Apoptoza i jej znaczenie biologiczne. Proces apoptozy można podzielić na trzy fazy: sygnalizację, efektor i degradację. Zależny od receptora szlak sygnałowy

13195 0

Apoptoza(z greckiego apoptoza- odcięcie) to nazwa nadana zjawisku programowanej śmierci komórki, któremu towarzyszy zespół charakterystycznych znaków cytologicznych (markerów apoptozy) i procesów molekularnych. Termin ten został wprowadzony przez A. Kerra i in. (Kerretal, 1972). Podstawowa różnica apoptoza od martwica polega na tym, że tej pierwszej towarzyszy charakterystyczna kaskada reakcji w procesie eliminacji komórek, a martwica jest wynikiem zdarzenia nieplanowanego i zachodzi samoistnie (Harmonetal., 1998) (ryc. 1).

Ryż. 1. Schemat zmian ultrastrukturalnych w komórkach podczas apoptozy i martwicy zaproponowany przez Laboratorium Mikroskopii Specjalnej Donieckiego Państwowego Uniwersytetu Medycznego

Charakterystyczna kaskada procesów zachodzących podczas apoptozy obejmuje: (a) kondensację chromatyny, (b) zniszczenie jądra, (c) obrzęk błony komórkowej, (d) fragmentację komórek z utworzeniem odrębnych ciał apoptotycznych (ApB). Apoptoza może być spowodowana zarówno wpływami zewnętrznymi (na przykład truciznami), jak i sygnałami wewnątrzkomórkowymi, w tym aktywacją „genów śmierci”. W tym przypadku mechanizmy apoptozy można nie tylko zaprogramować, ale także spontanicznie (Filchenkov i Stoika, 1999).

Apoptoza w ewolucji pojawiła się najwyraźniej wraz z pojawieniem się eukariotycznych organizmów wielokomórkowych, które regulowały liczbę komórek i ustalały pewne relacje między komórkami w organizmie. Komórki oddziałują na siebie na różnych etapach cyklu życiowego, takich jak podział, wzrost, różnicowanie i śmierć. Badanie molekularnych mechanizmów śmierci (zaprogramowanej?) komórki stało się ostatnie lata jeden z najtrudniejszych i aktualne problemy biologia.

Problematyka apoptozy cieszy się obecnie coraz większym zainteresowaniem specjalistów z różnych dyscyplin naukowych. Aktywacja apoptozy wyjaśnia przebieg AIDS, chorób narządu ruchu, układ nerwowy, choroby Wilsona, Parkinsona, Alzheimera i Hutchinsona ( progerii, przedwczesne starzenie się). Prawdopodobnie w wyniku mechanizmu apoptozy komórki umierają podczas niedokrwienia i udaru mózgu, a także podczas anemii (Belushkina, Beletsky, 2004).

W zdrowym organizmie komórki są zwykle usuwane poprzez apoptozę w różnych procesach. Na przykład podczas wzrostu i rozwoju organizmu. W trakcie rozwoju ośrodkowego układu nerwowego powstaje więcej neuronów niż jest to konieczne, a nadmiarowe są usuwane. Apoptoza jest również konieczna do realizacji odpowiedzi immunologicznej. Jednym z mechanizmów obronnych jest znaczny wzrost liczby limfocytów, które w przypadku inwazji obcych mikroorganizmów wytwarzają przeciwciała. Kiedy te mikroorganizmy zostaną zniszczone, większość specyficznych komórek tkanki łącznej ulega zniszczeniu; zatem mechanizm usuwania zbędnych komórek jest niezbędny do przeżycia organizmu.

Mechanizm ten działa również podczas atrofii komórek pod wpływem cytokiny(czynnik martwicy nowotworu), w przypadku chorób wirusowych (na przykład zespół nabytego niedoboru odporności - AIDS), w przypadku chorób neurogeneracyjnych. Brak apoptozy prowadzi do rak i inne nowotwory; jego nadmiar prowadzi do utraty komórek. W młodym wieku apoptoza jest korzystna, później bierze udział w procesie starzenia.

Zidentyfikowano pewne oznaki apoptozy, które odróżniają ją od martwicy:

• fosfatydyloseryna przesuwa się z wewnętrznej warstwy błony cytoplazmatycznej na zewnętrzną;
• cytochrom c z przestrzeni międzybłonowej mitochondriów wchodzi do cytoplazmy; są aktywowane proteinazy cysteinowe (kaspazy);
• wzrasta edukacja reaktywne formy tlenu(AFK); błona cytoplazmatyczna zmarszczki i objętość komórki maleje;
• wątki DNA jądrowy w obszarach międzynukleosomalnych pękają, chromatyna skrapla się wzdłuż obwodu rdzenia, który następnie rozpada się na części;
• komórki fragmentują się pęcherzyki z zawartością wewnątrzkomórkową ( ciała apoptotyczne). W przeciwieństwie do martwicy, w przypadku apoptozy integralność błony cytoplazmatycznej zostaje zachowana aż do późnych stadiów procesu, pomimo skurczu.

Zidentyfikowano niektóre procesy molekularne obserwowane podczas apoptozy:

1) działanie Ok 2 + i Zn 2 + (główne nieorganiczny posłaniec I hormon), mające wzajemnie antagonistyczny charakter,

2) zmiany w białkach błonowych komórek apoptotycznych,

3) aktywacja różnych szlaków przekazywania sygnału apoptozy.

Podczas apoptozy zmieniają się błony, w szczególności tracą glikoproteiny i glikolipidy kwas sialowy, a ilość receptora na powierzchni komórki wzrasta witronektyna oraz, jak stwierdzono powyżej, fosfatydyloseryna— czynniki przyciągające makrofagi.

Podczas apoptozy aktywowane są różne izoformy fosfolipazy s, wówczas tworzą się wtórni posłańcy diacyloglicerol(DAG) i 1,4,5-trifosforan inozytolu(IP3). DAG aktywuje rodzinę kinaz serynowych i treoninowych (kinaza białkowa c), a IP3 stymuluje uwalnianie Ok 2 + z magazynów wewnątrzkomórkowych do cytozolu. Może również indukować apoptozę kinazy tyrozynowe i niektóre toksyny które zakłócają homeostazę Ok.

Zaproponowano hipotezę o istnieniu programu genetycznego samozniszczenia odpowiednio mitochondriów, komórek, narządów, organizmów - mitoptoza, apoptoza, organoptoza, fenoptoza. Program ten nazywa się „samurajskim prawem biologii” (V.P. Skulachev, 1996). Podczas apoptozy w komórce powstaje specyficzne „białko samobójcze”. str. 53, co przyczynia się do realizacji tego programu. Aktywacja tego białka przez niektóre interferony daje efekt leczniczy rak. Obecnie bardzo aktywnie bada się problem apoptozy, gdyż wiąże się on z rozwiązaniem problemu starzenia się. Gdyby można było regulować apoptozę, można by spowolnić starzenie się człowieka.

Opierając się na hipotezie, że uruchomienie programu samozniszczenia rozpoczyna się w wyniku zmniejszenia aktywności układu antyoksydacyjnego (AO S) w mitochondriach i nagromadzenia w nich reaktywnych form tlenu (ROS), sposobem walki zjawisko to zaproponowano poprzez wprowadzenie do organelli komórkowych substancji o właściwościach przeciwutleniających.

Jednak działanie znanych naturalnych przeciwutleniaczy, w szczególności witamin C i E, nie przyniosło sukcesu. W związku z tym zsyntetyzowano substancje o właściwościach AOS. Po licznych testach okazało się, że optymalne do tego celu są kationy fenylofosfoniowe(FFK). Z nich zsyntetyzowano substancję zwaną „jonem Skulacheva” (SkQ). To złożony związek kation tetrafenylofosfoniowy, gdzie znajduje się jon kompleksujący P(III)(ryc. 2). Struktura ta ma zdelokalizowany ładunek dodatni.

Ryż. 2. Jon Skulacheva to trifenylofosfina związana dekanem z plastochinonem.

Można zauważyć, że SkQ jest alkilowany dekanem C 10 H 22 powstawanie spolaryzowanej cząsteczki z dodatnio naładowaną głową jonową i lipofilowym ogonem. Kompleks ten z łatwością przenika do komórki przez ujemnie naładowaną błonę komórkową do cytoplazmy i przez jeszcze bardziej ujemnie naładowaną błonę mitochondrialną do matrix organelli i tam gromadzi się, prawdopodobnie w wyniku prostego wzajemnego przyciągania przeciwnych ładunków, zgodnie z prawami fizyki. Plastochinon, zdaniem autorów, zwiększa aktywność przeciwutleniającą jonu.

Punktowa ekspozycja, nawet w nanostężeniach, pozwala temu kompleksowi pozostać w mitochondriach przez długi czas (do 4 dni). Enzymy znajdujące się w retikulum endoplazmatycznym (ER) nie mogą zniszczyć tego kompleksu wewnątrz mitochondriów, gdyż nie są w stanie pokonać bariery błonowej.

