细胞生物学第十三章

衰老症状与原因分析衰老症状 原因分析皮肤干燥、发皱头发变白老人斑饮食减少细胞水分减少，体积减小细胞内的酶活性降低细胞内色素的累积细胞膜通透性功能改变衰老（ aging， senescence， senility）又称老化 ， 通常指生物发育成熟后，在正常情况下随着年龄的增加，机能减退，内环境稳定性下降，结构中心组分退行性变化，趋向死亡的不可逆的现象。 衰老和死亡是生命的基本现象，衰老过程发生在生物界的整体水平、种群水平、个体水平、细胞水平以及分子水平等不同的层次。生命要不断的更新，种族要不断的繁衍。而这种过程就是在生与死的矛盾中进行的。至少从细胞水平来看，死亡是不可避免的。 第一节 细胞衰老 一、细胞衰老的概念人的寿命应该有多长？人的寿命应该有多长？ 哺乳类动物的寿命应该是其生长期的 7倍。 人的生长期是最后一颗牙齿长出来的时间(20-25岁 )。 因此人的寿命应该为 100-175岁，正常应该是 120岁。 “衰 ”是指功能或体力的减退。 “老 ”是指年龄超过某一界限。 衰老是机体在退化时期生理功能下降和紊乱的综合表现，是不可逆的生命过程。衰老是客观存在的，是细胞生命活动的客观规律。机体的衰老与细胞的衰老是相关联的。 衰老有三种表现形式：生理性衰老、病理性衰老、心理性衰老“衰衰 ”与与 “老老 ”二、细胞衰老的特征（一）形态变化衰老细胞的形态变化主要表现在细胞皱缩，膜通透性、脆性增加，核膜内折，细胞器数量特别是线粒体数量减少，胞内出现脂褐素等异常物质沉积，最终出现细胞凋亡或坏死。总体来说老化细胞的各种结构呈退行性变化 .核 增大、染色深、核内有包含物染色 质 凝聚、固 缩 、碎裂、溶解质 膜 粘度增加、流 动 性降低细 胞 质 色素 积 聚、空泡形成线 粒体 数目减少、体 积 增大、 mtDNA突 变 或 丢 失高 尔 基体 碎裂尼氏体 消失包含物 糖原减少、脂肪 积 聚核膜 内陷（二）分子水平的变化衰老细胞会出现脂类、蛋白质和 DNA等细胞成分损伤，细胞代谢能力降低，主要表现在以下方面：1. DNA：复制与转录受到抑制，但也有个别基因会异常激活，端粒 DNA丢失，线粒体 DNA特异性缺失， DNA氧化、断裂、缺失和交联，甲基化程度降低。2. RNA： mRNA和 tRNA含量降低。 3. 蛋白质：含成下降，细胞内蛋白质发生糖基化、氨甲酰化、脱氨基等修饰反应，导致蛋白质稳定性、抗原性，可消化性下降，自由基使蛋白质肽断裂，交联而变性。氨基酸由左旋变为右旋。 4. 酶分子：活性中心被氧化，金属离子 Ca2+、 Zn2+、 Mg2+、 Fe2+等丢失，酶分子的二级结构，溶解度，等电点发生改变，总的效应是酶失活。 5. 脂类：不饱和脂肪酸被氧化，引起膜脂之间或与脂蛋白之间交联，膜的流动性降低。 三、细胞衰老的分子机理关于衰老的机理具有许多不同的学说，概括起来主要有 差错学派（ Error theories） 和 遗传学派（ Genetic /Programmed theories） 两大类，前者强调衰老是由于细胞中的各种错误积累引起的，后者强调衰老是遗传决定的自然演进过程。其实，现在看来两者是相互统一的 （一）差错学派细胞衰老是各种细胞成分在受到内外环境的损伤作用后，因缺乏完善的修复，使 “ 差错 ” 积累，导致细胞衰老。根据对导致 “ 差错 ” 的主要因子和主导因子的认识不同，可分为不同的学说 1代谢废物积累（ waste product accumulation） 细胞代谢产物积累至一定量后会危害细胞，引起衰老，哺乳动物脂褐质的沉积是一个典型的例子， 脂褐质是一些长寿命的蛋白质和 DNA、脂类共价缩合形成的巨交联物，次级溶酶体是形成脂褐质的场所，由于脂褐质结构致密，不能被彻底水解，又不能排出细胞，结果在细胞内沉积增多，阻碍细胞的物质交流和信号传递，最后导致细胞衰老 ，如老年性痴呆（ AD）就是由 -淀粉样蛋白沉积引起的，因此 -AP可做为 AD的鉴定指标。 