必修1《分子与细胞》第2节 细胞的分化学案

6.2 细胞的分化

1.通过比较同一生物个体的不同细胞在形态、结构和功能上的差异，领悟细胞分化的意义、归纳细胞分化的概念，进而阐明细胞分化的实质是基因的选择性表达。

2.通过分析植物组织培养和植物体细胞移植等生物学事实，阐明植物细胞具有全能性、动物体细胞的细胞核具有全能性，进而归纳细胞全能性的概念和应用。

3.通过对骨髓移植和中华骨髓库相关内容的分析，及对干细胞特点的理解；关注干细胞在医学上的应用，说明生物技术在医学上的应用，提升社会责任感。

知识点01  细胞分化及其意义

1.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。细胞分化是细胞中基因选择性表达的结果。

2.细胞分化是生物个体发育的基础。使多细胞生物体中的细胞趋向专门化，有利于提高生物体各种生理功能的效率。

3.细胞分化的标志在分子水平是合成了某种细胞特有的蛋白质不同种类。在细胞水平是形成不同种类的细胞。

知识点02  细胞的全能性

1.细胞经分裂和分化后，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。

2.植物细胞的组织培养：

①植物组织培养：胡萝卜韧皮部细胞→放入特定培养基→形成细胞团块根、茎和叶→新的植株。

②结论：高度分化的植物细胞仍然具有全能性。

3.核移植（克隆）

①非洲爪蟾的核移植实验：将非洲爪蟾蝌蚪的肠上皮细胞的核移植到去核的卵母细胞细胞中，结果获得了新的个体。

②体细胞羊多利的培育：将乳腺细胞的细胞核移植到去去核的卵母细胞细胞中。

③结论：已分化的动物体细胞的细胞核仍具有全能性。

知识点03  干细胞

干细胞是具有分裂和分化的能力的细胞。在动物和人体内，数量很少。人骨髓中的造血干细胞能通过增殖和分化不断产生红细胞、白细胞和血小板。

考法01  细胞的分化

下图是受精卵细胞经分裂、分化形成不同类型细胞的模式图。

1.从细胞水平分析细胞分化是细胞的形态、结构和生理功能发生稳定性变化的过程过程。

2.从蛋白质的角度分析不同类型细胞蛋白质的种类不同；从基因的角度看细胞分化是基因选择性表达      的结果；从细胞水平看是形成不同种类的细胞。

3.就一个个体来说，各种细胞具有完全相同的遗传物质，但不同细胞中遗传信息的执行情况不同，控制合成的蛋白质不同。细胞分化的实质就是基因的选择性表达。

4.细胞的分化具有普遍性、持久性、稳定性和不可逆性

①普遍性:是生物界中普遍存在的生命现象。

②持久性:细胞分化贯穿于生物体的整个生命进程中,在胚胎时期达到最大限度。

③稳定性和不可逆性:一般来说分化了的细胞将一直保持分化后的状态,直到死亡。

5.细胞分化的结果

①分子水平的变化: mRNA种类不同→蛋白质种类不同。

②细胞水平的变化:细胞形态、结构和生理功能的变化,逐渐失去分裂能力。

③组织器官水平的变化:产生不同类型的细胞构成不同的组织和器官。

6.细胞分化是生物个体发育的基础，使细胞趋向专门化,有利于提高各种生理功能的效率。

【典例1】如图为人体某早期胚胎细胞所经历的生长发育阶段示意图，图中甲、乙、丙、丁、戊为各个时期的细胞，a、b表示细胞所进行的生理过程。下列叙述不正确的是(　　)

A．a过程是有丝分裂，b是细胞分化

B．乙和丙的染色体组成相同

C．丁与戊因遗传物质不同而发生分化

D．甲、丁、戊中的蛋白质不完全相同

【答案】C

【解析】甲、乙、丙三个细胞形态一样，故a表示有丝分裂，丁、戊与甲比，细胞形态发生了变化，故b表示细胞分化；乙和丙来自甲的有丝分裂，有丝分裂前后亲子代遗传物质相同，染色体组成相同；乙、丙的遗传物质相同，由细胞分化形成丁、戊的过程中基因选择性表达；由于甲、丁、戊细胞形态不同，故三种细胞基因选择性表达产生的部分蛋白质不同。

