2023届高考生物二轮复习精研重难点(一)细胞周期的调控与细胞增殖的同步化学案

精研重难点(一)　细胞周期的调控与细胞增殖的同步化

从“高度”上研究高考

[典例]　(2022·浙江1月选考)某多细胞动物具有多种细胞周期蛋白(cyclin)和多种细胞周期蛋白依赖性激酶(CDK)，两者可组成多种有活性的CDK-cyclin复合体，细胞周期各阶段间的转换分别受特定的CDK-cyclin复合体调控。细胞周期如图所示，下列叙述错误的是(　 )

A．同一生物个体中不同类型细胞的细胞周期时间长短有差异

B．细胞周期各阶段的有序转换受不同的CDK-cyclin复合体调控

C．抑制某种CDK-cyclin复合体的活性可使细胞周期停滞在特定阶段

D．一个细胞周期中，调控不同阶段的CDK-cyclin复合体会同步发生周期性变化

[解析]　同一生物不同类型细胞的细胞周期的时间长短不同，A正确；不同时期需要不同的CDK-cyclin复合体有序转换，抑制某种CDK-cyclin复合体的活性会使细胞周期停滞在特定阶段，B、C正确；不同时期需要的CDK-cyclin复合体不同，因此调控不同阶段的CDK-cyclin复合体不会发生同步的变化，D错误。

[答案]　D

从“深度”上提升知能

1．细胞周期调控

细胞周期的调控关键在分裂间期。有两个起决定作用的控制点，从G1期进入S期和从G2期进入M期。这两个转变过程都是由一种称为成熟促进因子(MPF)的蛋白质复合体所触发的。组成MPF的是两种蛋白：cdc2激酶和细胞周期蛋白(cyclins)。cyclins有2种：S-cyclin和M-cyclin。其调控过程如图所示：

2．动物细胞周期同步化的三种方法

根据细胞周期调控的原理，利用一定方法使细胞群体处于细胞周期的同一阶段，称为细胞周期同步化。以下是能够实现动物细胞周期同步化的三种方法。

(1)DNA合成阻断法：在细胞处于对数生长期的培养液中添加适量的DNA合成可逆抑制剂，会阻断间期的DNA复制过程，使处于间期的细胞停滞在间期；处于分裂期的细胞不受影响而继续细胞周期的运转，最终细胞会停滞在细胞周期的间期，从而实现细胞周期同步化的目的。操作过程如下：

假设一个细胞周期时长＝G1＋S＋G2＋M＝10＋7＋3.5＋1.5＝22(h)。

①向细胞的培养液中加入过量的DNA合成可逆抑制剂，处于S期的细胞立刻被抑制。

②继续培养G2＋M＋G1＝3.5＋1.5＋10＝15(h)，则处于G2、M、G1期的细胞都将被抑制在G1/S期交界处。

③除去抑制剂，更换新鲜培养液，细胞将继续沿细胞周期运行，运行时间既要保证处于G1/S期交界处的细胞经过S期(7 h)进入G2期，又要保证处于S期的细胞不能再次进入S期，即运行时间应控制在7～15 h。

④再加入DNA合成可逆抑制剂，则可实现全部细胞都被阻断在G1/S期交界处，实现细胞周期同步化。

(2)秋水仙素阻断法：在细胞处于对数生长期的培养液中添加适量的秋水仙素，秋水仙素能够抑制纺锤体形成，使细胞周期被阻断，从而实现细胞周期同步化。

(3)血清饥饿法：培养液中缺少血清可以使细胞周期停滞在间期，以实现细胞周期同步化。

从“宽度”上拓展训练

1．(2022·郑州三模)胸腺嘧啶脱氧核苷(TdR)是一种低毒或无毒的DNA合成抑制剂，其可以将细胞最终抑制在G1/S期交界处狭窄的时间区段，即细胞周期同步化(细胞分裂间期依次分为G1、S、G2期，S期为DNA合成期)。具体做法如下：首先向细胞培养液中加入过量的TdR，培养t1时长后，将TdR洗脱，更换培养液，继续培养t2时长，然后再次向细胞培养液中加入TdR，培养t3时长后，所有细胞都会被抑制在G1/S期交界处。下列叙述错误的是(　 )

A．培养开始时，处于分裂期的细胞数目最少

B．经过t1时长的培养，培养液中的细胞均已进入S期

C．t2时长应不短于S期的时长

D．t2时长与t3时长之和可能等于一个细胞周期的时长

解析：选B　细胞周期中间期占比很大，分裂期占比很小，所以培养开始时，处于分裂期的细胞数目最少，A正确；加入过量的TdR后，处于S期的细胞停留在S期，处于G2、M、G1期的细胞经过t1时间的培养，停留在G1/S期交界处，B错误；t2时间内，要让所有细胞不在S期，故时长应不短于S期的时长，C正确；t2时长大于S期，同时还要小于G2、M、G1期时间之和，以防止细胞再次进入S期。t3时间内要保证所有细胞到达G1/S期交界处，其时长要大于G2、M、G1期时间之和。故t2时长与t3时长之和可能等于一个细胞周期的时长，D正确。

