高中生物《细胞的衰老和凋亡》文字素材3 浙教版必修1

用心 爱心 专心1 细胞的衰老和凋亡细胞的衰老和凋亡 1 个体衰老的特征 老年人和青年人相比 机体成分及结构有明显改变 例如 老年人全身含水量减少 脂肪比例增加 细胞萎缩导致各器官的重量减轻 其中 老年人的性腺 脾和肾重量下降 较明显 甲状腺 肾上腺和脑的重量下降则较少 但是 老年人的肺因异物沉积 纤维 化 60 岁左右时重量反而增加 衰老器官的功能改变 主要表现为适应能力降低 抵抗力减退以及器官整体机能的减 弱和丧失 例如 更年期以后 女性的排卵功能基本丧失 有时 衰老器官功能改变主要 表现为部分细胞机能减退或细胞数目减少 例如 老年人神经细胞外形完整 但传导速度 减慢 而老年人基础氧利用的减少起因于有活力细胞数目的减少 此外 因组织细胞萎缩 减少了对营养的需求 从而使各器官血流灌注量减少 血液供应不足又促使组织进一步萎 缩 影响器官的机能 2 细胞衰老的特征 1 形态变化 细胞核 增大 染色深 核内有包含物 核膜内陷 染色质 凝聚 固缩 碎裂 溶解 细胞膜 黏度增加 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 高尔基体 碎裂 包含物 糖原减少 脂肪积聚 2 分子水平的变化 DNA 在总体上 DNA 复制与转录在细胞衰老时均受抑制 但个别基因可能会异常激活 端粒 DNA 缩短 线粒体 DNA 特异缺失 DNA 氧化 断裂 缺失和交联 甲基化程度降低 RNA mRNA 和 tRNA 含量降低 蛋白质 合成减弱 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 可降解性下降 自由基使蛋白质肽链断裂 交联而变性 氨基酸 由左旋变为右旋 用心 爱心 专心2 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 酶部分或完全失活 脂质 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 3 细胞衰老的分子机理 1 差错学派 差错学派认为 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 积累而导致的 根据对导致 差错 的主要因子和主导因素的认识不 同 可分为不同的学说 这些学说各有实验证据 代谢废物积累学说 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与 DNA 及脂质共价缩合形 成的巨交联物 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 研究还发现老年性痴呆 AD 脑内的脂褐质 脑血管沉积物中均有 淀粉样蛋白 AP 因此 AP 可作为 AD 的鉴定指标 大分子交联学说 过量的大分子交联是衰老的一个主要因素 如 DNA 交联和胶原交联 均可损害细胞功能 引起衰老 在临床上 胶原交联与动脉硬化 微血管病变有密切关系 自由基学说 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 其种类多 数量大 是活性极高的过渡态中间产物 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 非酶系统有维生素 E 醌类物质等电子受体 自由基的化学性质活泼 可攻击生物体内的 DNA 蛋白质和脂质等大分子物质 造成 损伤 结果导致 DNA 断裂 交联 碱基羟基化 蛋白质变性而失活 膜脂中不饱和脂肪酸 氧化 细胞膜流动性降低 大量实验证明 SOD 和 CAT 的活性升高能延缓机体的衰老 Sohal 将 SOD 和 CAT 基因 导入果蝇 使转基因果蝇比野生型的这两种酶基因多一个拷贝 转基因果蝇中酶活性显著 升高 而平均年龄和最高寿限有所延长 体细胞突变学说认为诱发和自发突变积累均可使基因部分或全部功能丧失 导致功能 性蛋白的合成减少 细胞衰老或死亡 例如 辐射可以导致年轻的哺乳动物出现衰老的症 状 和个体正常衰老非常相似 DNA 损伤修复学说 外源的理化因子 内源的自由基均可引起 DNA 损伤 正常机体内 存在 DNA 的修复机制 通常可使损伤的 DNA 得到修复 但是随着年龄的增加 这种修复能 力逐渐下降 结果导致 DNA 错误累积 最终细胞衰老死亡 另外 DNA 的修复并不均一 转录活跃基因被优先修复 而在同一基因中转录区被优先修复 彻底的修复仅发生在细胞 分裂的 DNA 复制时期 这也是干细胞能 永葆青春 