Proces kojim ćelija može da se ubije naziva se programirana ćelijska smrt (PCD). Ovaj mehanizam ima nekoliko varijanti i igra važnu ulogu u fiziologiji različitih organizama, posebno višećelijskih. Najčešći i dobro proučavan oblik CHF je apoptoza.
Šta je apoptoza
Apoptoza je kontrolirani fiziološki proces samouništenja stanice, karakteriziran postupnim uništavanjem i fragmentacijom njenog sadržaja uz formiranje membranskih vezikula (apoptotskih tijela), koje naknadno apsorbiraju fagociti. Ovaj genetski mehanizam se aktivira pod uticajem određenih unutrašnjih ili eksternih faktora.
Kod ove varijante smrti, sadržaj ćelije ne ide dalje od membrane i ne izaziva upalu. Disregulacija apoptoze dovodi do ozbiljnih patologija kao što je nekontrolirana dioba stanica ili degeneracija tkiva.
Apoptoza je samo jedan od nekoliko oblika programirane ćelijske smrti (PCD), tako da je greška identificirati ove koncepte. Za poznatetipovi ćelijskog samouništenja također uključuju mitotičku katastrofu, autofagiju i programiranu nekrozu. Drugi mehanizmi PCG-a još nisu proučavani.
Uzroci apoptoze ćelija
Razlog za pokretanje mehanizma programirane ćelijske smrti mogu biti kako prirodni fiziološki procesi tako i patološke promjene uzrokovane unutrašnjim defektima ili izloženošću vanjskim štetnim faktorima.
Normalno, apoptoza balansira proces diobe ćelija, regulišući njihov broj i podstičući obnavljanje tkiva. U ovom slučaju, uzrok HGC su određeni signali koji su dio sistema kontrole homeostaze. Uz pomoć apoptoze uništavaju se jednokratne ćelije ili ćelije koje su ispunile svoju funkciju. Tako se povećani sadržaj leukocita, neutrofila i drugih elemenata ćelijskog imuniteta nakon završetka borbe protiv infekcije eliminiše upravo zbog apoptoze.
Programirana smrt je dio fiziološkog ciklusa reproduktivnog sistema. Apoptoza je uključena u proces oogeneze, a doprinosi i smrti jajne ćelije u odsustvu oplodnje.
Klasičan primjer uključenosti ćelijske apoptoze u životni ciklus vegetativnih sistema je jesenje opadanje lišća. Sam izraz dolazi od grčke riječi apoptosis, što se doslovno prevodi kao "padanje".
Apoptoza igra važnu ulogu u embriogenezi i ontogenezi, kada se tkiva mijenjaju u tijelu i atrofiraju određeni organi. Primjer je nestanak membrana između prstiju udova nekih sisara ili smrt repa tokom metamorfoze.žabe.
Apoptoza može biti izazvana akumulacijom defektnih promjena u ćeliji koje su rezultat mutacija, starenja ili mitotičkih grešaka. Nepovoljna okolina (nedostatak hranljivih materija, nedostatak kiseonika) i patološki spoljašnji uticaji posredovani virusima, bakterijama, toksinima itd. mogu biti razlog za pokretanje CHC. Štaviše, ako je štetni efekat preintenzivan, onda ćelija ne propada. imaju vremena da sprovedu mehanizam apoptoze i kao rezultat umiru razvoj patološkog procesa - nekroza.
Morfološke i strukturno-biohemijske promene u ćeliji tokom apoptoze
Proces apoptoze karakteriše određeni skup morfoloških promjena, koje se mogu uočiti mikroskopski u tkivnom preparatu in vitro.
Glavne karakteristike karakteristične za ćelijsku apoptozu uključuju:
- obnova citoskeleta;
- zapečati sadržaj ćelije;
- hromatinska kondenzacija;
- fragmentacija jezgre;
- smanjenje volumena ćelije;
- boranje konture membrane;
- formiranje mjehurića na površini ćelije,
- uništenje organela.
Kod životinja, ovi procesi kulminiraju formiranjem apoptocita, koje mogu progutati i makrofagi i susjedne ćelije tkiva. Kod biljaka ne dolazi do stvaranja apoptotičkih tijela, a nakon razgradnje protoplasta skelet ostaje ućelijski zid.
Pored morfoloških promjena, apoptoza je praćena brojnim preuređenjima na molekularnom nivou. Dolazi do povećanja aktivnosti lipaze i nukleaze, što dovodi do fragmentacije hromatina i mnogih proteina. Sadržaj cAMP naglo raste, struktura ćelijske membrane se mijenja. U biljnim ćelijama uočava se formiranje džinovskih vakuola.
