細(xì)胞的死亡類型

在活組織中，單個細(xì)胞受其內(nèi)在基因編程的調(diào)節(jié)，通過主動的生化過程而自殺死亡的現(xiàn)象，稱程序化細(xì)胞死亡（programmed cell death PCD也稱細(xì)胞凋亡(apoptosis). 早在1972年，Kerr等在研究青蛙尾巴退化時，發(fā)現(xiàn)了一種既不同于細(xì)胞衰老死亡又不同干壞死的細(xì)胞死亡方式，即細(xì)胞凋亡，并從形態(tài)學(xué)上詳細(xì)描述了其特征。然而直到近年來發(fā)現(xiàn)它的發(fā)生機(jī)制由基因調(diào)控，先與細(xì)胞識別和信號傳遞有關(guān)，才引起人們的重視。

細(xì)胞凋亡常為單個散在分布的細(xì)胞。早期形態(tài)學(xué)改變?yōu)槿旧|(zhì)固縮，常聚集于核膜呈境界分明的顆粒狀或新月形小體，細(xì)胞漿濃縮。繼后胞核和細(xì)胞外形皺折，核裂解，質(zhì)膜包繞其裂解碎片，細(xì)胞膜突出形成質(zhì)膜小泡（即細(xì)胞“出泡”現(xiàn)象），脫落后形成凋亡小體其內(nèi)可保留完整 的細(xì)胞器和致密的染色質(zhì)。組織中的凋亡小體很快被巨噬細(xì)胞或鄰近細(xì)胞攝取消化，因此不出現(xiàn)明顯的炎細(xì)胞浸出。

細(xì)胞凋亡出現(xiàn)時核小體之間連接部雙股螺旋斷裂形成多個180～200bp的寡核苷酸碎片，在含溴化乙淀的瓊脂糖凝膠電泳上呈典型的“梯狀”條帶。這一過程是激活的鈣離子依賴的核酸內(nèi)切酶介導(dǎo)的。盡管目前對細(xì)胞凋亡的研究逐漸深入，研究方法已從細(xì)胞水平進(jìn)入分子水平，但對其本身相關(guān)的基因知之較少。

體內(nèi)的細(xì)胞注定是要死亡的，有些死亡是生理性的，有些死亡則是病理性的，有關(guān)細(xì)胞死亡過程的研究，近年來已成為生物學(xué)、醫(yī)學(xué)研究的一個熱點(diǎn)，到目前為此，人們已經(jīng)知道細(xì)胞的死亡起碼有兩種方式，即細(xì)胞壞死與細(xì)胞凋亡（apoptosis）。細(xì)胞壞死是早已被認(rèn)識到的一種細(xì)胞死亡方式，而細(xì)胞凋亡則是近年逐漸被認(rèn)識的一種細(xì)胞死亡方式。 細(xì)胞凋亡是細(xì)胞的一種基本生物學(xué)現(xiàn)象，在多細(xì)胞生物去除不需要的或異常的細(xì)胞中起著必要的作用。它在生物體的進(jìn)化、內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定以及多個系統(tǒng)的發(fā)育中起著重要的作用。細(xì)胞凋亡不僅是一種特殊的細(xì)胞死亡類型，而且具有重要的生物學(xué)意義及復(fù)雜的分子生物學(xué)機(jī)制。 凋亡是多基因嚴(yán)格控制的過程。這些基因在種屬之間非常保守，如Bcl-2家族、caspase家族、癌基因如C-myc、抑癌基因P53等，隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展對多種細(xì)胞凋亡的過程有了相當(dāng)?shù)恼J(rèn)識，但是迄今為止凋亡過程確切機(jī)制尚不*清楚。而凋亡過程的紊亂可能與許多疾病的發(fā)生有直接或間接的關(guān)系。如腫瘤、自身免疫性疾病等，能夠誘發(fā)細(xì)胞凋亡的因素很多，如射線、藥物等

細(xì)胞衰老是客觀存在的。同新陳代謝一樣, 細(xì)胞衰老是細(xì)胞生命活動的客觀規(guī)律。對多細(xì)胞生物而言, 細(xì)胞的衰老和死亡與機(jī)體的衰老和死亡是兩個不同的概念, 機(jī)體的衰老并不等于所有細(xì)胞的衰老, 但是細(xì)胞的衰老又是同機(jī)體的衰老緊密相關(guān)的。 細(xì)胞衰老是正常環(huán)境條件下發(fā)生的功能減退，逐漸趨向死亡的現(xiàn)象。       

