細胞生物第十章

1、第十章 細胞的衰老與死亡第一節(jié)第一節(jié) 細胞衰老（細胞衰老（cell senescence）一、細胞衰老的概念和特點一、細胞衰老的概念和特點 細胞衰老：細胞衰老： 細胞的形態(tài)結構、化學成分和生理功能逐漸衰退的現(xiàn)細胞的形態(tài)結構、化學成分和生理功能逐漸衰退的現(xiàn)象。象。 大多數(shù)細胞都要經(jīng)歷從未分化到分化、分化到衰老、大多數(shù)細胞都要經(jīng)歷從未分化到分化、分化到衰老、衰老到死亡的歷程衰老到死亡的歷程。 機體衰老機體衰老細胞衰老細胞衰老 細胞總體的衰老反應了機體的衰老，細胞的衰老是機體細胞總體的衰老反應了機體的衰老，細胞的衰老是機體衰老和老年病發(fā)病的基礎。衰老和老年病發(fā)病的基礎。二、二、 細胞的壽命與細胞的壽

2、命與HayflickHayflick界限界限 總有細胞不斷地衰老與死亡，又有細胞總有細胞不斷地衰老與死亡，又有細胞的增殖與新生進行補充。的增殖與新生進行補充。 不同類型細胞的壽命很不一致。不同類型細胞的壽命很不一致。 細胞的壽命接近于動物的整體壽命：神經(jīng)元、細胞的壽命接近于動物的整體壽命：神經(jīng)元、脂肪細胞、肌細胞等。脂肪細胞、肌細胞等。 緩慢更新的細胞，其壽命比機體壽命短：肝細緩慢更新的細胞，其壽命比機體壽命短：肝細胞、胃壁細胞。胞、胃壁細胞。 快速更新的細胞，表皮細胞、紅細胞核白細胞快速更新的細胞，表皮細胞、紅細胞核白細胞。 細胞的壽命還受到內(nèi)、外環(huán)境條件的影響細胞的壽命還受到內(nèi)、外環(huán)境條件

3、的影響Hayflick界限界限 1961年，年，Hayflick 首次報道了體外培養(yǎng)的人成纖首次報道了體外培養(yǎng)的人成纖維細胞維細胞(human fibroblast)具有增殖分裂的極限。具有增殖分裂的極限。他利用來自胚胎和成體的成纖維細胞進行體外培他利用來自胚胎和成體的成纖維細胞進行體外培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)胚胎的成纖維細胞分裂傳代養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)胚胎的成纖維細胞分裂傳代50次后開始次后開始衰退和死亡，而來自成年組織的成纖維細胞只能衰退和死亡，而來自成年組織的成纖維細胞只能培養(yǎng)培養(yǎng)1530代就開始死亡。代就開始死亡。體外培養(yǎng)的年輕和老的人成纖維細胞的形態(tài)體外培養(yǎng)的年輕和老的人成纖維細胞的形態(tài)物種的壽命與體外培養(yǎng)時

4、細胞傳代次數(shù)的關系物種的壽命與體外培養(yǎng)時細胞傳代次數(shù)的關系三、三、 細胞衰老的表現(xiàn)細胞衰老的表現(xiàn)1、形態(tài)改變、形態(tài)改變1、核：、核： 增大、染色深、核內(nèi)有包含物增大、染色深、核內(nèi)有包含物2、染色質(zhì)染色質(zhì)： 凝聚、固縮、碎裂、溶解凝聚、固縮、碎裂、溶解3、質(zhì)膜質(zhì)膜： 粘度增加、流動性降低粘度增加、流動性降低4、細胞質(zhì)：、細胞質(zhì)： 色素積聚、空泡形成色素積聚、空泡形成5、線粒體線粒體： 數(shù)目減少、體積增大數(shù)目減少、體積增大6、高爾基體高爾基體：碎裂：碎裂7、尼氏體尼氏體： 消失消失8、包含物：、包含物： 糖原糖原減少、脂肪積聚減少、脂肪積聚9、核膜核膜： 內(nèi)陷內(nèi)陷 2、分子水平的變化、分子水平的變