Skulachev uważa, że ​​właściwości przeciwutleniające jonu SkQ umożliwiają neutralizację wolnych rodników wewnątrz mitochondriów, a tym samym wywierają pozytywny efekt farmakologiczny poprzez aktywację AO C. Wyjaśnienie to nie uwzględnia jednak mocno ustalonego wpływu jonów metali na procesy zwłaszcza apoptozy, Ok 2 + i Zn 2 + , oraz prawa oddziaływań międzyelementowych, w szczególności ich antagonizm.

Z punktu widzenia związków bionieorganicznych mechanizm procesów apoptozy i wpływ na nie kationów fenylofosfoniowych jest bardziej złożony. Zgodnie z konsekwencja prawa substytucji, "bezpłatny" Ok wypiera jony metali przejściowych z kompleksów z białkami i nukleoproteinami, zaburzając ich funkcjonowanie i powodując polimikroelementoza. Nadmiar Ok 2 + wypiera Mg 2 +, inaktywując wszystkie procesy metaboliczne związane z ATP. Przejawia się to przede wszystkim spadkiem aktywności pompy sodowej, a co za tym idzie potencjału błonowego (Ψ) i zależnych od niego procesów neutralizacji wolnych rodników. Ze względu na wypieranie jonów metali kompleksujących z enzymów AOS ( Fe, Cu, Se, Zn) aktywność tych enzymów jest z definicji zmniejszona.

Ponieważ główne enzymy AOS (katalaza, peroksydaza, oksydaza cytochromowa, peroksydaza glutationowa) zawierają heminę z Fe, Si i selenoproteiny - Se I I, nadmiar Ok 2 + w cytoplazmie automatycznie prowadzi do gwałtownego spadku aktywności przeciwutleniającej bez udziału jakichkolwiek genów. Kiedy pokonujesz próg ułamkowy zaczyna się reakcja łańcuchowa, to znaczy, że w każdym atomie z niesparowanym elektronem pojawia się wolny rodnik. Rozpoczyna się łańcuch przemian istniejących już cząsteczek początkowych nasyconych wartościowością w produkty bardziej reaktywne. Co więcej, procesy apoptozy rozpoczynają się od zakłócenia aktywności błony komórkowej, prawdopodobnie w jakiś sposób związanej z syntezą kolagenu.

"Bezpłatny" Ok 2 + gra dalej początkowe etapy rozwój apoptozy odgrywa kluczową rolę, ponieważ tak jest inicjator reakcja łańcuchowa. Jego stężenie zawsze wzrasta podczas apoptozy w komórkach. "Bezpłatny" Ok cytotoksyczny, zaburza wiele procesów metabolicznych. W szczególności są one aktywowane endonukleaza, który rozcina DNA w wewnętrznych obszarach nukleosomów i tkanki transglutaminaza, kowalencyjnie łącząc białka z błoną za pomocą wiązań izopeptydowych. Oczywiste jest, że zakłóca to funkcjonowanie zarówno nukleoprotein, jak i błon.

Zn 2 + , zgodnie z prawo substytucji, będąc jonem metalu nieprzejściowego okresu 4, tworzącym kompleksy z bioligandami o najwyższej wartości K, jest w stanie zmniejszyć stężenie Ok w komórkach i w ten sposób opóźniają początek apoptozy. Dlatego jest uważany inhibitor ten proces, tłumiąc w szczególności aktywność endonukleazy i transglutaminazy. Spowolnienie procesu śmierci komórki po wejściu w apoptozę, odnotowane przez wszystkich badaczy apoptozy Zn 2 + tłumaczy się tym, że zawartość „bezpłatnych” Ok 2 + w cytoplazmie komórek maleje, a aktywność AOS wzrasta. Dlatego możemy założyć, że dowolny efekt zmniejszający „wolną” frakcję Ok 2 + w komórce i jej organellach, spowolni proces starzenia i będzie miał pozytywne działanie farmakologiczne w chorobach, którym towarzyszy akumulacja tej frakcji. Wśród tych chorób są choroby oczu, osteoporoza, progeria I Choroba Downa.

Mechanizm reakcja łańcuchowa, jak również jego cechy są dobrze znane z przykładu bomba atomowa. Charakterystyczna właściwość ta reakcja to ona wieloetapowy. Do najważniejszych etapów należy inicjacja łańcucha ( inicjacja), kontynuacja łańcucha ( generowanie nowych cząstek aktywnych= rodniki), zakończenie łańcucha („ śmierć» cząsteczki aktywne). Same łańcuchy mogą być nierozgałęziony, gdy na każdą zużytą cząstkę aktywną przypada jedna nowo utworzona, lub rozgałęziony, gdy na jedną zużytą cząstkę aktywną przypadają dwie lub więcej nowo powstałych.

Rozgałęzione reakcje łańcuchowe mogą zachodzić w stacjonarny tryb, gdy szybkość rozgałęziania jest mniejsza niż szybkość śmierci aktywnych cząstek, oraz w niestacjonarne, gdy śmierć następuje wolniej niż rozgałęzianie. W tym przypadku szybkość reakcji wzrasta wykładniczo i jest ograniczona jedynie zużyciem substancji wyjściowych. Co więcej, przejście od reżimu stacjonarnego do niestacjonarnego następuje gwałtownie przy bardzo małej zmianie stężenia jednej z substancji wyjściowych - obserwuje się „eksplozję” łańcucha.

Reakcje łańcuchowe charakteryzują się bardzo efektywną zmianą ich właściwości, a nawet kierunku, w obecności nieznacznych domieszek substancji zdolnych do usuwania cząstek aktywnych z układu, tj. inhibitory lub wręcz przeciwnie, ułatwiają ich powstawanie - inicjatorzy. Dzięki temu mechanizmowi rozwija się proces apoptozy, wieloetapowy i w pierwszych etapach bardzo powolny. Dlatego też, rozważając ten problem, należy opierać się na schematach ogólnych, a nie konkretnych, związanych z „genami śmierci” czy „walką” z wolnymi rodnikami. Z tego powodu przeciwutleniające witaminy E i C nie mają znaczącego wpływu na procesy apoptozy, ponieważ nie wpływają na przyczynę reakcji łańcuchowej, ale na jej skutek.

R(III) w SkQ, będąc czynnikiem kompleksującym, nie jest w stanie wielokrotnie zmieniać swojej wartościowości - co jest absolutnie niezbędne dla procesu przeniesienia elektronu zachodzącego w AOS. Jednocześnie wiadomo, że P(V), powstający w wyniku utleniania R(III), jest składnikiem kwasów tlenowych, w szczególności kwasu fosforowego, z którymi łatwo się wiąże Ok 2 +, tworząc trifosforan Ca 3 (P 3 O 10) 2. Pięciowartościowy anion fosforu w tym związku to środek maskujący, a powstała sól jest stabilna, co prowadzi do Ok 2 + z frakcji „wolnej”.

Z punktu widzenia substancji bionieorganicznych kationy fenylofosfoniowe, jeśli dostaną się do komórek i mitochondriów, służą jako skuteczne źródło aktywnego fosforu neutralizować nadmiar „wolnego” Ok 2 + . To znaczy, że lubią Zn 2 +, okazuje się inhibitor reakcja łańcuchowa apoptozy, ale o innym mechanizmie działania.

Opisany mechanizm apoptozy wyjaśnia w szczególności fakt wydłużania się życia łososia atlantyckiego w przypadku zakażenia jego skrzeli larwami małża perłowego Margarititera margarititera. Larwy te intensywnie absorbują „wolne” Ok 2 + zbudować swoją otoczkę, czyli w tym przypadku okazują się czynnikiem maskującym w rozpoczętej reakcji łańcuchowej polimikroelementozy, blokując tę ​​reakcję.

Albatros żyje około 50 lat i w ciągu jego życia nie pojawiają się żadne oznaki starzenia, w tym funkcji rozrodczych, po czym ptak niespodziewanie umiera w wyniku samoistnego „wybuchowego” przyspieszenia procesów apoptozy. Wyjaśnia to fakt, że wg zasada progu ułamkowego, w pewnym momencie rosnące stężenie „wolnego” Ca 2+ przekracza ten próg i rozpoczyna się niestacjonarny etap reakcji łańcuchowej, prowadzący do szybkiego zakończenia – śmierci organizmu.

Doświadczenia na zwierzętach (gryzonie laboratoryjne, króliki, psy, koty, konie) z dystrofią siatkówki i zaćmą, którym wkraplano do oczu 20 nM roztwór SkQ, wykazały, że po kilkutygodniowej terapii choroby oczu zostały wyleczone, a nawet niektóre Niewidome zwierzęta odzyskały wzrok. Istnieją pozytywne wstępne dane dotyczące stosowania SkQ w leczeniu 12 różnych chorób związanych ze starzeniem się, w szczególności: osteoporoza, zawały serca i choroby oczu - jaskra I zaćma. Proponowany mechanizm rozwoju apoptozy pokazano na ryc. 3.

