Proces, w którym komórka może się zabić, nazywa się zaprogramowaną śmiercią komórki (PCD). Mechanizm ten ma kilka odmian i odgrywa ważną rolę w fizjologii różnych organizmów, zwłaszcza wielokomórkowych. Najczęstszą i dobrze zbadaną formą CHF jest apoptoza.
Co to jest apoptoza
Apoptoza to kontrolowany fizjologiczny proces samozniszczenia komórki, charakteryzujący się stopniowym niszczeniem i fragmentacją jej zawartości z wytworzeniem pęcherzyków błonowych (ciał apoptotycznych), które są następnie wchłaniane przez fagocyty. Ten mechanizm genetyczny jest aktywowany pod wpływem pewnych czynników wewnętrznych lub zewnętrznych.
W tym wariancie śmierci zawartość komórek nie wykracza poza błonę i nie powoduje stanu zapalnego. Rozregulowanie apoptozy prowadzi do poważnych patologii, takich jak niekontrolowany podział komórek lub degeneracja tkanek.
Apoptoza jest tylko jedną z kilku form programowanej śmierci komórki (PCD), więc błędem jest identyfikowanie tych koncepcji. Do sławnychrodzaje samozniszczenia komórek obejmują również katastrofę mitotyczną, autofagię i zaprogramowaną martwicę. Inne mechanizmy PCG nie zostały jeszcze zbadane.
Przyczyny apoptozy komórek
Przyczyną uruchomienia mechanizmu programowanej śmierci komórki mogą być zarówno naturalne procesy fizjologiczne, jak i zmiany patologiczne wywołane defektami wewnętrznymi lub narażeniem na niekorzystne czynniki zewnętrzne.
Normalnie apoptoza równoważy proces podziału komórek, regulując ich liczbę i promując odnowę tkanek. W tym przypadku przyczyną HGC są pewne sygnały, które są częścią systemu kontroli homeostazy. Za pomocą apoptozy zniszczone są jednorazowe komórki lub komórki, które spełniły swoją funkcję. W ten sposób zwiększona zawartość leukocytów, neutrofili i innych elementów odporności komórkowej po zakończeniu walki z infekcją jest eliminowana właśnie dzięki apoptozie.
Zaprogramowana śmierć jest częścią fizjologicznego cyklu układu rozrodczego. Apoptoza bierze udział w procesie oogenezy, a także przyczynia się do śmierci komórki jajowej w przypadku braku zapłodnienia.
Klasycznym przykładem zaangażowania apoptozy komórek w cykl życiowy systemów wegetatywnych jest jesienne opadanie liści. Sam termin pochodzi od greckiego słowa apoptoza, które dosłownie tłumaczy się jako „upadek”.
Apoptoza odgrywa ważną rolę w embriogenezie i ontogenezie, kiedy dochodzi do zmian w tkankach organizmu i zaniku niektórych narządów. Przykładem może być zanik błon między palcami kończyn niektórych ssaków czy śmierć ogona podczas metamorfozy.żaby.
Apoptoza może być wywołana przez nagromadzenie wadliwych zmian w komórce wynikających z mutacji, starzenia się lub błędów mitotycznych. Przyczyną uruchomienia CHC może być niesprzyjające środowisko (brak składników odżywczych, niedobór tlenu) oraz patologiczne wpływy zewnętrzne, w których pośredniczą wirusy, bakterie, toksyny itp. Co więcej, jeśli działanie niszczące jest zbyt intensywne, komórka nie mieć czas na przeprowadzenie mechanizmu apoptozy i w wyniku tego umiera. Rozwój procesu patologicznego - martwicy.
Zmiany morfologiczne i strukturalno-biochemiczne w komórce podczas apoptozy
Proces apoptozy charakteryzuje się pewnym zestawem zmian morfologicznych, które można zaobserwować pod mikroskopem w preparacie tkankowym in vitro.
Główne cechy charakterystyczne apoptozy komórek to:
- odbudowa cytoszkieletu;
- zamknij zawartość komórki;
- kondensacja chromatyny;
- fragmentacja rdzenia;
- redukcja objętości komórek;
- marszczenie się konturu membrany;
- tworzenie się pęcherzyków na powierzchni komórki,
- zniszczenie organelli.
U zwierząt procesy te prowadzą do powstania apoptocytów, które mogą zostać pochłonięte zarówno przez makrofagi, jak i sąsiednie komórki tkanki. U roślin nie dochodzi do tworzenia ciał apoptotycznych, a po degradacji protoplastu szkielet pozostaje wściana komórkowa.
Oprócz zmian morfologicznych, apoptozie towarzyszy szereg przegrupowań na poziomie molekularnym. Następuje wzrost aktywności lipazy i nukleazy, co pociąga za sobą fragmentację chromatyny i wielu białek. Zawartość cAMP gwałtownie wzrasta, zmienia się struktura błony komórkowej. W komórkach roślinnych obserwuje się powstawanie olbrzymich wakuoli.
