细胞分裂和分化

一、细胞分裂和细胞周期

1、为什么会有细胞分裂？

随着细胞生长，细胞体积增大，而细胞表面积和体积之比(表面积/体积)却在变小。

活细胞不断进行新陈代谢，细胞表面担负着输入养分，排出废物的重任。

表面积/体积

比值的下降，意味着代谢速率的受限和下降。所以，细胞分裂是细胞生长过程中保持足够表面积，维持一定的生长速率的重要措施。

随着体积增大,表面积/体积比值下降下图半径增大4倍体积增大64倍表面积增大16倍表面积/体积从3/1下降到0.7/1表面积/体积比值老鼠>大象返回老鼠重25克,大象重4吨表面积/体积老鼠是大象的24倍所以,老鼠的代谢速率大于大象2、

原核生物的细胞分裂

原核生物以细菌为例，细胞分裂比较简单。

细胞生长增大到一定程度，DNA复制，形成两个DNA分子，分别移到拉长了的细胞两端，中间形成新的细胞间隔，进而形成细胞壁，成为两个细胞。这个过程称为二分分裂。细菌细胞分裂返回3、

真核细胞的有丝分裂大多数真核生物是多细胞生物。体细胞的分裂称为有丝分裂；生殖细胞形成过程中，则有与之不同的减数分裂。持续分裂的细胞，细胞从前一次分裂开始到后一次分裂开始，这段时间称为一个:细胞周期。

（1）细胞分裂周期细胞周期返回

通常,细胞周期可以区分为四个阶段：

M期——分裂期，在这个阶段

可以在显微镜下看到

细胞分裂过程。

G1期——酶及各种细胞器

S期——DNA合成期

G2期——微管蛋白及与细胞分裂有关的物质

G1期，S期和G2期又总称为:

分裂间期。（2）有丝分裂过程

前期

染色质浓缩，折叠，包装，形成光镜下可见的染色体。每条染色体含两条姊妹染色单体。

中期核膜消失，染色体排列在赤道板上。返回分裂间期有丝分裂前期中期

后期

姐妹染色单体分开，被分别

拉向细胞两侧

末期重新形成核膜，染色体消失

细胞质分裂

胞质形成间隔，最终

分开为两个细胞

返回中期后期末期细胞质分裂有丝分裂

现在集中看一下在M期发生的有丝分裂过程：

前期:染色质浓缩，折叠，包装，形成光镜下可见的染色体，每条染色体含两条染色单体。

中期:核膜消失，染色体排列在赤道板上。

后期:姐妹染色单体分开，被分别拉向细胞两侧。

末期:重新形成核膜，染色体消失。

细胞质分裂:胞质形成间隔，最终分开为两个细胞。幻灯片47返回有丝分裂从增殖的角度，细胞分为三种状态：周期细胞：细胞周期中运转的细胞，如分生组织细胞;

G0期细胞：暂时脱离细胞周期的细胞，适当刺激即可重新进入细胞周期，进行增殖;终端分化细胞：不可逆的脱离细胞周期的细胞，已丧失分化能力，保持生理机能。

植物细胞胞质分裂

通常在核分裂后期的终了和末期过程中，可见到胞质分裂。细胞质分裂是在两个子核之间形成新壁，将一个母细胞分成两个子细胞。在连续纺锤丝中间加一些短的纺锤丝形成成膜体高尔基、内质网小泡放糖到赤道板形成细胞板（细胞板形成处，成膜体消失）与母细胞壁连接形成胞间层、初生壁两个子细胞成膜体(phragmoplast)（3）染色质和染色体处于分裂间期的细胞，细胞核内的DNA分子，在一些蛋白质的帮助下，有一定程度的盘绕，形成核小体。多个核小体串在一起形成染色质。所以，染色质是在细胞分裂间期遗传物质存在的形式。核小体和染色质返回

核小体直径10nm，光镜下看不到。当细胞进入M期时，染色质折叠包装，大约压缩8400倍，形成光镜下可以看到的染色体。染色体返回

应记住，在染色体出现时，细胞已经过S期完成DNA复制，已由原来的每个DNA分子复制出两个DNA分子。所以，每条染色体由两条姐妹染色单体组成。

通常把体细胞称为双倍体细胞，体细胞的遗传物质的总含量为2n。在细胞分裂中，在光镜下可以看到染色体时，已经过DNA复制，这时遗传物质的总量已经是4n了。细胞分裂完成时，出现的两个子细胞又都回复为2n。

