Morfološke manifestacije apoptoze. Apoptoza - funkcije, mehanizmi Faze apoptoze ćelije
![Morfološke manifestacije apoptoze. Apoptoza - funkcije, mehanizmi Faze apoptoze ćelije](https://i0.wp.com/tiensmed.ru/news/uimg/ac/apoptoz-w2c.jpg)
Apoptoza
Ćelijska smrt u tijelu može se dogoditi na 2 načina: nekroza I apoptoza.
Apoptoza– ovo je vrsta ćelijske smrti u kojoj sama ćelija aktivno učestvuje u procesu svoje smrti, tj. dolazi do samouništenja ćelije. Apoptoza je, za razliku od nekroze, aktivan proces; nakon izlaganja etiološkim faktorima, pokreće se genetski programirana kaskada reakcija, praćenih aktivacijom određenih gena, sintezom proteina, enzima, što dovodi do efikasnog i brzog uklanjanja ćelija iz tkivo.
Uzroci apoptoze.
1. Tokom embriogeneze, apoptoza igra važnu ulogu u uništavanju različitih primordija tkiva i formiranju organa.
2. Stareće ćelije koje su završile svoj razvojni ciklus, na primer, limfociti koji su iscrpeli zalihe citokina, prolaze kroz apoptozu.
3. U rastućim tkivima određeni dio ćelija kćeri prolazi kroz apoptozu. Procenat umirućih ćelija može se regulisati sistemskim i lokalnim hormonima.
4. Uzrok apoptoze može biti slab uticaj štetnih faktora, koji sa većim intenzitetom može dovesti do nekroze (hipoksija, jonizujuće zračenje, toksini itd.)
Patogeneza apoptoze:
Ćelija prolazi kroz apoptozu ako dođe do oštećenja DNK u jezgru koje se ne može ispraviti sistemom popravke. Ovaj proces prati protein kodiran genom p53. Ako je nemoguće eliminirati DNK defekt, program apoptoze se aktivira pod utjecajem p53 proteina.
Mnoge ćelije imaju receptore čiji uticaj izaziva aktivaciju apoptoze. Najviše proučavani su Fas receptor, koji se nalazi na limfocitima, i receptor faktora nekroze tumora-alfa (TNF-α), koji se nalazi na mnogim ćelijama. Ovi receptori igraju važnu ulogu u uklanjanju autoreaktivnih limfocita i regulaciji konstantnosti veličine stanične populacije povratnom spregom.
Apoptoza se može aktivirati različitim metabolitima i hormonima: protuupalnim citokinima, steroidnim hormonima, dušičnim oksidom (NO) i slobodnim radikalima.
Apoptoza ćelije se aktivira kada postoji nedostatak kiseonika u tkivima. Razlog za njegovu aktivaciju može biti djelovanje slobodnih radikala, poremećaj energetski ovisnih procesa popravke DNK, itd.
Ćelije koje su izgubile kontakt sa ekstracelularnim matriksom, bazalnom membranom ili susjednim stanicama prolaze kroz apoptozu. Gubitak ovog mehanizma apoptoze u tumorskim ćelijama dovodi do pojave sposobnosti metastaziranja.
Neki virusni proteini mogu aktivirati ćelijsku apoptozu nakon samosastavljanja virusa u inficiranoj ćeliji. Apsorpcija apoptotičkih tijela od strane susjednih stanica dovodi do njihove infekcije virusom. Virus AIDS-a također može aktivirati apoptozu neinficiranih stanica koje imaju CD4 receptor na svojoj površini.
Postoje i faktori koji sprečavaju apoptozu. Mnogi metaboliti i hormoni, na primjer, polni hormoni i proinflamatorni citokini, mogu usporiti apoptozu. Apoptoza se može naglo usporiti zbog defekta u mehanizmu stanične smrti, na primjer, s mutacijom gena p53 ili aktivacijom gena koji inhibiraju apoptozu (bcl-2). Mnogi virusi imaju sposobnost da inhibiraju apoptozu nakon integracije vlastite DNK u genom ćelije za vrijeme sinteze vlastitih strukturnih proteina.
Morfološke manifestacije apoptoze
Apoptoza ima svoje karakteristične morfološke znakove, kako na svjetlosno-optičkom tako i na ultrastrukturnom nivou. Najjasnije morfološke karakteristike otkriva se elektronskim mikroskopom. Stanicu koja prolazi kroz apoptozu karakteriše:
Kompresija ćelije.Ćelija se smanjuje u veličini; citoplazma postaje gušća; organele koje izgledaju relativno normalno raspoređene su kompaktnije. Pretpostavlja se da do poremećaja oblika i volumena stanice dolazi kao rezultat aktivacije transglutaminaze i cistein proteaza (kaspaza) u apoptotičkim stanicama. Prva grupa enzima uzrokuje stvaranje poprečnih veza u citoplazmatskim proteinima, što dovodi do stvaranja svojevrsne membrane ispod stanične membrane, poput keratinizirajućih epitelnih stanica, a druga grupa enzima uništava proteine u citosolu.
Kondenzacija hromatina. Ovo je najkarakterističnija manifestacija apoptoze. DNK se cijepa endonukleazama na mjestima koja vežu pojedinačne nukleozome, što rezultira stvaranjem velikog broja fragmenata u kojima je broj parova baza podijeljen sa 180-200, koji se potom kondenziraju ispod nuklearne membrane. Jezgro se može razbiti na dva ili više fragmenata.
Formiranje apoptotičkih tijela. U apoptotičnoj ćeliji nastaju duboke invaginacije ćelijske membrane, što dovodi do odvajanja ćelijskih fragmenata, tj. formiranje membranom okruženih apoptotičkih tijela koja se sastoje od citoplazme i gusto smještenih organela, sa ili bez nuklearnih fragmenata.
Fagocitoza apoptotičke ćelije ili tijela provode okolne zdrave stanice, kako makrofagi tako i parenhimske. Apoptotična tijela se brzo uništavaju u lizosomima, a okolne ćelije ili migriraju ili se dijele kako bi popunile prostor koji je ispražnjen smrću stanice.
Kada se boje hematoksilinom i eozinom, apoptoza se otkriva u pojedinačnim ćelijama ili malim grupama ćelija. Apoptotične ćelije imaju okrugli ili ovalni oblik, intenzivno eozinofilnu citoplazmu sa gustim fragmentima nuklearnog kromatina. Budući da se kompresija stanica i formiranje apoptotičkih tijela dešava brzo i isto tako brzo se fagocitiraju, dezintegriraju ili otpuštaju u lumen organa, apoptoza se otkriva u histološkim preparatima u slučajevima njene značajne težine. Osim toga, apoptoza – za razliku od nekroze – nikada nije praćena upalnim reakcijama, što također otežava njeno histološko otkrivanje.
Za identifikaciju stanica u ranim fazama apoptoze koriste se posebne imunohistokemijske studije, na primjer, detekcija aktiviranih kaspaza ili TUNEL metoda, koja vizualizira DNK razbijenu endonukleazama.
Značenje apoptoze.
1. Apoptoza je od velike važnosti u embriogenezi (uključujući implantaciju i organogenezu). Oštećenje odumiranja ćelija u interdigitalnim prostorima može dovesti do sindaktilije, a izostanak apoptoze viška epitela tokom fuzije palatinskih procesa ili tkiva koje okružuju neuralnu cijev dovodi do poremećene fuzije tkiva sa obe strane, što se manifestuje rascepom tvrdo nepce i defekt u tkivima koja ograničavaju kičmeni kanal (spina bifida), respektivno.
