1、第十三章 细胞(xbo)衰老与凋亡,Chapter ThirteenCell senescence and apoptosis,第一页，共七十一页。,“生、老、病、死”是生命的四个必然的过程人类面临着三种衰老：生理性衰老：随年龄增长所表现出的生理退化，一切生物皆存在病理性衰老：由于内在或外在原因使人体发生病理性变化，使衰老提前发生，称早衰心理(xnl)性衰老：由于心态的提前老化而影响整体功能,第二页，共七十一页。,第一节 细胞(xbo)衰老,一、衰老的概念衰老(aging，senescence)：随年龄增加，生物内环境稳定性下降，结构与生理机能退行性变化，趋向死亡不可逆的过程。衰老发生(fsh
2、ng)在整体水平、种群水平、个体水平、细胞水平以及分子水平等层次。机体的衰老并不等于所有细胞的衰老，但细胞的衰老与机体衰老密切相关,第三页，共七十一页。,二、细胞(xbo)的寿限,1、Hayflick界限(Hayflick limitation)：细胞在体外培养条件下，即使条件适宜，细胞也不能无限制地进行分裂，而是有一定界限细胞的分裂能力与个体年龄有关，从胎儿(ti r)肺得到的成纤维细胞可传代50次，而从成人得到的肺成纤维细胞只能传代20次。,第四页，共七十一页。,2、细胞的寿限各类细胞的寿命各不相同，一般来说，能够保持(boch)持续分裂能力的细胞相对不容易衰老，分化程度高又不分裂的细胞寿
3、命大多有限,第五页，共七十一页。,人体细胞的动态(dngti)分类,人体细胞寿命依增殖，分化，生存时间，分4类更新组织：执行某种功能的特化细胞，一定时间后衰老死亡(swng)，由新细胞分化补充，如上皮细胞、血细胞。稳定组织细胞：分化程度较高，功能专一，一般没明显衰老，不分裂，但终生保持分裂能力，受破坏时，其余细胞也能分裂，补充失去的细胞，如肝、肾细胞。,第六页，共七十一页。,恒久组织细胞：高度分化细胞，一生没细胞更替，破坏后不能得补充。如神经细胞，骨骼细胞和心肌细胞。可耗尽组织细胞：卵巢实质细胞，一生中逐渐(zhjin)消耗，不能得到补充，最后消耗殆尽。,第七页，共七十一页。,三、细胞(xbo
4、)衰老的形态学特征,细胞衰老主要是细胞生理生化的变化，也反映在细胞形态(xngti)结构和功能上：1、细胞内水分的减少：蛋白质水合能力下降,衰老细胞水分减少，细胞皱缩，体积缩小。2、核变化:核膜内折，染色体固缩化，端粒缩短3、线粒体的变化：随年龄增大，数量减少，体积增大，内容物呈网状化并形成多囊体，mtDNA缺失突变,第八页，共七十一页。,4、质膜的变化：流动性下降(xijing)，磷脂减少，不饱和脂肪酸下降(xijing)；膜脂过氧化，对刺激反应性下降(xijing)5、内质网的变化：RER趋向减少和无序化6、蛋白质合成：核糖体合成效率及准确性降低7、色素生成及致密体形成：色素生成随衰老而增
5、加，并在溶酶体或线粒体中沉积,第九页，共七十一页。,衰老(shuilo)细胞的形态变化,第十页，共七十一页。,四、分子(fnz)水平的变化,衰老细胞DNA、蛋白质和脂类等成分损伤(snshng)，代谢能力降低，主要表现：DNA：复制与转录受抑制，个别基因异常激活，端粒DNA丢失，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。,第十一页，共七十一页。,蛋白质：含成下降，蛋白质糖基化、氨甲酰化、脱氨基等修饰(xish)，使蛋白质稳定性、抗原性、可消化性下降，自由基使肽断裂、交联而变性。aa由左旋变为右旋酶分子：活性中心被氧化，Ca2+、Zn
6、2+、Mg2+、Fe2+等丢失，酶分子二级结构、溶解度、等电点改变，酶失活脂类：不饱和脂肪酸被氧化，引起膜脂间或与脂蛋白间交联，膜流动性下降。,第十二页，共七十一页。,五、细胞衰老的分子(fnz)机制,对衰老机理(j l)具有不同学说，主要有:差错学说(Error theories):强调衰老是由于细胞中的各种错误积累引起.遗传学说(Genetic/Programmed theories):强调衰老是遗传决定的自然演进过程。,第十三页，共七十一页。,（一）差错(chcu)学说,细胞衰老是细胞成分因内外环境受损，因缺乏完善(wnshn)修复，使“差错”积累，导致细胞衰老。根据“差错”的“主因”的
