生命科学与健康细胞生物学基础-课件

生命科学与健康细胞生物学基础二、细胞的结构 1.1.细胞膜的结构1)组成脂类物质蛋白质 糖2)分布或构架3)特点液态镶嵌模式利用细胞融合技术观察蛋白质运动 二、细胞的结构 略2.2.细胞壁3.3.细胞核 4.4.细胞质及其内含物 1)1)内质网(endoplasmic reticulumendoplasmic reticulum)和核糖体 2)2)高尔基体(Golgi apparatus)3)3)溶酶体(lysosomes)4)4)线粒体(mitochondria)5)5)质体(plastid)6)6)微体(microbodies)7)7)液泡(vacuole)8)8)细胞骨架(cytoskeleton)9)9)鞭毛(flagellum)纤毛(cilium)中心粒(centriolescentrioles)10)10)胞质溶胶 第二节 物质转运 一.一.扩散(diffusion)1、扩散的定义 扩散是物质分子从浓度高的区域向浓度低的区域移动的过程。2、扩散的类型1)1)单纯扩散(simple diffusion)依浓度差来实现跨膜扩散,如CO2、O2等。2)2)易化扩散(facilitated diffusion)扩散机制除依浓度差外,还需要载体。二.二.渗透(osmosis)渗透作用实际上就是扩散,这个地方指的是植物细胞的跨膜扩散。由于植物细胞壁的作用,其产生膨胀压可抵消由于膜两侧物质浓度差形成的渗透压,从而使物质跨膜扩散终止,即物质进入细胞内和排除细胞外达到动态平衡。三 主动运输(active transport)1.定义物质从低浓度区向高浓度区移动的过程,即物质逆浓度的跨膜运动称作主动运输或主动转运。2.特点1)1)要有载体2)2)要消耗能量(ATP)四 基团转移基团转移是主动运输的另一种形式,被转运的物质再转运过程中,增加或减少一个基团。主动转运中ATP消耗模式Na+-K+泵五 内吞作用(endocytosis)内吞作用是吞噬作用和胞饮作用的总称。细胞吞噬侵入的细菌、细胞碎片以及衰老的红细胞,称作吞噬作用(phagocytosis);细胞吞入液体的过程胞饮作用(pinocytosis)。六 外排作用(exocytosis)吞入物被消化后,所余渣滓从细胞表面排除,这个过程称作外排作用。内吞作用胞饮作用第三节 细胞分裂略一 无丝分裂,也称作直截了当分裂(amitosis)-略二 有丝分裂(mitosis)-略1.前期(prophase)2.前中期(prometaphase)3.中期(metaphase)4.后期(anaphase)5.末期(telophase)前期染色质凝缩,分裂极确立与纺锤体开始形成,核仁解体,核膜消失。前中期核膜解体到染色体排列到赤道面(equatorialplane)上。中期染色体排列到赤道面上。后期指妹妹染色体单体分开并移向两极的时期。分为后期A、后期B两个过程。Anaphase A:separation of the sister chromatids、Anaphase B:separation of the poles、末期从子染色体到达两极,至形成两个新细胞为止的时期。涉及子核的形成和胞质分裂两个方面。三 减数分裂(meiosis)-定性讲解 1.1.第一次减数分裂1)前期2)中期3)后期4)末期2.2.第二次减数分裂1)前期2)中期3)后期4)末期减数分裂是由连续两次分裂构成:通常减数分裂I分离的是同源染色体,因此称为异型分裂(heterotypicdivision)或减数分裂(reductionaldivision)。减数分裂II分离的是姊妹染色体,类似于有丝分裂,因此称为同型分裂(homotypicdivision)或均等分裂(equationaldivision)。