衰老是生物界的普遍規(guī)律，細(xì)胞作為生物有機(jī)體的基本單位，也在不斷地新生和衰老死亡。生物體內(nèi)的絕大多數(shù)細(xì)胞，都要經(jīng)過增殖、分化、衰老、死亡等幾個階段。可見細(xì)胞的衰老和死亡也是一種正常的生命現(xiàn)象。我們知道，生物體內(nèi)每時每刻都有細(xì)胞在衰老，死亡，同時又有新增殖的細(xì)胞來代替它們。例如，人體內(nèi)的紅細(xì)胞，每分鐘要死亡數(shù)百萬至數(shù)千萬之多，同時，又能產(chǎn)生大量的新的紅細(xì)胞遞補(bǔ)上去。 衰老是一個過程，這一過程的長短即細(xì)胞的壽命，它隨組織種類而不同，同時也受環(huán)境條件的影響。高等動物體細(xì)胞都有zui大分裂次數(shù)，細(xì)胞分裂一旦達(dá)到這一次數(shù)就要死亡。各種動物的細(xì)胞zui大分裂數(shù)各不相同，人細(xì)胞為50～60次。一般說來，細(xì)胞zui大分裂數(shù)與動物的平均壽命成正比。細(xì)胞衰老時會出現(xiàn)水分減少、老年色素——脂褐色素累積、酶活性降低、代謝速率變慢等一系列變化。 通過細(xì)胞衰老的研究可了解衰老的某些規(guī)律，對認(rèn)識衰老和zui終找到推遲衰老的方法都有重要意義。細(xì)胞衰老問題不僅是一個重大的生物學(xué)問題，而且是一個重大的社會問題。隨首科學(xué)發(fā)展而不斷闡明衰老過程，人類的平均壽命也將不斷延長。但也會出現(xiàn)相應(yīng)的社會老齡化問題以及心血管病、腦血管病、癌癥、關(guān)節(jié)炎等老年性疾病發(fā)病率上升的問題。因此衰老問題的研究是今后生命科學(xué)研究中的一個重要課題。

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個生命階段。常涉及溶酶體的活動 。衰老不同于老化，老化的特點(diǎn)是機(jī)體對環(huán)境的適應(yīng)能力減弱，但并不立即造成死亡，如一株松樹處于不同的樹齡時的年高度增加量，可以表現(xiàn)它存在著進(jìn)行性的老化，幼樹時高度的年平均增長量約為55厘米，25年樹齡時降至40厘米，50年時約30厘米。而衰老的結(jié)果是導(dǎo)致死亡，這是自然界生命發(fā)展的必然規(guī)律。植物的衰老是指成熟的細(xì)胞、組織、器官和整株植物自然地終止生命活動的一系列衰退過程高等植物的衰老可分為兩大類型，即器官的衰老（如種子、果實(shí)、花、葉等）和個體的衰老。

2、衰老的生理生化變化

(1)蛋白質(zhì)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含量下降應(yīng)是其合成能力減弱和RNA水解酶活性增強(qiáng)綜合所致.

(3)光合速率下降：在葉片衰老過程中，葉綠體的基質(zhì)被破壞，類囊體膨脹裂解。葉綠素含量迅速下降，導(dǎo)致光合速率下降。葉綠素含量少，而類胡蘿卜素比葉綠素降解較晚，所以衰老后期葉片多失綠變黃。

(4)呼吸速率下降：葉片衰老時，呼吸作用迅速下降，后來又急劇上升，再迅速下降，有驟變現(xiàn)象，這種現(xiàn)象和乙烯出現(xiàn)高峰有關(guān)，因為乙烯可加速膜通透性使呼吸加強(qiáng)。此外，衰老時呼吸過程的氧化磷酸化逐步解偶聯(lián)，產(chǎn)生的ATP量減少，細(xì)胞合成過程所需能量不足，加速了衰老的發(fā)展。

(5)生物膜結(jié)構(gòu)變化：膜失去流動性，磷脂含量下降，選擇通透性功能喪失，膜結(jié)構(gòu)逐步解體。一些具有膜結(jié)構(gòu)的細(xì)胞器在衰老期間膜結(jié)構(gòu)發(fā)生衰退、破裂甚至解體，從而喪失了生理功能并放出各類水解酶及有機(jī)酸，加速了細(xì)胞衰老解體。

