细胞损伤是什么?关于细胞损伤的详细介绍

创闻科学2020-11-16 15:28:52

细胞损伤是细胞因外部和内部环境变化而引起的各种应激变化。除此之外,这也可能是由于物理、化学、感染、生物、营养或免疫因素造成的。细胞损伤可以是可逆的,也可以是不可逆的。根据损伤的程度,细胞反应可能是适应性的,并且在可能的情况下,体内平衡得以恢复。 当损伤的严重程度超过细胞自身的修复能力时,细胞就会死亡。 细胞死亡与接触有害刺激的时间长短和所造成损害的严重程度有关, 细胞死亡可由坏死或凋亡引起。

原因

  • 热量或辐射等物理因素会通过融化或凝结细胞内容物来损坏细胞。
  • 营养供应受损,如氧或葡萄糖的缺乏、三磷酸腺苷(ATP)生产受损等,这些都可能会剥夺细胞生存所需的基本物质。

目标

作为细胞中损伤目标最显著的成分是脱氧核糖核酸(DNA)和细胞膜。

  • DNA损伤:在人类细胞中,正常的新陈代谢活动和环境因素(如紫外线和其他辐射)都会造成DNA损伤,每天每个细胞会造成多达一百万个单分子损伤。
  • 膜损伤:细胞膜的损伤扰乱了细胞电解质的状态,例如钙,当钙不断增加时,会诱导细胞凋亡。

损坏类型

一旦压力消除或者发生代偿性细胞变化,一些细胞损伤可以逆转。细胞功能可能完全恢复,但在某些情况下仍会有一定程度的损伤。

亚致命(可逆)

细胞肿胀

细胞缺氧可能导致细胞肿胀(或浑浊肿胀),损害钠钾隔膜泵;当原因消除时,它是可逆的。细胞肿胀是几乎所有形式的细胞损伤的第一个表现。当它影响一个器官中的许多细胞时,会导致器官苍白、膨压和重量增加。显微镜下,细胞质内可见小而清晰的液泡,这些代表了内质网扩张和收缩的部分。这种非致死性损伤模式有时被称为水肿改变或液泡变性。 水肿变性是一种严重的混浊肿胀。它发生在呕吐或腹泻引起的低钾血症中。

可逆损伤的细胞超微结构变化包括:

  • 起泡
  • 变钝
  • 微绒毛变形
  • 细胞间连接松动
  • 线粒体变化
  • 内质网扩张

脂肪改变

细胞受损,无法充分代谢脂肪。脂肪的小液泡积聚并分散在细胞质中。轻度脂肪变化可能对细胞功能没有影响;然而,更严重的脂肪变化会损害细胞功能。在肝脏中,由于脂肪变化导致的肝细胞增大可能会压迫邻近的胆管,导致胆汁淤积。根据脂质积聚的原因和严重程度,脂肪变化通常是可逆的。脂肪变化也称为脂肪变性、脂肪变态或脂肪性脂肪变性。

致命

坏死

坏死的特征是细胞质肿胀、质膜不可逆损伤和细胞器破裂导致细胞死亡。细胞坏死的阶段包括核固缩;染色体聚集和细胞核收缩,核碎裂;细胞核碎裂,染色质分裂成无结构的颗粒,核溶解; 细胞核的溶解。通过受损的质膜渗漏到细胞外空间的细胞溶质成分会引起炎症反应。

坏死有六种类型:

  • 凝固性坏死
  • 液化性坏死
  • 干酪样坏死
  • 脂肪性坏死
  • 纤维素样坏死
  • 坏疽性坏死

细胞凋亡

细胞凋亡是体内多余或潜在有害细胞的程序性细胞死亡。这是由一个称为半胱天冬酶的蛋白水解酶介导的能量依赖过程,它通过分裂细胞质和细胞核中的特定蛋白质来触发细胞死亡。 垂死的细胞收缩并凝结成凋亡体。细胞表面被改变,从而显示出导致巨噬细胞或邻近细胞快速吞噬的特性。 与坏死细胞死亡不同,邻近细胞不会因凋亡而受损,因为胞质产物在被吞噬前被细胞膜安全分离。 平均每个成年人每天有500亿到700亿细胞死于细胞凋亡。抑制细胞凋亡可导致多种癌症、自身免疫疾病、炎性疾病和病毒感染。过度活跃的细胞凋亡会导致神经退行性疾病、血液病和组织损伤。

修复

当细胞受损时,身体会试图修复或替换细胞以继续正常功能。如果一个细胞死亡,身体将移除它,用另一个功能性细胞替换它,或者用结缔组织填充间隙,为剩余的细胞提供结构支持。修复过程的原则是填补受损细胞造成的缺口,以恢复结构连续性。正常细胞试图再生受损细胞,但这并不总是发生。修复细胞的方法是无性繁殖。