7、不同，又可分不同学说。,第十四页，共七十一页。,1.代谢废物(fiw)积累(waste product accumulation),代谢产物超量积累危害细胞，引起衰老.褐脂质沉积是典型例子:脂褐质是长寿蛋白和DNA、脂类形成的巨交联物。脂褐质结构致密(zhm)，在溶酶体不能水解也不能外排，在细胞内沉积，阻碍物质交流和信号传递，使细胞衰老.老年性痴呆(AD)是由-淀粉样蛋白沉积引起。,第十五页，共七十一页。,2大分子交联(cross linking)过量的大分子交联是衰老的主要因素，如DNA交联和胶原交联均可损害其功能，引起衰老。在临床方面胶原交联和动脉硬化(dngmiynghu)、微血管病变有
8、密切关系。,第十六页，共七十一页。,3自由基学说(xu shu)(free radical theories),（1）自由基性质:自由基是指在原子核核外层轨道上具有不成对电子(dinz)的分子或功能基团。如AB两个原子各提供一个电子通过共价键形成分子A:B，这两个电子是配对的，如发生均裂,A和B各带走一个电子形成.A和.B，即称自由基。,第十七页，共七十一页。,自由基种类(zhngli)：氧自由基、氢自由基、碳自由基、脂自由基，以氧自由基化学性质最活泼。氧自由基主要包括：超氧自由基.O2，羟自由基.OH和H2O2,第十八页，共七十一页。,自由基产生的因素：外源性:由环境辐射、光解、化学物质等引
9、起的内源:由代谢反应产生,是自由基主要来源途径(tjng)：线粒体呼吸链电子泄漏产生；过氧化物酶体的多功能氧化酶催化底物羟化。机体血红蛋白、肌红蛋白可经非酶促反应产生自由基。,第十九页，共七十一页。,（2）自由基对生物(shngw)大分子的损伤,自由基含未配对电子，具高度活性，易与细胞内的生物大分子发生(fshng)反应，并发生(fshng)伤害自由基与核酸分子中的碱基发生加成反应，.OH加到碱基双链上,破坏碱基产生基因突变自由基可加成到膜脂及不饱和脂肪酸双链,引起脂质过氧化,并产生新的自由基,第二十页，共七十一页。,自由基常攻击肽链上的脯氨酸残基，造成蛋白质断裂。同时，自由基还引起蛋白质交联
10、、破坏蛋白质高级结构自由基的氧化(ynghu)也常损伤细胞骨架蛋白：肌动蛋白与氧化(ynghu)型谷胱甘肽（GSSG）之间形成二硫键，导致分子表面电荷改变，引起大分子聚集,第二十一页，共七十一页。,(3)衰老(shuilo)的自由基学说,美国科学家Harman1955年提出(t ch)，核心内容:衰老是自由基对细胞成分的有害攻击所造成;该学说提出的自由基是氧自由基;维持体内适当水平的抗氧化剂和自由基清除剂可延长寿命和推迟衰老,第二十二页，共七十一页。,正常细胞(xbo)内存在清除自由基的防御系统，包括酶系统: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
11、酶系统:VE、醌类物质等电子受体。将铜锌超氧化物岐化酶基因导入果蝇，使转基因株具3个拷贝的SOD基因，其寿命比野生型延长1/3。为衰老的自由基学说提供了证据。,第二十三页，共七十一页。,4线粒体DNA突变(tbin),线粒体是自由基浓度最高的细胞器，氧化磷酸化过程中，1-4%的氧转为活性氧(ROS)。mtDNA裸露，易受伤害发生突变，mtDNA复制的聚合酶没校正(jiozhng)功能，复制错误频率高。mtDNA突变使呼吸链受损，自由基堆积，循环脑、心、骨骼肌的氧负荷最大，是最易衰老组织,第二十四页，共七十一页。,5.体细胞突变(tbin)与DNA修复,外源理化因子，内源自由基均可损伤DNA，使