Ryż. 3. Proponowany mechanizm rozwoju apoptozy

Problem raka jest przeciwieństwem problemu apoptozy. W przeciwieństwie do starzenia się, kiedy trzeba spowolnić proces apoptozy, w przypadku nowotworu należy postępować dokładnie odwrotnie – przyspieszyć ten proces w komórkach nowotworowych. Najbardziej skutecznymi środkami mogą być te, które zwiększają zawartość frakcji „wolnej”. Ok w cytozolu komórek oraz w mitochondriach powyżej progu frakcyjnego, po czym rozpoczyna się reakcja łańcuchowa apoptozy w postaci śmierci komórek nowotworowych. Biorąc pod uwagę specyfikę mechanizmów reakcji łańcuchowej, podobny efekt powinien objawiać się już przy nanostężeniach substancji aktywnych.

Jeśli chodzi o teorię apoptozy jako genetycznie zaprogramowanej śmierci, nie mniej prawdopodobna wydaje się hipoteza reakcji łańcuchowej polegającej na zakłóceniu homeostazy metal-ligand. Reakcje łańcuchowe odzwierciedlają bardziej podstawowe naturalne procesy niż genetycznie zdeterminowane objawy biologiczne, które im towarzyszą. Dlatego też nie można odrzucić hipotezy o naturze apoptozy jako przejawu reakcji łańcuchowej mikroelementozy wapniowej, przechodzącej w polimikroelementozę, bez wyjaśnienia roli metali w tym procesie z punktu widzenia ogólnie przyjętej teorii.

Wiadomo, że pisanie kodu nie zawsze odpowiada „centralnemu dogmatowi” biologii (DNA > RNA > białko). Otwarcie zaznaczone Nagrody Nobla odwrotne rewertazy, w tym telomeraza (2009), a także priony (Prusiner, 1997), potwierdza słuszność tego punktu widzenia. Aktywacja „uśpionych genów” jest spowodowana takim czy innym stanem homeostazy metal-ligand. Na przykład stosunek metali związany z zaburzeniami metabolicznymi Si, „budzi” albo gen syntezy białek odpowiedzialny za chorobę Wilsona, która jest obecnie uleczalna, albo gen syntezy białek odpowiedzialny za chorobę Menkesa, która jest obecnie nieuleczalna. W tym przypadku „przebudzony” gen całkowicie tłumi drugi (Bertini, 2008).

Bionieorganiczne medyczne. G.K. Baraszkow

W procesie powstawania organizmów żywych wielokomórkowych potrzebne były mechanizmy regulujące prawidłowy wzrost i rozwój, jednym z takich regulatorów jest apoptoza.

Apoptoza jest formą programowanej śmierci komórki, która objawia się zmniejszeniem rozmiaru komórki, fragmentacją i kondensacją chromatyny, zagęszczeniem błon (zewnętrznych i cytoplazmatycznych) bez wyciekania zawartości komórki do otoczenia.

Proces jest dwuetapowy:

1. Pierwsza faza nazywana jest utajoną i opiera się na przewodzeniu sygnałów apoptozy. Innymi słowy, „faza rozwiązywania problemu”. W zależności od charakteru działania bodźców można je podzielić na 2 typy:

a) uszkodzenie DNA w wyniku narażenia na toksyny, promieniowanie i inne czynniki;

b) aktywacja receptorów „regionu śmierci komórki” (CDR).

„Rejon śmierci komórki” to receptory na błonach wszystkich komórek, które odbierają bodźce aktywujące apoptozę. Jeśli wzrasta liczba aktywowanych receptorów, wzrasta również liczba komórek umierających fizjologicznie. Do najczęściej badanych RKC należą CD95 (Fas, Apo1), TNFR1 (p55, CD120a), a także CAR1, D3, DR4, DR5 itp. Procesowi temu nie towarzyszy uszkodzenie DNA.

2. Druga faza nazywana jest „efektorem”, ponieważ następuje w niej zniszczenie ultrastruktur komórkowych. Głównymi wykonawcami fazy efektorowej są endonukleazy, proteazy cysteinowe (kaspazy), proteazy lizosomalne i serynowe.

Farber E. (1994) zaproponował klasyfikację programowanej śmierci komórki (PCD):

Programowana śmierć komórki rozwojowej to śmierć, która następuje podczas normalnego rozwoju komórki i/lub metamorfozy.

Zaprogramowana śmierć fizjologiczna zróżnicowanych komórek dojrzałe organizmy podczas niszczenia tkanek rozrostowych w wyniku egzogennego i endogennego uszkodzenia narządów i tkanek. Przejawia się, gdy konieczne jest przywrócenie składu komórkowego.

Programowana biochemiczna śmierć komórki po działaniu patogenów różnego pochodzenia. Ten rodzaj śmierci nie jest fizjologiczny, ponieważ reprezentuje reakcję organizmu (aktywną lub pasywną) na szkodliwy czynnik.

Wszystkie formy PCH opierają się na genetycznie zdeterminowanym programie śmierci komórki. Potwierdza to zaangażowanie wielu genów leżących u podstaw tego programu na poziomie komórkowym oraz obecność specyficznych genów kontrolujących ten proces.

Istnieje kilka regulatorów apoptozy, z których jeden zachodzi przy udziale cytokin. Cytokiny to białka, za pośrednictwem których zachodzi komunikacja ze specyficznymi receptorami na komórkach docelowych oraz regulowane jest ich różnicowanie i proliferacja. Proces apoptozy rozpoczyna się w momencie zbliżenia się specyficznego receptora do swojego liganda – zewnątrzkomórkowego białka śmierci (TNF-a, FasL, TRAIL, Apo-3L). Najlepiej zbadanym ligandem jest FasL, który zwykle przyłącza się do aktywowanych limfocytów T i komórek NK poprzez interakcję ze specyficznymi receptorami komórkowymi APO1/CD95/Fas. W jądrach i tkankach oka FasL zapewnia ochronę przed autoimmunologicznym uszkodzeniem własnych komórek. Zasada działania polega na aktywacji specyficznej proteazy – kaspazy 8, która z kolei uruchamia proces HCG. Alternatywnym szlakiem jest mitochondrialny szlak aktywacji apoptozy z udziałem białek z rodziny Bcl-2. Ten szlak apoptozy rozpoczyna się od uszkodzenia DNA lub narażenia komórki na działanie czynników toksycznych. Kluczowym wydarzeniem na tym szlaku jest wzrost przepuszczalności zewnętrznej błony mitochondrialnej, który charakteryzuje się uwalnianiem białek apoptogennych (cytochromu C, prokaspazy -2, -3 i -9, AIF (czynnika indukującego apoptozę) z przestrzeń międzybłonową do cytoplazmy komórkowej w wyniku pęknięcia błony mitochondrialnej lub otwarcia wysoce przepuszczalnych kanałów na zewnętrznej błonie mitochondriów.

Najważniejszym „receptorem” uszkodzeń DNA jest tak zwane białko „opiekuna genomu” p53. Zazwyczaj białko to jest w stanie nieaktywnym i jest aktywowane w wyniku niedotlenienia, aktywacji onkogenu, uszkodzenia DNA lub narażenia na inne czynniki cytotoksyczne. Rola genu w procesie PCH jest bardzo ważna, ponieważ rozwój 50% nowotworów jest spowodowany mutacją genu p53. Regulacja apoptozy przez białko p53 zachodzi na kilka sposobów: aktywacja genów Bax lub Bid; aktywizacja edukacji darmowe formularze tlen, co prowadzi do peroksydacji, co prowadzi do uwolnienia cytochromu C z mitochondriów; indukcja mRNA Fas, jak również uwalnianie Fas na powierzchnię komórki z aparatu Golgiego; stymulacja tworzenia APAF-1; stymulacja ekspresji kaspazy 6; przejście części cząsteczek samego genu p53 do mitochondriów z późniejszym uwolnieniem cytochromu C.

Zasadniczym mechanizmem apoptozy jest synteza i aktywacja związków proapoptotycznych z rodziny Bcl-2. Po raz pierwszy opisano białko z rodziny Bcl-2 jako onkogen w chłoniaku z komórek B, co doprowadziło do powstania klonu nowotworowego poprzez zwiększenie przeżywalności komórek nowotworowych. . Obecnie rodzina Bcl-2 obejmuje grupę białek o podobnym składzie morfologicznym i dzieli się na dwie grupy: induktory apoptozy i inhibitory apoptozy. Decyzję o zabiciu komórki podejmuje się na podstawie względnej przewagi aktywnych supresorów lub promotorów apoptozy. Mechanizm działania opiera się na działaniu białek proapoptotycznych z rodziny Bcl-2, które w miejsce fizjologicznych (dla Ca2+, O2, Na+/K+) tworzą tymczasowe megakanały, przez które zaczyna przepływać cytochrom C i inne czynniki apoptotyczne . Cytochrom C jest niezbędny do tworzenia apoptosomu, w którym aktywowana jest kaspaza 9.

