細胞中的酪氨酸酶活性降低，黑色素合成減少，引起老年人的頭髮變白。⑧細胞內細胞器，如線粒體、高爾基體數量減少，結構遭到破壞。
★思考：細胞衰老時，細胞內蛋白質和RNA的總量均會下降。將一完整的菸草葉片，一半用細胞分裂素處理，另一半用水處理，放置暗處一段時間後，測得葉片中蛋白質和RNA的含量如圖所示。由實驗結果不能推出的結論是：C
A．蛋白質量的變化和RNA量的變化有著必然的聯繫
B．N、P等的缺乏可能會加速葉片的衰老
C．細胞衰老是由基因決定的，與環境因素無關
D．細胞分裂素能延緩細胞衰老，可用於某些蔬菜的保鮮
知識點三、細胞衰老的原因
1、自由基學說：自由基指異常活潑的帶電分子或基團。自由基含有未配對電子，表現出高度的反應活潑性。在生命活動中，細胞不斷進行各種氧化反應，在這些反應中產生了自由基。此外，輻射及有害物質入侵也刺激細胞產生自由基。自由基產生後，會攻擊和破壞細胞內各種執行正常功能的生物分子。糟糕的是，自由基攻擊生物膜的組成成分磷脂分子時，產物同樣是自由基。這些新產生的自由基再去攻擊別的分子，引發雪崩式的反應，對生物膜損傷較大。此外，自由基還攻擊DNA，可能引起基因突變。自由基攻擊蛋白質，使蛋白質活性下降，致使細胞衰老。
2、端粒學說：每條染色體的兩端都有一段特殊序列的DNA，稱為端粒。端粒DNA序列在每次細胞分裂後都會縮短一截。隨著細胞分裂次數的增加，截短的部分會逐漸向內延伸。在端粒DNA序列被「截」短後，端粒內側的正常基因的DNA序列就會受到損傷，結果使細胞活動漸趨異常。
知識點四、細胞的凋亡
1、概念：由基因所決定的細胞自動結束生命的過程。
2、特點：是一種自然的生理過程。
3、另一個名稱：由於細胞凋亡受到嚴格的由遺傳機制決定的程序性調控，因而也稱為細胞編程性死亡。
4、實例：①人在胚胎時期，要經歷有尾的階段，後來尾部細胞自動死亡，尾才消失。②蝌蚪尾的消失。③在胎兒手的發育過程中，五個手指最初是癒合在一起的，像一把鏟子，後來隨著指間的細胞自動死亡，才發育為成形的手指。
5、意義：①在胚胎發育期：清除多餘的細胞；有利於器官建構，保證多細胞生物體完成正常發育。例如：人的早期胚胎有尾，尾部細胞隨著發育逐漸凋亡。②在成熟的生物體中，細胞的更新，被病原體感染或發生癌變時通過細胞凋亡加以清除，維持穩態。應該說，在健康的機體中，細胞的生生死死總是處於一個良性的動態平衡中，在人體發育成熟之前的階段，總體來說，細胞誕生的多，死亡的少，身體不斷發育。一個成年人體內每天都有無數細胞誕生，同時又有無數細胞「程序性死亡」。如果這種平衡被破壞，人就會患病。如該「程序性死亡」的細胞沒有死亡，就可能形成癌症，所以促進細胞凋亡可以治療癌症。如果不該死亡的細胞過多的死亡，比如受愛滋病病毒攻擊，不該死亡的T淋巴細胞大量死亡，就會破壞人體免疫能力，導致愛滋病發作。
★補充：動物機體細胞凋亡及清除示意圖：
註：細胞凋亡是特異性的，體現了生物膜的信息傳遞功能。細胞凋亡過程中有新蛋白質的合成，體現了基因的選擇性表達。凋亡相關基因是機體固有的，在動物生長發育過程中發揮重要作用。
6、細胞壞死：
（1）定義：壞死是外界不利因素引起的細胞代謝活動受損或中斷而導致細胞損傷或死亡的病理現象。
（2）細胞凋亡是由特定基因控制的正常生理死亡過程，是主動性死亡，而細胞壞死是細胞的被動性死亡，是病理性死亡，往往因細胞內容物流出而導致機體炎症。而細胞凋亡是會出現凋亡小體，而不會出現細胞內容物流出的。
※補充資料：2002年的諾貝爾生理學或醫學獎頒給了來自英國的兩位和來自美國的一位科學家以表彰他們發現了在器官發育程序性細胞死亡過程中的基因規則。他們發現控制「程序性細胞死亡」的基因有兩類：一類是抑制細胞死亡的，另一類是啟動或促進細胞死亡的。如果能發現所有的調控基因，分析其功能，研究出能發揮或抑制這些基因功能的藥物，那就可以加速癌細胞自殺，達到治療癌症的目的。還可以提高免疫細胞的生命力，達到抵抗愛滋病的目的。