Kako se apoptoza razlikuje od nekroze
Glavna razlika između apoptoze i nekroze leži u uzroku degradacije ćelije. U prvom slučaju, izvor uništenja su molekularni alati same ćelije, koji rade pod strogom kontrolom i zahtijevaju utrošak energije ATP-a. Kod nekroze dolazi do pasivnog prestanka života zbog vanjskih štetnih učinaka.
Apoptoza je prirodni fiziološki proces osmišljen na način da ne šteti okolnim ćelijama. Nekroza je nekontrolirani patološki fenomen koji nastaje kao posljedica kritičnih ozljeda. Stoga ne čudi da su mehanizam, morfologija i posljedice apoptoze i nekroze u mnogo čemu suprotni. Međutim, postoje i zajedničke stvari.
| Procesna karakteristika | Apoptoza | Nekroza |
| volumen ćelije | smanjuje | povećanje |
| integritet membrane | održavano | prekršeno |
| upalni proces | nedostaje | razvija |
| ATP energija | trošenje | nije korišteno |
| fragmentacija hromatina | dostupno | prezent |
| oštar pad koncentracije ATP-a | je | je |
| rezultat procesa | fagocitoza | ispuštanje sadržaja u međućelijski prostor |
U slučaju oštećenja, ćelije pokreću mehanizam programirane smrti, uključujući i u cilju sprečavanja razvoja nekrotizma. Međutim, nedavne studije su pokazale da postoji još jedan nepatološki oblik nekroze, koji se takođe naziva PCD.
Biološki značaj apoptoze
Uprkos činjenici da apoptoza dovodi do smrti ćelije, njena uloga u održavanju normalnog funkcionisanja celog organizma je veoma velika. Sljedeće fiziološke funkcije se provode zahvaljujući mehanizmu PCG-a:
- održavanje ravnoteže između proliferacije ćelija i smrti;
- ažuriranje tkiva i organa;
- eliminacija neispravnih i "starih" ćelija;
- zaštita od razvoja patogene nekroze;
- promena tkiva i organa tokom embriogeneze i ontogeneze;
- uklanjanje nepotrebnih elemenata koji su ispunili svoju funkciju;
- eliminacija ćelija koje su neželjene ili opasne za organizam (mutant, tumor, inficirani virusom);
- prevencija infekcije.
Dakle, apoptoza je jedan od načina održavanja homeostaze ćelijskog tkiva.
U biljkamaapoptoza se često pokreće kako bi se blokiralo širenje parazitskih agrobakterija koje inficiraju tkivo.
Fazije ćelijske smrti
Ono što se dešava sa ćelijom tokom apoptoze je rezultat složenog lanca molekularnih interakcija između različitih enzima. Reakcije se odvijaju kao kaskada, kada neki proteini aktiviraju druge, doprinoseći postepenom razvoju scenarija smrti. Ovaj proces se može podijeliti u nekoliko faza:
- Indukcija.
- Aktivacija proapoptotičkih proteina.
- Aktivacija kaspaze.
- Destrukcija i restrukturiranje ćelijskih organela.
- Formiranje apoptocita.
- Priprema ćelijskih fragmenata za fagocitozu.
Sinteza svih komponenti neophodnih za pokretanje, implementaciju i kontrolu svake faze je genetski zasnovana, zbog čega se apoptoza naziva programirana ćelijska smrt. Aktivacija ovog procesa je pod strogom kontrolom regulatornih sistema, uključujući različite inhibitore CHG.
Molekularni mehanizmi ćelijske apoptoze
Razvoj apoptoze je određen kombinovanim djelovanjem dva molekularna sistema: indukcije i efektora. Prvi blok je odgovoran za kontrolirano lansiranje ZGK-a. Uključuje takozvane receptore smrti, Cys-Asp-proteaze (kaspaze), brojne mitohondrijalne komponente i pro-apoptotičke proteine. Svi elementi faze indukcije mogu se podijeliti na okidače (učestvuju u indukciji) i modulatore koji obezbjeđuju transdukciju signala smrti.
Efektorski sistem se sastoji od molekularnih alata koji osiguravaju degradaciju i restrukturiranje ćelijskih komponenti. Prijelaz između prve i druge faze događa se u fazi kaskade proteolitičke kaspaze. Zbog komponenti efektorskog bloka dolazi do smrti ćelije tokom apoptoze.
faktori apoptoze
Strukturno-morfološke i biokemijske promjene tokom apoptoze izvode se određenim skupom specijalizovanih ćelijskih alata, među kojima su najvažnije kaspaze, nukleaze i membranski modifikatori.
Kaspaze su grupa enzima koji režu peptidne veze na ostacima asparagina, fragmentirajući proteine u velike peptide. Prije početka apoptoze, prisutni su u ćeliji u neaktivnom stanju zbog inhibitora. Glavne mete kaspaza su nuklearni proteini.