Istnieje inny szlak apoptozy indukowany stresem, który aktywuje kaspazę 9 poprzez kompleks Apaf-1 (czynnik aktywujący proteazę apoptotyczną). Zmiany konformacyjne w Apaf-1 indukowane przez cytochrom C z uszkodzonych mitochondriów i ATP umożliwiają rekrutację profaktora kaspazy 9 poprzez ich wspólną domenę. Z kolei kaspaza apoptosomu 9 powoduje aktywację efektora K(3,7), który inicjuje intensywną proteolizę i uwalnia związaną z nią DNazę, która niszczy chromatynę. Na szczególną uwagę zasługuje rola białka Bid, które stanowi łącznik pomiędzy dwoma szlakami apoptotycznymi – mitochondrialnym i szlakiem „receptora śmierci” (działanie K8).

Obecnie dużym zainteresowaniem medycyny cieszy się badanie procesu apoptotycznej śmierci komórek. Zakłócenie procesów śmierci fizjologicznej odgrywa ważną rolę w rozwoju stanów patologicznych, w tym nowotworów i chorób autoimmunologicznych.

Obecnie znanych jest wiele chorób związanych ze zwiększoną apoptozą: chłoniak grudkowy, nowotwory układu rozrodczego u kobiet i mężczyzn (jajniki, prostata), kłębuszkowe zapalenie nerek, infekcje wirusowe (adenowirus, wirus opryszczki, wirus ospy). A także choroby związane z hamowaniem procesów apoptozy: AIDS, choroby neurodegeneracyjne (choroba Alzheimera, Parkinsona), toksyczne choroby wątroby, zwyrodnienia móżdżku itp.

Badanie mechanizmów apoptozy daje nam wyobrażenia o rozwoju niektórych chorób i ich przebiegu. Już teraz możemy wykorzystać tę wiedzę do zapobiegania chorobom na różnych etapach patogenezy (korekta i regulacja).

Apoptoza jest bardzo ważnym procesem w ontogenezie każdego żywego organizmu. Proces ten pozwala na utrzymanie wewnętrznej homeostazy, kontroli prawidłowa wysokość i rozwój organizmu, bez mechanizmu apoptozy w naszym organizmie panowałby chaos, duża ilość zmian genetycznych, przypadkowy podział komórek.

Referencje:

1. Władimirskaja E.B. Mechanizmy apoptotycznej śmierci komórki / E.B. Vladimirskaya // Hematologia i transfuzjologia. – 2002. – T.47, nr 2, - s. 35 - 40.

2. Robinson M.V. Apoptoza komórek układ odpornościowy/ M.V.Robinson, M.A. Trufakin // Postępy współczesnej biologii. – 1991. –Tom 3 wydanie. 2. – s. 246 – 259.

3. Adams J.M. Sposoby umierania: wiele dróg do apoptozy / J.M. Adams // Geny i rozwój/ - 2003. – N 17. – P. 2481 – 2495.

4. Itoh K. Centralna rola mitochondriów i p53 w apoptozie reumatoidalnych fibroblastów maziowych za pośrednictwem Fas / K. Itoh, H. Hase, H. Kojima i in. // Reumatologia. – 2004. – N 43. – P.277-285.

5. & Newton K. Kaspazy sygnalizują nie tylko apoptozę, ale także aktywację indukowaną antygenem w komórkach układu odpornościowego / K. Newton, A. Strasser // Genes and Development. – 2003. – Tom 17, N7. – s. 819 – 825.

Inicjacja apoptozy może nastąpić poprzez czynniki zewnętrzne lub wewnątrzkomórkowe. Na przykład w wyniku niedotlenienia, hiperoksji, uszkodzenia podnekrotycznego przez czynniki chemiczne lub fizyczne, sieciowania odpowiednich receptorów, zakłócenia sygnałów cyklu komórkowego, usunięcia czynników wzrostu i metabolizmu itp. Pomimo różnorodności czynników inicjujących, dwa Wyróżnia się główne szlaki przekazywania sygnału apoptozy: receptorozależny szlak sygnałowy obejmujący receptory śmierci komórkowej oraz szlak mitochondrialny.

Zależny od receptora szlak sygnałowy

Schemat sygnalizacji apoptozy przez receptory śmierci CD95, TNFR1 i DR3

Proces apoptozy często rozpoczyna się od interakcji specyficznych ligandów zewnątrzkomórkowych z receptorami śmierci komórkowej wyrażanymi na powierzchni błona komórkowa. Receptory wyczuwające sygnał apoptotyczny należą do nadrodziny receptorów TNF. Najlepiej zbadanymi receptorami śmierci, dla których opisano i określono rolę w apoptozie, są CD95 i TNFR1. Dodatkowe obejmują CARI, DR3, DR4 i DR5.

Wszystkie receptory śmierci są białkami transbłonowymi charakteryzującymi się wspólną sekwencją 80 aminokwasów w domenie cytoplazmatycznej. Sekwencja ta nazywana jest domeną śmierci i jest niezbędna do przekazywania sygnału apoptotycznego. Zewnątrzkomórkowe miejsca receptorów śmierci oddziałują z trimerami ligandów. Trimery ligandów trimeryzują receptory śmierci w wyniku interakcji. Aktywowany w ten sposób receptor oddziałuje z odpowiednim adapterem wewnątrzkomórkowym. Dla receptora CD95 adapterem jest FADD. Dla receptorów TNFR1 i DR3 adapterem jest TRADD.

Adapter związany z receptorem śmierci oddziałuje z efektorami – wciąż nieaktywnymi prekursorami proteaz z rodziny kaspaz inicjujących – z prokaspazami. W wyniku łańcucha interakcji „ligand-receptor-adapter-efektor” powstają agregaty, w których następuje aktywacja kaspazy. Agregaty te nazywane są apoptosomami, apoptotycznymi chaperonami lub kompleksami sygnalizacyjnymi wywołującymi śmierć. Przykładem apoptosomu jest kompleks FasL-Fas-FADD-prokaspaza-8, w którym aktywowana jest kaspaza-8.

Receptory śmierci, adaptery i efektory oddziałują ze sobą poprzez strukturalnie podobne domeny: DD, DED, CARD. DD bierze udział w oddziaływaniu receptora Fas z adapterem FADD oraz w oddziaływaniu receptorów TNFR1 lub DR3 z adapterem TRADD. Domena DED współdziała z adapterem FADD i prokaspazami -8 i -10. Domena CARD bierze udział w interakcji adaptera RAIDD z prokaspazą-2.

Poprzez receptory śmierci można aktywować trzy kaspazy inicjacyjne: -2; -8 i -10. Aktywowane kaspazy inicjatorowe uczestniczą ponadto w aktywacji kaspaz efektorowych.

Mitochondrialny szlak sygnałowy

Mitochondrialny szlak sygnalizacyjny apoptozy realizowany jest w wyniku uwolnienia białek apoptogennych z przestrzeni międzybłonowej mitochondriów do cytoplazmy komórki. Uwolnienie białek apoptogennych może prawdopodobnie nastąpić na dwa sposoby: przez pęknięcie błony mitochondrialnej lub otwarcie wysoce przepuszczalnych kanałów na zewnętrznej błonie mitochondrialnej.

Model tworzenia apoptosomu „Cytochrom c Apaf-1 CARD prokaspaza-9”. Aktywowana w ten sposób kaspaza-9 rekrutuje prokaspazę-3, która z kolei jest aktywowana do kaspazy-3

Pęknięcie zewnętrznej błony mitochondriów tłumaczy się wzrostem objętości macierzy mitochondrialnej. Proces ten związany jest z otwarciem porów błony mitochondrialnej, co prowadzi do zmniejszenia potencjału błonowego i wysokoamplitudowego pęcznienia mitochondriów na skutek braku równowagi osmotycznej. Pory o średnicy 2,6-2,9 nm są w stanie przepuszczać substancje niskocząsteczkowe o masie do 1,5 kDa. Otwarcie porów stymulują następujące czynniki: nieorganiczny fosforan; kaspazy; odczynniki SH; wyczerpanie komórek zredukowanym glutationem; powstawanie reaktywnych form tlenu; rozprzęganie fosforylacji oksydacyjnej przez związki protonoforowe; wzrost zawartości Ca w cytoplazmie; ekspozycja na ceramidy; wyczerpanie mitochondrialnej puli ATP itp.