第4節 細胞的癌變
知識點一、癌細胞
1、概念：有的細胞受到致癌因子的作用，細胞中的遺傳物質發生變化，就變成不受機體控制的、連續進行分裂的惡性增殖細胞，這種細胞就是癌細胞。
※補充說明：腫瘤可分為良性腫瘤和惡性腫瘤，前者生長緩慢，不發生轉移，後者生長迅速，能發生轉移，還能產生有害物質，後者也就是我們通常所說的癌症。但良性腫瘤和惡性腫瘤的細胞均可無限增殖。
2、癌細胞的特徵：
（1）適宜條件下，能夠無限增殖；（2）形態結構發生顯著變化。癌細胞的細胞核較正常細胞的大，有時形態也變得不規則，核仁也變大。（3）癌細胞的表面發生變化。如細胞膜上的糖蛋白減少，導致癌細胞彼此之間的黏著性顯著降低，容易在體內分散和轉移。也就是癌細胞具有遷移性和失去接觸抑制。即我們在選修3學習《動物細胞培養》時學到的，正常細胞體外培養時表現出的細胞貼壁生長和貼壁細胞分裂生長到表面相互接觸，匯合成單層後，細胞停止分裂增殖的細胞的接觸抑制現象。由於癌細胞失去接觸抑制因而在培養條件下沒有正常細胞體外培養時表現出的貼壁生長和匯合成單層後停止生長的特點，可生長成多層，甚至堆積成群。（4）分化程度低。正常情況下，細胞分化使得細胞內的基因選擇性表達，使細胞成為具有某種特定功能的細胞，高度分化的細胞壽命有限。癌變恰恰相反，細胞發生癌變後，迅速去分化，成為分化程度極低的細胞，細胞壽命理論上無限長。由於不分化和去分化都可能產生癌細胞，癌變和分化是兩個截然相反的過程，故認為癌變是分化出現畸變的結果。
★思考：「細胞癌變，則其代謝增強。」這個說法是否正確？正確。
知識點二、引起細胞發生癌變的原因
1、外部原因：（1）物理致癌因子：主要是輻射，如紫外線、X射線等；（2）化學致癌因子：非常多，可分為無機化合物如石棉、砷化物、鉻化物、鎘化物等，有機化合物如聯苯胺、烯環烴、亞硝胺、黃麴黴素等；（3）病毒致癌因子：是指能使細胞發生癌變的病毒。致癌病毒能夠引起細胞發生癌變，主要是因為它們含有病毒癌基因以及與致癌有關的核酸序列。它們通過感染人的細胞後，將其基因組整合進人的基因組中，從而誘發人的細胞癌變。
2、內因：首先，我們應明確腫瘤是一種基因病，但並非是遺傳的。癌症不同於各類病原體入侵機體所引起的傳染病，它是由機體內正常細胞基因突變而完全改變了原有性質而發生的。
（1）原癌基因：需明確，原癌基因是細胞內與細胞增殖相關的基因，是維持機體正常生命活動所必需的，在進化上高度保守。當原癌基因的結構或調控區發生突變（或稱激活、活化），原癌基因突變成癌基因，導致基因產物增多或活性增強時，細胞會過度增殖，形成腫瘤。原癌基因可以看作是腫瘤病毒中的癌基因和癌細胞中的癌基因的原型。
（2）抑癌基因：抑癌基因也稱為抗癌基因。功能是阻止細胞不正常的增殖，促進細胞分化和抑制細胞遷移，因此起負調控作用。抑癌基因的丟失、突變或失去功能，使突變的癌基因發揮作用而致癌。
3、細胞癌變圖解
正常細胞→致癌因子導致原癌基因和抑癌基因發生突變→細胞生長和分裂失控→癌細胞
知識點三、癌症的預防和治療
1、預防：（1）注意防護，避免接觸各種致癌因子。（2）增強體質，保持心態健康。（3）養成良好的生活習慣。比如，綠茶中的多酚具有抗癌作用。因為綠茶的細胞中具有控制合成多酚的酶的基因。
2、治療：檢查手段；治療手段
手術治療中，如果癌細胞沒轉移，可以通過手術切除挽救患者生命，一旦部分癌細胞脫離原發病部位，通過血管或淋巴管轉移至其他部位繼續生長，治療就非常困難了。
知識點四、根據細胞癌變的比例檢測有毒物質的毒性
1、原理：許多致畸、致癌物質加入動物細胞培養液後，培養細胞會發生染色體結構和數目的變異。根據變異細胞佔全部培養細胞的百分數，可以判斷某種物質的毒性。
2、步驟
（1）利用待測物質配製成動物細胞培養液。
（2）選取正常的動物細胞進行培養。
（3）一段時間後檢測癌變細胞佔培養細胞的比例，推測有毒物質的毒性。