Nukleaze su odgovorne za rezanje molekula DNK. Posebno je važna u razvoju apoptoze aktivna endonukleaza CAD, koja razbija hromatinske regije u regijama linker sekvenci. Kao rezultat, formiraju se fragmenti dužine 120-180 parova nukleotida. Kompleksno dejstvo proteolitičkih kaspaza i nukleaza dovodi do deformacije i fragmentacije jezgra.
Modifikatori ćelijske membrane - razbijaju asimetriju bilipidnog sloja, pretvarajući ga u metu za fagocitne ćelije.
Ključnu ulogu u razvoju apoptoze imaju kaspaze, koje postepeno aktiviraju sve naknadne mehanizme degradacije i morfološkog preuređivanja.
Uloga kaspaze u ćelijismrt
Porodica kaspaza uključuje 14 proteina. Neki od njih nisu uključeni u apoptozu, dok su ostali podijeljeni u 2 grupe: inicijatorne (2, 8, 9, 10, 12) i efektorske (3, 6 i 7), koje se inače nazivaju kaspazama drugog reda. Svi ovi proteini se sintetiziraju kao prekursori - prokaspaze, aktivirane proteolitičkim cijepanjem, čija je suština odvajanje N-terminalnog domena i podjela preostalog molekula na dva dijela, koji se potom povezuju u dimere i tetramere.
Inicijatorske kaspaze su potrebne za aktiviranje efektorske grupe koja pokazuje proteolitičku aktivnost protiv različitih vitalnih ćelijskih proteina. Kaspazni supstrati drugog reda uključuju:
- enzimi za popravku DNK;
- p-53 inhibitor proteina;
- poli-(ADP-riboza)-polimeraza;
- inhibitor DNase DFF (uništenje ovog proteina dovodi do aktivacije CAD endonukleaze), itd.
Ukupan broj meta za efektorske kaspaze je više od 60 proteina.
Inhibicija ćelijske apoptoze je još uvijek moguća u fazi aktivacije inicijatorskih prokaspaza. Jednom kada se efektorske kaspaze aktiviraju, proces postaje nepovratan.
Putevi aktivacije apoptoze
Prenos signala za početak apoptoze ćelije može se izvesti na dva načina: receptorski (ili eksterni) i mitohondrijski. U prvom slučaju, proces se aktivira preko specifičnih receptora smrti koji percipiraju vanjske signale, a to su proteini familije TNF (faktor nekroze tumora) ili Fas ligandi koji se nalaze na površini. T-killers.
Receptor uključuje 2 funkcionalna domena: transmembranski (dizajniran da se veže za ligand) i "domen smrti" orijentisan unutar ćelije, koji indukuje apoptozu. Mehanizam receptorskog puta zasniva se na formiranju DISC kompleksa koji aktivira inicijatorske kaspaze 8 ili 10.
Sastavljanje počinje interakcijom domene smrti sa intracelularnim adapterskim proteinima, koji zauzvrat vezuju inicijatorske prokaspaze. Kao dio kompleksa, potonje se pretvaraju u funkcionalno aktivne kaspaze i pokreću dalju apoptotičku kaskadu.
Mehanizam unutrašnjeg puta zasniva se na aktivaciji proteolitičke kaskade specifičnim mitohondrijalnim proteinima, čije oslobađanje kontrolišu intracelularni signali. Oslobađanje komponenti organela vrši se formiranjem ogromnih pora.
Cytochrome c igra posebnu ulogu u lansiranju. Jednom u citoplazmi, ova komponenta elektrotransportnog lanca se vezuje za protein Apaf1 (faktor koji aktivira apoptotičku proteazu), što dovodi do aktivacije potonjeg. Apaf1 je tada vezan za inicijatorske prokaspaze 9, koje pokreću apoptozu kaskadnim mehanizmom.
Kontrolu unutrašnjeg puta vrši posebna grupa proteina iz porodice Bcl12, koji regulišu otpuštanje intermembranskih komponenti mitohondrija u citoplazmu. Porodica sadrži i pro-apoptotičke i anti-apoptotičke proteine, ravnoteža između kojih određuje da li će proces biti pokrenut.
Jedan od moćnih faktora koji pokreću apoptozu mitohondrijskim mehanizmom su reaktivnioblici kiseonika. Drugi značajan induktor je protein p53, koji aktivira mitohondrijski put u prisustvu oštećenja DNK.
Ponekad početak apoptoze ćelije kombinuje dva načina odjednom: i spoljašnji i unutrašnji. Potonje obično služi za poboljšanje aktivacije receptora.