Jak alternatywna ścieżka uwalnianie białek apoptogennych z przestrzeni międzybłonowej mitochondriów, rozważa się utworzenie kanału białkowego w zewnętrznej błonie mitochondrialnej. Tak czy inaczej do cytoplazmy uwalniane są: białko cytochromu c o masie cząsteczkowej 15 kDa; prokaspazy -2, -3 i -9; Flawoproteina AIF o masie cząsteczkowej 57 kDa.

Cytochrom c w cytoplazmie komórki bierze udział w tworzeniu apoptosomu wraz z białkiem Apaf-1. Wcześniej Apaf-1 ulega zmianom konformacyjnym w wyniku reakcji zachodzącej wraz z wydatkowaniem energii ATP. Zakłada się, że transformowany Apaf-1 nabywa zdolność wiązania cytochromu c. Ponadto domena Apaf-1 CARD staje się dostępna dla prokaspazy-9. W rezultacie następuje oligomeryzacja co najmniej 8 podjednostek transformowanego białka Apaf-1 przy udziale cytochromu c i prokaspazy-9. Tworzy to apoptosom, który aktywuje kaspazę-9. Dojrzała kaspaza-9 wiąże się i aktywuje prokaspazę-3, tworząc kaspazę efektorową-3. Flawoproteina AIF, uwalniana z przestrzeni międzybłonowej mitochondriów, jest efektorem apoptozy działającym niezależnie od kaspaz.

Inne drogi indukcji apoptozy

Warto zauważyć, że apoptoza może nastąpić w wyniku połączonego działania dwóch głównych szlaków sygnalizacyjnych: zależnego od receptora i mitochondrialnego. Ponadto istnieje szereg mniej powszechnych mechanizmów inicjowania apoptozy. Na przykład z powodu aktywacji prokaspazy-12 zlokalizowanej w retikulum endoplazmatycznym. Uwalnianie i aktywacja prokaspazy-12 jest spowodowane zaburzeniami wewnątrzkomórkowej homeostazy jonów wapnia. Aktywacja apoptozy może być również związana z upośledzoną adhezją komórek.

Kolejnym czynnikiem indukcji apoptozy jest atak zakażonych komórek przez cytotoksyczne limfocyty T, które oprócz aktywacji receptora Fas są zdolne do wydzielania perforyny w pobliżu błony zakażonej komórki. Perforyna, polimeryzując, tworzy kanały przezbłonowe, przez które do komórki przedostaje się limfotoksyna alfa i mieszanina proteaz serynowych. Następnie granzym B aktywuje kaspazę-3 i zostaje uruchomiona kaskada kaspaz.

Śmierć komórki można zainicjować poprzez uwolnienie proteaz lizosomalnych i katepsyn. Na przykład kaspaza-8 powoduje uwolnienie aktywnej katepsyny B z lizosomów, która następnie rozszczepia białko regulatorowe Bid. W rezultacie powstaje aktywne białko t-Bid, które z kolei aktywuje proapoptotyczne białko Bax.

Ogólny schemat „klasycznej” apoptozy ssaków

Faza efektorowa

W fazie efektorowej różne szlaki inicjujące przekształcane są w jeden wspólny szlak apoptotyczny. Z reguły aktywowana jest kaskada białek efektorowych i białek modulatorowych, które je regulują. Głównymi efektorami apoptozy są kaspazy. Podczas aktywacji uruchamiają kaskadę kaspaz: kompleksowo splecione łańcuchy interakcji pomiędzy kaspazami inicjującymi i efektorowymi.

Kaskada kaspaz

Kaspazy to proteazy cysteinowe, które rozszczepiają sekwencje aminokwasów po reszcie kwasu asparaginowego. Kaspazy powstają w wyniku aktywacji prokaspaz, które zawierają 3 domeny: domenę regulatorową N-końcową, dużą i małą podjednostkę. Aktywacja następuje poprzez obróbkę proteolityczną: wszystkie trzy domeny są rozszczepiane, prodomena oddzielana, a pozostałe duże i małe podjednostki łączą się, tworząc heterodimer. Te dwa heterodimery tworzą następnie tetramer, pełnoprawną kaspazę z dwoma miejscami katalitycznymi.

Kaspazy występują w większości organizmów żywych. U ssaków zidentyfikowano 13 kaspaz. Niektóre z nich nie biorą udziału w apoptozie. Pozostałe kaspazy biorące udział w apoptozie dzielą się na inicjator i efektor. Kaspazy inicjatorowe aktywują kaspazy efektorowe, które z kolei prowokują i bezpośrednio uczestniczą w transformacji komórkowej. W rezultacie zmiany morfologiczne i biochemiczne prowadzą do śmierci komórki na drodze apoptozy.

Jedną z głównych funkcji kaspaz efektorowych jest bezpośrednie i pośrednie niszczenie struktury komórkowe. Białka blaszki jądrowej ulegają hydrolizie, cytoszkielet ulega zniszczeniu, a białka regulujące adhezję komórek ulegają rozkładowi. Inną ważną funkcją kaspaz efektorowych jest inaktywacja białek blokujących apoptozę. W szczególności ulega rozszczepieniu inhibitor DFF, który zapobiega aktywacji apoptotycznej DNazy CAD. Zniszczeniu ulegają także białka antyapoptotyczne z rodziny Bcl-2. Wreszcie, w wyniku działania kaspaz efektorowych, domena regulatorowa i efektorowa zaangażowana w naprawę DNA, składanie mRNA i replikację DNA ulegają dysocjacji.

Dodatkowe efektory apoptozy

Oprócz kaspaz istnieją inne efektory apoptozy. Na przykład flawoproteina AIF, uwalniana z mitochondrialnej przestrzeni międzybłonowej, działa poprzez szlak niezależny od kaspaz. Dostając się do jądra komórkowego, AIF powoduje kondensację chromatyny i aktywuje endonukleazy biorące udział w fragmentacji DNA. Na podstawie danych eksperymentalnych ustalono, że inhibitor kaspazy nie zapobiega apoptozie występującej w obecności AIF. Kalpainy, należące do rodziny cytozolowych proteaz cysteinowych aktywowanych Ca, są również uważane za efektory apoptozy. Ich rola w apoptozie jest nadal słabo poznana.

Faza degradacji

Wynikiem zaprogramowanej śmierci komórki, niezależnie od początkowego efektu inicjującego, jest degradacja komórki poprzez fragmentację na pojedyncze ciała apoptotyczne ograniczone do błony komórkowej. Fragmenty martwej komórki są zwykle bardzo szybko fagocytowane przez makrofagi lub sąsiednie komórki, omijając rozwój reakcji zapalnej.

Zmiany morfologiczne

Tradycyjnie degradację umierającej komórki można podzielić na trzy kolejne fazy: uwalnianie, powstawanie pęcherzyków i kondensacja. Większość degradacji komórek rozpoczyna się od uwolnienia przyczepów macierz pozakomórkowa i reorganizacja adhezji ogniskowej. Wewnątrz umierającej komórki mikrotubule cytoszkieletu ulegają depolimeryzacji. Wewnątrzkomórkowe mikrofilamenty aktynowe reorganizują się w związane z błoną obwodowe okrągłe wiązki. W rezultacie komórka nabiera zaokrąglonego kształtu. Po uwolnieniu etap pęcherzykowania charakteryzuje się skurczem obwodowych pierścieni aktynowych. W wyniku skurczów błona komórkowa tworzy obrzęki, a komórka wydaje się „wrzeć”. Proces pęcherzykowania jest niestabilny i wymaga duża ilość ATP. Faza pęcherzykowania w normalnych warunkach kończy się po około godzinie. W rezultacie komórka rozpada się na małe ciałka apoptotyczne lub całkowicie się kondensuje, staje się zaokrąglona i zmniejsza swój rozmiar.

Zmiany biochemiczne

Na poziomie molekularnym jedną z konsekwencji apoptozy jest fragmentacja DNA przy udziale nukleaz. Początkowo powstają duże fragmenty o długości 30 000–700 000 par zasad, które następnie są dzielone w obszarze międzynukleosomalnym na segmenty o długości 180–190 par zasad lub wielokrotności tych wartości. Fragmentacja DNA jest charakterystyczną, choć nieobowiązkową oznaką apoptozy, gdyż istnieją obserwacje, w których proces fragmentacji jądrowej zachodził bez towarzyszącej fragmentacji DNA.

Inną istotną konsekwencją apoptozy jest ekspresja na zewnętrznej stronie błony komórkowej specyficznych markerów molekularnych rozpoznawanych przez komórki fagocytarne: trombospondyny; fosfatydyloseryna i inne fosfolipidy zawierające fosfoserynę.

Proces, w wyniku którego komórka może się zabić, nazywany jest programowaną śmiercią komórki (PCD). Mechanizm ten ma kilka odmian i odgrywa istotną rolę w fizjologii. różne organizmy, zwłaszcza wielokomórkowe. Najbardziej rozpowszechnioną i dobrze zbadaną formą PGC jest apoptoza.