【名师提醒】

①细胞分化导致一个个体不同细胞形态和生理功能不同的生理过程是细胞分化。细胞分化使细胞的功能趋向专门化，提高了生物体各项生理功能的执行效率。

②一个个体不同的分化细胞遗传物质完全相同。因为这些细胞是通过有丝分裂产生的，有丝分裂的特点是遗传物质平均分配。

③高度分化的细胞不能恢复分裂能力。细胞分化是细胞间形态、结构和生理功能产生稳定性差异的过程，具有不可逆性的特点。

考法02  细胞的全能性

下图甲利用叶肉细胞培育植株的示意图，乙是通过核移植技术培育克隆猴的示意图。

1.甲图所示的过程说明分化的植物细胞具有全能性，原因是分化的植物细胞具有该物种的全部遗传信息。

2.乙图所示的过程说明动物体细胞的细胞核具有全能性，原因是动物体细胞的细胞核具有动物发育所需要的全部遗传信息。

3.动物细胞和植物细胞全能性的差异

①已分化的动物细胞的细胞核具有全能性,在一定的条件下经过培养只能形成细胞群。

②植物细胞在一定的条件下经过培养可以形成植物体。

【典例2】下列生物过程不能体现细胞全能性的是(　　)

A．玉米种子萌发长成新植株

B．马铃薯根尖细胞培养成脱毒马铃薯苗

C．小麦花粉经离体培养发育成单倍体植株

D．胡萝卜根韧皮部细胞经组织培养发育成新植株

【答案】A

【解析】细胞的全能性是分化的细胞发育成为完整生物个体的能力。玉米种子萌发长成新植株是植物生殖器官的自然生长发育现象，没有体现细胞的全能性。小麦花粉经离体培养发育成单倍体植株，体现的是生殖细胞具有全能性。马铃薯根尖细胞培养成脱毒马铃薯和胡萝卜根韧皮部细胞经组织培养发育成新植株都体现了体细胞的全能性。

【名师提醒】

①胡萝卜韧皮部细胞内含有该物种的全部遗传信息。所以，在离体情况下能够表现出全能性。

②断尾的小壁虎再次长出新的尾巴不属于全能性。细胞的全能性是指已分化的细胞仍然具有发育成完整个体的潜能，断尾的小壁虎再次长出的是新的尾巴而不是壁虎。

③一粒种子萌发为幼苗没有体现细胞的全能性，因为种子本来就是植物的完整幼体，不是一个细胞。

题组A  基础过关练

1.细胞分化的实质是（　　）

A．基因组的改变 

B．基因的选择性表达

C．细胞器数量和种类的变化 

D．细胞亚显微结构的变化

【答案】B

【解析】细胞分化的实质是基因的选择性表达，从而导致细胞在形态、结构和生理功能上发生稳定差异。

2.下列四幅图表示人体内四种生命活动过程，其中能表示细胞分化的是（　　）

【答案】D

【解析】A表示细胞生长；B表示细胞增殖；C表示受精作用的过程；D表示细胞的分化。

3．如图所示的细胞类型转换过程为(　　)

A．细胞融合　　B．细胞生长    C．细胞分裂  D．细胞分化

【答案】D

4．有关细胞分化的叙述，正确的是(　　)

A．高等动物细胞的分化只发生在胚胎发育过程中 

B．细胞分化过程中遗传物质发生了改变

C．细胞分化使细胞数目和种类增多

D．经细胞分化后，细胞的全能性降低

【答案】D

5．在下列自然现象或科学研究成果中，能为“动物细胞具有全能性”这一观点提供直接证据的是(　　)

A．壁虎断尾后重新长出尾部          B．蜜蜂的未受精卵细胞发育成雄蜂

C．用体外培养的皮肤治疗烧伤病人    D．小鼠腺细胞的自我复制

【答案】B

6．细胞分化是生物界普遍存在的一种生命现象,下列叙述不正确的是(　　)

A.老年人体内仍然存在着具有分裂和分化能力的细胞

B.分化后的不同组织细胞其蛋白质种类完全不同

C.细胞分化有利于提高多细胞生物各种生理功能的效率

D.造血干细胞分化形成白细胞的过程是不可逆的

【答案】B

题组B  能力提升练

7.下图为某人体内几种类型的细胞模式图。下列相关叙述中不正确的是 （　　）

A．这些细胞最初来源于同一个受精卵

B．a的结构已发生很大变化，但仍属于真核细胞

C．这些细胞在结构上具有统一性

D．这些细胞在功能上是相同的

【答案】D

【解析】人体所有的细胞都是由受精卵经分裂和分化产生的，所以图中所有的细胞都来源于同一个受精卵；a细胞为精子，虽然形态发生了改变，但是仍属于真核细胞；图中所有的细胞都具有细胞核、细胞膜和细胞质，这体现了它们在结构上的统一性；图中细胞形态不同，是其内部基因选择性表达的结果，不同基因的表达使得细胞具有不同的功能。

