细胞的死亡类型

细胞的死亡类型

在活组织中，单个细胞受其内在基因编程的调节，通过主动的生化过程而自杀死亡的现象，称程序化细胞死亡（programmed cell death PCD也称细胞凋亡(apoptosis). 早在1972年，Kerr等在研究青蛙尾巴退化时，发现了一种既不同于细胞衰老死亡又不同干坏死的细胞死亡方式，即细胞凋亡，并从形态学上详细描述了其特征。然而直到近年来发现它的发生机制由基因调控，先与细胞识别和信号传递有关，才引起人们的重视。

细胞凋亡常为单个散在分布的细胞。早期形态学改变为染色质固缩，常聚集于核膜呈境界分明的颗粒状或新月形小体，细胞浆浓缩。继后胞核和细胞外形皱折，核裂解，质膜包绕其裂解碎片，细胞膜突出形成质膜小泡（即细胞“出泡”现象），脱落后形成凋亡小体其内可保留完整 的细胞器和致密的染色质。组织中的凋亡小体很快被巨噬细胞或邻近细胞摄取消化，因此不出现明显的炎细胞浸出。 细胞凋亡出现时核小体之间连接部双股螺旋断裂形成多个180～200bp的寡核苷酸碎片，在含溴化乙淀的琼脂糖凝胶电泳上呈典型的“梯状”条带。这一过程是激活的钙离子依赖的核酸内切酶介导的。尽管目前对细胞凋亡的研究逐渐深入，研究方法已从细胞水平进入分子水平，但对其本身相关的基因知之较少。

体内的细胞注定是要死亡的，有些死亡是生理性的，有些死亡则是病理性的，有关细胞死亡过程的研究，近年来已成为生物学、医学研究的一个热点，到目前为此，人们已经知道细胞的死亡起码有两种方式，即细胞坏死与细胞凋亡

（apoptosis）。细胞坏死是早已被认识到的一种细胞死亡方式，而细胞凋亡则是近年逐渐被认识的一种细胞死亡方式。 细胞凋亡是细胞的一种基本生物学现象，在多细胞生物去除不需要的或异常的细胞中起着必要的作用。它在生物体的进化、内环境的稳定以及多个系统的发育中起着重要的作用。细胞凋亡不仅是一种特殊的细胞死亡类型，而且具有重要的生物学意义及复杂的分子生物学机制。 凋亡是多基因严格控制的过程。这些基因在种属之间非常保守，如Bcl-2家族、caspase家族、癌基因如C-myc、抑癌基因P53等，随着分子生物学技术的发展对多种细胞凋亡的过程有了相当的认识，但是迄今为止凋亡过程确切机制尚不完全清楚。而凋亡过程的紊乱可能与许多疾病的发生有直接或间接的关系。如肿瘤、自身免疫性疾病等，能够诱发细胞凋亡的因素很多，如射线、药物等 细胞衰老是客观存在的。同新陈代谢一样, 细胞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。 细胞衰老是正常环境条件下发生的功能减退，逐渐趋向死亡的现象。衰老是生物界的普遍规律，细胞作为生物有机体的基本单位，也在不断地新生和衰老死亡。生物体内的绝大多数细胞，都要经过增殖、分化、衰老、死亡等几个阶段。可见细胞的衰老和死亡也是一种正常的生命现象。我们知道，生物体内每时每刻都有细胞在衰老，死亡，同时又有新增殖的细胞来代替它们。例如，人体内的红细胞，每分钟要死亡数百万至数千万之多，同时，又能产生大量的新的红细胞递补上去。 衰老是一个过程，这一过程的长短即细胞的寿命，它随组织种类而不同，同时也受环境条件的影响。高等动物体细胞都有最大分裂次数，细胞

分裂一旦达到这一次数就要死亡。各种动物的细胞最大分裂数各不相同，人细胞为50～60次。一般说来，细胞最大分裂数与动物的平均寿命成正比。细胞衰老时会出现水分减少、老年色素——脂褐色素累积、酶活性降低、代谢速率变慢等一系列变化。 通过细胞衰老的研究可了解衰老的某些规律，对认识衰老和最终找到推迟衰老的方法都有重要意义。细胞衰老问题不仅是一个重大的生物学问题，而且是一个重大的社会问题。随首科学发展而不断阐明衰老过程，人类的平均寿命也将不断延长。但也会出现相应的社会老龄化问题以及心血管病、脑血管病、癌症、关节炎等老年性疾病发病率上升的问题。因此衰老问题的研究是今后生命科学研究中的一个重要课题。