5、化1、DNA：從總體上：從總體上DNA復制與轉(zhuǎn)錄在細胞衰老時均受抑復制與轉(zhuǎn)錄在細胞衰老時均受抑制，但也有個別基因會異常激活，端粒制，但也有個別基因會異常激活，端粒DNA丟失，線粒體丟失，線粒體DNA特異性缺失，特異性缺失，DNA氧化、斷裂、缺失和交聯(lián)，甲基化程度降低。氧化、斷裂、缺失和交聯(lián)，甲基化程度降低。2、 RNA：mRNA和和tRNA含量降低。含量降低。3、蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)：含成下降，細胞內(nèi)蛋白質(zhì)發(fā)生糖基化、氨甲：含成下降，細胞內(nèi)蛋白質(zhì)發(fā)生糖基化、氨甲?；?、脫氨基等修飾反應，導致蛋白質(zhì)穩(wěn)定性、抗原性，可消?；?、脫氨基等修飾反應，導致蛋白質(zhì)穩(wěn)定性、抗原性，可消化性下降，自由基使蛋白質(zhì)肽斷裂，

6、交聯(lián)而變性。氨基酸由左化性下降，自由基使蛋白質(zhì)肽斷裂，交聯(lián)而變性。氨基酸由左旋變?yōu)橛倚?。旋變?yōu)橛倚?、 酶分子酶分子：活性中心被氧化，金屬離子：活性中心被氧化，金屬離子Ca2+、Zn2+、Mg2+、Fe2+等丟失，酶分子的二級結構，溶解度，等電點發(fā)等丟失，酶分子的二級結構，溶解度，等電點發(fā)生改變，總的效應是酶失活。生改變，總的效應是酶失活。5、脂類、脂類：不飽和脂肪酸被氧化，引起膜脂之間或與脂蛋：不飽和脂肪酸被氧化，引起膜脂之間或與脂蛋白之間交聯(lián)，膜的流動性降低。白之間交聯(lián)，膜的流動性降低。四、細胞衰老的發(fā)生機制四、細胞衰老的發(fā)生機制（一）遺傳決定學說（一）遺傳決定學說 衰老是遺傳上的一個程

7、序化衰老是遺傳上的一個程序化過程，其推動力和決定因素過程，其推動力和決定因素是遺傳的基因組。是遺傳的基因組。 控制生長發(fā)育和衰老的基因控制生長發(fā)育和衰老的基因都在特定時期有序地開啟和都在特定時期有序地開啟和關閉（衰老相關基因）。關閉（衰老相關基因）。正常兒童（左）正常兒童（左）嬰幼兒早衰癥患者（右）嬰幼兒早衰癥患者（右）（二）自由基學說（二）自由基學說（衰老的自由基理論）（衰老的自由基理論） 自由基：自由基：在外層軌道上具有不成對電子的分子或原在外層軌道上具有不成對電子的分子或原子基團。與其他物質(zhì)反應時為奪取電子，引起細胞子基團。與其他物質(zhì)反應時為奪取電子，引起細胞氧化性損傷。氧化性損傷。 自

8、由基在機體代謝過程中產(chǎn)生（如代謝產(chǎn)生的活性自由基在機體代謝過程中產(chǎn)生（如代謝產(chǎn)生的活性氧基團，氧基團，ROS），引發(fā)氧化性損傷，導致衰老。），引發(fā)氧化性損傷，導致衰老。 污染、輻射、化學物質(zhì)等可增加自由基形成。污染、輻射、化學物質(zhì)等可增加自由基形成。 消除自由基的物質(zhì)可一定程度延緩衰老，如超氧岐消除自由基的物質(zhì)可一定程度延緩衰老，如超氧岐化酶化酶(SOD)(SOD)、維生素、維生素E E等。等。（三）端粒鐘學說（三）端粒鐘學說 端粒隨細胞的分裂不斷縮短；端粒隨細胞的分裂不斷縮短； 端粒長度縮短到一定閾值時，細胞進入衰老。端粒長度縮短到一定閾值時，細胞進入衰老。（四）代謝廢物累積學說（四）代謝廢