Concepts:1.Gameticmeiosis2.Sporicmeiosis3.ZygoticmeiosisMeiosis减数分裂I前期I减数分裂的特别过程主要发生在前期I,通常分为5个时期:细线期(leptotene),合线期(zygotene),粗线期(pachytene),双线期(diplotene),终变期(diakinesis)。细线期:染色体呈细线状,具有念珠状的染色粒。2)合线期:亦称偶线期,是同源染色体配对的时期。概念:联会复合体(synaptonemal plex,SC)二价体(bivalent)四分体(tetrad)。这一时期合成约0、3%左右的DNA,称为Z-DNA。3)粗线期:同源染色体的非姊妹染色单体间发生交换的时期。4)双线期:联会的同源染色体相互排斥、开始分离,交叉开始端化(terminalization)。联会复合体消失。补充:植物细胞双线期一般较短,许多动物卵细胞中双线期停留的时间特别长。人的卵母细胞在五个月胎儿中已达双线期,而一直到排卵都停在双线期,排卵年龄大约在12-50岁之间。鱼类、两栖类、爬行类、鸟类以及无脊椎动物的昆虫中,双线期的二阶体解螺旋而形成灯刷染色体,这一时期是卵黄积累的时期。5)终变期:二阶体显著变短。由于交叉端化过程的进一步发展,故交叉数目减少,通常只有一至二个交叉。核仁此时开始消失,核被膜解体。2、中期I3、后期I二价体的两条同源染色体分开,分别向两极移动。同源染色体随机分向两极,染色体重组,人类染色体重组概率有223个。4、末期I5、减数分裂间期。减数分裂II可分为前、中、后、末四个四期,与有丝分裂相似。一个精母细胞形成4个精子;一个卵母细胞形成一个卵子及2-3个极体。Chromosome rebination 1Minimumnumberofgametetypes=2n,Inhumans,n=23Chromosome rebination 2四 细胞周期及其调控2001年10月8日美国人LelandHartwell、英国人PaulNurse、TimothyHunt因对细胞周期调控机理的研究而获诺贝尔生理医学奖。Leland H、Hartwell R、Timothy(Tim)Hunt Sir Paul M、Nurse 1.1.细胞周期的定义细胞一次分裂的开始(或中期、或末期)到下一次分裂的开始(或中期、或末期)所经历的时间。2.2.细胞周期调控因子MPF细胞周期的调控关键在分裂间期。有2个起决定作用的控制点:从G1进入S和从G2进入M,这2个转变过程都是由一种称之为成熟促进因子(maturation-promoting factor,MPF)的蛋白质复合体所触发。组成MPF的是两种蛋白质,分别称作cdc2激酶和细胞周期蛋白(cyclins);后者又有两种:S-cyclin和M-cyclin。3.细胞周期调控机制假说当S-cyclin和cdc2 2结合时,形成具有活性MPF能触发从G1 1进入S期;与此同时MPF又激活另一种降解cyclin的酶,使MPF自身失活。然后,M-cyclin的浓度增加,并同cdc2 2结合形成具有活性的MPF,这种MPF能触发从G2 2进入M期。进入M期后,MPF中的cyclin同样再度降解,MPF失活,cdc2 2又同S-cyclin结合,形成能触发从G1 1进入S期的MPF。如此循环反复,不断推动细胞周期循环地从一期进入下一期。简化示意图MM-cyclin降解G1S-cyclin+CDC2形成MPFSS-cyclin降解G2M-cyclin+CDC2形成MPF第四节 细胞分化与衰老一.一.细胞的分化 一个或一种细胞,其分裂增殖的后代在形态、结构和功能上相互不同,并与亲代细胞也不同,这一过程称作细胞分化。