2自由基学说（ free radical theories） 自由基是一类瞬时形成的含不成对电子的原子或功能基团，普遍存在于生物系统。 主要包括：氧自由基（如羟自由基 OH）、氢自由基（ H）、碳自由基、脂自由基等，其中 OH的化学性质最活泼。 人体内 自由基的产生有两方面 ： 一是环境中的高温、辐射、光解、化学物质等引起的外源性自由基 ； 二是体内各种代谢反应产生的内源性自由基 。内源性自由基是人体自由基的主要来源，其产生的主要途径有： 由线粒体呼吸链电子泄漏产生； 由经过氧化物酶体的多功能氧化酶（ MFO）等催化底物羟化产生。此外，机体血红蛋白、肌红蛋白中还可通过非酶促反应产生自由基。 自由基含有未配对电子，具有 高度反应活性 ，可引发链式自由基反应，引起 DNA、蛋白质和脂类，尤其是多不饱和脂肪酸（ polyunsaturated fatty Acids， PUFA）等大分子物质变性和交联，损伤 DNA、生物膜、重要的结构蛋白和功能蛋白，从而引起衰老各种现象的发生。实验表明 DNA中OH8dG随着年龄的增加而增加。 OH8dG完全失去碱基配对特异性，不仅OH8dG被错读，与之相邻的胞嘧啶也被错误复制。 正常细胞内存在清除自由基的防御系统 ，包括 酶系统和非酶系统 ，前者如：超氧化物歧化酶（ SOD），过氧化氢酶（ CAT），谷胱甘肽过氧化物酶（ GSH-PX），非酶系统有维生素 E、醌类物质等电子受体。 Orr WC和Sohal RS（ 1994），将铜锌超氧化物岐化酶（ copper-zinc superoxide dismutase）基因导入果蝇，使转基因株具有 3个拷贝的 SOD基因，其寿命比野生型延长 1/3。 3. 线粒体 DNA突变（ mitochondrial DNA mutation） 在线粒体氧化磷酸化生成 ATP的过程中，大约有 1-4%氧转化为氧自由基，也叫活性氧（ reactive oxygen species， ROS)，因此线粒体是自由基浓度最高的细胞器。 mtDNA裸露于基质，缺乏结合蛋白的保护，最易受自由基伤害，而催化 mtDNA复制的 DNA聚合酶 不具有校正功能，复制错误频率高，同时缺乏有效的修复酶，故 mtDNA最容易发生突变 。 mtDNA突变使呼吸链功能受损，进一步引起自由基堆积，如此反复循环。衰老个体细胞中mtDNA缺失表现明显，并随着年龄的增加而增加，许多研究认为 mtDNA缺失与衰老及伴随的老年衰退性疾病有密切关系。（二）遗传学派 认为衰老是遗传决定的自然演进过程，一切细胞均有内在的预定程序决定其寿命，而细胞寿命又决定种属寿命的差异，外部因素只能使细胞寿命在限定范围内变动1程序性衰老（ programmed senescence） 程序性衰老理论认为， 生物的生长、发育、衰老和死亡都由基因程序控制的 ，衰老实际上是某些基因依次开启或关闭的结果。例如在小鼠肝中，胚胎早期表达的胞质丙氨酸转氨酶（ cytosolic alanine aminotransferase， cAAT）为 A型，随后停止表达，但是在衰老时则表达 B型 cAAT，其它类似的衰老标志物（ senescence markers）也有报道，如肝脏中的衰老标志蛋白 2（ senescence marker protein 2）也是在老年期表达。 