细胞通讯和分化、干细胞、细胞衰老和死亡、癌细胞

细胞通讯

细胞通讯的方式：直接通讯：间隙连接、膜表面分子接触通讯、隧道纳米管。间接通讯：长距离通讯（激素）、短距离通讯（神经递质、细胞因子），1.内分泌（激素）；2.旁分泌（NO）；3.自分泌；4.突触信号传递。

信号分子（配体）和受体

一、信号分子（信使）：第一信使：多为水溶性信号分子（如神经递质）不能穿过靶细胞膜，只能经膜上的信号转换机制实现信号传递，称第一信使。第二信使：起信号转换和放大的作用，如cAMP、cGMP、IP3、DAG、Ca2+。

二、受体：是靶细胞（效应细胞），存在于细胞质膜或细胞内。受体是一种能识别和选择性结合某种配体（信号分子）的大分子（糖蛋白），当与配体结合后，通过信号转导作用，将细胞外信号转换为胞内化学或物理的信号，以启动一系列过程，最终表现为生物学效应。受体的特点：①特异性；②饱和性；③高度的亲和力。受体类型：1.细胞内受体:信号分子是类固醇激素、甲状腺素、维生素D3等。2.细胞表面受体：离子通道偶联的受体、G-蛋白偶联的受体、酶偶连的受体。受体的功能：介导物质跨膜运输(受体介导的内吞作用)，信号转导。受体的调节：受体的激活（级联反应）、受体失敏（关闭反应）、减量调节（降低反应）。

膜表面受体介导的信号转导

离子通道偶联受体的信号传导：离子通道由细胞产生的特殊蛋白质聚集起来，并镶嵌在细胞膜上，中间形成水分子占据的孔隙，这些孔隙就是水溶性物质快速进出细胞的通道。

G蛋白偶联受体的信号传导（最多、最重要）：三聚体GTP结合蛋白，即，G蛋白，它由α、β、γ3个亚基构成，α和γ属脂锚定蛋白。

蛋白激酶（A和C）是一类磷酸转移酶，将 ATP 的 γ 磷酸基转移到底物特定氨基酸残基上，使蛋白磷酸化。分为5类，其中了解较多的是蛋白酪氨酸激酶、蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶。作用：通过磷酸化调节蛋白质的活性。

酶偶联受体的信号转导：特点：①单次跨膜蛋白；②接受配体后发生二聚化而激活，启动下游信号转导。受体酪氨酸激酶及RTK-Ras蛋白信号通路，细胞表面其它与酶偶联的受体。

细胞内受体介导的信号传导

信号分子：类固醇激素、甲状腺素、NO等。信号分子扩散通过细胞膜进入细胞内。而受体位于胞质或细胞核内。NO是存在于许多组织中的递质。NO在血管内皮细胞和神经细胞中生成，由一氧化氮合酶（NOS）催化，以L精氨酸为底物，NADPH为电子供体，生成NO和L瓜氨酸。

NO的作用机理：乙酰胆碱→血管内皮→Ca2+浓度升高→一氧化氮合酶→NO→平滑肌细胞→鸟苷酸环化酶→cGMP→血管平滑肌细胞的Ca2+离子浓度下降→平滑肌舒张→血管扩张、血流通畅。硝酸甘油治疗心绞痛具有百年的历史，其作用机理是在体内转化为NO。

细胞分化与干细胞

细胞分化

在个体发育中，细胞后代在形态结构和功能上发生差异的过程称为细胞分化（differentiation）。这种差异实质上是蛋白质不同所致，而细胞内蛋白质的不同则是基因表达不同的结果。细胞分化不仅发生在胚胎发育中，而是在一生都进行着，以补充衰老和死亡的细胞，如：多能造血干细胞分化为不同血细胞的细胞分化过程。

分化潜能：受精卵能够分化出各种细胞、组织，形成一个完整的个体，所以把受精卵的分化潜能称为全能性。随着分化发育的进程，细胞逐渐丧失其分化潜能。从全能性到多能性，再到单能性，最后失去分化潜能成为成熟定型的细胞。