2．在细胞周期中有一系列的检验点对细胞增殖进行严密监控，确保细胞增殖有序进行。周期蛋白cyclin B与蛋白激酶CDK1结合形成复合物MPF后，激活的CDK1促进细胞由G2期进入M期；周期蛋白cyclin E与蛋白激酶CDK2结合形成复合物后，激活的CDK2促进细胞由G1期进入S期。上述调控过程中MPF的活性和周期蛋白的浓度变化如图所示。下列有关叙述错误的是(　 )

A．周期蛋白发挥作用的时间主要是分裂间期

B．抑制CDK1的活性可使细胞周期停滞在G2/M检验点

C．抑制cyclin E蛋白基因的表达，会促进细胞由G1期进入S期

D．蛋白激酶CDK2可能参与解旋酶和DNA聚合酶合成的调控

解析：选C　根据题干信息“周期蛋白cyclin B与蛋白激酶CDK1结合形成复合物MPF后，激活的CDK1促进细胞由G2期进入M期；周期蛋白cyclin E与蛋白激酶CDK2结合形成复合物后，激活的CDK2促进细胞由G1期进入S期”可知，周期蛋白发挥作用的时间主要是分裂间期，若抑制CDK1的活性可使细胞周期停滞在G2/M检验点，A、B正确；cyclin E蛋白基因的表达产物周期蛋白cyclin E与蛋白激酶CDK2结合形成复合物后，激活的CDK2促进细胞由G1期进入S期，故抑制cyclin E蛋白基因的表达，会抑制细胞由G1期进入S期，C错误；激活的CDK2能促进细胞由G1期进入S期，故蛋白激酶CDK2可能参与解旋酶和DNA聚合酶合成的调控，D正确。

3．(2022·兰州模拟)一个细胞周期可分为分裂间期(G1、S、G2)和分裂期(M)。如图1所示，一个细胞周期存在多个检验点，只有经过各检验点检验合格后，细胞才能顺利进入下一个时期。研究发现，细胞中存在一种有丝分裂促进因子(MPF)，可使A时期细胞顺利通过检验点4进入B时期(已知核DNA复制是在D时期完成的)，图2表示MPF在细胞周期中的活性变化。下列说法错误的是(　 )

A．C、D、A、B的顺序可表示一个细胞周期

B．若用某种药物抑制DNA复制，则细胞不能通过的检验点是4

C．若向A时期细胞显微注射适量的MPF，可使G2期细胞进入M期的时间提前

D．若用某种药物抑制细胞纺锤体的形成，则细胞不能通过检验点5

解析：选B　图1中核DNA的复制是在D时期完成的，则D时期为S期，那么A时期为G2期，则B为分裂期，C为G1期，所以C、D、A、B的顺序可表示一个细胞周期，A正确；由于DNA复制是在D时期完成的，所以若用某种药物抑制DNA复制，则细胞不能通过的检验点是2，B错误；MPF是有丝分裂促进因子，若向A时期细胞显微注射适量的MPF，可使G2期细胞进入M期的时间提前，C正确；纺锤体在分裂前期形成，若用某种药物抑制细胞纺锤体的形成，则细胞不能通过检验点5，D正确。

[微课微练·一点一评]

一、选择题

1．有丝分裂的细胞周期为G1→S(DNA复制)→G2→M(分裂期)。在连续分裂的细胞中，一直存在一类周期蛋白依赖性激酶(CDK)，其活性受细胞周期蛋白(cyclin)含量的调控。周期蛋白cyclin E与蛋白激酶CDK2结合后，激活的CDK2促进细胞由G1期进入S期；周期蛋白cyclin B与蛋白激酶CDK1结合后，激活的CDK1促进细胞由G2期进入M期。下列分析错误的是(　 )

A．CDK1被激活后，可能具有促进染色质螺旋化的作用

B．CDK2通过增强cyclin E的活性推动细胞进入S期

C．抑制细胞cyclin E的表达，细胞将被阻滞在G1/S交界期

D．CDK1的活性与cyclin B周期性的合成与分解有关

解析：选B　激活的CDK1促进细胞由G2期进入M期，说明CDK1被激活后，可能具有促进染色质螺旋化的作用，在分裂期形成染色体，A正确；周期蛋白cyclin E与蛋白激酶CDK2结合后，激活的CDK2促进细胞由G1期进入S期，而不是CDK2通过增强cyclin E的活性推动细胞进入S期，B错误；由于周期蛋白cyclin E与蛋白激酶CDK2结合后，激活的CDK 2促进细胞由G1期进入S期，所以抑制细胞cyclin E的表达，CDK2没有被激活，细胞将被阻滞在G1/S交界期，C正确；由于在连续分裂的细胞中，一直存在一类周期蛋白依赖性激酶(CDK)，其活性受细胞周期蛋白(cyclin)含量的调控，所以CDK1的活性与cyclin B周期性的合成与分解有关，D正确。