再生

生物体薄壁细胞或功能细胞的再生。身体可以制造更多的细胞来替代受损的细胞,保持器官或组织完整和功能齐全。

更换

当一个细胞不能再生时,身体会用基质结缔组织代替它来维持组织/器官功能。基质细胞是支持任何器官实质细胞的细胞。成纤维细胞、免疫细胞、周细胞和炎症细胞是最常见的基质细胞类型。

细胞损伤的生化变化

三磷酸腺苷(ATP)耗竭是细胞损伤时常见的生物变化。尽管细胞损伤的刺激物也可以导致这种变化的发生。在细胞损伤过程中,细胞内三磷酸腺苷的减少会产生许多功能和形态学变化。这些影响包括:

  • 三磷酸腺苷依赖性泵的故障(Na+/K+泵和Ca2+泵),导致Na+和Ca2+的净流入进而引起渗透膨胀。
  • 三磷酸腺苷耗尽的细胞开始进行厌氧代谢,从糖原中获得能量,这被称为“糖原分解”。
  • 随之而来的细胞内酸碱度的降低会引起有害的酶促过程。
  • 核染色质早期聚集,即“核固缩”,最终导致细胞死亡。

DNA损伤和修复

DNA损伤

DNA损伤(或在某些病毒基因组中的核糖核酸(RNA)损伤)似乎是生命的一个基本问题。正如海恩斯(Haynes)所指出的那样, DNA的亚单位并不具备任何特殊的量子力学稳定性,因此DNA容易受到任何这种分子在温暖的水性介质中可能遭遇的所有“化学恐怖”的伤害。这些化学恐怖是DNA损伤,包括DNA碱基的各种类型的修饰、单链和双链断裂以及链间交联。DNA损伤不同于突变,尽管两者都是DNA中的错误。DNA损伤是异常的化学和结构改变,突变通常涉及正常的四个碱基的新排列。突变可以被复制,因此当DNA复制时可以遗传。相比之下,DNA损伤是结构的改变,本身无法复制。

几种不同的修复过程可以消除DNA损伤。然而,那些尚未修复的DNA损伤会产生有害的后果。DNA损伤可能会阻碍复制或基因转录。这些堵塞会导致细胞死亡。在多细胞生物中,对DNA损伤作出反应的细胞死亡可能是通过一个程序化的过程——凋亡——发生的。 或者,当DNA聚合酶复制含有受损位点的模板链时,它可能不准确地绕过损伤,并因此引入不正确的碱基导致突变。 实验上,在基因错配修复或同源重组修复(HRR)缺陷细胞中突变率显著增加。

在原核生物和真核生物中,DNA基因组容易受到细胞内环境中自然产生的反应性化学物质和外部来源的物质的攻击。原核生物和真核生物中DNA损伤的一个重要内部来源是活性氧,它是作为正常有氧代谢的副产物。对于真核生物来说,氧化反应是DNA损伤的主要来源。在人类中,每个细胞每天大约发生10000次氧化DNA损伤。 在代谢率高于人类的大鼠中,每个细胞每天大约发生10万次氧化DNA损伤。在需氧生长的细菌中,活性氧似乎是DNA损伤的主要来源,正如观察到的那样,89%自发产生的碱基替换突变是由活性氧诱导的单链损伤引起的,随后是经过这些损伤后容易出错的复制。 氧化DNA损伤通常只涉及任何受损部位的一条DNA链,但约1-2%的损伤涉及两条DNA链。 双链损伤包括双链断裂(DSBs)和链间交联。对人类来说,每代细胞中每个细胞内源性DNA 的DSBs的平均数量估计约为50个。 DSBs的这种形成水平在很大程度上可能反映了由活跃的新陈代谢产生的活性氧造成损害的自然水平。

DNA损伤的修复

修复不同类型的DNA损伤主要有五种途径。这五种途径分别是核苷酸切除修复、碱基切除修复、错配修复、非同源末端连接和同源重组修复(HRR)。 只有HRR能准确修复双链损伤,如DSBs。HRR途径要求第二条同源染色体可用于恢复第一条染色体由于双链损伤而丢失的信息。

DNA损伤似乎在哺乳动物衰老中起着关键作用,适当水平的DNA修复能延长寿命。 此外,增加的DNA损伤发生率或减少的DNA修复可导致癌症风险增加。 此外,HRR准确有效修复双链DNA损伤的能力可能在有性生殖的进化中发挥了关键作用。 在现存的真核生物中,减数分裂期间的HRR是维持生育力的有力保障。