Co to jest apoptoza

Apoptoza to kontrolowany fizjologiczny proces samozniszczenia komórki, charakteryzujący się stopniowym niszczeniem i fragmentacją jej zawartości z utworzeniem pęcherzyków błonowych (ciał apoptotycznych), następnie wchłanianych przez fagocyty. Ten uwarunkowany genetycznie mechanizm uruchamia się pod wpływem pewnych czynników wewnętrznych lub zewnętrznych.

W przypadku tego typu śmierci zawartość komórkowa 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), dlatego utożsamianie tych pojęć jest błędne. DO znane gatunki Samozniszczenie komórek obejmuje także katastrofę mitotyczną, autofagię i zaprogramowaną martwicę. Inne mechanizmy PGC nie zostały jeszcze zbadane.

Przyczyny apoptozy komórek

Czynnikiem wyzwalającym mechanizm programowanej śmierci komórki mogą być zarówno naturalne procesy fizjologiczne, jak i zmiany patologiczne spowodowane defektami wewnętrznymi lub narażeniem na niekorzystne czynniki zewnętrzne.

Zwykle apoptoza równoważy proces podziału komórek, regulując ich liczbę i promując odnowę tkanek. W tym przypadku przyczyną PCD są pewne sygnały zawarte w systemie kontroli homeostazy. Za pomocą apoptozy niszczone są komórki, które są jednorazowe lub spełniły swoją funkcję. Zatem zwiększona zawartość leukocytów, neutrofili i innych elementów odporności komórkowej po zakończeniu walki z infekcją jest eliminowana właśnie w wyniku apoptozy.

Zaprogramowana śmierć jest częścią cyklu fizjologicznego układy rozrodcze. Apoptoza bierze udział w procesie oogenezy, a także przyczynia się do śmierci komórki jajowej w przypadku braku zapłodnienia.

Klasyczny przykład zaangażowania apoptozy komórek w cykl życia systemy wegetatywne to jesienne opadanie liści. Samo określenie pochodzi od greckiego słowa apoptoza, które dosłownie tłumaczy się jako „opadanie”.

Apoptoza odgrywa kluczową rolę w embriogenezie i ontogenezie, podczas której dochodzi do wymiany tkanek w organizmie i zaniku niektórych narządów. Przykładem jest zanik błon między palcami u niektórych ssaków lub śmierć ogona podczas metamorfozy żaby.

Apoptozę można wywołać w wyniku nagromadzenia się wadliwych zmian w komórce, wynikających z mutacji, starzenia się lub błędów mitotycznych. Przyczyną wystąpienia PCD może być niesprzyjające środowisko (brak składników odżywczych, niedobór tlenu) i patologiczne. wpływy zewnętrzne pośredniczą wirusy, bakterie, toksyny itp. Ponadto, jeśli działanie niszczące jest zbyt intensywne, wówczas komórka nie ma czasu na przeprowadzenie mechanizmu apoptozy i umiera w wyniku rozwoju procesu patologicznego - martwicy.

Zmiany morfologiczne i strukturalno-biochemiczne w komórkach podczas apoptozy

Proces apoptozy charakteryzuje się pewnym zespołem zmian morfologicznych, które można zaobserwować w preparacie tkankowym in vitro za pomocą mikroskopu.

Do głównych objawów charakterystycznych dla apoptozy komórek należą:

• restrukturyzacja cytoszkieletu;
• zagęszczenie zawartości komórkowej;
• kondensacja chromatyny;
• fragmentacja rdzenia;
• zmniejszenie objętości komórek;
• marszczenie konturu membrany;
• powstawanie pęcherzyków na powierzchni komórki,
• zniszczenie organelli.

U zwierząt procesy te kończą się utworzeniem apoptocytów, które mogą być wchłaniane zarówno przez makrofagi, jak i komórki sąsiadujących tkanek. U roślin nie dochodzi do powstawania ciał apoptotycznych, a po degradacji protoplastu zostaje zachowany szkielet w postaci ściany komórkowej.

Oprócz zmian morfologicznych, apoptozie towarzyszy szereg rearanżacji 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 gigantycznych wakuoli.

Czym różni się apoptoza od martwicy?

Główną różnicą między apoptozą a martwicą jest przyczyna degradacji komórek. W pierwszym przypadku źródłem zniszczenia są narzędzia molekularne samej komórki, które działają pod ścisłą kontrolą i wymagają energii ATP. W przypadku martwicy następuje bierne zaprzestanie aktywności życiowej z powodu zewnętrznych szkodliwych wpływów.

Apoptoza to naturalny proces fizjologiczny, którego zadaniem jest nie szkodzić otaczającym komórkom. Martwica jest niekontrolowanym zjawiskiem patologicznym, które pojawia się w wyniku krytycznych urazów. Nie jest zatem zaskakujące, że mechanizm, morfologia i konsekwencje apoptozy i martwicy są w dużej mierze przeciwne. Istnieją jednak również cechy wspólne.

W przypadku uszkodzenia komórki uruchamiają mechanizm programowanej śmierci, m.in. w celu zapobiegania rozwojowi martwicy. Jednak ostatnie badania wykazały, że istnieje inna niepatologiczna postać martwicy, która również została sklasyfikowana jako PCC.

Biologiczne znaczenie apoptozy

Pomimo tego, że apoptoza prowadzi do śmierci komórki, jej rola w utrzymaniu prawidłowego funkcjonowania całego organizmu jest bardzo duża. Dzięki mechanizmowi PGC realizowane są następujące funkcje fizjologiczne:

• utrzymywanie równowagi pomiędzy proliferacją komórek a śmiercią;
• odnowa tkanek i narządów;
• eliminacja wadliwych i „starych” komórek;
• ochrona przed rozwojem patogennej martwicy;
• zmiany tkanek i narządów podczas embriogenezy i ontogenezy;
• usunięcie zbędnych elementów, które spełniły swoją funkcję;
• eliminacja komórek niepożądanych lub niebezpiecznych dla organizmu (mutant, nowotwór, zakażony wirusem);
• zapobieganie rozwojowi infekcji.

Zatem apoptoza jest jednym ze sposobów utrzymania homeostazy komórki i tkanki.

Etapy śmierci komórki

To, co dzieje się z komórką podczas apoptozy, jest wynikiem złożonego łańcucha interakcji molekularnych pomiędzy różnymi enzymami. Reakcje zachodzą kaskadowo, gdy jedne białka aktywują inne, przyczyniając się do stopniowego rozwoju scenariusza śmierci. Proces ten można podzielić na kilka etapów:

1. Wprowadzenie.
2. Aktywacja białek proapoptotycznych.
3. Aktywacja kaspaz.
4. Zniszczenie i restrukturyzacja organelli komórkowych.
5. Tworzenie apoptocytów.
6. Przygotowanie fragmentów komórek do fagocytozy.

Synteza wszystkich składników niezbędnych do uruchomienia, wdrożenia i kontrolowania każdego etapu jest zdeterminowana genetycznie, dlatego apoptozę nazywa się programowaną śmiercią komórki. Aktywacja tego procesu znajduje się pod ścisłą kontrolą systemów regulacyjnych, w tym różnych inhibitorów PGC.

Molekularne mechanizmy apoptozy komórek

O rozwoju apoptozy decyduje połączone działanie dwóch układów molekularnych: indukcyjnego i efektorowego. Blok pierwszy odpowiada za kontrolowane uruchomienie ZGK. Zawiera tzw. receptory śmierci, proteazy Cys-Asp (kaspazy), szereg składników mitochondrialnych i białka proapoptotyczne. Wszystkie elementy fazy indukcji można podzielić na wyzwalacze (uczestniczące w indukcji) i modulatory, które zapewniają transdukcję sygnału śmierci.

System efektorowy składa się z narzędzi molekularnych, które zapewniają degradację i restrukturyzację składników komórkowych. Przejście pomiędzy pierwszą i drugą fazą następuje na etapie proteolitycznej kaskady kaspaz. To dzięki składnikom bloku efektorowego śmierć komórki następuje podczas apoptozy.

Czynniki apoptozy

Zmiany strukturalne, morfologiczne i biochemiczne podczas apoptozy przeprowadzane są przez pewien zestaw wyspecjalizowanych narzędzi komórkowych, wśród których najważniejsze to kaspazy, nukleazy i modyfikatory błonowe.

Kaspazy to grupa enzymów, które przecinają wiązania peptydowe przy resztach asparaginy, fragmentując białka na duże peptydy. Przed rozpoczęciem apoptozy są obecne w komórce w stanie nieaktywnym ze względu na inhibitory. Głównymi celami kaspaz są białka jądrowe.

Nukleazy są odpowiedzialne za cięcie cząsteczek DNA. Szczególnie ważna w rozwoju apoptozy jest aktywna endonukleaza CAD, która rozbija odcinki chromatyny w obszarach sekwencji łącznikowych. W efekcie powstają fragmenty o długości 120-180 par nukleotydów. Złożone działanie proteolitycznych kaspaz i nukleaz prowadzi do deformacji i fragmentacji jądra.