2. Apoptoza igra važnu ulogu u održavanju konstantnosti ćelijskog sastava, posebno u tkivima osjetljivim na hormone. Usporavanje apoptoze dovodi do hiperplazije tkiva, ubrzanje – do atrofije. Učestvuje u izlučivanju endometrijuma tokom menstrualnog ciklusa, atreziji folikula u jajnicima tokom menopauze i regresiji tkiva dojke nakon prestanka laktacije.
3. Trenutno se proučava ogroman broj lijekova koji imaju za cilj regulaciju apoptoze u određenim tkivima. Dakle, ubrzavanje apoptoze imunokompetentnih stanica može se koristiti za liječenje autoimunih bolesti i sprječavanje odbacivanja transplantata, a usporavanje apoptoze može se koristiti za sprječavanje apoptoze u tkivima koja doživljavaju ishemiju, povećan vanjski pritisak ili privremeno neaktivna tkiva. Usporavanje apoptoze tokom virusnih infekcija sprečava širenje infekcije na susedne ćelije.
4. Kod svih tumora, apoptoza u tumorskim ćelijama je poremećena. Do ovog sloma može doći u različitim fazama apoptoze, na primjer, može doći do mutacije gena p53, što dovodi do činjenice da će se mutantni p53 protein akumulirati u ćeliji u suvišnim količinama, ali neće uzrokovati apoptozu uprkos defektima u genom ćelije, što će dovesti do proliferacije ćelija sa poremećenim genomom, a sa svakom sledećom deobom će se gomilati kršenja DNK. Ponekad se normalni, ili „divlji“, protein p53 može akumulirati u tumorskim ćelijama ako dođe do sloma mehanizma apoptoze na drugim nivoima. Kod kronične limfoidne leukemije uočava se akumulacija produkata gena bcl-2, što dovodi do patološkog produženja životnog vijeka tumorskih stanica i rezistencije stanica na različite proapoptotske faktore. Ponekad je poremećen prijenos signala s receptora za ćelijsku smrt, na primjer, iz TNF-α receptora. TNF-α je uključen u regulaciju povratnih informacija stanične populacije. Sve ćelije u populaciji luče TNF-α u malim količinama; što je više ćelija u tkivu, veća je koncentracija TNF-α, a time i nivo apoptoze. Na ovaj način se postiže ravnoteža između proliferacije ćelije i smrti ćelije. Tumorske ćelije gube sposobnost apoptoze pod uticajem ovog citokina i on se akumulira u velikim količinama u tumorskom tkivu. Kao rezultat toga, TNF-α počinje ulaziti u krvotok u velikim količinama i uzrokovati apoptozu parenhimskih stanica u mnogim organima, što dovodi do kaheksije.
Definicija apoptoze. Apoptoza je fenomen nasljedno programirane ćelijske smrti. Svaka ćelija pri svom rođenju je, takoreći, programirana za samouništenje. Uslov njenog života je da blokira ovaj samoubilački program.
Apoptoza se javlja u ćelijama:
Stari koji su nadživjeli svoju korisnost;
Ćelije sa poremećenom diferencijacijom;
Ćelije s genetskim poremećajima;
Ćelije zaražene virusima.
Morfološki znaci apoptoze.
Skupljanje ćelije;
Kondenzacija i fragmentacija jezgra;
Uništavanje citoskeleta;
Bulozna protruzija ćelijske membrane.
Karakteristike apoptoze - apoptoza ne izaziva upalu u okolnim tkivima.Razlog je očuvanje membrane i → izolacija štetnih faktora u citoplazmi dok se proces ne završi (O 2 -, H 2 O 2, lizozomalni enzimi). Ova karakteristika je važna pozitivna karakteristika apoptoze, za razliku od nekroze. Kod nekroze, membrana se odmah ošteti (ili pukne). Zbog toga se tokom nekroze oslobađa sadržaj citoplazme (O 2 -, H 2 O 2, lizozomalni enzimi). Dolazi do oštećenja susjednih stanica i upalnog procesa. Važna karakteristika apoptoze je uklanjanje umirućih ćelija bez razvoja upale.
Proces apoptoze - može se podijeliti u 2 (dvije) faze:
1. Formiranje i provođenje apoptotičkih signala – faza odlučivanja.
2. Demontaža ćelijskih struktura - efektorska faza.
1. faza – donošenje odluke (=formiranje i prihvatanje apoptotičkih signala). Ovo je faza prihvatanja stimulansa za apoptozu. Ovisno o prirodi podražaja, mogu postojati dvije (2) vrste signalnih puteva:
1) Oštećenje DNK kao rezultat zračenja, djelovanja toksičnih agenasa, glukokortikoida itd.
2) aktivacija receptora "regije ćelijske smrti".. Receptori regije smrti ćelije su grupa receptora na membranama bilo koje ćelije koje percipiraju proapoptotičke stimuluse. Ako se broj i aktivnost takvih receptora poveća, onda se povećava i broj ćelija koje apoptički umiru. Receptori “regije ćelijske smrti” uključuju: a) TNF-R (veže se za faktor nekroze tumora i aktivira apoptozu); b) Fas-R (k); c) CD45-R (veže se za antitela i aktivira apoptozu).
Ovisno o vrsti signala, postoje 2 (dvije) glavne metode apoptoze: a) kao rezultat oštećenja DNK;
b) kao rezultat nezavisne aktivacije receptora “regije ćelijske smrti” bez oštećenja DNK.
2. faza – efektor (= demontaža ćelijskih struktura. Glavni učesnici efektorske faze:
Cisteinske proteaze (kapaze);
Endonukleaze;
Serinske i lizozomalne proteaze;
Ca++ aktivirane proteaze (kalpein)
Ali! Među njima, glavni efektori demontaže ćelijskih struktura su kaspaze.
Klasifikacija kaspaza - 3 (tri) grupe:
Efektorske kaspaze - kaspaze 3, 6, 7.
Induktori aktivacije efektorskih kaspaza – kaspaze 2, 8, 9, 10. = aktivatori citokina – kaspaze 1, 4, 5, 13.
Efektorske kaspaze su kaspaze 3, 6, 7. To su direktni izvršioci apoptoze. Ove kaspaze su u ćeliji u neaktivnom stanju. Aktivirane efektorske kaspaze započinju lanac proteolitičkih događaja, čija je svrha da "razmontiraju" ćeliju. Aktiviraju ih induktori aktivacije efektorskih kaspaza.
Induktori aktivacije efektorskih kaspaza – kaspaze 2, 8, 9, 10. Glavni induktori su kaspaze 8 i 9. Oni aktiviraju efektorske kaspaze. Mehanizam je cijepanje asparaginskih baza nakon čega slijedi dimerizacija aktivnih podjedinica. Ove kaspaze su normalno neaktivne u ćelijama i postoje u obliku prokaspaza.
