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细胞生物学细胞死亡与细胞衰老,细胞生物学各章知识总结
编辑于2020-10-31 21:22:25细胞死亡与细胞衰老
细胞死亡
细胞凋亡(apoptosis)
概念
一种有序的或程序性的细胞死亡方式,是细胞接受某些特定信号刺激后进行的正常生理应答反应
特征
凋亡的起始
细胞表面的特化结构,如微线毛等消失;细胞间接触消失;细胞膜依然完整,仍具有选择通透性
细胞质中,线粒体大体完整,但核糖体逐渐与内质网脱离,内质网囊腔膨胀,并逐渐与质膜融合;细胞核内染色质固缩,形成新月形帽状结构,沿着核膜分布
凋亡小体的形成
核染色质断裂为大小不等的片段,与某些细胞器,如线粒体等,聚集在一起,被反折的细胞质膜包裹,形成球形的结构,称为凋亡小体
吞噬
凋亡小体逐渐被邻近细胞或吞噬细胞吞噬,在溶酶体内被消化分解
细胞凋亡最重要的特征,是整个过程中细胞膜始终保持完整,细胞内含物不泄漏到细胞外,因此不引发机体的炎症反应
检测方法
形态学观察
普通光学显微镜观察
台盼蓝法进入活细胞,但可使死细胞着色
吉姆萨色法可以使染色质着色,便于在普通光学显微镜下观察到染色质固缩、趋边化、凋亡小体的形成等凋亡过程
荧光显微镜观察
细胞核荧光染料,如 DAPI 可与 DNA 结合
电子显微镜观察
DNA 电泳
最为简便可靠的方法之一
DNA 断裂的原位末端标记法
彗星电泳法
流式细胞分析
检测细胞膜成分变化
生理学及医学意义
细胞凋亡在正常发育、自稳态的维持、免疫耐受的形成、肿瘤监控等过程中均发挥重要作用
动物发育过程中,细胞凋亡是塑造个体及器官形态的机制之一,细胞凋亡还参与细胞数量的调控
高等哺乳类动物指(趾)间蹼的消失、颚融合、肠管腔道的形成、视网膜发育;幼体器官(如蝌蚪尾的消失)、临时器官(如男性生殖系统发育过程中,中肾旁管的消失)的缩小和退化
细胞凋亡还是一种生理性保护机制,能够清除体内多余、受损或危险的细胞而不对周围的细胞或组织产生损害
杀伤性淋巴细胞能够分泌一种细胞因子——Fas 配体(死亡配体),与被感染的细胞表面的死亡受体——Fas 蛋白结合,启动被感染细胞内的凋亡程序,致使被感染的细胞发生凋亡
细胞凋亡也是保护生物体的一项重要机制,机体通过细胞凋亡来剔除受到环境伤害或被病原体感染的细胞
细胞凋亡还参与了免疫耐受的形成
例如,胸腺细胞经过一系列的发育过程而成为各种类型的免疫活性细胞,同时通过细胞凋亡,对识别自身抗原的 T 细胞克隆进行选择性地消除。通过这一过程,既形成了有免疫活性的淋巴细胞,又产生了对自身抗原的免疫耐受。T 细胞克隆凋亡的异常会导致自身免疫疾病
人体细胞凋亡的失调,包括不恰当的凋亡激活或抑制会引发多种疾病
细胞凋亡的分子机制
细胞中存在多种重要的凋亡抑制因子和凋亡激活因子,细胞的生存或者死亡,可能取决于细胞中这 2 类调控因子的相对含量以及胞外信号对它们活性的调控
诱导细胞凋亡的因子
物理性因子
射线
温度刺激
化学因子
活性氧基团和分子
钙离子载体
细胞毒素
DNA 和蛋白质合成的抑制剂
控制细胞凋亡的方式
营养因子的缺乏
细胞直接接收来自于其他细胞的死亡信号,激活自杀程序
分为接收凋亡信号、凋亡相关分子的活化、凋亡的执行、凋亡细胞的清除 4 个阶段
蛋白酶 caspases 家族成员在这一过程中发挥了重要作用,因此这种凋亡方式被称为 caspases 依赖性的细胞凋亡
caspases 是一组存在于细胞质中具有类似结构的蛋白酶。它们的活性位点均包含半胱氨酸残基,能够特异地切割靶蛋白天冬氨酸残基后的肽键。caspases 负责选择性地切割某些蛋白质,切割的结果是使靶蛋白活化或失活
根据 caspase 在细胞凋亡过程中发挥的功能不同,可分为 2 类:起始 caspases 和效应 caspases