Modyfikatory błony komórkowej - zakłócają asymetrię warstwy bilipidowej, zamieniając ją w cel dla komórek fagocytarnych.

Kluczową rolę w rozwoju apoptozy odgrywają kaspazy, które stopniowo aktywują wszystkie kolejne mechanizmy degradacji i restrukturyzacji morfologicznej.

Rola kaspaz w śmierci komórkowej

Rodzina kaspaz obejmuje 14 białek. Niektóre z nich nie biorą udziału w apoptozie, a pozostałe dzielą się na 2 grupy: inicjator (2, 8, 9, 10, 12) i efektor (3, 6 i 7), zwane inaczej kaspazami drugiego rzędu. Wszystkie te białka syntetyzowane są jako prekursory – prokaspazy, aktywowane poprzez rozszczepienie proteolityczne, którego istotą jest odłączenie domeny N-końcowej i podział pozostałej cząsteczki na dwie części, które następnie łączą się w dimery i tetramery.

Kaspazy inicjatorowe są niezbędne do aktywacji grupy efektorowej, która wykazuje aktywność proteolityczną wobec różnych ważnych białek komórkowych. Substraty kaspaz drugiego rzędu obejmują:

• Enzymy naprawy DNA;
• inhibitor białka p-53;
• polimeraza poli(ADP-rybozy);
• Inhibitor DNazy DFF (zniszczenie tego białka prowadzi do aktywacji endonukleazy CAD) itp.

Całkowita liczba celów kaspaz efektorowych obejmuje ponad 60 białek.

Zahamowanie apoptozy komórek jest nadal możliwe na etapie aktywacji prokaspaz inicjujących. Kiedy zaczynają działać kaspazy efektorowe, proces staje się nieodwracalny.

Drogi aktywacji apoptozy

Przekazywanie sygnału wywołującego apoptozę komórki może odbywać się na dwa sposoby: receptorowy (lub zewnętrzny) i mitochondrialny. W pierwszym przypadku proces ten jest aktywowany poprzez specyficzne receptory śmierci odbierające sygnały zewnętrzne, którymi są białka z rodziny TNF lub ligandy Fas zlokalizowane na powierzchni limfocytów T zabójców.

Receptor składa się z 2 domen funkcjonalnych: domeny transbłonowej (przeznaczonej do komunikacji z ligandem) i „domeny śmierci” zorientowanej wewnątrz komórki, która indukuje apoptozę. Mechanizm szlaku receptorowego opiera się na tworzeniu kompleksu DISC, który aktywuje kaspazy inicjujące 8 lub 10.

Składanie rozpoczyna się od interakcji domeny śmierci z wewnątrzkomórkowymi białkami adaptorowymi, które z kolei wiążą prokaspazy inicjujące. W ramach kompleksu te ostatnie przekształcają się w funkcjonalnie aktywne kaspazy i wyzwalają dalszą kaskadę apoptotyczną.

Mechanizm szlaku wewnętrznego opiera się na aktywacji kaskady proteolitycznej przez specjalne białka mitochondrialne, których uwalnianie jest kontrolowane przez sygnały wewnątrzkomórkowe. Wyjście składników organelli następuje poprzez utworzenie ogromnych porów.

Szczególną rolę w uruchomieniu odgrywa cytochrom c. Po dostaniu się do cytoplazmy ten składnik elektrycznego łańcucha transportowego wiąże się z białkiem Apaf1 (proteazami aktywującymi czynnik apoptotyczny), co prowadzi do aktywacji tego ostatniego. Apaf1 następnie wiąże prokaspazy inicjujące 9, które wyzwalają apoptozę poprzez mechanizm kaskadowy.

Szlak wewnętrzny jest kontrolowany przez specjalną grupę białek z rodziny Bcl12, które regulują uwalnianie międzybłonowych składników mitochondriów do cytoplazmy. Rodzina zawiera zarówno białka proapoptotyczne, jak i antyapoptotyczne, a równowaga między nimi decyduje o rozpoczęciu procesu.

Jednym z potężnych czynników wyzwalających apoptozę poprzez mechanizm mitochondrialny są reaktywne formy tlenu. Innym znaczącym induktorem jest białko p53, które aktywuje szlak mitochondrialny w przypadku uszkodzenia DNA.

Czasami wyzwalanie apoptozy komórek łączy jednocześnie dwa sposoby: zewnętrzny i wewnętrzny. To ostatnie zwykle służy wzmocnieniu aktywacji receptora.

Apoptoza- zaprogramowana śmierć komórki w odpowiedzi na sygnały zewnętrzne lub wewnętrzne. Apoptoza zachodzi podczas normalnego rozwoju, ale może wynikać z raka, wirusa HIV i choroby Alzheimera.

Występowanie w przyrodzie

Podczas normalnego rozwoju organizmu apoptoza zachodzi w komórkach podczas formowania kształtu lub struktury narządu. Na przykład podczas formowania się kończyny myszy niektóre komórki ulegają apoptozie i powstają palce.

Apoptoza podczas normalnego rozwoju kończyn myszy. Komórki podlegające apoptozie (po lewej) zaznaczono na żółto. Ta sama kończyna (po prawej) dzień później.

Co ciekawe, niektóre ptaki, takie jak kaczka, mają palce u stóp błoniastych, podczas gdy inne ptaki, takie jak kurczak, nie. We wczesnej embriogenezie zarówno kury, jak i kaczki mają błony między palcami. W komórkach między palcami wytwarzane jest specyficzne białko, BMP4, które powoduje śmierć tych komórek. Inne białko, BMP (gremlin), tworzy się wokół palców obu ptaków i tylko u kaczek tworzy się także w komórkach błonowych, uniemożliwiając inicjację w nich apoptozy.

Jeśli dodasz białko gremlin do błony zarodków kurzych, nie ulegnie ono apoptozie i zostanie zachowane.

Po lewej stopka kurczaka po dodaniu do błony białka gremlina (membrana została zakonserwowana); po prawej eksperyment kontrolny bez dodatku białka (błona uległa apoptozie).

Innym przykładem apoptozy w prawidłowym rozwoju jest metamorfoza kijanki żabiej. Pod wpływem hormonu tarczycy podczas metamorfozy kijanki żabiej następuje apoptoza i zanik ogona kijanki.

Drogi apoptozy w komórce

Istnieją dwie główne ścieżki apoptozy w komórkach: droga mitochondrialna i droga przez receptory apoptozy (śmierci).
1. Receptory apoptozy- rodzina białek CD95 (Apo-1 lub Fas) i TNF-R (czynnik martwicy nowotworu). TNF-alfa jest cząsteczką wysoce cytotoksyczną, stosowaną jako lek przeciwnowotworowy. Receptor TNF-R1 jest szeroko rozpowszechniony i dlatego może nie być selektywny. Inni członkowie tej rodziny (nie wszyscy) mają domenę śmierci komórki (DD), domenę interakcji białko-białko, która wiąże się z białkiem adaptorowym, takim jak FADD. Aktywacja receptorów apoptozy przez ligandy (na przykład CD-95L i TNF-alfa prowadzi do aktywacji kaspazy-8, uruchamiając kaskadę reakcji prowadzących do apoptozy).
2. Szlak mitochondrialny. Mitochondria odgrywają kluczową rolę w apoptozie i obserwuje się wzrost przepuszczalności błony mitochondrialnej. Równowaga pomiędzy pro- i antyapoptotycznymi członkami rodziny Bcl-2 reguluje uwalnianie z mitochondriów substancji proapoptotycznych, prowadzących do inicjacji apoptozy, takich jak AIF, endonukleaza G, Smac/DIABLO i cytochrom C. Wyciek cytochromu -C z mitochondriów prowadzi do powstania apoptosomów w cytoplazmie, co aktywuje kaspazę-9 i powoduje śmierć komórki.
Obydwa szlaki prowadzą do aktywacji kaspaz i uruchomienia kaskady reakcji prowadzących do śmierci komórki.

Kaspazy

Kaspazy(kaspaza) – enzymy rozkładające białka na resztach asparaginianowych. Zawierają reszty cysteiny w swoich miejscach aktywnych. Wiele izoform kaspaz prowadzi do apoptozy. Można je aktywować na dwa sposoby: poprzez receptory apoptozy i mitochondria.
Pierwszą odkrytą kaspazą była Ced-3 (śmierć komórki-3), odkryta u nicienia C. elegans. Mutacja Ced-3 zapobiegła śmierci 131 komórek podczas normalnego rozwoju nicieni. Ssaczym homologiem Ced-3 jest enzym konwertujący interleukinę-1alfa (ICE), który później został nazwany inhibitorem kaspazy-1.