的原因 用心 爱心 专心3 2 遗传论学派 遗传论学派认为衰老是遗传决定的自然演变过程 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 细胞有限分裂学说许多实验证明 正常的动物细胞无论是在体内生长还是在体外培养 其分裂次数总存在一个 极限值 亦称最大分裂次数 如人胚成纤维细胞在体外培养时 只能增殖 60 70 代 现在普遍认为细胞增殖次数与端粒 DNA 长度有关 有研究表明 体细胞染色体的端粒 DNA 会随细胞分裂次数增加而不断缩短 DNA 复制 一次端粒就缩短一段 当缩短到一定程度至极限值时 细胞停止复制 而走向衰亡 资料 表明人的成纤维细胞端粒每年缩短 14 18 bp 可见染色体的端粒有细胞分裂计数器的功 能 能记忆细胞分裂的次数 端粒的长度还与端聚酶的活性有关 端聚酶是一种反转录酶 能以自身的 RNA 为模板 合成端粒 DNA 在精原细胞和肿瘤细胞 如 Hela 细胞 中有较高的端聚酶活性 而正常体 细胞中端聚酶的活性很低 呈抑制状态 重复基因失活学说 真核生物基因组 DNA 重复序列不仅增加基因信息量 而且也是使 基因信息免遭机遇性分子损害的一种方式 主要基因的选择性重复是基因组的保护性机制 也可能是决定细胞衰老速率的一个因素 重复基因的一个拷贝受损或选择关闭后 其他拷 贝被激活 直到最后一份拷贝用完 细胞因缺少某种重要产物而衰亡 衰老基因学说 统计学资料表明 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 成人早衰症病人平均 39 岁时出现衰老 47 岁生命结束 婴 幼儿早衰症的小孩在 1 岁时出现明显的衰老 12 18 岁即过早夭折 由此看来物种的寿命 主要取决于遗传物质 DNA 链上可能存在一些 长寿基因 或 衰老基因 来决定个体的 寿限 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 d 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 淀粉样蛋白易于在脑组织中沉积 引起 AD 4 细胞凋亡与细胞坏死的区别 用心 爱心 专心4 细胞坏死是细胞受到急性强力伤害时立即出现的早期反应 包括细胞膜直接被破坏 大量水进入细胞 线粒体外膜肿胀而密度增加 核染色质呈絮状 蛋白质合成减慢 如及 时去除伤害因素 以上早期反应尚可逆转 若伤害外因持续存在 则发生不可逆的变化 如细胞骨架破坏 溶酶体解体 pH 下降 最后细胞膜和细胞器破裂 DNA 降解 细胞内容 物流出 引起周围组织炎症反应 细胞凋亡 cell apoptosis 是借用古希腊语 表示细胞像秋天的树叶一样凋落的死 亡方式 1972 年 Kerr 最先提出这一概念 他发现结扎大鼠肝的左 中叶门静脉后 其周 围细胞发生缺血性坏死 但肝动脉供应区的实质细胞仍存活 只是范围逐渐缩小 其间一 些细胞不断转变成细胞质小块 不伴有炎症 后在正常鼠肝中也偶然见到这一现象 细胞凋亡与细胞坏死的区别在于 1 染色质聚集 分块 位于核膜上 细胞质凝 缩 最后细胞核破裂 2 细胞通过出芽的方式形成许多凋亡小体 凋亡小体内有结构完 整的细胞器 还有凝缩的染色体 可被邻近细胞吞噬消化 因始终有膜封闭 没有内容物 释放 故不会引起炎症 3 线粒体无变化 溶酶体活性不增加 4 内切酶活化 DNA 降解 凝胶电泳图谱呈梯状 5 凋亡通常是生理性变化 而细胞坏死是病理性变化 5 细胞程序性死亡 在细胞凋亡一词出现之前 胚胎学家已观察到动物发育过程中存在着细胞程序性死亡 programmed cell death PCD 现象 近年来 PCD 和细胞凋亡常被作为同义词使用 但两 者实质上是有差异的 首先 PCD 是一个功能性概念 描述在一个多细胞生物体中 某些 细胞的死亡是个体发育中一个预定的 并受到严格控制的正常组成部分 而凋亡是一个形 态学概念 指与细胞坏死不同的受到基因控制的细胞死亡形式 其次 PCD 的最终结果是 细胞凋亡 但细胞凋亡并非都是程序化的 线虫Caenorhabditis elegans是研究个体发育和细胞程序性死亡的理想材料 其生 命周期短 细胞数量少 成熟的成虫若是雌雄同体则有 959 个体细胞 约 2 000 个生殖细 胞 若是雄虫则有 1 031 个体细胞和约 1 000 个生殖细胞 神经系统由 302 个细胞组成 这些细胞来自于 407 个前体细胞 这些前体细胞中有 105 个发生了程序死亡 控制线虫细 胞凋亡的基因主要有 3 个 Ced 3 Ced 4