一、衰老

1、衰老和老化

衰老是生物或生物的一部分在自然死亡前的一个生命阶段。常涉及溶酶体的活动 。衰老不同于老化，老化的特点是机体对环境的适应能力减弱，但并不立即造成死亡，如一株松树处于不同的树龄时的年高度增加量，可以表现它存在着进行性的老化，幼树时高度的年平均增长量约为55厘米，25年树龄时降至40厘米，50年时约30厘米。而衰老的结果是导致死亡，这是自然界生命发展的必然规律。植物的衰老是指成熟的细胞、组织、器官和整株植物自然地终止生命活动的一系列衰退过程高等植物的衰老可分为两大类型，即器官的衰老（如种子、果实、花、叶等）和个体的衰老。

2、衰老的生理生化变化

(1)蛋白质含量下降；

(2)核酸含量下降：DNA和RNA的含量都降低,且RNA含量下降的更快,RNA含量下降应是其合成能力减弱和RNA水解酶活性增强综合所致.

(3)光合速率下降：在叶片衰老过程中，叶绿体的基质被破坏，类囊体膨胀裂解。叶绿素含量迅速下降，导致光合速率下降。叶绿素含量少，而类胡萝卜素比叶绿素降解较晚，所以衰老后期叶片多失绿变黄。

(4)呼吸速率下降：叶片衰老时，呼吸作用迅速下降，后来又急剧上升，再迅速下降，有骤变现象，这种现象和乙烯出现高峰有关，因为乙烯可加速膜通透性使呼吸加强。此外，衰老时呼吸过程的氧化磷酸化逐步解偶联，产生的ATP量减少，细胞合成过程所需能量不足，加速了衰老的发展。

(5)生物膜结构变化：膜失去流动性，磷脂含量下降，选择通透性功能丧失，膜结构逐步解体。一些具有膜结构的细胞器在衰老期间膜结构发生衰退、破裂甚至解体，从而丧失了生理功能并放出各类水解酶及有机酸，加速了细胞衰老解体。

(6)激素明显变化：对衰老有促进作用的激素（如脱落酸和乙烯）含量随衰老进程逐渐上升。

3、影响衰老的外界因素

（1）光照：黑暗、强光和紫外光可促进衰老；长日照利于生长，短日照加速衰老。

（2）温度

(3）水分

（4）矿质营养：氮肥不足，叶片易衰老；钙离子有稳定膜的作用，减少乙烯释放，延缓衰老。

（5）气体：主要为氧气和二氧化碳。

4、对植物衰老发生原因的几种假说

（1）自由基损伤假说：该假说认为植物衰老是由于植物体内产生过多的自由基，对生物大分子有坡破坏作用，进而造成器官和个体的衰老和死亡。

（2）DNA损伤假说：该假说认为植物衰老是由于基因表达在蛋白质合成过程中引起误差积累所造成的。当错误产生超过一定值后，机能失常，导致衰老。

（3）植物激素调节假说：植物的衰老是由一种或多种植物激素综合控制的，且激素之间的平衡也起重要作用。

二、细胞死亡

细胞死亡有两种不同的形式：一种是由于某些外界因素而造成的细胞的非正常死亡，称为坏死性死亡或细胞坏死；另一种是细胞编程性死亡（programmed cell death, PCD）或称细胞凋亡。

1、细胞坏死

细胞坏死是细胞的一种随机无序的被动死亡过程。引起坏死的原因是多方面的，如物理因素（高温、低温、放射线等）、化学因素（强酸、强碱）、病毒毒素等。它们有的是直接引起细胞蛋白质的变形，有的则是破坏细胞内的酶系统，是组织细胞的新陈代谢完全停止，从而导致细胞的坏死。

坏死早期出现核固缩，染色质分布不规则，无膜被核碎片出现；后期核溶解消失，膜通透性增高，细胞器肿胀，质膜、线粒体、溶酶体破裂，细胞内含物外泄。

细胞坏死往往是某一区域内一群细胞或一块组织受损。

2、细胞编程性死亡：

细胞编程性死亡是生物体内广泛存在的一种由细胞特定基因控制的，通过主动生化过程的一种细胞自杀现象，以清除不需要的细胞。

他的特征是：细胞核DNA断裂成寡聚核苷酸片段；染色质固缩，聚集于核膜边缘，呈颗粒块状或新月形小体；核皱缩变形，裂解成膜围绕的碎片；细胞质浓缩；内质网膨胀成泡状；线粒体较其他细胞器消失晚；胞泡形成，最后形成凋亡小体而被体内其他细胞吞噬。