细胞后代在形态、结构和功能上发生差异的过程。1)细胞分化起始于基因表达的调控,部分基因关闭,部分基因开启,也包括基因表达强度的改变。1.个体发育通过细胞分化来实现细胞分化的内涵2)分化细胞之间的差异归根到底在于不同蛋白质的表达。3)分化过程通常是不可逆的。分化终端的细胞通常不再分裂,稳定地具有一定的特征,执行一定的生理功能,然后走向衰老和死亡。有时,个别分化终端的细胞逆向恢复生长分裂的能力,往往估计是细胞癌变的征兆。4)一般认为达到成年时期,个体发育完成。细胞分化大量地出现在成年往常的发育过程中,然而一部分细胞的分化,持续于整个生物体的一生。例如,哺乳类的骨髓中,终生都在发生血细胞的分化和成熟。2.细胞的分化发育潜能1)全能性指受精卵能够具有使后代细胞分化出各种组织细胞并建成完整个体的潜能,如全能干细胞。2)多能性有的细胞具有使后代细胞分化出多种组织或细胞,但已不能建成完整个体的潜能,如多能干细胞。3)单能性有的细胞具有更窄的发育潜能,只能使后代细胞发育成为一种细胞,称为单能性,如单能干细胞(祖细胞)。二 干细胞(stem cell)干细胞是一类具有自我更新(Self-renewing)和分化潜能的细胞。它包括胚胎干细胞和成体干细胞。干细胞依照生存时期分为胚胎干细胞和成体干细胞。干细胞的发育受多种内在机制和微环境因素的影响。目前人类胚胎干细胞已可成功地在体外培养。最新研究发现,成体干细胞能够横向分化为其他类型的细胞和组织,为干细胞的广泛应用提供了基础。在胚胎的发生发育中,单个受精卵能够分裂发育为多细胞的组织或器官。在成年动物中,正常的生理代谢或病理损伤也会引起组织或器官的修复再生。胚胎的分化形成和成年组织的再生是干细胞进一步分化的结果。胚胎干细胞是全能的,具有分化为几乎全部组织和器官的能力。而成年组织或器官内的干细胞一般认为具有组织特异性,只能分化成特定的细胞或组织。最新的研究表明,组织特异性干细胞同样具有分化成其他细胞或组织的潜能,这为干细胞的应用开创了更广泛的空间。1.1.胚胎干细胞(Embryonic Stem cell,ES细胞)当受精卵分裂发育成囊胚时,内层细胞团(Inner Cell Mass)的细胞即为胚胎干细胞。胚胎干细胞具有全能性,能够自我更新并具有分化为体内所有组织的能力。早在1970年Martin Evans已从小鼠中分离出胚胎干细胞并在体外进行培养。而人的胚胎干细胞的体外培养直到最近才获得成功。进一步说,胚胎干细胞(ES细胞)是一种高度未分化细胞。它具有发育的全能性,能分化出成体动物的所有组织和器官,包括生殖细胞。研究和利用ES细胞是当前生物工程领域的核心问题之一。ES细胞的研究可追溯到上世纪五十年代,由于畸胎瘤干细胞(EC细胞)的发现开始了ES细胞的生物学研究历程。目前许多研究工作都是以小鼠ES细胞为研究对象展开的,如:德美医学小组在去年成功的向试验鼠体内移植了由ES细胞培养出的神经胶质细胞。此后,密苏里的研究人员通过鼠胚细胞移植技术,使瘫痪的猫恢复了部分肢体活动能力。随着ES细胞的研究日益深入,生命科学家对人类ES细胞的了解迈入了一个新的时期。在98年末,两个研究小组成功的培养出人类ES细胞,保持了ES细胞分化为各种体细胞的全能性。如此就使科学家利用人类ES细胞治疗各种疾病成为估计。然而,人类ES 细胞的研究工作引起了全世界范围内的特别大争议,出于社会伦理学方面的原因,有些国家甚至明令禁止进行人类ES细胞研究。不管从基础研究角度来讲依然从临床应用方面来看,人类ES细胞带给人类的益处远远大于在伦理方面估计造成的负面影响,因此要求展开人类ES细胞研究的呼声也一浪高似一浪。2 2、成体干细胞 成年动物的许多组织和器官,比如表皮和造血系统,具有修复和再生的能力。