不同物种的细胞，染色体数目不同。所以，染色体数目也是不同物种细胞的特征。因为，对大多数物种来说，体细胞是2n的，所以染色体数目通常为偶数。物种染色体数目物种染色体数目

人46豌豆14

小鼠40玉米

20

爪蟾36小麦

42

果蝇8酵母32

4、

真核细胞的减数分裂

（1）减数分裂发生在产生生殖细胞的过程中。生殖细胞包括卵细胞和精子细胞。它们的遗传物质总量仅为体细胞的一半，称为n细胞。

由2n的体细胞产生n的生殖细胞，需要经过减数分裂。返回减数分裂

（2）、减数分裂后，细胞中染色体数目减少一半。

减数分裂可以分为两个阶段：

第一次减数分裂：DNA复制一次，

细胞分裂一次。第二次减数分裂：DNA不复制,细胞再分裂一次。结果，子细胞染色体数目减半，遗传物质总量由2n变为n。

总之，减数分裂就是DNA复制一次，细胞连续分裂两次，结果由一个2n细胞分出4个n细胞。（3）、减数分裂丰富基因组合

减数分裂的特点:

一是子细胞染色体数减半;

二是子细胞基因组合大为丰富。

基因组合的丰富由两个原因造成。

首先，体细胞的染色体实际上是由两套同源染色体组成。人的细胞有4６条染色体，实际上可以看作2２对同源染色体加上两条性染色体。返回人的体细胞染色体

在减数分裂的第一次分裂时，每对同源染色体分别分配至两个子细胞。于是父源的同源染色体和母源的同源染色体以不同组合，分配到两个子细胞中去。这样，产生不同染色体组合的配子种型大增。

其次，在第一次减数分裂中，还发生同源染色体配对，配对后还发生同源染色体之间的染色体交叉和基因重组。这使基因组合状况更为复杂化。同源染色体配对和染色体交叉,造成基因重组下图返回染色体交叉的电镜图

所以，经由减数分裂产生的生殖细胞，其基因组合表现极大的丰富和多样化。结果是,有性生殖的后代具有更丰富的基因组合，具有更强的适应性和进化潜能。一、MPF的发现及其作用1970sRao和Johnson发现与M期细胞(Hela)融合的间期细胞染色体发生凝缩，称为早熟凝集染色体(prematurelycondensedchromosome，PCC)。G1期PCC为单线状，因DNA未复制。S期PCC为粉末状，因DNA由多个部位开始复制。G2期PCC为双线染色体，说明DNA复制已完成。甚至不同类的M期细胞也可诱导PCC产生，说明M期细胞具有促进间期细胞进行分裂的因子，即成熟促进因子(maturationpromotingfactor，MPF)。细胞周期的调控

人们猜测，在M期的细胞中存在着某种物质，它能够促进染色体的凝聚和细胞的分裂。后来，人们在不同类型的M期细胞中分别提取出了能够促进细胞分裂的的因子，统称为成熟促进因子(maturationpromotingfactor，MPF)。

MPF是一种使多种底物蛋白磷酸化的蛋白激酶MPF的生化成分：含有两个亚单位MPF

=Cdc2+cyclin（催化亚单位+调节亚单位）Cdc2：CDC基因编码的依赖于cyclin的蛋白激酶(cyclin-dependentkinase，CDK)，cyclin：细胞周期蛋白细胞周期蛋白cyclin特点：在细胞周期中呈周期性变化。含有一段约100个氨基酸的保守序列，称为周期蛋白框（cyclinbox），介导周期蛋白与CDK结合。作用：激活CDK，引导CDK作用于不同底物。已知30余种，在脊椎动物中为A1-2、B1-3、C、D1-3、E1-2、F、G、H等。分为4类：G1型、G1/S型、S型、M型。不同类型的CDK/cyclin复合体*包括D1-3，各亚型cyclinD在不同细胞中的表达量不同，但具有相同的功效。

◆活化随Cyclin浓度变化而变化

激酶与磷酸酶的调节

活化的MPF可使更多的MPF活化◆功能：启动细胞从G2期进入M期的相关事件周期蛋白P85图5.8aCDK1的调节与活化;CAK=CDK1-ActivitingKinase细胞周期运转调控制一）G2/M期转化与CDK1激酶的关键性调控作用二）M期周期蛋白与分裂中期向分裂后期转化三）G1/S期转化与G1期周期蛋白依赖性CDK激酶CDK激酶对cellcycle起核心性的调控作用，