8.下图表示人体部分细胞所经历的生长发育的各个阶段，下列有关叙述正确的是（　　）

A．细胞甲的分裂能力最强，分化程度最高

B．过程①②中均发生了遗传物质的改变

C．T细胞与B细胞内所含的基因不同

D．淋巴因子作用于膜受体体现生物膜的信息交流功能

【答案】D

【解析】图中细胞甲的分裂能力最强，分化程度最低，A错误；有丝分裂和细胞分化过程中，遗传物质并没有发生改变，B错误；T细胞与B细胞是由同一个细胞经有丝分裂而来的，因此细胞内所含的基因相同，C错误；淋巴因子作用于膜受体体现生物膜的信息交流功能，D正确。

9．下列实例中能体现细胞全能性的是（　　）

①用胡萝卜单个细胞培养成了可育的植株　  ②植物用种子繁殖后代　

③用烟草某种组织培养出了可育的完整植株

A．①②  B．①③  C．②③  D．①②③

【答案】　B

【解析】　细胞全能性是指已经分化的细胞，仍然具有发育成完整个体的潜能。其中①和③都是由已分化的细胞经过培养形成可育的植株，体现了细胞的全能性。种子属于器官，用其繁殖后代，不能体现细胞的全能性。

10．植物细胞表现出全能性的必要条件是（　　）

A．给予适宜的营养和外界条件

B．导入其他植物细胞的基因

C．脱离母体后，给予适宜的营养和外界条件

D．将成熟筛管的细胞核移植到去核的卵细胞内

【答案】C

【解析】离体的植物细胞、组织、器官，在一定的营养物质、激素和其他外界条件的作用下，就可以表现出全能性，发育成完整的植株。

11.细胞的基因可分为管家基因（所有细胞中均要表达的基因）和奢侈基因（不同类型细胞中特异性表达的基因）两类，下表为人体三种不同细胞中的基因存在及表达情况。请回答下列问题：

（1）四种基因中可能属于管家基因的是________。

（2）甲基因________（填“能”或“不能”）表示控制胰岛素合成的基因，理由是________________。

（3）细胞分化的实质是________（填“管家基因”或“奢侈基因”）的选择性表达。

（4）三种细胞都有甲、乙、丙、丁四种基因的根本原因是________________________________。三种细胞形态、功能表现不同，从细胞结构方面分析其原因是________________________________。

【答案】（1）丁   

（2）能    胰岛素基因只在胰岛B细胞中表达   

（3）奢侈基因   

（4）人体细胞都来源于同一个受精卵    细胞器的种类和数量不同   

【解析】（1）由表可知，丁基因在三种细胞中均表达，结合题中信息可知其应属于管家基因；

（2）甲基因只在胰岛B细胞中表达，而胰岛素为胰岛B细胞的特定分泌物，故甲基因能表示控制胰岛素合成的基因；

（3）根据表中信息可知，细胞分化的实质是奢侈基因的选择性表达，管家基因在每种细胞中都能表达；

（4）人体所有体细胞都是由同一个受精卵经有丝分裂形成的，有丝分裂过程中细胞内的遗传物质不变，因此三种细胞中均含有四种基因；从细胞结构方面分析，细胞中所含细胞器的种类和数量不同导致细胞的形态和功能不同。

12.间充质干细胞是一种多能干细胞，在组织损伤修复领域有较广泛的应用。成纤维细胞、肌成纤维细胞在创面愈合过程中起重要作用，科研人员对皮肤的创面愈合与细胞之间的相互作用做了如下研究。请回答相关问题：

（1）研究表明，肌成纤维细胞来源于皮肤成纤维细胞的转变，这种转变是通过___________过程实现的，发生这种转变的根本原因是______________________。肌成纤维细胞内由核糖体合成的胶原纤维、纤维连接蛋白等蛋白质经过___________等细胞器分泌到细胞外修复组织损伤。在创面愈合过程中，肌成纤维细胞生成过度会造成瘢痕的增生。

（2）间充质干细胞可以产生外泌体（由细胞产生并分泌到细胞外的囊泡），外泌体主要是由___________等成分构成的生物膜包裹着内部的蛋白质、RNA等物质组成的。