PCD中的细胞死亡是单个特定的细胞死亡，一般不伴有临近组织的破坏。且在核基因的控制下，细胞结构发生高度有序的解体及内含物的降解，大量矿质元素及有机营养物质能在衰老细胞解体后有序地向非衰老细胞转移和循环利用。，动物中都是被其他细胞吞噬利用，植物中则有些细胞PCD过程的产物是主要用于本身细胞壁的构建.

细胞编程性死亡的意义：清除多余的细胞、完成功能的不必要的细胞以及有潜在危险的细胞；保持细胞群体数量的恒定；产生死后执行功能的死细胞（例如导管分子）；在细胞分化和过敏性反应和抗病、抗逆中起作用，可通过局部细胞死亡保证有机体安全；

细胞编程性死亡在植物发育中的作用：在生殖器官的发育中保证功能细胞的发育和生殖过程的完成（如雌雄异花和雌雄异株植物的性别决定）；在胚胎发育中保证受精卵发育成正常胚胎（如无胚乳的种子胚发育中的胚乳细胞）；在种子萌发中保证幼苗的形成（具有胚乳种子植物的种子萌发中的糊粉层细胞）；植物体发育中保证有关器官的建成和组织分化（如管状分子的分化和根冠细胞的死亡）；在免疫反应和抗病中的作用。

三、发展

2002年诺贝尔医学和生理学桂冠就授予了发现调控器官生长和蠕虫细胞程序性死亡的关键基因的科学家：英国科学家Sydney Brenner, John E. Sulston和美国科学家H.Robert Horvitz。Horvitz发现了线虫中控制细胞死亡的关键基因并描绘出了这些基因的特征，它揭示了这些基因怎样在细胞死亡过程中相互作用，并证实了相应的基因也存在于人体

中;Sulston描述了线虫组织在发展过程中细胞分裂和分化的具体情况，还确认了在细胞死亡过程中发挥控制作用的基因的最初变化情况；科学家发现了控制PCD的基因有两类，一类是抑制细胞死亡的另一类是启动或促进细胞死亡的，两类基因相互作用控制细胞正常死亡；

瑞典大学农业科学院(SLU)的科研小组最近成功地分离了一个全新的调节植物晶胚中细胞死亡的基因。该研究小组发现了植物晶胚细胞的程序性死亡过程，并且发现了第一个调节这个细胞死亡的基因。

美国威斯康辛国家灵长类研究中心的科学家托马斯·兹瓦卡近来在研究胚胎干细胞时发现：胚胎干细胞中大量存在caspase酶，这是一类从内部破坏细胞的蛋白质。他们的存在

通常被认为是细胞编程性死亡存在的标志。按照通常的理论，在细胞中发现这些“死亡”物质，应该意味着这些细胞已经或者即将死亡了。但是，他在实际研究中发现，真正死掉的干细胞并没有几个，大多数干细胞仍然很好地存活着。兹瓦卡推测，胚胎干细胞的自我更新过程可能从细胞死亡过程进化而来，两个过程的某些部分可能相同。这一现象可能迫使许多研究人员重新检验自己的工作。

四、展望：

细胞不断的进行着衰老和死亡的过程，通过之一机制消除着受损和多余的细胞，保持了有机体细胞数量的相对稳定的增长，一部分细胞衰老死亡而其功能又活性更强的新生细胞代替，一定程度上增强了有机体的活性。近十几年来，细胞编程性死亡的研究受到了更多的重视并取得了许多进展，就植物而言，通过细胞的编程性死亡可以保证器官发育、可产生出执行重要功能的死细胞。在我看来，研究细胞的衰老和死亡机理（尤其是细胞编程性死亡）也许可以帮助人们研究出药物，促使进入人体或植株的细菌在自身基因的调控下因为发生编程性死亡而无法作用于有机体，从而降低病害的可能性；也许也可能在研究衰老死亡的机理上找到体细胞与癌细胞的不同从而找到控制癌细胞大量增殖的方法，发现防治肿瘤的治疗方法；也可能通过破坏细胞控制死亡的基因使分泌或产生对人类有用物质的细胞脱离细胞衰老死亡的轨道为人类产生更多的有用物质。