(6)激素明顯變化：對衰老有促進(jìn)作用的激素（如脫落酸和乙烯）含量隨衰老進(jìn)程逐漸上升。

3、影響衰老的外界因素

（1）光照：黑暗、強(qiáng)光和紫外光可促進(jìn)衰老；長日照利于生長，短日照加速衰老。

（2）溫度

(3）水分

（4）礦質(zhì)營養(yǎng)：氮肥不足，葉片易衰老；鈣離子有穩(wěn)定膜的作用，減少乙烯釋放，延緩衰老。

（5）氣體：主要為氧氣和二氧化碳。

    4、對植物衰老發(fā)生原因的幾種假說

（1）自由基損傷假說：該假說認(rèn)為植物衰老是由于植物體內(nèi)產(chǎn)生過多的自由基，對生物大分子有坡破壞作用，進(jìn)而造成器官和個體的衰老和死亡。

（2）DNA損傷假說：該假說認(rèn)為植物衰老是由于基因表達(dá)在蛋白質(zhì)合成過程中引起誤差積累所造成的。當(dāng)錯誤產(chǎn)生超過一定值后，機(jī)能失常，導(dǎo)致衰老。

（3）植物激素調(diào)節(jié)假說：植物的衰老是由一種或多種植物激素綜合控制的，且激素之間的平衡也起重要作用。

二、細(xì)胞死亡

細(xì)胞死亡有兩種不同的形式：一種是由于某些外界因素而造成的細(xì)胞的非正常死亡，稱為壞死性死亡或細(xì)胞壞死；另一種是細(xì)胞編程性死亡（programmed cell death, PCD）或稱細(xì)胞凋亡。

1、細(xì)胞壞死

細(xì)胞壞死是細(xì)胞的一種隨機(jī)無序的被動死亡過程。引起壞死的原因是多方面的，如物理因素（高溫、低溫、放射線等）、化學(xué)因素（強(qiáng)酸、強(qiáng)堿）、病毒毒素等。它們有的是直接引起細(xì)胞蛋白質(zhì)的變形，有的則是破壞細(xì)胞內(nèi)的酶系統(tǒng)，是組織細(xì)胞的新陳代謝*停止，從而導(dǎo)致細(xì)胞的壞死。

壞死早期出現(xiàn)核固縮，染色質(zhì)分布不規(guī)則，無膜被核碎片出現(xiàn)；后期核溶解消失，膜通透性增高，細(xì)胞器腫脹，質(zhì)膜、線粒體、溶酶體破裂，細(xì)胞內(nèi)含物外泄。

細(xì)胞壞死往往是某一區(qū)域內(nèi)一群細(xì)胞或一塊組織受損。

2、細(xì)胞編程性死亡：

    細(xì)胞編程性死亡是生物體內(nèi)廣泛存在的一種由細(xì)胞特定基因控制的，通過主動生化過程的一種細(xì)胞自殺現(xiàn)象，以清除不需要的細(xì)胞。

    他的特征是：細(xì)胞核DNA斷裂成寡聚核苷酸片段；染色質(zhì)固縮，聚集于核膜邊緣，呈顆粒塊狀或新月形小體；核皺縮變形，裂解成膜圍繞的碎片；細(xì)胞質(zhì)濃縮；內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膨脹成泡狀；線粒體較其他細(xì)胞器消失晚；胞泡形成，zui后形成凋亡小體而被體內(nèi)其他細(xì)胞吞噬。

    PCD中的細(xì)胞死亡是單個特定的細(xì)胞死亡，一般不伴有臨近組織的破壞。且在核基因的控制下，細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)生高度有序的解體及內(nèi)含物的降解，大量礦質(zhì)元素及有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)能在衰老細(xì)胞解體后有序地向非衰老細(xì)胞轉(zhuǎn)移和循環(huán)利用。，動物中都是被其他細(xì)胞吞噬利用，植物中則有些細(xì)胞PCD過程的產(chǎn)物是主要用于本身細(xì)胞壁的構(gòu)建.

細(xì)胞編程性死亡的意義：清除多余的細(xì)胞、完成功能的不必要的細(xì)胞以及有潛在危險的細(xì)胞；保持細(xì)胞群體數(shù)量的恒定；產(chǎn)生死后執(zhí)行功能的死細(xì)胞（例如導(dǎo)管分子）；在細(xì)胞分化和過敏性反應(yīng)和抗病、抗逆中起作用，可通過局部細(xì)胞死亡保證有機(jī)體安全；