不同的cyclin结合不同的CDK，构成不同的CDK激酶

不同的CDK激酶在cellcycle不同时期表现出活性，对细胞周期进行不同的调节。G1期，在生长因子的刺激下，cyclinD表达，并与CDK4、CDK6结合，使下游的蛋白质如Rb磷酸化，Rb释放出转录因子E2F，促进许多基因的转录，如编码cyclinE、A和CDK1的基因。1、G1期时MFP的激活2、在G1-S期

cyclinE与CDK2结合，促进细胞通过G1/S限制点而进入S期。向细胞内注射CyclinE的抗体能使细胞停滞于G1期，说明细胞进入S期需要CyclinE的参与。同样将CyclinA的抗体注射到细胞内，发现能抑制细胞的DNA合成，推测CyclinA是DNA复制所必需的3、在G2-M期

cyclinA、cyclinB与CDK1结合，CDK1使底物蛋白磷酸化、如将组蛋白H1磷酸化导致染色体凝缩，核纤层蛋白磷酸化使核膜解体等下游细胞周期事件。cellcycleregulation在中期当MPF活性达到最高时，通过一种未知的途径，激活后期蛋白复合体-APC，将遍在蛋白连接在cyclinB上，导致cyclinB被蛋白酶体（proteasome）降解，完成一个细胞周期分裂期周期蛋白N端有一段序列与其降解有关，称破坏框(destructionbox)。泛素由76个氨基酸组成，高度保守。共价结合泛素的蛋白质能被蛋白酶体识别和降解，这是细胞内短寿命蛋白和一些异常蛋白降解的普遍途径。26S蛋白酶体是一个大型的蛋白酶，可将泛素化的蛋白质分解成短肽。DestructionBoxinCyclinsAnaphasePromotingComplex(APC),调控纺锤体装配检验点·APC介导选择性降解的靶蛋白与Ubiquitin结合(通过泛素依赖性途径降解)·APC主要介导两类蛋白降解:AnaphaseInhibitors和MitoticCyclin.前者维持姐妹染色单体粘连,抑制后期启动；后者的降解意味着有丝分裂即将结束，即染色体开始去凝集，核膜重建。·Cdc20和Mad2蛋白位于动粒上，在染色体结合有丝分裂纺锤体前将不能从动粒上释放，由于Mad2与Cdc20结合而抑制APC的活性。所以只有所有染色体都与纺锤体结合后，APC才有活性，才启动细胞向后期转换。

M期CDK的激活起始于分裂期cyclin的积累。结合cyclinB的CDK1被Wee1将Thr14和Tyr15磷酸化而不具有活性，使CDK/cyclin不断积累。在M期，Wee1的活性下降，CDC25使CDK去磷酸化，去除了CDK活化的障碍。CDK的激活需要Thr161的磷酸化，它是在CDK激酶(CDKactivatingkinaseCAK)的作用下完成的。

M期CDK的激活CDKactivating

DNA的复制是由起始复制点（originsofreplication）开始的，起始复制点是一种自主复制序列，散布在染色体上。在整个细胞周期中，起始复制点上结合有复制起始点识别复合体（Originrecognitioncomplex,Orc），其作用就象一个停泊点，供其它调节因子停靠。Cdc6是其中的一个调节因子，在G1期CDC6含量瞬间提高，Cdc6结合在Orc上，在ATP供能下，促进6个亚单位构成的MCM复合体和其他一些蛋白结合到ORC上，形成前复制复合体（pre-replicativecomplex，pre-RC）DNA复制执照因子学说；MCM实际上就是DNA解旋酶。DNA复制的控制S-CDK触发pre-RC的启动，同时阻止了DNA再次进行复制，因为S-CDK将CDC6磷酸化，使其脱离ORC，磷酸化的CDC6随后被SCF参与的遍在蛋白化途径降解。从而保证了DNA的复制当且仅当一次。限制点在细胞周期中的作用细胞要分裂，必须正确复制DNA和达到一定的体积，在获得足够物质支持分裂以前，细胞不可能进行分裂。细胞周期的运行，是在一系列称为检验点（checkpoint）的严格检控下进行的，当DNA发生损伤，复制不完全或纺锤体形成不正常，周期将被阻断。细胞周期的限制点有四个：