Czym różni się apoptoza od martwicy
Główna różnica między apoptozą a martwicą leży w przyczynie degradacji komórek. W pierwszym przypadku źródłem zniszczenia są molekularne narzędzia samej komórki, które działają pod ścisłą kontrolą i wymagają wydatkowania energii ATP. W przypadku martwicy następuje bierne ustanie życia z powodu zewnętrznych szkodliwych skutków.
Apoptoza to naturalny proces fizjologiczny zaprojektowany w taki sposób, aby nie uszkadzać otaczających komórek. Martwica to niekontrolowane patologiczne zjawisko, które pojawia się w wyniku urazów krytycznych. Dlatego nie dziwi fakt, że mechanizm, morfologia i konsekwencje apoptozy i martwicy są pod wieloma względami przeciwne. Jednak są też podobieństwa.
| Charakterystyka procesu | Apoptoza | Nekroza |
| objętość komórki | zmniejsza się | rosnące |
| integralność membrany | utrzymywane | naruszone |
| proces zapalny | brakuje | rozwija się |
| energia ATP | wydawanie | nieużywane |
| fragmentacja chromatyny | dostępne | obecny |
| gwałtowny spadek stężenia ATP | jest | jest |
| wynik procesu | fagocytoza | uwolnienie zawartości do przestrzeni międzykomórkowej |
W przypadku uszkodzenia komórki uruchamiają mechanizm zaprogramowanej śmierci, m.in. w celu zapobieżenia rozwojowi martwicy. Jednak ostatnie badania wykazały, że istnieje inna niepatologiczna forma martwicy, określana również jako PCD.
Biologiczne znaczenie apoptozy
Pomimo tego, że apoptoza prowadzi do śmierci komórki, jej rola w utrzymaniu prawidłowego funkcjonowania całego organizmu jest bardzo duża. Ze względu na mechanizm PCG realizowane są następujące funkcje fizjologiczne:
- utrzymywanie równowagi między proliferacją komórek a śmiercią;
- aktualizacja tkanek i narządów;
- eliminacja wadliwych i „starych” komórek;
- ochrona przed rozwojem patogennej martwicy;
- zmiana tkanek i narządów podczas embriogenezy i ontogenezy;
- usuwanie niepotrzebnych elementów, które spełniły swoją funkcję;
- eliminacja komórek, które są niepożądane lub niebezpieczne dla organizmu (mutant, guz, zakażone wirusem);
- zapobieganie infekcji.
Zatem apoptoza jest jednym ze sposobów na utrzymanie homeostazy komórkowo-tkankowej.
W roślinachapoptoza jest często wyzwalana w celu zablokowania rozprzestrzeniania się infekujących tkanki pasożytniczych agrobakterii.
Etapy śmierci komórki
To, co dzieje się z komórką podczas apoptozy, jest wynikiem złożonego łańcucha interakcji molekularnych między różnymi enzymami. Reakcje przebiegają kaskadowo, gdy niektóre białka aktywują inne, przyczyniając się do stopniowego rozwoju scenariusza śmierci. Proces ten można podzielić na kilka etapów:
- Indukcja.
- Aktywacja białek proapoptotycznych.
- Aktywacja kaspazy.
- Zniszczenie i przebudowa organelli komórkowych.
- Tworzenie apoptocytów.
- Przygotowanie fragmentów komórek do fagocytozy.
Synteza wszystkich składników niezbędnych do uruchomienia, wdrożenia i kontrolowania każdego etapu jest genetycznie uwarunkowana, dlatego apoptoza nazywana jest zaprogramowaną śmiercią komórki. Aktywacja tego procesu jest pod ścisłą kontrolą systemów regulacyjnych, w tym różnych inhibitorów CHG.
Molekularne mechanizmy apoptozy komórek
Rozwój apoptozy jest determinowany przez połączone działanie dwóch systemów molekularnych: indukcji i efektora. Pierwszy blok odpowiada za kontrolowany start ZGK. Zawiera tzw. receptory śmierci, proteazy Cys-Asp (kaspazy), szereg składników mitochondrialnych oraz białka proapoptotyczne. Wszystkie elementy fazy indukcji można podzielić na wyzwalacze (uczestniczą w indukcji) i modulatory, które zapewniają transdukcję sygnału śmierci.
System efektorowy składa się z narzędzi molekularnych, które zapewniają degradację i restrukturyzację składników komórkowych. Przejście między pierwszą a drugą fazą następuje na etapie proteolitycznej kaskady kaspazy. To ze względu na składniki bloku efektorowego śmierć komórki następuje podczas apoptozy.
Czynniki apoptozy
Strukturalno-morfologiczne i biochemiczne zmiany podczas apoptozy są przeprowadzane przez pewien zestaw wyspecjalizowanych narzędzi komórkowych, wśród których najważniejsze są kaspazy, nukleazy i modyfikatory błon.
Kaspazy to grupa enzymów, które przecinają wiązania peptydowe w resztach asparaginy, dzieląc białka na duże peptydy. Przed wystąpieniem apoptozy są one obecne w komórce w stanie nieaktywnym z powodu inhibitorów. Głównymi celami kaspaz są białka jądrowe.
