细胞衰老－王金发细胞生物学讲义

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1、 衰 老 、 死 亡 与 癌 变“生 、 老 、 病 、 死 ”是 生 命 的 四 重 奏 。 人 类 自 出 生 总 要 经 过 生 长 、 发 育 、 成 熟 、 衰老 直 至 死 亡 的 几 个 阶 段 ， 这 是 生 命 的 必 然 规 律 。 生 命 是 物 质 的 ， 人 体 是 由 细 胞 组 织 起 来 的 。组 成 细 胞 的 化 学 物 质 在 运 动 中 不 断 受 到 内 外 环 境 的 影 响 而 发 生 损 伤 ， 致 使 人 体 内 某 些 细 胞不 断 地 衰 老 与 死 亡 。 细 胞 的 衰 老 与 死 亡 是 新 陈 代 谢 的 自 然 现 象 。癌 是

2、威 胁 人 类 健 康 的 主 要 疾 病 之 一 。 癌 症 与 其 它 疾 病 的 根 本 区 别 在 于 ， 癌 是 由 一 个 细胞 的 变 化 引 起 的 ， 与 细 胞 的 生 长 、 发 育 、 分 化 和 凋 亡 有 着 十 分 密 切 的 关 系 。 研 究 癌 变 的 细胞 生 物 学 机 理 ， 是 御 癌 、 治 癌 的 基 础 。 胞 衰 老 ( 生 物 机 体 内 大 多 数 细 胞 都 要 经 历 未 分 化 到 分 化 、 分 化 到 衰 老 、 衰 老 至 死 亡 的 历 程 。因 此 , 细 胞 总 体 的 衰 老 反 应 了 机 体 的 衰 老 , 而 机

3、 体 的 衰 老 是 以 总 体 细 胞 的 衰 老 为 基 础的 。 老 的 概 念 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 。 人 体 是 由 细 胞 组 织 起 来 的 ,组 成 细 胞 的 化 学 物 质 在 运 动 中 不 断 受 到 内 外 环 境 的 影 响而 发 生 损 伤 ， 造 成 功 能 退 行 性 下 降 而 老 化 。 细 胞 的 衰 老 与 死 亡 是 新 陈 代 谢 的 自 然 现 象 。 细 胞 衰 老 是 客 观 存 在 的 。 同 新 陈 代 谢 一 样 , 细 胞

4、 衰 老 是 细 胞 生 命 活 动 的 客 观规 律 。 对 多 细 胞 生 物 而 言 , 细 胞 的 衰 老 和 死 亡 与 机 体 的 衰 老 和 死 亡 是 两 个 不 同 的 概 念 , 机 体 的 衰 老 并 不 等 于 所 有 细 胞 的 衰 老 , 但 是 细 胞 的 衰 老 又 是 同 机 体 的 衰 老 紧 密 相 关 的 。 胞 的 寿 限细 胞 也 同 生 物 体 一 样 ， 有 一 定 的 寿 命 ， 体 内 总 有 细 胞 不 断 地 衰 老 与 死 亡 , 同时 又 有 细 胞 的 增 殖 与 新 生 进 行 补 充 。 这 不 仅 发 生 在 胚 胎 发 育

5、过 程 中 ， 在 成 年 体 内 的 各 组 织器 官 中 也 有 细 胞 的 死 亡 。 限 ( 1961 年 ， 次 报 道 了 体 外 培 养 的 人 的 成 纤 维 细 胞 ( 有 增 殖 分 裂 的 极 限 。 他 利 用 来 自 胚 胎 和 成 体 的 成 纤 维 细 胞 进 行 体 外 培 养 ，发 现 ： 胚 胎 的 成 纤 维 细 胞 分 裂 传 代 50 次 后 开 始 衰 退 和 死 亡 （ 图 14， 相 反 ， 来自 成 年 组 织 的 成 纤 维 细 胞 只 能 培 养 15 30 代 就 开 始 死 亡 。图 14 外 培 养 的 年 轻 和 老 的 人 成 纤