成体干细胞在其中起着关键的作用。在特定条件下,成体干细胞或者产生新的干细胞,或者按一定的程序分化,形成新的功能细胞,从而使组织和器官保持生长和衰退的动态平衡。过去认为成体干细胞主要包括上皮干细胞和造血干细胞。最近研究表明,以往认为不能再生的神经组织仍然包含神经干细胞,说明成体干细胞普遍存在,问题是如何寻找和分离各种组织特异性干细胞。成体干细胞经常位于特定的微环境中。微环境中的间质细胞能够产生一系列生长因子或配体,与干细胞相互作用,控制干细胞的更新和分化。3 3、造血干细胞 造血干细胞是体内各种血细胞的唯一来源,它主要存在于骨髓、外周血、脐带血中。造血干细胞的移植是治疗血液系统疾病、先天性遗传疾病以及多发性和转移性恶性肿瘤疾病的最有效方法。在临床治疗中,造血干细胞应用较早,在2020世纪五十年代,临床上就开始应用骨髓移植(BMT)方法来治疗血液系统疾病。到八十年代末,外周血干细胞移植(PBSCT)技术逐渐推广开来,绝大多数为自体外周血干细胞移植(APBSCT),),在提高治疗有效率和缩短疗程方面优于常规治疗,且效果令人满意。与两者相比,脐血干细胞移植的长处在于无来源的限制,对HLA配型要求不高,不易受病毒或肿瘤的污染。脐血干细胞移植成功为全世界更多的血液病及恶性肿瘤的患者带来福音。4 4、神经干细胞 关于神经干细胞研究起步较晚,由于分离神经干细胞所需的胎儿脑组织较难取材,加之胚胎细胞研究的争议尚未平息,神经干细胞的研究仍处于初级时期。理论上讲,任何一种中枢神经系统疾病都可归结为神经干细胞功能的紊乱。脑和脊髓由于血脑屏障的存在使之在干细胞移植到中枢神经系统后可不能产生免疫排斥反应,如:给帕金森氏综合症患者的脑内移植含有多巴胺生成细胞的神经干细胞,可治愈部分患者症状。除此之外,神经干细胞的功能还可延伸到药物检测方面,对判断药物有效性、毒性有一定的作用。实际上,到目前为止,人们对干细胞的了解仍存在许多盲区。20002000年年初美国研究人员无意中发现在胰腺中存有干细胞;加拿大研究人员在人、鼠、牛的视网膜中发现了始终处于“休眠状态的干细胞”;有些科学家证实骨髓干细胞可发育成肝细胞,脑干细胞可发育成血细胞。随着干细胞研究领域向深度和广度不断扩展,人们对干细胞的了解也将更加全面。21世纪是生命科学的时代,也是为人类的健康长寿创造世界奇迹的时代,干细胞的应用将有广阔前景。5 5、干细胞应用的基础调控 干细胞的调控是指给出适当的因子条件,对干细胞的增值和分化进行调控,使之向指定的方向发展。1)1)内源性调控干细胞自身有许多调控因子可对外界信号起反应从而调节其增殖和分化,包括调节细胞不对称分裂的蛋白,控制基因表达的核因子等。另外,干细胞在终末分化之前所进行的分裂次数也受到细胞内调控因子的制约。a a、细胞内蛋白对干细胞分裂的调控 干细胞分裂估计产生新的干细胞和分化的功能细胞。这种分化的不对称是由于细胞本身成分的不均等分配和周围环境的作用造成的。细胞的结构蛋白,特别是细胞骨架成分对细胞的发育特别重要。如在果蝇卵巢中,调控干细胞不对称分裂的是一种称为收缩体的细胞器,包含有许多调节蛋白,如膜收缩蛋白和细胞周期素A。收缩体与纺锤体的结合决定了干细胞分裂的部位,从而把维持干细胞性状所必需的成分保留在子代干细胞中。b b、转录因子的调控 在脊椎动物中,转录因子对干细胞分化的调节特别重要。比如在胚胎干细胞的发生中,转录因子Oct4是必需的。Oct4是一种哺乳动物早期胚胎细胞表达的转录因子,它诱导表达的靶基因产物是FGF-4等生长因子,能够通过生长因子的旁分泌作用调节干细胞以及周围滋养层的进一步分化。Oct4缺失突变的胚胎只能发育到囊胚期,其内部细胞不能发育成内层细胞团。