此外程序性学派还认为衰老还与 神经内分泌系统退行性变化以及免疫系统的程序性衰老有关 。 2复制性衰老（ replicative senescence） 概念：关于细胞增殖能力和寿命是有限的观点 细胞，至少是培养的二倍体细胞，不是不死的，而是有一定的 寿命；它们的增殖能力不是无限的，而是有一定的界限，这就 是 Hayflick界限 。 癌细胞或培养的细胞系是不正常细胞，其染色体数目或形态已经不同于原先的细胞 细胞的增殖能力与供体年龄有关 物种寿命与培养细胞寿命之间存在着一定的关系 二倍体细胞的衰老是由细胞本身决定的 决定细胞衰老的因素在细胞内部，不是外部的环境 是细胞核而不是细胞质决定了细胞衰老Hayflick界限 (Hayflick Limitation）细 胞来源 人胚肺成纤维细 胞 中年人成纤维细 胞 老年人成纤维细 胞可增殖代数 40-60 20 2-4不同年龄来源的人成纤维细胞的增殖代数 子女的寿命与双亲的寿命有关； 各种动物都有相当恒定的平均寿命和最高寿命； 成人早衰症成人早衰症 ：平均 39岁时出现衰老， 47岁生命结束； 婴幼儿早衰症婴幼儿早衰症 ： 1岁时出现明显的衰老， 1218岁生命结束， 早衰症患者 体内 解旋酶解旋酶 发生突变 。 Caenrhabditis elegans的平均寿命仅 3.5天，该虫 age-1 单基因突变，可提高平均寿命 65%，提高最大寿命 110%。3、衰老基因学说、衰老基因学说研究表明当细胞衰老时，一些衰老相关基因（ SAG）表达特别活跃，其表达水平大大高于年轻细胞，已在人 1号染色体、 4号染色体及 X染色体上发现 SAG。 用线虫的研究表明，基因确可影响衰老及寿限， Caenorhabditis elegans的平均寿命仅 3.5天，该虫 age-1 单基因突变，可提高平均寿命 65%，提高最大寿命 110%， age-1突变型有较强的抗氧化酶活性，对 H2O2、农药、紫外线和高温的耐受性均高于野生型。对早老综合症的研究发现体内解旋酶存在突变，该酶基因位于 8号染色体短臂，称为 WRN基因。对 AD的研究发现，至少与 4个基因的突变有关，其中淀粉样蛋白前体基因（ APP）的突变，导致基因产物 淀粉蛋白易于在脑组织中沉积，引起 AD。第二节 细胞凋亡一、细胞死亡的概念一、细胞死亡的概念二、细胞的死亡形式二、细胞的死亡形式 细胞死亡 (cell death)： 细胞生命现象不可逆的停止。 1.坏死性死亡 (necrosis) 2.细胞凋亡 (apoptosis)1.细胞坏死（细胞被动性死亡）细胞坏死（细胞被动性死亡）v 细胞坏死 是病理条件下细胞死亡的过程。 早期表现为细胞膜破裂，线粒体肿胀。 继而溶酶体破裂 ,细胞内容物流出 , 引起炎症 。判断细胞是否死亡，常用细胞活体染色方法进行鉴别，由于细胞死亡时，细胞膜通透性发生改变，丧失原有功能及增殖能力，可被 伊文思蓝、洋红、甲基蓝 等 .染色时间不能太长 ,凡未染或染色及浅的细胞是有活力的，而染色深的细胞是无活力的死细胞 胞质内蛋白变性、凝固或碎裂，以及嗜碱性核蛋白的降解，细胞质呈现强嗜酸性，故坏死组织或细胞在苏木精 /伊红染色切片中，胞质呈均一的深伊红色 FDA:双醋酸荧光素荧光法 :染色法 : 2.细胞凋亡 （细胞主动性死亡）美国科学情报研究所（ ISI） 1997年 SCI（ Science Citation Index） 收录及引用论文检索， 全世界自然科学 研究中论文发表最集中的三个领域分别是：细胞信号转导 （ signal transduction）；细胞凋亡 （ cell apoptosis）；基因组与后基因组学研究 （ genome and post-genomic analysis）。