干细胞

在人的一生中，皮肤、小肠和血液等组织需要不断地更新，这个任务是由干细胞完成的。干细胞是一类具有分裂和分化能力的细胞。多能干细胞可以分化出多种类型的细胞，但它不可能分化出足以构成完整个体的所有细胞，所以多能干细胞的分化潜能称为多能性。单能干细胞来源于多能干细胞，具有向特定细胞系分化的能力，也称为祖细胞。体细胞的分化潜能，比如1996年，克隆羊“多莉”。

干细胞有什么特点？具有自我更新能力，能无（次数）限制的分裂增殖，并保持自身数目和位置恒定。终生（抑制）保持未分化或低分化，（在特定条件下）能分化成不同类型的组织细胞。有两种分裂方式，一种形成两个相同的干细胞，另一种形成一个干细胞和一个祖细胞。

干细胞在哪里？胚胎【全能干细胞（受精卵或早期）、三胚层多能干细胞（囊胚期）和单胚层多能干细胞（囊胚期之后）、单能干细胞】、胎儿【单胚层多能干细胞、单能干细胞】、成体各种组织器官【单能干细胞】。成体单能干细胞在一定条件诱导下，可以横向转化为其他组织的功能细胞，即有一定的可塑性或转分化的能力。

胚胎干细胞：胚胎干细胞（ESC）是指从胚胎内细胞团或原始生殖细胞筛选分离出的具有多能性或全能性的细胞。此外也可以通过体细胞核移植技术获得。胚胎干细胞能做什么？是细胞替代治疗和基因治疗的载体。提供无免疫排斥的细胞移植材料，治疗任何丧失正常细胞的疾病。能自我复制更新，能把治疗基因带入体内，实现基因治疗。

成体干细胞：存在于各组织器官中的具有自我更新能力和一定分化潜能的未分化细胞。存在部位不一，数量较少，随年龄增长而减少。1.造血干细胞（骨髓、外周血、脐带血）；2.间充质干细胞（骨髓、脐带血、外周血、骨骼肌、软骨、肌腱、脂肪组织）；3.神经干细胞（脑侧脑室下层和海马齿状回）。成体干细胞能做什么？造血干细胞：骨髓移植治疗白血病、脐带血治疗白血病；间充质干细胞：外周血（提纯培养后）治疗脑血栓、美容（脂肪填充）；神经干细胞：细胞移植治疗脑损伤、脑瘤等。

细胞衰老与死亡

细胞衰老与寿限：L.Hayflick （1961）报道，人的成纤维细胞在体外培养时增殖次数是有限的。后来许多实验证明，正常的动物细胞无论是在体内生长还是在体外培养，其分裂次数总存在一个“极极值”。此值被称为“Hayflick”极限，亦称最大分裂次数。如人胚成纤维细胞在体外培养时只能增殖60-70代。

细胞衰老与细胞寿命：高等动物的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。干细胞在整个一生都保持分裂能力，直到达到最高分裂次数便衰老死亡。

细胞衰老的表现：衰老细胞的形态发化主要表现在细胞皱缩，膜通透性、脆性增加，核膜内折，细胞器数量特别是线粒体数量减少，胞内出现脂褐素等异常物质沉积，最终出现细胞凋亡或坏死。总体来说老化细胞的各种结构呈退行性发化。

细胞衰老的分子变化：DNA：复制与转录受到抑制，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，甲基化程度降低。RNA：mRNA和tRNA含量降低。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。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，等电点发生改发，总的效应是酶失活。脂类：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。

细胞衰老的理论：关于衰老的机理具有许多不同的学说，概括起来主要有差错学派和遗传学派两大类，前者强调衰老是由于细胞中的各种错误积累引起的，后者强调衰老是遗传决定的自然演进过程。其实，现在看来两者是相互统一的。