（3）为探究间充质干细胞外泌体的作用，研究人员以无胸腺裸鼠为实验材料，进行如下实验。

实验一：将背部皮肤有创伤的裸鼠若干，平均分为三组，处理方法及一段时间后检测结果如下表所示。

注：αSMA是肌成纤维细胞的标志产物

实验二：为研究间充质干细胞外泌体对皮肤创面影响的机理，研究人员检测不同物质对成纤维细胞增殖能力的影响并通过划痕实验（原理如图所示）检测不同物质对成纤维迁移能力的影响。一段时间后，结果如下表所示。

①实验一表明，间充质细胞通过___________在创面愈合中发挥作用。

②综合实验一、二，可以看出间充质干细胞外泌体的作用是______________________。

（4）外泌体中含有多种物质，确定外泌体中发挥作用的关键物质的实验思路是___________。

【答案】（1）分裂分化（或分化）    基因的选择性表达    内质网和高尔基体   

（2）蛋白质和脂质（或蛋白质和磷脂）   

（3）①外泌体    ②加快创面愈合，抑制皮肤成纤维细胞向肌成纤维细胞转变（或促进成纤维细胞增殖和迁移，抑制成纤维细胞向肌成纤维细胞转变）   

（4）将外泌体中的物质分离，分别观察它们的作用   

【解析】（1）皮肤成纤维细胞转变为肌成纤维细胞是通过分裂分化过程实现的，细胞分化的实质是基因的选择性表达；胶原纤维、纤维连接蛋白的实质是分泌蛋白，分泌蛋白的合成场所在核糖体，需要内质网和高尔基体分泌到细胞外。

（2）外泌体是由细胞产生并分泌到细胞外的囊泡，囊泡也属于生物膜，生物膜的主要成分是磷脂和蛋白质。

（3）①实验一：从上述实验结果可以看出，第2和3组的小鼠作用效果相同，伤口直径小，瘢痕小，αSMA表达量小；推测间充质干细胞通过外泌体加快创面愈合。

②从第6组去除外泌体和间充质干细胞的培养基+缓冲液，可以看出成纤维细胞的增殖能力比第5组低，划痕距离增大，所以综合实验一、二，可以看出间充质干细胞外泌体的作用是：加快创面愈合，抑制皮肤成纤维细胞向肌成纤维细胞转变（或促进成纤维细胞增殖和迁移，抑制成纤维细胞向肌成纤维细胞转变）

（4）外泌体中含有多种物质，确定外泌体中发挥作用的关键物质的实验思路是：将外泌体中的物质分离，分别观察它们的作用。

题组C  培优拔尖练

13.（2018全国Ⅲ卷）下列关于细胞的结构和生命活动的叙述，错误的是（　　）

A．成熟个体中的细胞增殖过程不需要消耗能量

B．细胞的核膜、内质网膜和细胞膜中都含有磷元素

C．两个相邻细胞的细胞膜接触可实现细胞间的信息传递

D．哺乳动物造血干细胞分化为成熟红细胞的过程不可逆

【答案】A

【解析】成熟个体中的细胞增殖过程中，间期DNA复制和蛋白质合成需要消耗能量，分裂期纺锤丝牵引染色体运动需要消耗能量，A错误；细胞的核膜、内质网和细胞膜中都属于生物膜，主要由磷脂和蛋白质组成，都含有磷元素，B正确；两个相邻细跑的细胞膜直接接触，信息从一个细胞传递给另一个细胞，C正确；哺乳动物造血干细胞分化为成熟红细胞，属于细胞分化，细胞分化一般不可逆，D正确。

14.（2018江苏卷改编）人体骨髓中存在少量属于多能干细胞的间充质干细胞（MSC），下图为MSC分裂、分化成多种组织细胞的示意图，下列叙述正确的是（　　）

A．组织细胞中的DNA和RNA与MSC中的相同

B．MSC不断增殖分化，所以比组织细胞更易衰老

C．MSC中的基因都不能表达时，该细胞开始凋亡

D．不同诱导因素使MSC分化形成不同类型的细胞

【答案】D

【解析】组织细胞中的DNA与MSC细胞中的DNA相同，但是RNA不同，A错误；组织细胞是MSC细胞增殖分化形成的，因此组织细胞比MSC细胞更容易衰老，B错误；当MSC中的基因都不能表达时，说明该细胞早就已经开始凋亡了，C错误；不同诱导因素能够使MSC分化形成不同类型的细胞，D正确。