Kaskada aktywacji kaspaz

Znanych jest 14 kaspaz, które dzielą się na inicjatory, efektory i stymulatory. Inicjatory (kaspaza-8 i -9) rozszczepiają i aktywują efektory kaspazy (kaspaza-3). Efektory rozkładają różne białka, co prowadzi do śmierci komórki. Aktywacja kaspaz prowadzi do uruchomienia kaskady proteolitycznej reakcji prowadzących do śmierci komórki. W tym przypadku niektóre kaspazy aktywują inne - wzmocnienie sygnału.

Kaspaza jest tetramerem składającym się z dwóch dużych (~20 kDa) i dwóch małych podjednostek (~10 kDa). W wyniku rozszczepienia prokaspazy powstają podjednostki duża i mała. Kaspazy zawierają dwa miejsca aktywne QACXG. Domena hamująca (DED lub CARD) może zostać wycięta z kaspazy.
Kaspazy efektorowe są aktywowane przez inne kaspazy (transaktywacja). Kaspazy inicjujące są aktywowane przez autoaktywację, która zachodzi w wyniku interakcji kilku prokaspaz (na przykład prokaspazy-8 i DISC). Sam receptor apoptozy nie ma aktywności proteazy.
Aktywacja kaspaz prowadzi do różnych konsekwencji:
kaspaza-9 niszczy pory jądrowe, co prowadzi do wejścia kaspaz-3 i -7 do jądra. Kaspaza-3 rozszczepia podjednostkę hamującą ICAD w dwóch miejscach. Uwolnienie CAD powoduje rozszczepienie DNA pomiędzy nukleosomami.
Kaspazy prowadzą do reorganizacji cytoszkieletu i rozpadu komórek na ciała apoptotyczne.

Kaspazy- rodzina proteinaz cysteinowych, głównych efektorów apoptozy, występuje w komórce w postaci nieaktywnych proform i zymogenów, które są rozszczepiane na aktywne formy enzymów, aktywując apoptozę.
Ligand-->receptor śmierci-->aktywacja inicjatorów kaspaz (kaspazy-8, -10)-->kaskada aktywacji innych kaspaz>aktywacja kaspazy-3, -6-->inaktywacja struktur komórkowych.
Zniszczenie struktur komórkowych podczas apoptozy
Fragmentacja nieaktywnego enzymu CAD chromosomalnego DNA w kompleksie z ICAD (inhibitorem czynnika fragmentacji DNA CAD) jest rozcinana przez CAD uwalniający kaspazę-3, kot tnie DNA m-y nukleosomy
Inaktywacja enzymów biorących udział w naprawie DNA – enzymu polimerazy poli(ADF-rybozy), czyli PARP – była pierwszym białkiem odkrytym jako substrat dla kaspaz. PARP bierze udział w naprawie DNA i katalizuje syntezę (ADF-rybozy) oraz przyłącza się do łańcucha DNA, rozrywając i zmieniając białka jądrowe. Zdolność PARP do naprawy uszkodzeń DNA jest blokowana przez późniejsze rozszczepienie PARP przez kaspazę-3
Inaktywacja białek biorących udział w replikacji. Kaspazy mogą inaktywować topoizomerazę II DNA, sprzyjając degradacji DNA.
Zniszczenie strukturalnych białek jądrowych. Kaspaza-6 niszczy blaszki, niszcząc jądro, co prowadzi do kondensacji chromosomów.
Wrażliwość komórek na bodźce różni się w zależności od ekspresji białek pro- i antyapoptotycznych (białko inhibitora Bcl-2), nasilenia bodźców i etapu cyklu komórkowego
Rozpad komórek na pęcherzyki, przejście fosfatydyloseryny z wewnętrznej monowarstwy błony cytoplazmatycznej do zewnętrznej monowarstwy, zmniejszenie objętości komórki, marszczenie błony cytoplazmatycznej, kondensacja jądra (ciał apoptotycznych), fagocytoza przez makrofagi i komórki sąsiadujące.
Inicjatory apoptozy
sygnały zewnętrzne (wiązanie ligandu wywołującego śmierć przez receptor na powierzchni komórki), opcja szybka a
Granzym B może być dostarczony do komórek przez cytotoksyczne limfocyty T, gdy rozpoznają zakażoną komórkę, aktywując kaspazy 3, 7, 8 i 10.

stres komórkowy– promieniowanie, chemikalia, infekcje wirusowe, niedobór czynników wzrostu, stres u byków | Liczba białek bcl-2 określa ilość stresu wymaganego do wywołania a. Jeśli mitochondria nie radzą sobie z usuwaniem aktywnych form O2, te ostatnie inicjują otwarcie porów na zewnątrz. m-not i uwolnienie do cytozolu białka odpowiedzialnego za kaskadę reakcji prowadzących do syntezy proteaz i nukleaz
Mitochondria mogą być kluczowym regulatorem kaskady kaspaz i apoptozy – usunięcie cytochromu C z mitochondriów może prowadzić do aktywacji kaspazy 9, a następnie kaspazy 3. Efekt ten osiąga się poprzez utworzenie apoptosomu, kompleksu wielobiałkowego zawierającego cytochrom C, Apaf-1, prokaspaza 9 i ATP

Apoptosom

Cytochrom C jest uwalniany z mitochondriów poprzez związanie się z białkiem cytozolowym Apaf-1. Ta interakcja zmienia konformację Apaf-1, która jest stabilizowana przez wiązanie ATP, umożliwiając cząsteczkom Apaf-1 łączenie się ze sobą w kompleks przypominający koło składający się z 7 cząsteczek. Apaf-1, cytochrom C i ATP – apoptosom przyłączający 7 cząsteczek prokaspazy-9. Możliwe mechanizmy:
1. Apaf-1, cytochrom C i prokaspaza-9 – kompleks może aktywować cytozolową prokaspazę-9 wchodzącą do apoptosomu.
2. Dwa apoptosomy oddziałują ze sobą, aktywując prokaspazę-9.

Tlenek azotu NO hamuje apoptozę w leukocytach, hepatocytach, trofoblastach i komórkach śródbłonka. Efekt może być spowodowany nitrozylacją i inaktywacją kaspaz-3, -1, -8. NO oddziałuje z cyklazą guanylanową hemu -> synteza cGMP -> aktywacja kinazy białkowej zależnej od cGMP -> ekspresja białek przeciwapoptotycznych.
bcl-2 - rodzina białek

bcl-2 - rodzina białek regulujących apoptozę (bc-2, bcl-XL – antyapoptotyczne), (Bad, Bax – proapoptotyczne) | Wrażliwość komórek na bodźce apoptotyczne może zależeć od równowagi białek anty- i proapoptotycznych bc-2 | stres? proapoptotyczne białka bc-2 przemieszczają się na powierzchnię mitochy, inaktywując białka antyapoptotyczne, co prowadzi do powstania porów w mitochu i uwolnienia cytochromu c i innych cząsteczek proapoptotycznych z regionu przerywanego- ->powstaje apoptosom -> aktywacja kaskady kaspaz.
Proapoptotyczni członkowie Bcl-2 zwiększają przepuszczalność błony mitochondrialnej, co prowadzi do przedostania się białek proapoptotycznych do cytoplazmy. Członkowie rodziny antyapoptotycznej - zmniejszają przepuszczalność.
Bcl-2 dzieli się na trzy podrodziny.
Podrodzina Bcl-2 obejmuje Bcl-2, Bcl-xL i Bcl-w, które są antyapoptotyczne.
Podrodzina Bax obejmuje Bax, Bak i BAD, które są białkami proapoptotycznymi. Ich sekwencje są homologiczne do regionów podrodziny Bcl-2 BH1, BH2 i BH3, ale nie do regionu BH4.
Podrodzina BH3 z jednym przedstawicielem – Bid, w której tylko region BH3 jest homologiczny, również pozbawiony jest domeny transbłonowej.
Istnieje kilka modeli tego, jak Bcl-2 może regulować przepuszczalność błony mitochondrialnej.
Członkowie rodziny Bcl-2 są zdolni do tworzenia homo- i heterodimerów. Heterodimeryzacja pomiędzy pro- i antyapoptotycznymi członkami Bcl-2 hamuje białko proapoptotyczne.
Białka Bcl-2 są również zdolne do tworzenia kanałów jonowych (Bcl-xL, Bcl-2 i Bax).
Według innego mechanizmu Bcl-2 tworzy w błonie mitochondrialnej pory, które realizują nieswoisty transport małych cząsteczek o masie mniejszej niż 1,5 kDa, co zakłóca syntezę ATP i prowadzi do śmierci komórki. Ponadto cytochrom-C i AIF mogą przedostać się do cytoplazmy i utworzyć apoptosom. Bax i Bak - indukują uwalnianie cytochromu C i AIF z mitochondriów.

Skróty.

DD - domena śmierci
Kaspazy – (proteazy specyficzne dla asparaginianu cysteinylu)
ICE – enzym konwertujący interleicynę