遗传衰老1.端粒钟学说：细胞增殖次数与端粒DNA长度有关。Harley等1991发现体细胞染色体的端粒DNA会随细胞分裂次数增加而不断缩短。细胞DNA每复制一次端粒就缩短一段，当缩短到一定程度至Hayflick点时，细胞不再分裂。

遗传衰老2.遗传程序学说：程序性衰老理论认为，生物的生长、发育、衰老和死亡都由基因程序控制的，衰老实际上是某些基因依次开启或关闭的结果。

遗传衰老3.长寿基因学说：统计学资料表明，子女的寿命与双亲的寿命有关，各种动物都有相当恒定的平均寿命和最高寿命，成人早衰症病人平均39岁时出现衰老，47岁左右生命结束。患婴幼儿早衰症的小孩在1岁时出现明显的衰老，12-18岁即过早夭折。由此来看物种的寿命主要取决于遗传物质，DNA链上可能存在一些“长寿基因”或“衰老基因”来决定个体的寿限。

损伤积累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。主要包括：氧自由基（如羟自由基·OH）、氢自由基（·H）、碳自由基、脂自由基等，其中·OH的化学性质最活泼。人体内自由基的来源有两方面：一是环境中的高温、辐射、光解、化学物质等引起的外源性自由基；二是体内各种代谢反应产生的内源性自由基，是主要来源：①由线粒体呼吸链电子泄漏产生；②由经过氧化物酶体的多功能氧化酶（MFO）等催化底物羟化产生。此外，机体血红蛋白、肌红蛋白中还可通过非酶促反应产生自由基。

自由基的危害与防御：自由基含有未配对电子，具有高度反应活性，可引发链式自由基反应，引起DNA、蛋白质和脂类，尤其是多不饱和脂肪酸等大分子物质发性和亝联，损伤DNA、生物膜、重要的结构蛋白和功能蛋白，从而引起衰老各种现象的发生。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。

损伤积累2.线粒体DNA突变学说：在线粒体氧化磷酸化生成ATP的过程中，大约有1-4%氧转化为氧自由基，也叫活性氧，因此线粒体是自由基浓度最高的细胞器。mtDNA裸露于基质，缺乏结合蛋白的保护，最易受自由基伤害，复制错误频率高，同时缺乏有效的修复酶，故mtDNA最容易发生突发。衰老个体细胞中mtDNA缺失表现明显，并随着年龄的增加而增加，许多研究认为mtDNA缺失与衰老及伴随的老年衰退性疾病有密切关系。

损伤积累3.代谢废物积累学说：细胞代谢产物积累至一定量后会危害细胞，引起衰老，哺乳动物脂褐质的沉积是一个典型的例子，脂褐质是一些长寿命的蛋白质和DNA、脂类共价缩合形成的巨交联物，次级溶酶体是形成脂褐质的场所，由于脂褐质结构致密，不能被彻底水解，又不能排出细胞，结果在细胞内沉积增多，阻碍细胞的物质交流和信号传递，最后导致细胞衰老。如老年性痴呆（AD）就是由β-淀粉样蛋白沉积引起的。

细胞凋亡：细胞凋亡不等于细胞坏死，坏死（necrosis）是细胞受到化学因素（如强酸、强碱、有毒物质）、物理因素（如热、辐射）和生物因素（如病原体）等环境因素的伤害，细胞被强行终止生命的死亡过程。凋亡（apoptosis ）是为了维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主的、有序性的死亡。又叫程序性死亡。

细胞凋亡的意义：细胞凋亡和细胞增殖都是生命的基本现象，是维持体内细胞数量动态平衡的基本措施。在胚胎发发育阶段通过细胞凋亡清除多余的和已完成使命的细胞，保证了胚胎的正常发育；在成年阶段通过细胞凋亡清除衰老和病发的细胞，保证了机体的健康。细胞凋亡是多细胞生物在发育过程中，一种由基因控制的主动的细胞生理性自杀行为。1.保证个体正常发育；2.调节细胞数量；3.保持成体器官正常的体积；4.清除完成使命的废旧细胞