15.（2016新课标2卷)在细胞的生命历程中，会出现分裂、分化等现象。下列叙述错误的是

A.细胞的有丝分裂对生物性状的遗传有贡献

B.哺乳动物的造血干细胞是未经分化的细胞

C.细胞分化是细胞内基因选择性表达的结果

D.通过组织培养可将植物叶肉细胞培育成新的植株

【答案】B

【解析】细胞增殖是重要的细胞生命活动，是生物体生长、发育、繁殖、遗传的基础，而细胞增殖的主要方式是有丝分裂，A项正确；哺乳动物的造血干细胞是已经分化的细胞，B项错误；细胞分化的实质是：在个体发育中，在遗传物质的控制下合成特异性蛋白质的过程，即细胞分化是细胞内基因选择性表达的结果，C项正确；借助植物组织培养技术，可将离体的植物叶肉细胞培育成新的植株，D项正确。

16．图1所示为拟南芥根伸长区横切图，图中根表皮细胞分为H型与R型，H型细胞与两个皮层细胞接触，将来分化成根毛细胞，R型细胞只与一个皮层细胞接触，分化成非根毛细胞。研究表明多种基因参与根表皮细胞分化过程。

（1）细胞分化是指在个体发育中，由一个或一种细胞增殖产生的后代，在_______上发生稳定性差异的过程。分化的根本原因是在个体发育过程中，不同细胞_______。

（2）S基因缺失突变体拟南芥根部发育模式出现紊乱。已知C蛋白可通过胞间连丝由R型细胞转移到H型细胞。研究人员检测了野生型和S缺失突变体拟南芥中C蛋白在R型与H型细胞中的分布，结果如图2。说明S蛋白在C蛋白的转移过程中起_______作用。

（3）S蛋白主要定位在细胞膜上，在H型细胞中含量多于R型细胞。Q蛋白可与S蛋白相互作用并影响S蛋白含量。当某种泛素分子与S蛋白连接时，可将S蛋白送入特定细胞器中降解，称为泛素化降解。研究者推测：“Q蛋白可能参与了S蛋白的泛素化降解”为证实此推测，科研人员在S缺失突变体和S、Q双缺失突变体拟南芥中均转入能稳定表达S-GFP融合蛋白的质粒（GFP为绿色荧光蛋白），利用抗GFP抗体检测S-GFP融合蛋白含量，如图3，并在荧光显微镜下观察S-GFP融合蛋白__________，如图4。结果表明，Q蛋白通过_______S蛋白泛素化降解来影响S蛋白的含量，依据是________。

（4）综上分析，不同根表皮细胞中Q蛋白表达水平不同，它通过与S蛋白相互作用，影响了S蛋白的含量。积累S蛋白多的细胞能够________，从而分化成为________。进一步研究表明，G基因是抑制拟南芥根表皮细胞形成根毛细胞的关键基因，而C蛋白可通过相关途径影响G基因的表达。

【答案】（1）形态、结构和生理功能    遗传信息执行情况不同（基因选择性表达）   

（2）促进   

（3）在细胞的分布    抑制    Q蛋白缺失时，S-GFP融合蛋白含量减少，分子量增大；且从细胞膜进入到细胞质中   

（4）促使更多的C蛋白进入    根毛细胞   

【解析】

（1）细胞分化是指在个体发育中，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。分化的根本原因是基因的选择性表达（不同细胞遗传信息执行情况不同）。

（2）S基因缺失突变体拟南芥根部发育模式出现紊乱。已知C蛋白可通过胞间连丝由R型细胞转移到H型细胞。研究人员检测了野生型和S缺失突变体拟南芥中C蛋白在R型与H型细胞中的分布，结果如图2，可知S缺失突变体中H型细胞占比减少，说明S蛋白在C蛋白的转移过程中起促进作用。

（3）Q蛋白可能参与了S蛋白的泛素化降解（当某种泛素分子与S蛋白连接时，可将S蛋白送入特定细胞器中降解），在S缺失突变体和S、Q双缺失突变体拟南芥中均转入能稳定表达S-GFP融合蛋白的质粒（GFP为绿色荧光蛋白），在荧光显微镜下观察S-GFP融合蛋白在细胞的分布，可以知道S蛋白的分布以及Q蛋白对S蛋白的作用。图3、图4结果表明，Q蛋白缺失时，S-GFP融合蛋白含量减少，分子量增大；且从细胞膜进入到细胞质中，说明Q蛋白通过抑制S蛋白泛素化降解来影响S蛋白的含量。

（4）S蛋白在C蛋白的转移过程中起促进作用，积累S蛋白多的细胞能够促使更多的C蛋白进入，C蛋白可通过胞间连丝由R型细胞转移到H型细胞，H型细胞与两个皮层细胞接触，将来分化成根毛细胞。