9、物累積學說細胞功能下降細胞功能下降代謝廢物不能及時排出胞外，不代謝廢物不能及時排出胞外，不能降解消化能降解消化代謝廢物代謝廢物占據(jù)的空間占據(jù)的空間 影響代影響代謝廢物運輸謝廢物運輸阻礙正常生理功能阻礙正常生理功能衰老。衰老。 脂褐質(zhì)脂褐質(zhì) 淀粉樣蛋白淀粉樣蛋白阿爾茨海默病。阿爾茨海默病。（五）基因轉(zhuǎn)錄或翻譯差錯學說（五）基因轉(zhuǎn)錄或翻譯差錯學說 年齡增長年齡增長DNA復制效率下降，核酸、蛋白復制效率下降，核酸、蛋白質(zhì)、酶等大分子的合成差錯質(zhì)、酶等大分子的合成差錯細胞功能降低細胞功能降低衰老衰老死亡。死亡。（六）線粒體（六）線粒體DNA損傷學說損傷學說（七）其他學說（七）其他學說 抗衰老基因抗衰老

10、基因SOD基因基因P53基因基因APOC3基因基因 衰老基因衰老基因MORF4基因基因P16基因基因P21基因基因五、細胞衰老的相關基因五、細胞衰老的相關基因第二節(jié)第二節(jié) 細胞死亡細胞死亡 細胞壞死（細胞壞死（necrosis）：指由環(huán)境因子或病理狀態(tài)：指由環(huán)境因子或病理狀態(tài)導致的細胞死亡，為被動性、非正常的死亡。導致的細胞死亡，為被動性、非正常的死亡。 細胞凋亡（細胞凋亡（apoptosis）：指在特定信號誘導下，：指在特定信號誘導下，按按一定程序發(fā)生的細胞死亡，為主動的、由基因決定一定程序發(fā)生的細胞死亡，為主動的、由基因決定的正常死亡，亦稱的正常死亡，亦稱程序性死亡程序性死亡（progra

11、mmed cell death，PCD）。）。一、細胞死亡的原因 正常死亡 非正常死亡物理的化學的生物的二、細胞死亡的特征與形式1. 壞死2. 細胞凋亡3. 細胞自噬4. 細胞脹亡第三節(jié) 細胞凋亡PRIZED Horvitz, and Sulston share Physiology or Medicine Nobel （2002） “for their discoveries concerning genetic regulation for their discoveries concerning genetic regulation of organ development and pr

12、ogrammed cell death”of organ development and programmed cell death”1090 131= 959(cells)機體結構機體結構細胞增殖細胞增殖細胞分化細胞分化細胞凋亡細胞凋亡細胞信號轉(zhuǎn)導細胞信號轉(zhuǎn)導染色體染色體（DNADNA與蛋白質(zhì)的相互作用）與蛋白質(zhì)的相互作用）衰老衰老一、細胞凋亡的概念與特征一、細胞凋亡的概念與特征細胞凋亡是細胞在一定的生理或病理條件下，細胞凋亡是細胞在一定的生理或病理條件下，遵循自身的程序，自己結束其生命的過程。遵循自身的程序，自己結束其生命的過程。細胞凋亡亦被稱為細胞編程性死亡（細胞凋亡亦被稱為細胞編程性死