起始 caspases 的活化属于同性活化,即同一种酶原分子彼此结合或与接头蛋白结合形成复合物,在复合物中构象改变被活化,进而彼此切割产生有活性的异二聚体
效应 caspases 的活化属于异性活化
效应caspases底物可分为:①被活化的底物分子,如效应caspases激活的核酸酶CAD;②被失活的底物分子,③效应caspases还通过切割细胞骨架蛋白使细胞骨架体系发生结构变化,便于细胞改变形态并形成凋亡小体,例如切割核纤层蛋白使核纤层解聚,导致核膜收缩;切割核孔蛋白以及细胞质骨架蛋白,使细胞核内外的信号传递中断
caspases 通常均以无活性的酶原形式存在于细胞质中
caspases 依赖性细胞凋亡途径
外源途径
死亡受体介导的细胞凋亡起始于死亡配体(如 TNF)与受体(如 Fas)的结合
产生 Fas 配体的杀伤性 T 淋巴细胞可以诱导被病原体感染的靶细胞发生凋亡;而被损伤的细胞可以通过自己产生 Fas 配体和蛋白,导致自身的凋亡
死亡配体主要是肿瘤坏死因子(TNF)家族成员。TNF 主要由激活的单核巨噬细胞分泌,诱导细胞凋亡和诱发炎症应是其主要的生理效应。死亡配体的生物学功能是通过与细胞表面的受体结合来实现的
内源途径
线粒体处于中心地位
Cyt c 的释放源于线粒体外膜通透性的改变。线粒体外膜的通透性主要受到 Bcl-2蛋白家族的调控
可将 Bcl-2 家族成员分为 3 个亚族:Bcl-2 亚家族,对细胞凋亡起抑制作用;Bax 亚家族,可促进细胞凋亡;BH3 亚家族,充当细胞内凋亡信号的“感受器”而促进细胞凋亡
caspases 非依赖性的细胞凋亡
凋亡诱导因子
限制性内切核酸酶 G
穿孔蛋白一颗粒酶介导的细胞凋亡
凋亡细胞的清除——吞噬
吞噬信号来自于凋亡细胞表面特异的信号分子
细胞坏死
细胞膜破坏,细胞内容物流出,引起炎症;染色质不发生凝集,被随机降解
琼脂糖凝胶电泳时呈现弥散性分布,俗称“拖尾”现象
细胞坏死的发生有被动,也有主动
被动细胞坏死:受到意外损伤
主动细胞坏死
细胞焦亡
坏死性凋亡,也称程序性细胞坏死
自噬性细胞死亡
细胞通过溶酶体与双层膜包裹的细胞自身物质融合,从而降解细胞自身物质的过程
细胞自噬涉及:细胞存活、细胞死亡、细胞衰老、信号调控等
细胞中出现大的双层膜包裹的泡状结构——自噬体
细胞衰老
概念
一般的含义是指复制衰老
Hayflick 界限
细胞的分裂能力不是无限的,而是有一定界限的,称为 Hayflick 界限
衰老细胞的特征
细胞核增大,核膜内折,染色体固缩
细胞内色素积累,水分减少,细胞萎缩,体积减少,代谢速度减慢
细胞内线粒体、内质网数量减少
细胞质膜通透性下降,流动性下降,容易出现破裂
细胞连接与细胞间通讯减少,阻碍物质、能量与信息的交流
永久性的生长停滞
对细胞凋亡具有抵抗作用
分泌大量的衰老相关分泌表型
检测方法
β-半乳糖苷酶的活化,β-半乳糖苷酶是溶酶体内的水解酶,通常在 pH4.0 的条件下表现活性,衰老细胞中 pH 6.0 条件下即表现出活性
细胞衰老的分子机制
复制衰老的机制
细胞内端粒缩短
端粒是染色体末端的特异性重复序列,维持染色体的稳定。细胞的最大分裂次数与端粒 DNA 的长度有关,随着 DNA 的复制,端粒会相应的缩短,一方面,使 DNA 的稳定性下降,容易出现损伤;另一方面端粒的缩短,亦可视做 DNA 的一种损伤。p53(抑癌基因的产物)通过识别失去功能的端粒(或损伤的DNA),继而诱导 p21 的表达,抑制周期蛋白激酶 CDK 的活化,使得抑制蛋白 Rb 保持与转录因子 E2F 的结合,E2F 处于持续失活状态,细胞不能从 G1期进入 S 期,最终引发细胞衰老
压力诱导的早熟性衰老
许多刺激因素,如过量的氧、乙醇、离子辐射和丝裂霉素 C等均能够缩短细胞的复制寿命,促进细胞衰老
细胞衰老与个体衰老的关系
对于单细胞生物,细胞衰老等同于个体衰老
倾向于将细胞衰老看做是有机体在长期演化过程中形成的防止细胞过度生长或癌化的一种保护机制