Aktivacija određenih induktora ovisi o vrsti signalnog puta:
1. Kada dođe do oštećenja DNK, aktivira se signalni put br. 1, aktivira se kaspaza br. 9.
2. Kada se aktiviraju receptori ćelijske smrti, uključuje se signalni put br. 2, aktivira se kaspaza br. 8.
Signalni put br. 1 (povezan sa oštećenjem DNK)
Oštećenje DNK
Aktivacija p53 gena i proizvodnja odgovarajućeg proteina
Aktivacija proapoptotičkih gena BCL-2 porodice (BAX i BID)
Formiranje proteina ovih gena
Aktivacija kaspaze 9
Aktivacija kaspaze 3
Put signala br. 2
(povezano sa aktivacijom "regije ćelijske smrti")
Ligand + receptori "regije ćelijske smrti"
Aktivacija kaspaze broj 8
Nezavisna aktivacija kaspaze broj 3
Aktivacija drugih kaspaza i proteaza
Regulacija apoptoze. Istraživanja posljednjih godina dovela su do stvaranja modela apoptoze. Prema ovom modelu, svaka ćelija pri svom rođenju je programirana da se samounište. Stoga je njen životni uslov da blokira ovaj samoubilački program. Glavni zadatak regulacije apoptoze je održati efektorske kaspaze u neaktivnom stanju, ali ih brzo pretvoriti u aktivni oblik kao odgovor na minimalno djelovanje odgovarajućih induktora.
Otuda koncept inhibitora i aktivatora apoptoze.
Inhibitori apoptoze (=anti-apoptotički faktori). Najozbiljniji inhibitori apoptoze uključuju faktore rasta. Ostalo: neutralne aminokiseline, cink, estrogeni, androgeni, neki proteini.
Primjer: proteini iz porodice IAP suzbijaju aktivnost kaspaza 3 i 9. Zapamtite: jedan od ovih proteina (Survin) se nalazi u tumorskim ćelijama. Povezan je sa otpornošću tumorskih ćelija na kemoterapiju
Aktivatori apoptoze (=pro-apoptotski faktori). To su proapoptotički geni i njihovi proizvodi: a) geni BCL-2 porodice (BAX i BID); b) Rb i P53 geni (pokreću apoptozu ako je ćelija zadržana mehanizmom kontrolne tačke.
Sažetak. Patogeneza mnogih bolesti, uključujući tumore, povezana je sa smanjenjem sposobnosti ćelija da se podvrgnu apoptozi. Otuda nakupljanje oštećenih ćelija i stvaranje tumora.
PATOFIZIOLOGIJA ĆELIJE
Glavna razlika između podjele zdrave i tumorske ćelije:
Podjela zdrave ćelije regulirana je na parakrini i endokrini način. Ćelija se pokorava ovim signalima i dijeli se samo ako je tijelu potrebno formiranje novih ćelija date vrste.
Podjela tumorskih stanica regulirana je na autokrini način. Sama tumorska stanica proizvodi mitogene stimulante i dijeli se pod njihovim utjecajem. Ne reaguje na parakrine i endokrine stimuluse.
Postoje 2 (dva) mehanizma transformacije tumorskih ćelija:
1. Aktivacija onkogena.
2. Inaktivacija gena supresora.
AKTIVACIJA ONKOGENA
Prije svega, 2 (dva) glavna koncepta: = protoonkogeni;
Onkogeni.
Protoonkogeni su normalni, netaknuti geni koji kontroliraju zdravu diobu stanica.
Protoonkogeni uključuju gene koji kontrolišu obrazovanje i rad:
1. Faktori rasta.
2. Membranski receptori za faktore rasta, na primjer receptore tirozin kinaze.
3. Ras proteini.
4. MAP kinaze, učesnici u kaskadi MAP kinaza.
5. AP-1 faktori transkripcije.
Onkogeni su oštećeni protoonkogeni. Proces oštećenja protoonkogena i transformacije u onkogen naziva se aktivacija onkogena.
Mehanizmi aktivacije onkogena.
1. Uključivanje (umetanje) promotera. Promotor je regija DNK za koju se veže protoonkogen RNK polimeraza. Neophodan uslov je da promotor mora biti u neposrednoj blizini protoonkogena. Otuda i opcije: a) promoter - kopija DNK onkornavirusa; b) "geni za skokove" - dijelovi DNK koji se mogu kretati i integrirati u različite dijelove genoma ćelije.
2. Amplifikacija – povećanje broja protoonkogena ili pojava kopija protoonkogena. Protoonkogeni obično imaju malu aktivnost. Sa povećanjem broja ili pojavom kopija, njihova ukupna aktivnost značajno raste i to može dovesti do tumorske transformacije ćelije.
3. Translokacija protoonkogena. Ovo je kretanje protoonkogena do lokusa s funkcionalnim promotorom.
4. Mutacije protoonkogena.
Proizvodnja onkogena. Onkogeni formiraju sopstvene proteine. Ovi proteini se nazivaju "onkoproteini".
Sinteza onkoproteina naziva se "ekspresija aktivnih ćelijskih onkogena".
Onkoproteini su u osnovi analozi protoonkogenih proteina: faktori rasta, Ras proteini, MAP kinaze, faktori transkripcije. Ali postoje kvantitativne i kvalitativne razlike između onkogena i protoonkogenih proteina.
Razlike između onkoproteina i normalne proizvodnje protoonkogena:
1. Povećana sinteza onkoproteina u poređenju sa sintezom protoonkogenih proteina.
2. Onkoproteini imaju strukturne razlike od protoonkogenih proteina.
Mehanizam djelovanja onkoproteina.
1. Onkoproteini se vezuju za receptore za faktore rasta i formiraju komplekse koji konstantno stvaraju signale za diobu ćelija.
2. Onkoproteini povećavaju osjetljivost receptora na faktore rasta ili smanjuju osjetljivost na inhibitore rasta.
3. Onkoproteini mogu sami djelovati kao faktori rasta.
INAKTIVACIJA SUPRESORSKIH GENA
Supresorski geni: Rb I p53.
Njihovi proizvodi su odgovarajući proteini.
Inaktivacija gena supresora (nasljednih ili stečenih) dovodi do prolaska ćelija sa oštećenom DNK u mitozu, reprodukciju i akumulaciju ovih ćelija. Ovo je mogući razlog za nastanak tumora.
RAST TUMORA: DEFINICIJA, UZROCI POVEĆANJA BROJA MALIGNIH BOLESTI
Tumor je patološki rast koji se razlikuje od drugih patoloških izraslina po svojoj nasljedno fiksiranoj sposobnosti neograničenog nekontroliranog rasta.
Ostale patološke izrasline su hiperplazija, hipertrofija, regeneracija nakon oštećenja.
Razlozi povećanja broja malignih bolesti među stanovništvom:
1. Produženi životni vijek.
2. Poboljšanje kvaliteta dijagnostike → povećanje detekcije karcinoma.
3. Pogoršanje stanja životne sredine, povećanje sadržaja kancerogenih faktora u životnoj sredini.
BENIGNI I MALIGNI TUMORI
Jedinstvena klasifikacija tumora još nije stvorena. Uzrok:
1. Širok spektar znakova karakterističnih za različite tumore.
2. Nedovoljno poznavanje njihove etiologije i patogeneze.
Moderne klasifikacije temelje se na glavnim morfološkim i kliničkim znakovima tumora.
Na osnovu kliničkih karakteristika, svi tumori se dijele na benigne i maligne.
Benigni tumori:
1. Tumorske ćelije su morfološki identične ili slične normalnim progenitorskim ćelijama.
2. Stepen diferencijacije tumorskih ćelija je prilično visok.
3. Stopa rasta je spora, tokom mnogo godina.
4. Priroda rasta je ekspanzivna, tj. Tokom rasta tumora, susjedna tkiva se pomiču, ponekad stisnu, ali obično ne oštećuju.