另外白血病抑制因子(LIF)对培养的小鼠ES细胞的自我更新有促进作用,而对人的成体干细胞无作用,说明不同种属间的转录调控是不完全一致的。2)2)外源性调控 干细胞的分化还可受到其周围组织及细胞外基质等外源性因素的影响。a.a.分泌因子间质细胞能够分泌许多因子,维持干细胞的增殖,分化和存活。有两类因子在不同组织甚至不同种属中都发挥重要作用,它们是TGF家族和Wnt信号通路。比如TGF家族中至少有两个成员能够调节神经嵴干细胞的分化。最近研究发现,胶质细胞衍生的神经营养因子(GDNF)不仅能够促进多种神经元的存活和分化,还对精原细胞的再生和分化有决定作用。GDNF缺失的小鼠表现为干细胞数量的减少,而GDNF的过度表达导致未分化的精原细胞的累积。Wnts的作用机制是通过阻止-Catenin分解从而激活Tcf/Lef介导的转录,促进干细胞的分化。比如在线虫卵裂球的分裂中,邻近细胞诱导的Wnt信号通路能够控制纺锤体的起始点和内胚层的分化。b b、膜蛋白介导的细胞间的相互作用 有些信号是通过细胞-细胞的直截了当接触起作用的。-Catenin就是一种介导细胞粘附连接的结构成分。除此之外,穿膜蛋白Notch及其配体Delta或Jagged也对干细胞分化有重要影响。在果蝇的感受器官前体细胞,脊椎动物的胚胎及成年组织包括视网膜神经上皮、骨骼肌和血液系统中,Notch信号都起着特别重要的作用。当Notch与其配体结合时,干细胞进行非分化性增殖;当Notch活性被抑制时,干细胞进入分化程序,发育为功能细胞。c c、整合素(Integrin)与细胞外基质整合素家族是介导干细胞与细胞外基质粘附的最主要的分子。整合素与其配体的相互作用为干细胞的非分化增殖提供了适当的微环境。比如当1整合素丧失功能时,上皮干细胞逃脱了微环境的制约,分化成角质细胞。此外细胞外基质通过调节1整合素的表达和激活,从而影响干细胞的分布和分化方向。3)3)干细胞的可塑性 越来越多的证据表明,当成体干细胞被移植入受体中,它们表现出特别强的可塑性。通常情况下,供体的干细胞在受体中分化为与其组织来源一致的细胞。而在某些情况下干细胞的分化并不遵循这种规律。19991999年Goodell等人分离出小鼠的肌肉干细胞,体外培养5 5天后,与少量的骨髓间质细胞一起移植入接受致死量辐射的小鼠中,结果发现肌肉干细胞会分化为各种血细胞系。这种现象被称为干细胞的横向分化(trans-differentiation)。关于横向分化的调控机制目前还不清楚。大多数观点认为干细胞的分化与微环境紧密相关。估计的机制是,干细胞进入新的微环境后,对分化信号的反应受到周围正在进行分化的细胞的影响,从而对新的微环境中的调节信号做出反应。6.6.干细胞应用 按分化潜能的大小,干细胞基本上可分为三种类型:一类是全能性干细胞,它具有形成完整个体的分化潜能。如胚胎干细胞(简称ES细胞),),它是从早期胚胎的内细胞团分离出来的一种高度未分化的细胞系,具有与早期胚胎细胞相似的形态特征和特别强的分化能力,它能够无限增殖并分化成为全身200多种细胞类型,进一步形成机体的所有组织、器官。另一类是多能性干细胞,这种干细胞具有分化出多种细胞组织的潜能,但却失去了发育成完整个体的能力,发育潜能受到一定的限制,骨髓多能造血干细胞是典型的例子,它可分化出至少十二种血细胞,但不能分化出造血系统以外的其它细胞。还有一类干细胞为单能干细胞(也称专能、偏能干细胞),),这类干细胞只能向一种类型或紧密相关的两种类型的细胞分化,如上皮组织基底层的干细胞、肌肉中的成肌细胞或叫卫星细胞。最近干细胞的研究有两个重大的技术突破,一是人类胚胎干细胞在体外培养成功。19981998年 Wisconsin 大学的 James Thomson和 Johns Hopkins大学的 John Gearhart 从人囊胚的内层细胞团中取得胚胎干细胞。