6、 维 细 胞 的 显 微 形 态左 边 是 只 分 裂 了 几 代 的 年 轻 成 纤 维 细 胞 ， 呈 现 薄 层 、 细 长 的 形 态 ； 右 边 是 分 离 了 50 次的 老 的 成 纤 维 细 胞 ， 开 始 衰 退 ， 并 很 快 死 亡 。 发 现 ， 动 物 体 细 胞 在 体 外 可 传 代 的 次 数 ， 与 物 种 的 寿 命 有 关 。 例 如 ， 的 最 高 寿 命 是 175 岁 ， 它 的 细 胞 在 体 外 培 养 时 能 分 裂 100 次 。 而 小鼠 的 寿 命 只 有 几 年 ， 所 以 从 小 鼠 分 离 的 细 胞 在 体 外 分 裂 的 次 数

7、 不 超 过 30 次 （ 图14。图 14 种 的 寿 命 与 体 外 培 养 时 细 胞 传 代 次 数 的 关 系长 寿 物 种 的 细 胞 体 外 培 养 的 代 数 比 短 寿 物 种 的 细 胞 代 数 多 ， 表 明 细 胞 的 衰 老 是 由 生 物本 身 的 程 序 决 定 的 。 灰 色 部 分 表 示 生 物 的 寿 命 ， 白 色 部 分 部 份 表 示 体 外 培 养 传 代 的 次 数 。什 么 是 限 ？ 有 何 意 义 ？ 细 胞 的 寿 限 各 类 细 胞 本 身 的 寿 命 很 不 一 样 , 一 般 说 来 , 能 够 保 持 持 续 分 裂 能 力 的

8、细 胞 是不 容 易 衰 老 的 。 分 化 程 度 高 又 不 分 裂 的 细 胞 寿 命 却 是 有 限 的 。 表 14 出 了 成 年小 鼠 各 类 细 胞 的 寿 命 。表 14 年 小 鼠 各 类 细 胞 的 寿 命接近或等于动物自身寿命的细胞缓慢更新（长于 30 天，短于动物的平均寿命）的细胞快速更新（少于 30 天）的细胞神经元 肾上腺皮质细胞 皮肤表皮细胞肾上腺髓质细胞 肾皮质细胞 口腔和胃肠道上皮细胞胞骨细胞 唾液腺细胞 红细胞和白细胞肌细胞 胰脏腺泡细胞及胰岛细胞 角膜上皮细胞胃酶原细胞 胃壁细胞 脂肪细胞 肝细胞 肾髓质细胞 表 14 据 细 胞 寿 命 情 况 将 细

9、 胞 分 为 三 类 ： 第 一 类 细 胞 的 寿 命 接 近 于 动 物 的 整 体寿 命 ， 如 神 经 元 ， 脂 肪 细 胞 ， 肌 细 胞 等 。 第 二 类 是 缓 慢 更 新 的 细 胞 ， 其 寿 命 比 机 体 的 寿 命短 ， 如 肝 细 胞 ， 胃 壁 细 胞 等 。 第 三 类 是 快 速 更 新 的 细 胞 ， 如 皮 肤 的 表 皮 细 胞 ， 红 细 胞 和 白细 胞 等 ， 它 们 在 正 常 情 况 下 终 生 保 持 分 裂 能 力 。举 例 说 明 三 类 不 同 寿 命 的 细 胞 各 有 什 么 特 点 ？ 胞 衰 老 的 特 征细 胞 衰 老 过

10、程 是 细 胞 生 理 与 生 化 反 应 发 生 变 化 的 过 程 ， 主 要 表 现 是 细 胞 对 环 境 变 化 适应 能 力 和 维 持 细 胞 内 环 境 恒 定 能 力 的 降 低 。 细 胞 生 理 生 化 变 化 必 然 反 映 在 细 胞 形 态 结 构 和功 能 上 的 变 化 。 细 胞 内 水 分 减 少 细 胞 衰 老 时 , 细 胞 内 的 生 活 物 质 逐 渐 减 少 , 而 原 生 质 中 出 现 一 些 非 生 命 物 质 。另 外 , 衰 老 细 胞 常 发 生 水 分 减 少 的 现 象 , 结 果 使 细 胞 收 缩 , 体 积 缩 小 , 失 去

11、 正 常 的球 形 。 细 胞 内 水 分 减 少 的 原 因 可 能 是 由 于 构 成 蛋 白 质 亲 水 胶 体 系 统 的 胶 粒 受 时 间 或 其 他因 素 的 影 响 ， 逐 渐 失 去 电 荷 而 相 互 聚 集 ， 胶 体 失 水 ， 胶 粒 的 分 散 度 降 低 ， 不 溶 性 蛋 白 质 增多 ， 导 致 细 胞 硬 度 增 加 ， 代 谢 速 度 减 慢 而 趋 于 老 化 。 色 素 生 成 和 色 素 颗 粒 沉 积许 多 细 胞 内 色 素 的 生 成 , 随 着 衰 老 而 增 加 。 脂 褐 素 也 称 老 年 色 素 ， 首 先 在 衰 老 个 体的 神