5. Razgraničenje od okolnih tkiva je jasno.
6. Sposobnost metastaziranja je odsutna.
7. Nema izraženih štetnih efekata na organizam. Izuzetak: tumori koji se nalaze u blizini vitalnih centara. Primjer: tumor na mozgu koji komprimira nervne centre.
Maligni tumori.
1. Tumorske ćelije se morfološki razlikuju od normalnih progenitorskih ćelija (često do neprepoznatljivosti).
2. Stepen diferencijacije tumorskih ćelija je nizak.
3. Stopa rasta je brza.
4. Priroda rasta je invazivna, tj. tumor raste u susjedne strukture. Faktori koji doprinose:
Tumorske ćelije stiču sposobnost da se odvoje od tumorskog čvora i aktivno se kreću;
Sposobnost tumorskih ćelija da proizvode "karcinoagresine". To su proteini koji prodiru u okolno normalno tkivo i stimulišu hemotaksiju tumorskih ćelija.
Smanjene sile adhezije ćelija. Ovo olakšava odvajanje tumorskih ćelija od primarnog čvora i njihovo naknadno kretanje.
Smanjenje kontaktnog kočenja.
5. Demarkacija od okolnih tkiva – br.
6. Sposobnost metastaziranja je izražena.
7. Uticaj na organizam je nepovoljan, generalizovan.
Stranica pruža referentne informacije samo u informativne svrhe. Dijagnoza i liječenje bolesti moraju se provoditi pod nadzorom specijaliste. Svi lijekovi imaju kontraindikacije. Konsultacija sa specijalistom je obavezna!
Šta je apoptoza?
Apoptoza– fiziološka smrt ćelije, koja je vrsta genetski programiranog samouništenja.Izraz "apoptoza" sa grčkog se prevodi kao "otpadanje". Autori pojma dali su ovo ime procesu programirane ćelijske smrti jer se s njim povezuje jesenje opadanje uvelog lišća. Osim toga, sam naziv karakterizira proces kao fiziološki, postupan i apsolutno bezbolan.
Kod životinja je najupečatljiviji primjer apoptoze obično nestanak žabljeg repa tokom metamorfoze od punoglavca u odraslu osobu.
Kako žaba raste, rep potpuno nestaje, jer njene stanice prolaze kroz postepenu apoptozu - programiranu smrt i apsorpciju uništenih elemenata od strane drugih stanica.
Fenomen genetski programirane ćelijske smrti javlja se kod svih eukariota (organizama čije ćelije imaju jezgro). Prokarioti (bakterije) imaju neobičan analog apoptoze. Možemo reći da je ovaj fenomen karakterističan za sva živa bića, s izuzetkom tako posebnih predćelijskih oblika života kao što su virusi.
I pojedinačne ćelije (obično defektne) i čitavi konglomerati mogu biti podvrgnuti apoptozi. Ovo posljednje je posebno karakteristično za embriogenezu. Na primjer, eksperimenti istraživača su dokazali da zbog apoptoze tokom embriogeneze, membrane između prstiju pilića nestaju.
Naučnici kažu da kod ljudi urođene anomalije kao što su spojeni prsti na rukama i nogama također nastaju zbog narušavanja normalne apoptoze u ranim fazama embriogeneze.
Istorija otkrića teorije apoptoze
Proučavanje mehanizama i značaja genetski programirane smrti ćelije počelo je šezdesetih godina prošlog veka. Naučnike je zanimala činjenica da je ćelijski sastav većine organa tokom čitavog života organizma gotovo isti, ali se životni ciklus različitih tipova ćelija značajno razlikuje. U ovom slučaju, mnoge ćelije se stalno zamjenjuju.Dakle, relativna postojanost ćelijskog sastava svih organizama održava se dinamičkom ravnotežom dvaju suprotstavljenih procesa – proliferacije (diobe i rasta) ćelije i fiziološke smrti zastarjelih ćelija.
Autorstvo pojma pripada britanskim naučnicima - J. Kerr, E. Wiley i A. Kerry, koji su prvi iznijeli i potkrijepili koncept fundamentalne razlike između fiziološke smrti stanica (apoptoze) i njihove patološke smrti (nekroze) .
2002. godine naučnici iz Cambridge laboratorije, biolozi S. Brenner, J. Sulston i R. Horwitz, dobili su Nobelovu nagradu za fiziologiju ili medicinu za otkrivanje osnovnih mehanizama genetske regulacije razvoja organa i proučavanje programirane ćelijske smrti.
Danas je desetine hiljada naučnih radova posvećeno teoriji apoptoze, otkrivajući osnovne mehanizme njenog razvoja na fiziološkom, genetskom i biohemijskom nivou. U toku je aktivna potraga za njegovim regulatorima.
Od posebnog interesa su istraživanja koja omogućavaju praktičnu primjenu regulacije apoptoze u liječenju onkoloških, autoimunih i neurodistrofičnih bolesti.
Mehanizam
Mehanizam razvoja apoptoze do danas nije u potpunosti proučavan. Dokazano je da se proces može izazvati niskim koncentracijama većine supstanci koje uzrokuju nekrozu.Međutim, u većini slučajeva genetski programirana ćelijska smrt se javlja kada se signali primaju od molekula - ćelijskih regulatora, kao što su:
- hormoni;
- antigeni;
- monoklonska antitela itd.
Tipično je da signal za razvoj apoptoze može biti ili prisustvo aktivirajućih supstanci ili odsustvo određenih spojeva koji sprečavaju razvoj programirane ćelijske smrti.
Reakcija ćelije na signal zavisi ne samo od njene jačine, već i od opšteg početnog stanja ćelije, morfoloških karakteristika njene diferencijacije i faze životnog ciklusa.
Jedan od osnovnih mehanizama apoptoze u fazi njene implementacije je degradacija DNK koja rezultira fragmentacijom jezgre. Kao odgovor na oštećenje DNK, pokreću se zaštitne reakcije usmjerene na njegovu obnovu.
Neuspješni pokušaji obnavljanja DNK dovode do potpunog energetskog iscrpljivanja ćelije, što postaje direktni uzrok njene smrti.
Mehanizam apoptoze - video
Faze i faze
Postoje tri fiziološke faze apoptoze:1. Signalizacija (aktivacija specijalizovanih receptora).
2. Efektor (formiranje jednog puta apoptoze iz heterogenih efektorskih signala i pokretanje kaskade složenih biohemijskih reakcija).
3. Dehidracija (bukvalno dehidracija - ćelijska smrt).
Osim toga, morfološki se razlikuju dvije faze procesa:
1.
Prva faza – preapoptoza. U ovoj fazi, veličina ćelije se smanjuje zbog njenog skupljanja, a dolazi do reverzibilnih promjena u jezgri (kompaktacija kromatina i njegovo nakupljanje duž periferije jezgra). U slučaju izlaganja određenim specifičnim regulatorima, apoptoza se može zaustaviti, a stanica će nastaviti normalno funkcionirati.
2.
Druga faza je sama apoptoza. Unutar ćelije dolazi do velikih promjena u svim njenim organelama, ali najznačajnije transformacije se razvijaju u jezgri i na površini njene vanjske membrane. Ćelijska membrana gubi resice i normalno savijanje, na njenoj površini se formiraju mjehurići - stanica kao da ključa i kao rezultat se raspada u takozvana apoptotička tijela, apsorbirana od tkivnih makrofaga i/ili susjednih stanica.