他们把胚胎干细胞与小鼠的骨髓间质细胞进行了共培养。结果表明胚胎干细胞能够进行长达5 5个月的非分化增殖,同时还保持着分化为滋养层组织及三种胚层组织的能力。这为胚胎干细胞的临床应用奠定了基础。另外一个重大突破是成体干细胞的横向分化。19991999年 Goodell 等人用肌肉来源的干细胞在小鼠体内分化成各种血细胞。这表明成体干细胞在一定的微环境的作用下,能够横向分化为需要的细胞和组织,从而起到极其有效的治疗作用。总之,凡需要不断产生新的分化细胞以及分化细胞本身不能再分裂的细胞或组织都要通过干细胞所产生的具有分化能力的细胞来维持机体细胞的数量,能够如此说,生命体是通过干细胞的分裂来实现细胞的更新及保证持续生长。随着基因工程、胚胎工程、细胞工程等各种生物技术的快速发展,依照一定的目的,在体外人工分离、培养干细胞已成为估计,利用干细胞构建各种细胞、组织、器官作为移植器官的来源,这将成为干细胞应用的主要方向。三 细胞分化的机理略1.细胞分裂的不对称性1)1)卵细胞具有极性,细胞核靠近北极。北极或动物极:极体释放的部位;南极或植物极:相对北极而言,母体物质主要储存在于植物极。2)2)动物卵细胞中贮存有大量mRNA,呈非均匀分布;用转录抑制剂放线菌素D处理海胆受精卵,胚胎发育仍能进行至囊胚期用蛋白质翻译抑制剂嘌呤霉素处理受精卵,受精卵停止发育。卵裂后的细胞质的特性决定了子细胞核的分化命运。昆虫以表面卵裂的方式形成胚层细胞的。迁入卵的后端极质部的细胞发育为原始生殖细胞,用紫外线照射这一区域,破坏极质,卵将发育为无生殖细胞的不育个体。2.细胞间的相互作用胚胎诱导(embryonic induction):胚胎发育过程中,一部分细胞影响相邻细胞向一定方向分化的作用。诱导者(inductor):对其它细胞起诱导作用的细胞脊索可诱导其顶部的外胚层发育成神经板,神经沟和神经管;视胞可诱导其外面的外胚层形成晶体,而晶体又可诱导外胚层形成角膜。分化抑制:分化成熟的细胞能够产生抑素,抑制相邻细胞发生同样的分化。如含有成蛙心组织的培养液培养蛙胚,则蛙胚不能发育出正常的心脏。细胞数量效应小鼠胚胎胰腺原基在体外进行组织培养时,可发育成具有功能的胰腺组织,但假如把胰原基切成8小块分别培养,则都不能形成胰腺组织,假如再把分开的小块合起来,又可形成胰腺组织。细胞外基质的影响干细胞在IV型胶原和层粘连蛋白上分化为上皮细胞;在I型胶原和纤粘连蛋白上形成纤维细胞;在II型胶原及软骨粘连蛋白上发育为软骨细胞。激素的作用如昆虫的保幼激素和脱皮激素。3.3.细胞核与细胞分化1)1)染色体结构的变化 基因删除:原生动物、昆虫、甲壳动物。基因扩增:果蝇多线染色体。基因重排:免疫球蛋白基因(10106 610108 8种抗体)。DNA的甲基化与异染色质化:胞嘧啶的甲基化使基因失活。基因与细胞分化不管是母体mRNA的作用依然细胞间的相互作用,其结果是启动特定基因的表达。依照对果蝇、家蚕等实验动物的研究表明:卵受精后,首先表达的是母体基因;母体基因的产物是转录因子,沿胚的前后轴形成一个浓度梯度,决定了胚的前后位置和头尾区域;控制其它基因的表达:母体基因 间隙基因 成对基因体节极性基因同源异形基因(homeoticgene,Hox)。四 成体中的细胞分化略1.1.已存在的细胞功能由弱、强、减退到丧失。经历了新生成熟衰老死亡的过程。2.2.已有的分化细胞通过分裂产生两个功能相同的细胞,如血管内皮细胞。3.3.干细胞的分裂与分化,如多能造血干细胞。五 再生略1.1.指生物的器官损伤后,剩余的部分长出与原来形态功能相同的结构的现象,广义来看再生是生命的普遍现象,从分子、细胞到组织器官都具有再生现象。