细胞衰老的分子生物学机制

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摘 要：细胞衰老（cellularaging）是细胞在其生命过程中发育到成熟后,随着时间的增加所发生的在形态结果和功能方面出现的一系列慢性进行性、退化性的变化.细胞衰老是基因与环境共同作用的结果,是细胞生命活动过程的客观规律.为研究细胞衰老分子生物学机制,本文就此展开研究.

关 键 词：细胞衰老；分子生物学；机制研究

细胞的衰老和死亡与个体的衰老和死亡是两个不同的概念,个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个体的衰老紧密相关的.细胞衰老是个体衰老的基础,个体衰老是细胞普遍衰老的过程和结果.

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.

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增殖能力（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裂次数各不相同,人体细胞为50～60次.一般说来,细胞最大分裂次数与动物的平均寿命成正比.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延缓或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.随着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呼吸系统疾病、心血管系统疾病、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.

1细胞衰老的特征

科学研究表明,衰老细胞的细胞核、细胞质和细胞膜等均有明显的变化：①细胞内水分减少,体积变小,新陈代谢速度减慢；②细胞内酶的活性降低；③细胞内的色素会积累；④细胞内呼吸速度减慢,细胞核体积增大,核膜内折,染色质收缩,颜色加深.线粒体数量减少,体积增大；⑤细胞膜通透性功能改变,使物质运输功能降低.形态变化总体来说老化细胞的各种结构呈退行性变化.

衰老细胞的形态变化表现有：①核：增大、染色深、核内有包含物；②染色质：凝聚、固缩、碎裂、溶解；③质膜：粘度增加、流动性降低；④细胞质：色素积聚、空泡形成；⑤线粒体：数目减少、体积增大；⑥高尔基体：碎裂；⑦尼氏体：消失；⑧包含物：糖原减少、脂肪积聚；⑨核膜：内陷.

2分子水平的变化

①从总体上DNA复制与转录在细胞衰老时均受抑制,但也有个别基因会异常激活,端粒DNA丢失,线粒体DNA特异性缺失,DNA氧化、断裂、缺失和交联,化程度降低；②mRNA和tRNA含量降低；③蛋白质含成下降,细胞内蛋白质发生糖基化、氨甲酰化、脱氨基等修饰反应,导致蛋白质稳定性、抗原性,可消化性下降,自由基使蛋白质肽断裂,交联而变性.氨基酸由左旋变为右旋；④酶分子活性中心被氧化,金属离子Ca2+、Zn2+、Mg2+、Fe2+等丢失,酶分子的二级结构,溶解度,等电点发生改变,总的效应是酶失活；⑤不饱和脂肪酸被氧化,引起膜脂之间或与脂蛋白之间交联,膜的流动性降低.

3细胞衰老原因

迄今为止,细胞衰老的本质尚未完全阐明,难以给明确的定义,只能根据现有的认识,从不同的角度概括细胞衰老的内涵.细胞衰老是各种细胞成分在受到内外环境的损伤作用后,因缺乏完善的修复,使“差错”积累,导致细胞衰老.根据对导致“差错”的主要因子和主导因子的认识不同,可分为不同的学说,这些学说各有其理论基础和实验证据[1].

3.1差错学派有以下七种学说,有代谢废物积累学说、大分子交联学说、自由基学说、体细胞突变学说、DNA损伤修复学说、端粒学说、生物分子自然交联说等.其中最主要的自由基学说和端粒学说.

3.1.1自由基学说自由基是一类瞬时形成的含不成对电子的原子或功能基团,普遍存在于生物系统.其种类多、数量大,是活性极高的过渡态中间产物.正常细胞内存在清除自由基的防御系统,包括酶系统和非酶系统.前者如：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）,非酶系统有维生素E,醌类物质等电子受体.机体通过生物氧化反应为组织细胞生命活动提供能量,同时在此过程中也会产生大量活性自由基.自由基的化学性质活泼,可攻击生物体内的DNA、蛋白质和脂类等大分子物质,造成损伤,如DNA的断裂、交联、碱基羟基化.实验表明DNA中OH8dG（8-羟基-2‘-脱氧鸟苷）随着年龄的增加而增加.OH8dG完全失去碱基配对特异性,不仅OH8dG被错读,与之相邻的胞嘧啶也被错误复制.大量实验证明实,超氧化物岐化酶与抗氧化酶的活性升高能延缓机体的衰老.Sohal等（1994、1995）,将超氧化物岐化酶与过氧化氢酶基因导入果蝇,使转基因株比野生型这两种酶基因多一个拷贝,结果转基因株中酶活性显著升高,平均年龄和最高寿限有所延长.

英国学者提出的自由基理论认为自由基攻击生命大分子造成组织细胞损伤,是引起机体衰老的根本原因,也是诱发肿瘤等恶性疾病的重要起因.自由基就是一些具有不配对电子的氧分子,它们在机体内漫游,损伤任何于其接触的细胞和组织,直到遇到如维生素C、维生素E、β-胡萝卜素、OPC（原花青素）之类的生物黄酮等抗氧化剂将其中和掉或被机体产生的一些酶（如SOD）将其捕获.自由基可破坏胶原蛋白及其它结缔组织,干扰重要的生理过程,引起细胞的DNA突变.此外还可引起器官组织细胞的破坏与减少[2].例如神经元细胞数量的明显减少,是引起老年人感觉与记忆力下降、动作迟钝及智力障碍的又一重要原因.器官组织细胞破坏或减少主要是由于自由基因突变改变了遗传信息的传递,导致蛋白质与酶的合成错误以及酶活性的降低.这些的积累,造成了器官组织细胞的老化与死亡.

生物膜上的不饱和脂肪酸易受自由基的侵袭发生过氧化反应,氧化作用对衰老有重要的影响,自由基通过对脂质的侵袭加速了细胞的衰老进程[3].自由基作用于免疫系统,或作用于淋巴细胞使其受损,引起老年人细胞免疫与体液免疫功能减弱,并使免疫识别力下降出现自身免疫性疾病.

3.1.2端粒学说染色体两端有端粒,细胞分裂次数多,端粒向内延伸,正常DNA受损.

3.2遗传学派认为衰老是遗传决定的自然演进过程,一切细胞均有内在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,而外部因素只能使细胞寿命在限定范围内变动.