13、亡（），即在一定的時間內(nèi)，細胞按一定的），即在一定的時間內(nèi)，細胞按一定的程序發(fā)生的死亡，具有嚴格的基因時控性程序發(fā)生的死亡，具有嚴格的基因時控性和選擇性。和選擇性。 細胞受到激烈的化學（強酸、細胞受到激烈的化學（強酸、強堿、有毒物質(zhì)等）、物理強堿、有毒物質(zhì)等）、物理（熱、輻射等）和生物（病原（熱、輻射等）和生物（病原體等）等環(huán)境因素的傷害引起。體等）等環(huán)境因素的傷害引起。 細胞膜和細胞器的質(zhì)膜發(fā)生破細胞膜和細胞器的質(zhì)膜發(fā)生破裂，裂，線粒體腫脹。線粒體腫脹。 繼而溶酶體破裂繼而溶酶體破裂, , 胞漿外溢，胞漿外溢，細胞解體并引起周圍組織發(fā)生細胞解體并引起周圍組織發(fā)生炎癥反應炎癥反應。（一）細胞壞

14、死的形態(tài)特征（一）細胞壞死的形態(tài)特征細胞核細胞核染色質(zhì)斷成核小體片段，濃縮成塊，聚集于染色質(zhì)斷成核小體片段，濃縮成塊，聚集于核膜下或中央部異染色質(zhì)區(qū)，核呈新月狀、核膜下或中央部異染色質(zhì)區(qū)，核呈新月狀、花瓣狀等；花瓣狀等；染色質(zhì)進一步聚集，使核膜在核膜孔處斷裂，染色質(zhì)進一步聚集，使核膜在核膜孔處斷裂，形成核碎片或核殘片。形成核碎片或核殘片。細胞質(zhì)細胞質(zhì)線粒體增大，嵴增多，空泡化；線粒體增大，嵴增多，空泡化；內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔增殖膨大；內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔增殖膨大；細胞骨架結構變得致密和紊亂。細胞骨架結構變得致密和紊亂。（二）細胞凋亡的形態(tài)特征（二）細胞凋亡的形態(tài)特征細胞膜細胞膜 微絨毛、細胞突起及細胞間連接等逐漸消失

15、；微絨毛、細胞突起及細胞間連接等逐漸消失； 細胞膜起泡，但仍完整，未失去選擇通透性；細胞膜起泡，但仍完整，未失去選擇通透性； 與細胞間連接有關的蛋白質(zhì)從凋亡的膜上消失，但新出與細胞間連接有關的蛋白質(zhì)從凋亡的膜上消失，但新出現(xiàn)一些生物大分子調(diào)節(jié)凋亡細胞的清除。現(xiàn)一些生物大分子調(diào)節(jié)凋亡細胞的清除。A、Normal cell B、Apoptosis: Apoptotic bodies 細胞凋亡時質(zhì)膜始終完整，細胞凋亡時質(zhì)膜始終完整，胞膜內(nèi)陷將內(nèi)容物包被成一些胞膜內(nèi)陷將內(nèi)容物包被成一些囊狀小泡，即囊狀小泡，即凋亡小體凋亡小體(apoptotic body)，后者被周圍，后者被周圍細胞吞噬，無細胞內(nèi)容物

16、外泄，細胞吞噬，無細胞內(nèi)容物外泄，不引起炎癥反應。不引起炎癥反應。 壞壞 死死凋凋 亡亡染色質(zhì)聚集染色質(zhì)聚集細胞器腫脹細胞器腫脹細胞輕微回卷細胞輕微回卷染色質(zhì)壓縮并斷染色質(zhì)壓縮并斷成核小體片段成核小體片段細胞質(zhì)濃縮細胞質(zhì)濃縮細胞瓦解細胞瓦解細胞內(nèi)容物細胞內(nèi)容物釋放釋放炎癥反應炎癥反應核碎片化核碎片化產(chǎn)生凋亡小體產(chǎn)生凋亡小體吞噬作用吞噬作用凋亡小體凋亡小體吞噬細胞吞噬細胞（三）（三） 細胞凋亡時細胞生化改變的復雜性和多樣性細胞凋亡時細胞生化改變的復雜性和多樣性1，DNA片段化片段化 凋亡時，細胞的凋亡時，細胞的內(nèi)源性核酸內(nèi)源性核酸內(nèi)切酶內(nèi)切酶特異地在核小體聯(lián)接特異地在核小體聯(lián)接區(qū)切斷區(qū)切斷DNA