Morfološki određen proces apoptoze obično traje od jednog do tri sata.
Nekroza ćelije i apoptoza. Sličnosti i razlike
Termini nekroza i apoptoza odnose se na potpuni prestanak aktivnosti ćelije. Međutim, apoptoza se odnosi na fiziološku smrt, a nekroza na njenu patološku smrt.Apoptoza je genetski programirani prestanak postojanja, odnosno po definiciji ima unutrašnji uzrok razvoja, dok nekroza nastaje kao rezultat uticaja izuzetno jakih faktora izvan ćelije:
- nedostatak nutrijenata;
- trovanja toksinima i sl.
Osim toga, ćelijska smrt tokom procesa nekroze i apoptoze se morfološki razlikuje - prva se karakteriše njenim oticanjem, a tokom druge, ćelija se smanjuje i njene membrane zadebljavaju.
U toku apoptoze dolazi do odumiranja ćelijskih organela, ali membrana ostaje netaknuta, tako da se formiraju takozvana apoptotska tijela, koja naknadno apsorbiraju specijalizirane stanice - makrofagi ili susjedne ćelije.
Kod nekroze, ćelijska membrana puca i sadržaj ćelije izlazi van. Počinje upalna reakcija.
Ako je dovoljan broj ćelija podvrgnut nekrozi, upala se manifestuje karakterističnim kliničkim simptomima poznatim od davnina, kao što su:
- bol;
- crvenilo (proširivanje krvnih žila u zahvaćenom području);
- otok (upalni edem);
- lokalno i ponekad općenito povećanje temperature;
- manje ili više izražena disfunkcija organa u kojem je nastala nekroza.
Biološki značaj
![](https://i0.wp.com/tiensmed.ru/news/uimg/ac/apoptoz-w2c.jpg)
1. Sprovođenje normalnog razvoja organizma tokom embriogeneze.
2. Sprečavanje proliferacije mutiranih ćelija.
3.
Regulacija imunološkog sistema.
4.
Sprečavanje preranog starenja organizma.
Ovaj proces igra vodeću ulogu u embriogenezi, jer mnogi organi i tkiva prolaze kroz značajne transformacije tokom embrionalnog razvoja. Mnogi urođeni defekti su rezultat nedovoljne apoptotske aktivnosti.
Kao programirano samouništenje defektnih ćelija, ovaj proces je moćna prirodna odbrana protiv raka. Na primjer, ljudski papiloma virus blokira stanične receptore odgovorne za apoptozu i na taj način dovodi do razvoja raka grlića maternice i nekih drugih organa.
Zahvaljujući ovom procesu dolazi do fiziološke regulacije klonova T-limfocita odgovornih za ćelijski imunitet organizma. Ćelije koje nisu u stanju da prepoznaju proteine vlastitog tijela (a oko 97% njih ukupno sazrijeva) prolaze kroz apoptozu.
Insuficijencija apoptoze dovodi do teških autoimunih bolesti, dok je njeno pojačanje moguće u stanjima imunodeficijencije. Na primjer, težina AIDS-a korelira sa intenziviranjem ovog procesa u T-limfocitima.
Osim toga, ovaj mehanizam je od velikog značaja za funkcionisanje nervnog sistema: odgovoran je za normalno formiranje neurona, a može izazvati i rano uništavanje nervnih ćelija kod Alchajmerove bolesti.
Jedna od teorija starenja tijela je teorija apoptoze. Već je dokazano da je u osnovi preranog starenja tkiva, pri čemu ćelijska smrt ostaje nepovratna (nervno tkivo, ćelije miokarda). S druge strane, nedovoljna apoptoza može doprinijeti nagomilavanju u tijelu stanica koje stare, koje normalno fiziološki odumiru i zamjenjuju se novim (rano starenje vezivnog tkiva).
Uloga teorije apoptoze u medicini
Uloga teorije apoptoze u medicini je mogućnost pronalaženja načina za regulaciju ovog procesa za liječenje i prevenciju mnogih patoloških stanja uzrokovanih slabljenjem ili, obrnuto, jačanjem apoptoze.Istraživanja se provode istovremeno u više pravaca. Prije svega, treba napomenuti naučna istraživanja u tako važnoj oblasti medicine kao što je onkologija. Budući da je rast tumora uzrokovan defektom u genetski programiranoj smrti mutiranih ćelija, proučava se mogućnost specifične regulacije apoptoze, uz povećanje njene aktivnosti u tumorskim ćelijama.
Djelovanje nekih kemoterapeutskih lijekova koji se široko koriste u onkologiji zasniva se na pojačavanju procesa apoptoze. Budući da su tumorske stanice sklonije ovom procesu, odabire se doza tvari koja je dovoljna da ubije patološke stanice, ali je relativno bezopasna za normalne.
Za medicinu su izuzetno značajne i studije koje proučavaju ulogu apoptoze u degeneraciji srčanog mišićnog tkiva pod uticajem cirkulatorne insuficijencije. Grupa kineskih naučnika (Lv X, Wan J, Yang J, Cheng H, Li Y, Ao Y, Peng R) objavila je nove eksperimentalne podatke koji dokazuju mogućnost vještačkog smanjenja apoptoze u kardiomiocitima uvođenjem određenih inhibitornih supstanci.
Ako se teorijska istraživanja na laboratorijskim objektima mogu primijeniti u kliničkoj praksi, to će biti veliki korak naprijed u borbi protiv koronarne bolesti srca. Ova patologija zauzima prvo mjesto među uzrocima smrti u svim visokorazvijenim zemljama, pa bi prelazak sa teorije na praksu bilo teško precijeniti.
Drugi vrlo obećavajući pravac je razvoj metoda za regulaciju ovog procesa za usporavanje starenja organizma. Sprovode se teorijska istraživanja u cilju stvaranja programa koji kombinuje povećanje aktivnosti apoptoze starenja ćelija i istovremeno povećanje proliferacije mladih ćelijskih elemenata. Određeni napredak je ovdje postignut na teoretskom nivou, ali je prelazak sa teorije na praktična rješenja još uvijek daleko.
Osim toga, provode se velika naučna istraživanja u sljedećim oblastima:
- alergologija;
- imunologija;
- terapija zaraznih bolesti;
- transplantologija;
Apoptoza je programirana ćelijska smrt (inicirana pod uticajem vanćelijskih ili intracelularnih faktora) u čijem razvoju imaju aktivnu ulogu posebni i genetski programirani intracelularni mehanizmi. To je, za razliku od nekroze, aktivan proces koji zahtijeva određene potrošnja energije. U početku su pokušali napraviti razliku između koncepata " programirana ćelijska smrt" i " apoptoza": prvi termin je uključivao eliminaciju ćelija u embriogenezi, a drugi - programiranu smrt samo zrelih diferenciranih ćelija. Sada je postalo jasno da u tome nema praktičnosti (mehanizmi razvoja ćelijske smrti su isti) i ova dva pojma su postala sinonimi, iako ta povezanost nije neosporna.
Prije nego počnemo iznositi materijal o ulozi apoptoze za život ćelije (i organizma) u normalnim i patološkim stanjima, razmotrićemo mehanizam apoptoze. Njihova implementacija može se predstaviti u obliku postepenog razvoja sljedećih faza:
Faza 1 – faza inicijacije (indukcije). .