12、体细胞突变。辐射可致年轻的哺乳动物出现衰老症状，与个体正常衰老相似。正常机体存在DNA修复机制，可使损伤DNA修复，年龄(ninlng)增加修复能力下降，使DNA错误累积，最终细胞衰老死亡。,第二十五页，共七十一页。,DNA的修复并不均一，转录活跃基因被优先修复，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(fzh)时期，这是干细胞能永保青春的原因。,第二十六页，共七十一页。,6重复(chngf)基因失活,真核生物基因组中存在大量重复序列。主要基因的选择性重复是基因组的保护机制，也是决定细胞衰老的因素，重复基因的一个拷贝(kobi)受损或关闭后，其它拷贝(kobi)被激
13、活，直到最后一份拷贝(kobi)用完，细胞因缺少某种重要产物而衰亡。小鼠肝细胞重复基因的转录灵敏度随年龄增加而降低，哺乳动物rRNA基因数随年龄增加而减少,第二十七页，共七十一页。,（二）遗传学说,衰老是遗传决定的自然演进过程，一切细胞均有内在(nizi)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,第二十八页，共七十一页。,1程序性衰老(shuilo)(programmed senescence),生物的生长、发育、衰老和死亡都由基因程序控制，衰老是某些基因依次开启或关闭的结果。小鼠肝中，胚胎早期(zoq)表达的胞质丙氨酸转氨酶为A型，随后停止
14、表达，在衰老时表达B型。,第二十九页，共七十一页。,其它类似的衰老标志物(markers):如肝中的衰老标志(biozh)蛋白2也是在老年期表达。衰老还与神经内分泌系统退行性变化及免疫系统的程序性衰老有关。,第三十页，共七十一页。,2细胞(xbo)衰老的端粒假说,细胞增殖次数与端粒有关。体细胞染色体端粒DNA随细胞分裂次数增加而缩短。细胞DNA复制1次端粒缩短1段，至Hayflick点时，启动DNA损伤检测点，不可逆退出细胞周期，走向衰亡(shuiwng)。人成纤维细胞端粒每年缩短14-18bp，染色体的端粒具细胞分裂计数器的功能。,第三十一页，共七十一页。,端粒长度与端粒酶活性有关，端粒酶是
15、一种反转录酶，由RNA和蛋白质组成，所含的RNA是合成端粒DNA的模板，而所含的反转录亚基则催化(cu hu)端粒DNA的合成。生殖细胞、干细胞和肿瘤细胞端粒酶活性较高，正常体细胞端粒酶活性低，呈抑制状态,第三十二页，共七十一页。,3长寿(chngshu)基因（longevity genes）,各种动物都有相当恒定的平均寿命(pn jn shu mn)和最高寿命，成人早衰症(Werners syndrome)病人平均39岁时出现衰老，47岁左右死亡，患婴幼儿早衰症的小孩在1岁时出现明显衰老，12-18岁夭折。由此看物种寿命主要取决于遗传物质，DNA链上可能存在“长寿基因”或“衰老基因”决定个体
16、寿限.,第三十三页，共七十一页。,一个37岁的成人(chng rn)早衰症患者,第三十四页，共七十一页。,正常儿童(r tng)（左）和婴幼儿早衰症患者,第三十五页，共七十一页。,细胞衰老时，衰老相关基因(SAG)表达活跃，人1号、4号及X染色体上发现SAG。线虫均寿命3.5d,age-1 突变,提高均寿命65%，最大寿命110%,该突变型有较强的抗氧化酶活性早老综合症患者体内解旋酶基因存在突变，该基因位于8号染色体短臂，称WRN基因。淀粉样蛋白前体基因(APP)突变，导致基因产物(chnw)淀粉样蛋白易于在脑组织中沉积，引起AD。,第三十六页，共七十一页。,第二节 细胞坏死(hui s)与凋亡,死亡是生命的普遍现象，但细胞(xbo)死亡并非与机体死亡同步。正常组织中，常发生“正常”的细胞死亡，它是维持组织机能和形态所必需。细胞死亡的方式通常有2种：细胞坏死(necrosis)。细胞凋亡(apoptosis)。,第三十七页，共七十一页。,一、细胞(xbo)坏死,细胞受到化学(huxu)因素(如酸、碱、毒物)、物理因素(如热、辐射)和生物因素(如病原体)等环境因素伤害，引起细胞死亡的现象