Nukleazy są odpowiedzialne za cięcie cząsteczek DNA. Szczególnie ważna w rozwoju apoptozy jest aktywna endonukleaza CAD, która rozbija regiony chromatyny w regionach sekwencji łącznikowych. W rezultacie powstają fragmenty o długości 120-180 par nukleotydów. Złożone działanie proteolitycznych kaspaz i nukleaz prowadzi do deformacji i fragmentacji jądra.
Modyfikatory błon komórkowych – przełamują asymetrię warstwy bilipidowej, zmieniając ją w cel dla komórek fagocytarnych.
Kluczową rolę w rozwoju apoptozy odgrywają kaspazy, które stopniowo aktywują wszystkie kolejne mechanizmy degradacji i przegrupowania morfologicznego.
Rola kaspazy w telefonii komórkowejśmierć
Rodzina kaspaz obejmuje 14 białek. Niektóre z nich nie biorą udziału w apoptozie, natomiast pozostałe dzieli się na 2 grupy: inicjacyjne (2, 8, 9, 10, 12) i efektorowe (3, 6 i 7), które inaczej nazywane są kaspazami drugiego rzędu. Wszystkie te białka są syntetyzowane jako prekursory – prokaspazy, aktywowane przez rozszczepienie proteolityczne, którego istotą jest oderwanie domeny N-końcowej i podział pozostałej cząsteczki na dwie części, które następnie łączą się w dimery i tetramery.
Kaspazy inicjujące są wymagane do aktywacji grupy efektorowej, która wykazuje aktywność proteolityczną przeciwko różnym istotnym białkom komórkowym. Podłoża kaspazy drugiego poziomu obejmują:
- Enzymy naprawcze DNA;
- inhibitor białka p-53;
- poli-(ADP-ryboza)-polimeraza;
- inhibitor DNazy DFF (zniszczenie tego białka prowadzi do aktywacji endonukleazy CAD), itp.
Całkowita liczba celów dla kaspaz efektorowych wynosi ponad 60 białek.
Zahamowanie apoptozy komórek jest nadal możliwe na etapie aktywacji prokaspaz inicjatora. Po aktywacji kaspaz efektorowych proces staje się nieodwracalny.
Ścieżki aktywacji apoptozy
Przekazywanie sygnału rozpoczynającego apoptozę komórki może odbywać się na dwa sposoby: receptorowy (lub zewnętrzny) i mitochondrialny. W pierwszym przypadku proces ten jest aktywowany przez specyficzne receptory śmierci odbierające sygnały zewnętrzne, którymi są białka z rodziny TNF (czynnik martwicy guza) lub ligandy Fas znajdujące się na powierzchniT-zabójcy.
Receptor zawiera 2 domeny funkcjonalne: transbłonową (przeznaczoną do wiązania się z ligandem) i „domenę śmierci” zorientowaną wewnątrz komórki, która indukuje apoptozę. Mechanizm szlaku receptorowego opiera się na tworzeniu kompleksu DISC, który aktywuje kaspazy inicjatora 8 lub 10.
Montaż rozpoczyna się od interakcji domeny śmierci z wewnątrzkomórkowymi białkami adaptorowymi, które z kolei wiążą prokaspazy inicjacyjne. W ramach kompleksu te ostatnie są przekształcane w funkcjonalnie aktywne kaspazy i wyzwalają dalszą kaskadę apoptotyczną.
Mechanizm szlaku wewnętrznego opiera się na aktywacji kaskady proteolitycznej przez specyficzne białka mitochondrialne, których uwalnianie jest kontrolowane przez sygnały wewnątrzkomórkowe. Uwalnianie składników organelli odbywa się poprzez tworzenie ogromnych porów.
Cytochrome c odgrywa szczególną rolę w premierze. W cytoplazmie ten składnik łańcucha elektrotransportu wiąże się z białkiem Apaf1 (czynnikiem aktywującym proteazę apoptozy), co prowadzi do aktywacji tego ostatniego. Apaf1 jest następnie wiązany przez prokaspazy inicjatora 9, które wywołują apoptozę w mechanizmie kaskadowym.
Kontrolę szlaku wewnętrznego przeprowadza specjalna grupa białek z rodziny Bcl12, które regulują uwalnianie składników międzybłonowych mitochondriów do cytoplazmy. Rodzina zawiera zarówno białka proapoptotyczne, jak i antyapoptotyczne, których równowaga określa, czy proces zostanie uruchomiony.
Jeden z potężnych czynników, które wywołują apoptozę przez mechanizm mitochondrialny, są reaktywneformy tlenu. Innym ważnym induktorem jest białko p53, które aktywuje szlak mitochondrialny w przypadku uszkodzenia DNA.
Czasami początek apoptozy komórek łączy jednocześnie dwa sposoby: zarówno zewnętrzny, jak i wewnętrzny. Ten ostatni zwykle służy do zwiększenia aktywacji receptora.