Ovisno o porijeklu signala koji stimulira apoptozu, razlikuju se:
intracelularni stimulans apoptoze. Među njima najpoznatije su razne vrste zračenja, višak H+, dušikov oksid, slobodni radikali kisika i lipida, hipertermija itd. Sve to može uzrokovati razne oštećenje hromozoma(lomovi DNK, poremećaji u njenoj konformaciji, itd.) i intracelularne membrane(posebno mitohondrije). To jest, u ovom slučaju razlog za apoptozu je „nezadovoljavajuće stanje same ćelije“ (Muškambirov N.P., Kuznjecov S.L., 2003). Štoviše, oštećenje ćelijskih struktura treba biti prilično snažno, ali ne i destruktivno. Ćelija mora zadržati energiju i materijalne resurse da aktivira gene apoptoze i njene efektorske mehanizme. Intracelularni put za stimulaciju programirane ćelijske smrti može se označiti kao " apoptoza iznutra»;
transmembranski stimulans apoptoze, tj. u ovom slučaju se aktivira vanjskim “signalizacijom”, koja se prenosi preko membranskih ili (rjeđe) unutarćelijskih receptora. Ćelija može biti prilično održiva, ali sa stanovišta cijelog organizma ili “pogrešne” stimulacije apoptoze, mora umrijeti. Ova vrsta apoptoze se naziva " apoptoza na komandu».
Transmembranski podražaji se dijele na:
« negativan» signali. Za normalno funkcionisanje ćelije, regulaciju njene deobe i reprodukcije, potrebno je na nju uticati preko receptora različitih biološki aktivnih supstanci: faktora rasta, citokina, hormona. Između ostalih efekata, potiskuju mehanizme ćelijske smrti. I prirodno, nedostatak ili odsustvo ovih biološki aktivnih supstanci aktivira mehanizme programirane smrti ćelije;
« pozitivno» signali. Signalni molekuli, kao što su TNFα, glukokortikoidi, neki antigeni, adhezioni proteini, itd., nakon interakcije sa ćelijskim receptorima, mogu pokrenuti program apoptoze.
Na ćelijskim membranama postoji grupa receptora čiji je zadatak da prenesu signal za razvoj apoptoze je glavna, možda čak i jedina funkcija. To su, na primjer, proteini grupe DR (recepti smrti - “ receptori smrti"): DR 3, DR 4, DR 5. Najviše proučavan je Fas receptor, koji se pojavljuje na površini ćelija (hepatocita) spontano ili pod uticajem aktivacije (zreli limfociti). Fas receptor, kada je u interakciji sa Fas receptorom (ligandom) T ćelije ubice, pokreće program smrti ciljne ćelije. Međutim, interakcija Fas receptora sa Fas ligandom u područjima izoliranim od imunološkog sistema završava se smrću samog T-ubice (vidi dolje).
Treba imati na umu da neki signalizacijski molekuli apoptoze, ovisno o situaciji, mogu, naprotiv, blokirati razvoj programirane stanične smrti. Ambivalentnost(dvostruka manifestacija suprotnih kvaliteta) karakteristična je za TNF, IL-2, interferon γ, itd.
Na membranama eritrocita, trombocita, leukocita, kao i ćelija pluća i kože, specijalne markerski antigeni. Oni sintetišu fiziološke autoantitijela, a oni, ispunjavajući ulogu opsonins, podstiču fagocitozu ovih ćelija, tj. dolazi do smrti ćelije autofagocitoza. Pokazalo se da se markerski antigeni pojavljuju na površini „starih“ (koje su prošle svoj ontogenetski razvoj) i oštećenih ćelija, dok ih mlade i neoštećene ćelije nemaju. Ovi antigeni se nazivaju „markerni antigeni starenja i oštećenih ćelija“ ili „proteini trećeg pojasa“. Pojavu proteina treće trake kontroliše genom ćelije. Stoga se autofagocitoza može smatrati varijantom programirane ćelijske smrti.
Miješano signale. Ovo je kombinovani efekat signala prve i druge grupe. Na primjer, apoptoza se javlja u limfocitima aktiviranim mitogonom (pozitivni signal), ali nije u kontaktu s antigenom (negativni signal).
Faza 2 – faza programiranja (kontrola i integracija mehanizama apoptoze).
Ovu fazu karakteriziraju dva dijametralno suprotna procesa uočena nakon inicijacije. Desi se bilo:
implementacija triger signala za apoptozu kroz aktivaciju njenog programa (efektori su kaspaze i endonukleaze);
efekat okidača apoptoze je blokiran.
Postoje dvije glavne, ali ne i međusobno isključive opcije za izvršavanje faze programiranja (slika 14):
Rice. 14. Kaskada kaskada i njeni ciljevi
R – membranski receptor; K – kaspaza, AIF – mitohondrijalna proteaza; Citat C – citokrom c; Apaf-1 – citoplazmatski protein; IAP – inhibitori kaspaze
1. Direktan prenos signala (direktan put aktivacije efektorskih mehanizama apoptoze zaobilazeći ćelijski genom) ostvaruje se kroz:
adapterskih proteina. Na primjer, ovako pokreću apoptozu T stanice ubice. Aktivira kaspazu-8 (adapterski protein). TNF može djelovati slično;
citokrom C i proteaza AIF (mitohondrijalna proteaza). Oni izlaze iz oštećenih mitohondrija i aktiviraju kaspazu-9;
granzymes. T ćelije ubice sintetiziraju protein perforin, koji formira kanale u plazmalemi ciljne ćelije. Proteolitički enzimi ulaze u ćeliju kroz ove kanale. granzymes, koje luči isti T-ubica i oni pokreću kaskadu mreže kaspaze.
2. Indirektni prijenos signala. Implementira se pomoću ćelijskog genoma:
potiskivanje gena koji kontrolišu sintezu proteina koji inhibiraju apoptozu (geni Bcl-2, Bcl-XL, itd.). Bcl-2 proteini u normalnim ćelijama su deo mitohondrijalne membrane i zatvaraju kanale kroz koje citokrom C i AIF proteaza izlaze iz ovih organela;
ekspresija, aktivacija gena koji kontrolišu sintezu proteina aktivatora apoptoze (geni Bax, Bad, Bak, Rb, P 53, itd.). Oni zauzvrat aktiviraju kaspaze (k-8, k-9).
Na sl. Slika 14 prikazuje približni dijagram kaspaznog principa aktivacije kaspaze. Može se vidjeti da bez obzira gdje počinje kaspada, njena ključna tačka je kaspaza 3. Takođe je aktiviraju kaspaze 8 i 9. Ukupno, u porodici kaspaza postoji više od 10 enzima. Lokaliziran u citoplazmi ćelije u neaktivnom stanju (prokaspaze). Položaj svih kaspaza u ovoj kaskadi nije u potpunosti razjašnjen, tako da jedan broj njih nedostaje na dijagramu. Čim se aktiviraju kaspaze 3,7,6 (eventualno njihove druge vrste), nastupa 3. stadijum apoptoze.
Faza 3 – faza implementacije programa (izvršni, izvršni organ).