生理性再生:即细胞更新,如人的红细胞。修复性再生:壁虎的尾、蝾螈的断肢、螃蟹的肢。无性繁殖六 细胞衰老又称老化,指细胞随着年龄的增加,机能和结构发生退行性变化,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。1、个体衰老 衰老意味着身体各个部分功能的衰退,慢慢发展到不能执行功能。个体衰老过程具有以下特征:1)衰老受遗传控制,但个体差异特别大。2)衰老受中枢神经系统影响,悲观、忧虑和烦躁的情绪会使衰老速度加快。3)衰老受环境条件影响。营养不良或营养过度导致肥胖会加速衰老。4)适当的体力运动可使身体机制的衰老减慢;经常的脑力活动也可使脑功能的衰退减慢。5)身体各个部分组织的衰老、技能的减退是不均衡的。6)细胞衰老是个体衰老的基础。2.细胞衰老特征1)细胞核体积增大,核膜呈现内折,染色质凝集程度增加。2)线粒体数量减少,线粒体体积膨胀。3)细胞膜结构从液晶变为凝胶相或固相,膜的渗透增加,胞内其他生物膜系统也发生变化,如内质网排列变得紊乱,膜腔膨胀崩解。4)细胞骨架体系改变。一般来说,衰老细胞的蛋白质合成速率下降,然而也会出现一些与衰老相关的特异蛋白质的增加,如纤粘连蛋白的增加,估计与衰老细胞纤维化有关,某些新的核骨架蛋白的出现,估计与关闭正常的核内代谢活动有关。3.细胞衰老的原因1)细胞核的遗传控制起决定作用体外培养细胞试验表明:去核衰老细胞和年轻细胞融合或去核年轻细胞和衰老细胞融合,结果是前者与年轻细胞分裂能力相近,后者与衰老细胞分裂能力相近。2)自由基理论致基因突变、蛋白质失活、细胞结构异常。3)端粒DNA序列的缩短端粒包括一段特别序列的DNA和被称为端粒酶的蛋白质。端粒DNA序列在每次细胞分裂中会缩短一截,端粒酶的任务是修复被缩短的端粒DNA序列。问题是人体细胞中的端粒酶是没有活性的。如此,随着每次细胞分裂,端粒DNA截短一些,截短的部分逐渐向内延伸,在端粒DNA序列“截”完后就逐渐伤及里面正常基因的DNA序列。因此,随着细胞分裂次数的增加,慢慢发生正常基因的损伤和缺失,使细胞活动渐趋异常。4.4.细胞衰老的分子机理略1)差错学派自由基攻击:导致DNA、蛋白质变异,正常细胞内存在清除自由基的防御系统:代谢废物积累:如:脂褐质酶系统: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);非酶系统:维生素E,醌类等电子受体。2)遗传论学派细胞有限分裂学说:“Hayflick”极限,即细胞最大分裂次数。L、Hayflick(1961)报道,人的成纤维细胞在体外培养时增殖次数是有限的(6070代)。细胞增殖次数与端粒DNA长度有关。重复基因失活学说:如哺乳动物rRNA基因数随年龄而减少。衰老基因学说a.a.子女的寿命与双亲的寿命有关;b.b.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:平均39岁时出现衰老,47岁生命结束;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发生突变。Werners syndrome Hutchinson-Gilford syndrome 七 细胞死亡、凋亡死亡是生命的普遍现象,但细胞死亡并非与机体死亡同步。正常的组织中也发生细胞死亡,它是维持组织机能和形态所必需的。1.细胞的死亡衰老的终点 关于多细胞生物体而言,个体死亡不等于细胞死亡。1)在个体死亡发生时,身体的大部分细胞并未死亡;2)在个体健康生活着的时间内,身体中不停地进行更新,许多细胞不停的死去,同时新的细胞不停地产生。3)由微生物感染、有毒物侵袭或辐射伤害导致细胞死亡称作细胞坏死(necrosis)。