G1/S检验点:在酵母中称start点，在哺乳动物中称R点(restrictionpoint)，控制细胞由静止状态的G1进入DNA合成期，相关的事件包括：DNA是否损伤？细胞外环境是否适宜？细胞体积是否足够大？S期检验点：DNA复制是否完成？G2/M检验点：是决定细胞一分为二的控制点，相关的事件包括：DNA是否损伤？细胞体积是否足够大？中-后期检验点（纺锤体组装检验点）：任何一个着丝点没有正确连接到纺锤体上，都会抑制APC的活性，引起细胞周期中断。四个检验点ATM（ataxiatelangiectasia-mutatedgene）最早发现于毛细血管扩张性共济失调症患者，人类中大约有1%的人是ATM缺失的杂合子，表现出对电离辐射敏感和易患癌症。ATM编码一个蛋白激酶，结合在损伤的DNA上，其信号通路有两条。①激活Chk1（checkpointkinase）,使CDC25的Ser216磷酸化失去活性，抑制M-CDK的活性，中断细胞周期。②激活Chk2，使P53被磷酸化而激活，然后P53作为转录因子，导致P21的表达，P21抑制G1-S期CDK的活性，中断细胞周期。癌基因和抑癌基因——主要的内在因素’外在因素：离子辐射、化学物质作用、病毒感染、温度变化、PH变化等其他内在和外在因素在细胞周期调控中的作用生长因子对细胞增殖的影响单细胞生物的增殖取决于营养，多细胞生物细胞的增殖与信号途径有关。生长因子：是与细胞增殖有关的信号物质，已知几十种，多数能促进细胞增殖，又称有丝分裂原（mitogen），如EGF、NGF。作用方式：旁分泌。信号通路：ras途径，cAMP途径、磷脂酰肌醇途径。如通过ras途径，激活MAPK，MAPK进入细胞核内，激活c-myc，myc作为转录因子促进cyclinD、SCF、E2F等G1-S有关的基因表达，细胞进入G1期。

二、细胞的分化、衰老与死亡

1、

细胞的分化

成年人全身细胞总数约1012个。

细胞种类有约200多种。这么多种类细胞均来自

一个受精卵细胞。

细胞分化的定义：发育过程中细胞后代在形态、结构和功能上发生差异的过程称为细胞分化。上皮细胞脂肪细胞平滑肌细胞心肌细胞下图返回神经元细胞正在受精的卵细胞返回

细胞分化不但发生在胚胎阶段和发育过程中，亦发生在成人阶段。如：人体血细胞的产生。

分化以后不同种类的细胞，

形态不同，

功能不同，

基因表达不同，

代谢活动也不同。红血球白血球血小板返回好多种血细胞都由生血干细胞分化而来。返回胰脏细胞眼晶体细胞（胚胎）神经细胞糖酵解酶基因晶体蛋白基因胰岛素基因血红蛋白基因不同种类细胞，形态、代谢和基因表达都不同

2、细胞的衰老

衰老是人们永恒的议题，至今仍是一个迷。

人体衰老时，身体各部分功能都发生衰老。返回早衰症是人体衰老中的一种病症一名男子从36岁到75岁味觉丧失64％肾小球减少44％肾小球过滤率减少31％脊神经元减少37％神经传导速度减慢10％脑供血量减少20％肺活量减少

44％返回

身体的衰老是以细胞衰老为基础的。实验证明，细胞有着明显的衰老过程。

体外培养成纤维细胞来自胎儿可传代50次（与供体年龄

来自成人可传代20次有关）来自小鼠可传代14－28次（与供体物种来自乌龟可传代90－125次特性有关）返回

亦有人强调，人体衰老时，并非全身细胞均衡衰老，而是部分细胞衰老，导致整体机能失调。激素系统和神经系统的衰老对全身的影响最大。

衰老的机理，尚不清楚，有各种学说。自由基假说是其中广为人们接受的一种假说。

生物氧化中产生自由基，自由基破坏生物大分子——蛋白质、核酸、脂类等。使得细胞结构破坏，基因突变，导致细胞衰老。

人体存在着清除自由基机制，这些淬灭自由基机制受遗传控制。H2OH•＋OH•返回带有不成对电子的基团称为自由基自由基的反应活泼性特别强遗传程序学说：基因对衰老出现的迟早、进程的快慢和寿命的长短均起着重要作用。神经、内分泌和免疫网架结构失调学说：年龄增大后功能下降，三者之间存在双向反馈调节。

3、

细胞凋亡

多细胞生物个体的一生中，不断发生构成身体的细胞的死亡。

有两种细胞死亡：

因环境因素突变或病原物入侵而死亡，称为病理死亡，或细胞坏死。

因个体正常生命活动