12、经 元 的 胞 浆 中 被 发 现 ， 它 在 分 裂 指 数 低 或 不 分 裂 的 细 胞 ， 如 肝 细 胞 、 肌 细 胞 和 神 经 细胞 中 的 积 聚 尤 为 明 显 。 在 人 和 大 鼠 的 脑 皮 层 和 海 马 中 脂 褐 素 的 积 累 是 衰 老 的 常 见 形 态 特 征之 一 。 衰 老 过 程 中 细 胞 质 膜 的 变 化细 胞 质 膜 的 流 动 性 降 低 ： 随 年 龄 的 增 大 ， 膜 结 构 中 的 磷 脂 含 量 逐 渐 下 降 ， 使 质 膜 中 胆固 醇 与 磷 脂 的 比 值 升 高 ； 但 磷 脂 中 不 饱 和 脂 肪 酸 含 量 及

13、卵 磷 脂 与 鞘 磷 脂 的 比 值 却 随 年 龄 的增 高 而 下 降 ， 使 得 细 胞 质 膜 的 粘 性 增 加 ， 流 动 性 降 低 。 再 加 上 质 膜 发 生 脂 质 过 氧 化 反 应 ，使 细 胞 的 兴 奋 性 降 低 ， 离 子 转 运 的 效 率 下 降 以 及 对 内 源 性 和 外 源 性 刺 激 的 反 应 性 也 随 之 降低 。 衰 老 过 程 中 线 粒 体 的 变 化有 人 认 为 线 粒 体 是 细 胞 衰 老 的 生 物 钟 。 研 究 结 果 表 明 , 细 胞 中 线 粒 体 的 数 量 随着 年 龄 的 增 大 而 减 少 ， 而 其 体

14、 积 则 随 着 年 龄 的 增 大 而 增 大 。与 衰 老 关 系 紧 密 的 是 线 粒 体 变 。 不 少 学 者 研 究 了 变化 ， 发 现 体 细 胞 中 变 随 年 龄 而 增 加 存 在 着 与 衰 老 直 接 正 相 关 性 ,并 证 明与 衰 老 相 关 的 变 主 要 是 缺 失 突 变 。 细 胞 核 的 变 化细 胞 核 结 构 在 衰 老 变 化 中 最 明 显 的 是 核 膜 内 折 。 在 体 内 细 胞 中 也 观 察 到 核 膜 的 不 同 程度 的 内 折 ， 神 经 细 胞 尤 其 明 显 。 这 种 内 折 随 年 龄 增 长 而 增 加 ， 最 后

15、 可 能 导 致 核 膜 崩 解 。 染色 质 固 缩 化 是 衰 老 细 胞 核 中 另 一 个 重 要 变 化 。 除 培 养 细 胞 外 ， 体 内 细 胞 ， 如 老 年 果 蝇 的 细胞 等 都 可 观 察 到 染 色 质 的 固 缩 化 。 染 色 体 端 粒 的 缩 短 则 是 衰 老 细 胞 中 最 为 显 著 的 变 化 。 细 胞 骨 架 体 系 的 变 化细 胞 骨 架 被 认 为 是 细 胞 代 谢 功 能 的 调 节 者 , 尤 其 是 微 丝 系 统 与 细 胞 增 殖 和 细 胞 分化 的 调 节 直 接 相 关 。 细 胞 骨 架 的 改 变 包 括 微 丝 系 统 的 结 构 和 成 分 发 生 变 化 和 核 骨 架 的 变 化 。 蛋 白 质 合 成 的 变 化在 细 胞 衰 老 过 程 中 蛋 白 质 合 成 速 度 降 低 ， 原 因 是 由 于 核 糖 体 的 效 率 和 准 确 性 降 低 及 蛋白 质 合 成 延 伸 因 子 的 数 量 和 活 性 降 低 所 致 。 另 外 在 细 胞 衰 老 过 程 中 蛋 白 质 合 成 发 生 变 化 的