2．(2022·西昌模拟)利用一定方法使细胞群体处于细胞周期的同一阶段，称为细胞周期同步化。如图是动物细胞周期同步化的方法之一，下列说法正确的是(　 )

A．阻断Ⅰ需在培养液中添加毒性较强的DNA复制抑制剂，不可逆的抑制DNA复制

B．解除阻断时应更换正常的新鲜培养液，培养的时间应控制在大于S即可

C．阻断Ⅱ处理与阻断Ⅰ相同，经过处理后，所有细胞都停留在S期

D．营养限制性培养也能够实现动物细胞周期同步化

解析：选D　毒性较强的DNA复制抑制剂，不可逆的抑制DNA复制会导致解除抑制后DNA也无法正常复制，A错误；为了防止之前加的阻断物质对细胞周期的影响，因此解除阻断时应更换正常的新鲜培养液，培养的时间应控制在大于S、小于G2＋M＋G1，B错误；阻断Ⅱ处理后，细胞应停留在G1/S交界处，C错误；培养液中缺少血清可以使细胞周期停滞在间期，故培养液中用缺乏血清的培养液培养也能够实现动物细胞周期同步化，D正确。

3．为了探究细胞周期运行的调控机制，研究人员取不同时期的细胞进行了融合实验，获得如下表结果。下列推论错误的是(　 )

A.M期细胞中存在能诱导染色质凝缩成染色体的调控因子

B．S期细胞中存在能诱导染色质DNA复制的调控因子

C．将M期细胞和S期细胞融合，原M期细胞染色体DNA不会复制

D．将M期细胞和S期细胞融合，原S期细胞中染色质不会凝缩

解析：选D　根据题表分析，M期细胞中存在能诱导染色质凝缩成染色体的调控因子，A正确；S期细胞和G1期细胞融合，原G1期细胞核中DNA进行复制，说明S期细胞中存在能诱导染色质DNA复制的调控因子，B正确；M期细胞是分裂期的细胞，此时的细胞已经经历过间期DNA分子的复制，再结合题表分析可得，将M期细胞和S期细胞融合，原M期细胞染色体DNA不会复制，C正确；根据题表可知，M期细胞中存在能诱导染色质凝缩成染色体的调控因子，将M期细胞和S期细胞融合，原S期细胞中染色质会凝缩，D错误。

4.为了保证细胞周期的正常运转，细胞自身存在着一系列检验点(如图)，只有检测到相应的过程正常完成，细胞分裂才能进入下一个阶段。下列说法正确的是(　 )

A．检验点1的作用是检验DNA分子是否完成复制

B．与检验点1相比，在检验点3时细胞中染色体数目加倍

C．如果检验点4检测不到的纺锤体的形成，细胞将停在分裂期

D．检验点5的作用是同源染色体是否正确分离并到达细胞两极

解析：选C　检验点1时还没开始进行DNA复制，所以检验点1不能检验DNA分子是否完成复制，A错误；检验点3时染色体已经完成复制，但两条染色单体共用一个着丝点，染色体数目没有加倍，B错误；检验点4属于分裂期，如果没有纺锤体的形成，细胞将停留在分裂期，C正确；该细胞进行的是有丝分裂，没有同源染色体的分离，D错误。

二、非选择题

5．细胞周期同步化是指借助特定方法使分裂细胞都停留在细胞周期的同一阶段的现象。高浓度的胸腺嘧啶脱氧核苷(TdR)双阻断法是常用的同步方法。TdR能可逆地抑制S期DNA合成，而不作用于其他细胞阶段的运转，最终导致细胞群被同步化。如图为研究人员利用TdR双阻断法使人宫颈癌细胞群同步化的过程示意图。回答下列问题：

(1)细胞增殖包括____________和细胞分裂两个相连续的过程。

(2)据图推测，TdR双阻断法先后两次使用高浓度TdR处理，这两次处理的时间均应控制在_______________________范围内；正常处理的时间应控制在___________________范围内，该次处理的目的是______________________；经过上述三次处理后，所有细胞都应停滞在细胞周期的________(填位置)，从而实现了细胞周期的同步化。

解析：(1)细胞增殖包括分裂前的物质准备和细胞分裂两个相连续的过程。(2)TdR能可逆地抑制S期DNA合成，结合宫颈癌细胞周期各期长短，用TdR对细胞进行恰当时间的处理，可调控、阻断细胞周期的时间节点。如，第一次用TdR处理细胞大于或等于(G2＋M＋G1)时，可让刚加入TdR处理时，位于S期的细胞依然停在S期，其他时间的细胞停留在G1/S交界处，然后正常处理大于S、小于(G2＋M＋G1)的时间，可让所有细胞均不在S期，此时再次用TdR处理大于或等于(G2＋M＋G1)的时间，则可让所有细胞均被阻断在G1/S交界处，从而实现了细胞周期的同步化。

答案：(1)物质准备　(2)大于或等于(G2＋M＋G1)　大于S、小于(G2＋M＋G1)　保证被TdR阻断在S期的细胞完全越过S期的同时避免再次进入S期　G1/S交界处