Direktni izvršioci („dželati” ćelije) su gore navedene kaspaze i endonukleaze. Mesta primene njihovog delovanja (proteolize) su (slika 14):
citoplazmatski proteini – proteini citoskeleta (fodrin i aktin). Hidroliza fodrina objašnjava promjenu na površini ćelije - „naboranost“ plazmaleme (pojava invaginacija i izbočina na njoj);
proteini nekih citoplazmatskih regulatornih enzima: fosfolipaza A 2, protein kinaza C, itd.;
nuklearnih proteina. Proteoliza nuklearnih proteina igra glavnu ulogu u razvoju apoptoze. Uništavaju se strukturni proteini, proteini enzima replikacije i reparacije (DNK-protein kinaze, itd.), regulatorni proteini (pRb, itd.) i proteini inhibitori endonukleaze.
Deaktivacija zadnje grupe – proteini inhibitori endonukleaze dovode do aktivacije endonukleaza, drugi "pištolj » apoptoza. Trenutno, endonukleaze i, posebno, Sa 2+ , Mg 2+ -zavisna endonukleaza, smatra se centralnim enzimom programirane ćelijske smrti. Ne cijepa DNK na nasumična mjesta, već samo u linker regionima (povezujući regioni između nukleozoma). Dakle, kromatin se ne lizira, već samo fragmentira, što određuje karakterističnu, strukturnu osobinu apoptoze.
Zbog razaranja proteina i hromatina u ćeliji, iz nje nastaju i pupaju različiti fragmenti - apoptotska tijela. Sadrže ostatke citoplazme, organele, hromatin, itd.
Faza 4 – pozornici uklanjanje apoptotičkih tijela (fragmenti ćelija).
Ligandi se eksprimiraju na površini apoptotičkih tijela i prepoznaju ih fagocitni receptori. Proces detekcije, apsorpcije i metabolizacije fragmenata mrtve ćelije odvija se relativno brzo. To pomaže da se izbjegne ulazak sadržaja mrtve ćelije u okolinu i na taj način, kao što je gore navedeno, upalni proces se ne razvija. Ćelija prolazi „mirno“, ne uznemiravajući „komšije“ („tiho samoubistvo“).
Programirana ćelijska smrt je važna za mnoge fiziološki procesi . Povezano sa apoptozom:
održavanje normalnih procesa morfogeneze– programirana smrt ćelije tokom embriogeneze (implantacija, organogeneza) i metamorfoze;
održavanje stanične homeostaze(uključujući eliminaciju ćelija sa genetskim poremećajima i inficiranih virusima). Apoptoza objašnjava fiziološku involuciju i balansiranje mitoza u zrelim tkivima i organima. Na primjer, smrt stanica u aktivno proliferirajućim i samoobnavljajućim populacijama - epitelnim stanicama crijeva, zrelim leukocitima, eritrocitima. Hormonski ovisna involucija - smrt endometrija na kraju menstrualnog ciklusa;
izbor varijeteta ćelija unutar populacije. Na primjer, formiranje antigen-specifične komponente imunog sistema i kontrola implementacije njegovih efektorskih mehanizama. Uz pomoć apoptoze, uništavaju se klonovi limfocita koji su nepotrebni i opasni za organizam (autoagresivni). Relativno nedavno (Griffith T.S., 1997) pokazao je značaj programirane ćelijske smrti u zaštiti “imunološki privilegovanih” područja (unutrašnje okruženje oka i testisa). Kada prođu histohematološke barijere ovih zona (što se dešava retko), efektorski T-limfociti umiru (vidi gore). Aktivacija mehanizama njihove smrti osigurava se interakcijom Fas liganda barijernih stanica sa Fas receptorima T limfocita, čime se sprječava razvoj autoagresije.
Uloga apoptoze u patologiji i tipovi raznih bolesti povezanih sa poremećenom apoptozom prikazani su u obliku dijagrama (slika 15) i tabele 1.
Naravno, značaj apoptoze u patologiji je manji od značaja nekroze (možda je to zbog nedostatka takvog znanja). Međutim, njegov problem u patologiji ima i nešto drugačiju prirodu: procjenjuje se po težini apoptoze - intenziviranju ili slabljenju kod određenih bolesti.
Proces kojim se ćelija može ubiti naziva se programirana ćelijska smrt (PCD). Ovaj mehanizam ima nekoliko varijanti i igra vitalnu ulogu u fiziologiji različitih organizama, posebno višećelijskih. Najčešći i dobro proučavan oblik PGC 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 kasnije apsorbiraju fagociti. Ovaj genetski zasnovan mehanizam se aktivira pod uticajem određenih unutrašnjih ili spoljašnjih faktora.
Kod ove vrste smrti, ćelijski sadržaj se ne proteže dalje od membrane i ne uzrokuje upalu. Disregulacija apoptoze dovodi do ozbiljnih patologija kao što su nekontrolirana dioba stanica ili degeneracija tkiva.
Apoptoza je samo jedan od nekoliko oblika programirane ćelijske smrti (PCD), pa je pogrešno izjednačavati ove koncepte. Poznati tipovi ćelijskog samouništenja također uključuju mitotičku katastrofu, autofagiju i programiranu nekrozu. Drugi mehanizmi PGC još nisu proučavani.
Uzroci apoptoze ćelije
Okidač za mehanizam programirane ćelijske smrti mogu biti kako prirodni fiziološki procesi, tako i patološke promjene uzrokovane unutrašnjim defektima ili izloženošću vanjskim nepovoljnim faktorima.
Normalno, apoptoza balansira proces diobe stanica, regulirajući njihov broj i podstičući obnovu tkiva. U ovom slučaju, uzrok PCD-a su određeni signali uključeni u sistem kontrole homeostaze. Uz pomoć apoptoze uništavaju se ćelije koje su jednokratne ili su završile svoju funkciju. Tako se povećani sadržaj leukocita, neutrofila i drugih elemenata ćelijskog imuniteta nakon završetka borbe protiv infekcije eliminira upravo zbog apoptoze.
Programirana smrt je dio fiziološkog ciklusa reproduktivnog sistema. Apoptoza je uključena u proces oogeneze i također doprinosi smrti jajeta u odsustvu oplodnje.
Klasičan primjer učešća ćelijske apoptoze u životnom ciklusu vegetativnih sistema je jesenje opadanje lišća. Sam izraz dolazi od grčke riječi apoptosis, što se doslovno prevodi kao „otpadanje“.
Apoptoza igra ključnu ulogu u embriogenezi i ontogenezi, kada se tkiva u tijelu zamjenjuju i određeni organi atrofiraju. Primjer je nestanak membrana između prstiju nekih sisara ili smrt repa tokom metamorfoze žabe.
Apoptoza se može pokrenuti nakupljanjem defektnih promjena u ćeliji koje su rezultat mutacija, starenja ili mitotičkih grešaka. Uzrok PCD može biti nepovoljna okolina (nedostatak nutritivnih komponenti, manjak kisika) i patološki vanjski utjecaji posredovani virusima, bakterijama, toksinima itd. Štaviše, ako je štetno djelovanje previše intenzivno, stanica nema vremena za prijenos izlazi iz mehanizma apoptoze i umire kao rezultat razvoja patološkog procesa – nekroze.
Morfološke i strukturno-biohemijske promene u ćelijama tokom apoptoze
Proces apoptoze karakterizira određeni skup morfoloških promjena, koje se mogu uočiti u preparatu tkiva in vitro mikroskopski.
Glavni znakovi karakteristični za ćelijsku apoptozu uključuju:
- restrukturiranje citoskeleta;
- zbijanje ćelijskog sadržaja;
- kondenzacija hromatina;
- fragmentacija jezgra;
- smanjenje volumena ćelije;
- naboranost konture membrane;
- formiranje vezikula na površini ćelije,
- uništavanje organela.