17、鏈，形成長度為鏈，形成長度為180-200bp整數(shù)倍的寡聚核苷整數(shù)倍的寡聚核苷酸片段，在瓊脂糖凝膠電泳酸片段，在瓊脂糖凝膠電泳時，表現(xiàn)出特征性的時，表現(xiàn)出特征性的DNA梯梯狀條帶狀條帶 (DNA ladders)。 壞死時壞死時DNA隨意斷裂，電泳隨意斷裂，電泳呈彌散條帶（呈彌散條帶（smear）。）。2，細胞凋亡中起關鍵作用的蛋白酶，細胞凋亡中起關鍵作用的蛋白酶3，胞漿，胞漿Ca2+和和 pH變化變化 細胞凋亡的整個過程由細胞凋亡的整個過程由多種蛋白酶通過級聯(lián)切多種蛋白酶通過級聯(lián)切割割控制?？刂啤?控制凋亡的蛋白酶控制凋亡的蛋白酶 有有 caspase家族、鈣蛋白家族、鈣蛋白酶或分裂素等。酶

18、或分裂素等。 Ca2+ 能誘導細胞凋亡。能誘導細胞凋亡。 H+ 濃度引起的胞漿堿化和酸化均能影響細胞濃度引起的胞漿堿化和酸化均能影響細胞凋亡。凋亡。4，線粒體在細胞凋亡中的作用，線粒體在細胞凋亡中的作用 線粒體在細胞凋亡調(diào)控中起很重要的作用。線粒體在細胞凋亡調(diào)控中起很重要的作用。 呼吸鏈受損，能量代謝受破壞呼吸鏈受損，能量代謝受破壞細胞死亡；細胞死亡；釋放細胞色素釋放細胞色素C (cytochrome C, cyt C，為凋，為凋亡所必須的亡所必須的caspase家族的激活物家族的激活物)； 是是ROS的主要來源，的主要來源，ROS是凋亡的信使分子和是凋亡的信使分子和效應分子；效應分子； 滲透

19、轉(zhuǎn)變孔滲透轉(zhuǎn)變孔 (PT pores) 通透性增高，這是凋通透性增高，這是凋亡早期的決定性變化。亡早期的決定性變化。 誘導因素誘導因素 多種無多種無ATP缺乏的生理或病理因素缺乏的生理或病理因素 強烈的刺激因素（毒素等）強烈的刺激因素（毒素等） 能量需求能量需求 依賴依賴ATP 不依賴不依賴ATP 細胞細胞 皺縮、與相鄰細胞的連接喪失皺縮、與相鄰細胞的連接喪失 腫脹腫脹 細胞質(zhì)膜細胞質(zhì)膜 始終保持良好的整合性始終保持良好的整合性 破裂破裂 細胞器細胞器 形態(tài)改變較輕，結構完整形態(tài)改變較輕，結構完整 腫脹、破裂、結構崩解腫脹、破裂、結構崩解 細胞核細胞核 固縮、斷裂，并可為質(zhì)膜分塊包裹固縮、斷裂，并可為質(zhì)膜分塊包裹 固縮、核被膜破裂、分解固縮、核被膜破裂、分解 凋亡小體凋亡小體 形成一個或多個形成一個或多個 無無 DNA 核小體核小體DNA斷裂，有規(guī)律地降解斷裂，有規(guī)律地降解 隨機降解隨機降解 分子機制分子機制 由凋亡相關基因調(diào)控由凋亡相關基因調(diào)控 無基因調(diào)控無基因調(diào)控 代謝反應代謝反應 蛋白酶參與的級聯(lián)反應蛋白酶參與的級聯(lián)反應 無有秩序的代謝反應無有秩序的代謝反應 周圍組織反應周圍組織反應 無炎癥性破壞，不留瘢痕無炎癥性破壞，不留瘢痕 引起炎癥反應引起炎癥反應 對個體影響對個體影響 個體正