細(xì)胞編程性死亡在植物發(fā)育中的作用：在生殖器官的發(fā)育中保證功能細(xì)胞的發(fā)育和生殖過程的完成（如雌雄異花和雌雄異株植物的性別決定）；在胚胎發(fā)育中保證受精卵發(fā)育成正常胚胎（如無胚乳的種子胚發(fā)育中的胚乳細(xì)胞）；在種子萌發(fā)中保證幼苗的形成（具有胚乳種子植物的種子萌發(fā)中的糊粉層細(xì)胞）；植物體發(fā)育中保證有關(guān)器官的建成和組織分化（如管狀分子的分化和根冠細(xì)胞的死亡）；在免疫反應(yīng)和抗病中的作用。

三、發(fā)展

 2002年諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)桂冠就授予了發(fā)現(xiàn)調(diào)控器官生長和蠕蟲細(xì)胞程序性死亡的關(guān)鍵基因的科學(xué)家：英國科學(xué)家Sydney Brenner, John E. Sulston和美國科學(xué)家H.Robert Horvitz。Horvitz發(fā)現(xiàn)了線蟲中控制細(xì)胞死亡的關(guān)鍵基因并描繪出了這些基因的特征，它揭示了這些基因怎樣在細(xì)胞死亡過程中相互作用，并證實(shí)了相應(yīng)的基因也存在于人體中;Sulston描述了線蟲組織在發(fā)展過程中細(xì)胞分裂和分化的具體情況，還確認(rèn)了在細(xì)胞死亡過程中發(fā)揮控制作用的基因的zui初變化情況；科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了控制PCD的基因有兩類，一類是抑制細(xì)胞死亡的另一類是啟動或促進(jìn)細(xì)胞死亡的，兩類基因相互作用控制細(xì)胞正常死亡；

瑞典大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)院(SLU)的科研小組zui近成功地分離了一個全新的調(diào)節(jié)植物晶胚中細(xì)胞死亡的基因。該研究小組發(fā)現(xiàn)了植物晶胚細(xì)胞的程序性死亡過程，并且發(fā)現(xiàn)了*個調(diào)節(jié)這個細(xì)胞死亡的基因。

    美國威斯康辛國家靈長類研究中心的科學(xué)家托馬斯·茲瓦卡近來在研究胚胎干細(xì)胞時發(fā)現(xiàn)：胚胎干細(xì)胞中大量存在caspase酶，這是一類從內(nèi)部破壞細(xì)胞的蛋白質(zhì)。他們的存在通常被認(rèn)為是細(xì)胞編程性死亡存在的標(biāo)志。按照通常的理論，在細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)這些“死亡”物質(zhì)，應(yīng)該意味著這些細(xì)胞已經(jīng)或者即將死亡了。但是，他在實(shí)際研究中發(fā)現(xiàn)，真正死掉的干細(xì)胞并沒有幾個，大多數(shù)干細(xì)胞仍然很好地存活著。茲瓦卡推測，胚胎干細(xì)胞的自我更新過程可能從細(xì)胞死亡過程進(jìn)化而來，兩個過程的某些部分可能相同。這一現(xiàn)象可能迫使許多研究人員重新檢驗自己的工作。

四、展望：

    細(xì)胞不斷的進(jìn)行著衰老和死亡的過程，通過之一機(jī)制消除著受損和多余的細(xì)胞，保持了有機(jī)體細(xì)胞數(shù)量的相對穩(wěn)定的增長，一部分細(xì)胞衰老死亡而其功能又活性更強(qiáng)的新生細(xì)胞代替，一定程度上增強(qiáng)了有機(jī)體的活性。近十幾年來，細(xì)胞編程性死亡的研究受到了更多的重視并取得了許多進(jìn)展，就植物而言，通過細(xì)胞的編程性死亡可以保證器官發(fā)育、可產(chǎn)生出執(zhí)行重要功能的死細(xì)胞。在我看來，研究細(xì)胞的衰老和死亡機(jī)理（尤其是細(xì)胞編程性死亡）也許可以幫助人們研究出藥物，促使進(jìn)入人體或植株的細(xì)菌在自身基因的調(diào)控下因為發(fā)生編程性死亡而無法作用于有機(jī)體，從而降低病害的可能性；也許也可能在研究衰老死亡的機(jī)理上找到體細(xì)胞與癌細(xì)胞的不同從而找到控制癌細(xì)胞大量增殖的方法，發(fā)現(xiàn)防治腫瘤的治療方法；也可能通過破壞細(xì)胞控制死亡的基因使分泌或產(chǎn)生對人類有用物質(zhì)的細(xì)胞脫離細(xì)胞衰老死亡的軌道為人類產(chǎn)生更多的有用物質(zhì)。