Kod životinja ovi procesi kulminiraju formiranjem apoptocita, koje mogu apsorbirati i makrofagi i susjedne ćelije tkiva. U biljkama ne dolazi do stvaranja apoptotičkih tijela, a nakon razgradnje protoplasta ostaje očuvan skelet u obliku ćelijskog zida.
Osim morfoloških promjena, apoptozu prati niz preuređivanja na molekularnom nivou. Dolazi do povećanja aktivnosti lipaze i nukleaze, što povlači fragmentaciju hromatina i mnogih proteina. Sadržaj cAMP se naglo povećava, struktura stanične membrane se mijenja. U biljnim ćelijama uočava se stvaranje divovskih vakuola.
Po čemu se apoptoza razlikuje od nekroze?
Glavna razlika između apoptoze i nekroze je uzrok ćelijske degradacije. U prvom slučaju, izvor uništenja su molekularni alati same ćelije, koji rade pod strogom kontrolom i zahtijevaju ATP energiju. Kod nekroze dolazi do pasivnog prestanka vitalne aktivnosti zbog vanjskih štetnih utjecaja.
Apoptoza je prirodni fiziološki proces dizajniran da ne ošteti okolne stanice. Nekroza je nekontrolirani patološki fenomen koji nastaje kao posljedica kritičnih ozljeda. Stoga ne čudi da su mehanizam, morfologija i posljedice apoptoze i nekroze u velikoj mjeri suprotni. Međutim, postoje i zajedničke karakteristike.
U slučaju oštećenja, ćelije pokreću mehanizam programirane smrti, uključujući i kako bi se spriječio razvoj nekroze. Međutim, nedavne studije su pokazale da postoji još jedan nepatološki oblik nekroze, koji je također klasifikovan kao PCC.
Biološki značaj apoptoze
Uprkos činjenici da apoptoza dovodi do smrti ćelije, njena uloga u održavanju normalnog funkcionisanja celog organizma je veoma velika. Zahvaljujući PGC mehanizmu, provode se sljedeće fiziološke funkcije:
- održavanje ravnoteže između ćelijske proliferacije i smrti;
- obnavljanje tkiva i organa;
- eliminacija defektnih i “starih” ćelija;
- zaštita od razvoja patogene nekroze;
- promjena tkiva i organa tokom embrio- i ontogeneze;
- uklanjanje nepotrebnih elemenata koji su ispunili svoju funkciju;
- eliminacija ćelija koje su neželjene ili opasne za organizam (mutant, tumor, zaražen virusom);
- sprečavanje razvoja infekcije.
Dakle, apoptoza je jedan od načina održavanja homeostaze stanica i tkiva.
Faze 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 kaspaza.
- Uništavanje i restrukturiranje ćelijskih organela.
- Formiranje apoptocita.
- Priprema ćelijskih fragmenata za fagocitozu.
Sinteza svih komponenti neophodnih za pokretanje, implementaciju i kontrolu svake faze je genetski određena, zbog čega se apoptoza naziva programirana ćelijska smrt. Aktivacija ovog procesa je pod strogom kontrolom regulatornih sistema, uključujući razne PGC inhibitore.
Molekularni mehanizmi apoptoze ćelije
Razvoj apoptoze determinisan je kombinovanim delovanjem dva molekularna sistema: induktivnog i efektorskog. Prvi blok je odgovoran za kontrolirano lansiranje ZGK-a. Uključuje takozvane receptore smrti, Cys-Asp proteaze (kaspaze), brojne mitohondrijske komponente i proapoptotičke proteine. Svi elementi faze indukcije mogu se podijeliti na trigere (koji učestvuju u indukciji) i modulatore, koji osiguravaju 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
Strukturne, morfološke i biohemijske promene tokom apoptoze vrše se određenim skupom specijalizovanih ćelijskih alata, među kojima su najznačajnije 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 dijelove kromatina u regijama sekvenci linkera. Kao rezultat, formiraju se fragmenti dužine 120-180 parova nukleotida. Složeno djelovanje proteolitičkih kaspaza i nukleaza dovodi do nuklearne deformacije i fragmentacije.
Modifikatori stanične membrane - narušavaju asimetriju bilipidnog sloja, pretvarajući ga u metu za fagocitne stanice.
Ključnu ulogu u razvoju apoptoze imaju kaspaze, koje postupno aktiviraju sve naknadne mehanizme degradacije i morfološkog restrukturiranja.
Uloga kaspaza u ćelijskoj smrti
Porodica kaspaza uključuje 14 proteina. Neki od njih nisu uključeni u apoptozu, a ostali su podijeljeni u 2 grupe: inicijator (2, 8, 9, 10, 12) i efektor (3, 6 i 7), koji se inače nazivaju kaspazama drugog reda. Svi ovi proteini se sintetiziraju kao prekursori - prokaspaze, aktivirani 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 neophodne za aktivaciju efektorske grupe, koja pokazuje proteolitičku aktivnost protiv različitih vitalnih ćelijskih proteina. Supstrati kaspaza drugog reda uključuju:
- Enzimi za popravku DNK;
- inhibitor p-53 proteina;
- poli(ADP-riboza) polimeraza;
- Inhibitor DNaze DFF (destrukcija ovog proteina dovodi do aktivacije CAD endonukleaze) itd.
Ukupan broj meta efektorskih kaspaza uključuje više od 60 proteina.
Inhibicija ćelijske apoptoze je još moguća u fazi aktivacije inicijatorskih prokaspaza. Kada efektorske kaspaze počnu djelovati, proces postaje nepovratan.
Putevi aktivacije apoptoze
Prijenos signala za pokretanje apoptoze ćelije može se izvesti na dva načina: receptorski (ili vanjski) i mitohondrijski. U prvom slučaju, proces se aktivira preko specifičnih receptora smrti koji percipiraju vanjske signale, a to su proteini TNF porodice ili Fas ligandi koji se nalaze na površini T ćelija ubica.
Receptor uključuje 2 funkcionalna domena: transmembranski domen (namijenjen za komunikaciju sa ligandom) i “domen smrti” orijentiran unutar ćelije, koji inducira 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 daljnju apoptotičku kaskadu.
Mehanizam unutrašnjeg puta zasniva se na aktivaciji proteolitičke kaskade posebnim mitohondrijalnim proteinima, čije oslobađanje kontrolišu intracelularni signali. Izlazak komponenata organela događa se formiranjem ogromnih pora.
Posebnu ulogu u lansiranju ima citokrom c. Jednom u citoplazmi, ova komponenta električnog transportnog lanca se vezuje za Apaf1 protein (proteaze koje aktiviraju apoptotički faktor), što dovodi do aktivacije potonjeg. Apaf1 zatim vezuje inicijatorske prokaspaze 9, koje pokreću apoptozu kroz kaskadni mehanizam.
Unutrašnji put kontroliše posebna grupa proteina iz porodice Bcl12, koji regulišu oslobađanje 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 kroz mitohondrijski mehanizam su reaktivne vrste kiseonika. Drugi značajan induktor je protein p53, koji aktivira mitohondrijski put u prisustvu oštećenja DNK.
Ponekad se pokretanje apoptoze ćelije kombinuje na dva načina odjednom: i spoljašnji i unutrašnji. Potonji obično služi za poboljšanje aktivacije receptora.