癌细胞

肿瘤细胞：肿瘤（tumor，neoplasm）是指细胞在致瘤因素作用下，基因发生了改变，失去对其生长的正常调控，导致异常增生（几乎是无限增殖）。把具有转移能力的肿瘤称为恶性肿瘤，即癌（cancer）是目前危害人类健康最严重的一类疾病。“肉瘤”指源于骨、脂肪、结缔组织和肌组织的癌。“淋巴瘤”和白血病指由淋巴和血液产生的癌。

癌细胞的基本特征：1.细胞生长与分裂失去控制，能够无限增殖（“不死”）—1951年的宫颈癌细胞至今存活。2.具有浸润性和扩散性。3.形态结构发生了很大发化。4.细胞膜表面也发生了发化。5.染色体异常。6.细胞骨架发生发化。癌细胞的代谢方式改变，糖无氧酵解供能为主。

肿瘤发生的遗传学：肿瘤形成的过程包括始发突发、潜伏、促癌和演进。始发突变是指细胞在致癌物的作用下发生了基因突发，但是突发生后如果没有适当的环境不会发展为肿瘤，此阶段称为潜伏期；促癌是指在促癌剂（刺激细胞增长的因子，如激素）作用下开始增殖的过程，促癌因子的作用是可逆的，如果去除，引起扩增的克隆就会消失；演进是指肿瘤在生长过程中越来越发得具有侵袭力的过程，是不可逆的。肿瘤形成往往涉及许多基因的突发，需要十到数十年的时间。“二次打击学说”。

原癌基因：原癌基因（oncogene）是细胞内与细胞增殖相关的基因，是维持机体正常生命活动所必须的，在进化上高等保守。原癌基因具有正常生理功能，但功能异常时又具有潜在的致癌能力。其致癌能力与这类基因的异常激活有关。异常激活主要是点突发、启动子插入、甲基化程度降低等。

抑癌基因（抗癌基因）：抑癌基因是一类存在于正常细胞中、与原癌基因共同调控细胞生长和分化的基因。迄今已发现的抑癌基因有p53基因、 Rb基因等。恶性肿瘤的发生归根到底是因为原癌基因的激活和抑癌基因的功能丧失，往往涉及多个基因的改变。原癌基因表达或抑癌基因失活，都会导致癌细胞出现。

肿瘤形成的外因：人类肿瘤约80％是由于与外界致癌物质接触而引起的，根据致癌物的性质可将其分为化学、生物和物理致癌物三大类。根据它们在致癌过程中的作用，可分为启动剂、促进剂、完全致癌物。

启动剂：启动剂是指某些化学、物理或生物因子，它们可以直接改发细胞遗传物质DNA的成分或结构，一般一次接触即可完成，其作用似无明确的阈剂量，启动剂引起的细胞改变一般是不可逆的。

促癌剂：促进剂本身不能诱发肿瘤，只有在启动剂作用后再以促进剂反复作用，方可促使肿瘤发生。例如用启动剂“二甲基苯并蒽”涂抹动物皮肤并不致癌，但是几周后再涂抹巴豆油，则引起皮肤癌，巴豆油中的有效成分是佛波醇酯，能模仿二酰基甘油（DAG）信号，激活蛋白激酶C。促癌物的种类很多，如某些激素、药物等。

完全致癌物：有些致癌物的作用很强，兼具启动呾促进作用，单独作用即可致癌。称为完全致癌物。如多环芳香烃、芳香胺、亚硝胺、致癌病毒等。1.化学致癌物：亚硝胺类、多环芳香烃类、芳香胺类、芥子气、氨基偶氮类、碱基类似物；2.生物性致癌因素：人乳头瘤状病毒（HPV）与宫颈癌、乙型肝炎病毒与肝癌、EB病毒与鼻咽癌；3.物理因素：电离辐射、放射线、紫外线。