细胞凋亡现象最早是 1965年 Kerr在大鼠肝细胞中发现的，当时他称这种现象为 “皱缩型坏死 ”。 1972年， Kerr,Wylle和Curry在许多正常组织中观察到一种与经典的细胞坏死形态特征不同的现象：细胞收缩、细胞碎片、散在不完整细胞等，据此，他们首次提出 apoptosis一词。国内常译为细胞凋亡、细胞凋落、细胞凋谢、细胞衰亡等，多数学者倾向于细胞凋亡。强调这一过程是一种自然的生理学过程。近 10年来对细胞凋亡的研究日渐重视，现代研究结果表明：细胞凋亡不仅是认识细胞死亡过程的基础，而且对胚胎发育、造血、免疫、乃至肿瘤都有极为重要的作用。细胞凋亡的提出细胞凋亡研究的模式生物细胞凋亡的概念及其生物学意义 概念：细胞凋亡是一个主动的由基因决定的自动结束生命的过程，受到严格的由遗传机制决定的程序性控制，所以也常常被称为细胞编程死亡（ programmed cell death, PCD）。 生物学意义：细胞凋亡对于多细胞生物个体发育的正常进行，自稳平衡的保持以及抵御外界各种因素的干扰方面都起着非常关键的作用。 1 有利于清除多余细胞 胚胎发育的某个阶段，特定区域的多余细胞发生凋亡，利于器官的形态形成。如指和趾的形成。2 有利于清除无用细胞 形态发生时，一些遗迹随发育而凋亡。如人胚的尾芽和鳃的定期消亡、蝌蚪退尾、人体性别的分化。 3 有利于清除发育不正常的细胞 4 有利于清除有害细胞 作为自身的一种保护机制5 有利于清除完成正常使命的衰老细胞 如人红细胞、动物表皮细胞、胃肠道细胞6 维持器官、组织细胞数目相对平衡 细胞凋亡和细胞增殖是一个相反的过程，细胞增殖低下和 /或凋亡过盛，引起器官萎缩，肿瘤发生既与细胞增殖过度有关，又与细胞凋亡不足有关。细胞凋亡的 形态学特征 凋亡的起始 ：细胞表面的特化结构如微绒毛消失，细胞间接触的消失，但细胞膜依然完整；线粒体大体完整，但核糖体逐渐从内质网上脱离，内质网囊腔膨胀，并逐渐与质膜融合；染色质固缩，形成新月形帽状结构等形态，沿着核膜分布 凋亡小体的形成 ：核染色质断裂为大小不等的片段，与某 些细胞器如线粒体一起聚集，为反折的细胞质膜所包围。细胞表面产生了许多 泡状或芽状 突起 ， 逐渐形成单个的凋亡小体 凋亡小体逐渐为邻近的细胞吞噬并消化细胞凋亡的发生过程，在形态学上可分为三个阶段：在光镜下表现为： 细胞凝缩，染色质致密、边缘化、核凝集，染色体断裂形成核碎片。细胞质气泡化，凋亡小体形成并从胞体脱落，被周边细胞吞噬。在电镜下表现为： 细胞核： 早期缩小，电子密度增高，核膜皱缩，染色体密集于核膜下，分布不均匀；中期核高度凝集致密化；晚期核膜消失，染色体断裂，核被分裂成碎片。核碎片在细胞质中与细胞器等成分一起被细胞膜包裹成圆形的凋亡小体。 细胞质 ： 密度增高，细胞骨架被破坏；内质网扩大为泡状。细胞膜：微绒毛丧失，但膜完整性始终保持。 1.细胞皱缩 ; 2.染色质凝集呈块状 ; 3.细胞质浓缩 ; 4.凋亡小体形成； 5.凋亡小体内有结构完整的细胞器。细胞凋亡的生物化学特征 1.DNA凝胶电泳时呈现出特征性的梯形带 ; 2.RNA 和蛋白质的合成增加 ; 3.钙离子浓度升高 ;钙离子浓度的升高是细胞凋亡的一个重要条件。 4.内源性核酸内切酶活化，导致染色质断裂 ; 5.线粒体的变化。细胞凋亡与坏死 (necrosis) 二者的主要区别 细胞凋亡过程中，细胞质膜反折，包裹断裂的染色质片段或细胞器，然后逐渐分离，形成众多的凋亡小体（ apoptotic bodies）， 凋亡小体则为邻近的细胞所吞噬