常表现为:细胞显著肿胀;细胞膜破裂,内容物溢出,并容易导致周围组织炎症。2.细胞凋亡(apoptosis)细胞因整体生长发育的需要,规定在一定时期内死亡,这种死亡称作细胞凋亡。细胞凋亡过程与坏死过程不同,表现为有控制有秩序,故细胞凋亡又称作细胞程序性死亡(programmed cell death,PCD)。其特点为:1)细胞明显皱缩;2)细胞核内物质和细胞质内物质凝集致密化;3)细胞逐渐变小、变圆;4)细胞膜将胞内成分包围成一个个凋亡小体,凋亡小体被周围细胞吞噬掉,显得干净利索,不引起周围组织炎症。2002年10月7日英国人悉尼布雷诺尔、美国人罗伯特霍维茨和英国人约翰苏尔斯顿,因在细胞程序性死亡方面的研究获诺贝尔诺贝尔生理与医学奖。Sydney BrennerH、Robert HorvitzJohn E、Sulston 坏死凋亡胸腺细胞正常凋亡胸腺细胞正常凋亡八 癌细胞的分裂细胞的遗传物质、或基因组成发生了变化,就有估计转变为癌细胞。癌细胞和正常细胞有特别多不同之处。在体外培养过程中,癌细胞不受密度抑制因素的限制而“疯长”。正常细胞在分裂时,只要和相邻细胞接触,就停止活动,不再分裂。这种现象称作接触抑制(contact inhibition););然而,癌细胞由于其表面发生了变化,相互间不再“相识”,与别的细胞也不“相识”,细胞分裂也不受细胞周期2 2个控制点的限制,因此,癌细胞能够无限制的分裂,也能够随时终止分裂。1)去分化(dedifferentiation)-处于分化末端的细胞恢复细胞分裂增殖的现象。2)无限增殖无细胞凋亡。3)失去接触抑制。4)对生长因子需求降低。1.癌细胞的主要特征5)细胞骨架紊乱。6)细胞表面和黏附性质改变a.失去主要组织相容性抗原(MHA);出现新的表面抗原;b.脂双层结构改变,糖蛋白的糖链结构变化,在膜中运动性能增强,因此癌细胞容易被凝集素凝集;c.癌细胞和细胞外基质之间的连接改变,导致细胞之间的黏着性减弱,容易发生迁移扩散。在细胞培养中,贴壁能力减弱。1)物理因子射线、温度2)化学因子无机物、有机物3)病毒因子如使鸟类结缔组织长出肿瘤的病毒劳氏肉瘤病毒(RSV,发现者Rous,1879-1970)。2.致癌因子化学致癌物亚硝胺类,能引起消化系统肿瘤;多环芳香烃类,如苯并芘。芳香胺类,如乙萘胺、诱发泌尿系统的癌症;烷化剂类,如芥子气、环磷酰胺等;氨基偶氮类,如奶油黄,可引起肝癌;碱基类似物,如5-溴尿嘧啶、5-氟尿嘧啶;氯乙烯,与塑料工人的肝血管肉瘤有关。元素,如铬、镍、砷。化学致癌物的作用机理:a.可与 DNA、RNA、蛋白质等生物大分子中的亲核基团发生作用,引起碱基颠换、缺失,DNA交联、断裂,染色体畸变等。b.引起细胞中胞嘧啶的甲基化水平降低。生物性致癌因素l肿瘤病毒a.逆转录病毒,如:人 T 淋巴细胞白血病病毒(HTLV)、ATLV、HIV、RSV 等病毒;b.乙型肝炎病毒(HBV):原发性肝癌(PLC)。c.人乳头瘤状病毒(HPV):生殖道肿瘤。d.EpsteinBars病毒(EBV);与儿童的 Burkitt淋巴瘤和成人的鼻咽癌发生有关。e.后三类都是DNA病毒。l霉菌a.a.目前已知有数十种霉菌毒素对动物有致癌性。b.b.黄曲霉菌广泛存在于污染的食品中,尤以霉变的花生、玉米及谷类含量最多。c.c.黄曲霉毒素(aflatoxin)有许多种,是一类杂环化合物,其中黄曲霉毒素B1是已知最强的化学致癌物之一,可引起肝癌。物理因素l电离辐射a.a.辐射致癌的机制:染色体或基因的突变;基因表达改变;激活潜伏的致癌病毒。b.b.紫外线c.c.可引起细胞DNA断裂、交联和染色体畸变,抑制皮肤的免疫功能,诱发皮肤癌、基底细胞癌和黑色素瘤。感谢您的聆听！