Proces, s katerim se celica lahko ubije, se imenuje programirana celična smrt (PCD). Ta mehanizem ima več različic in igra pomembno vlogo v fiziologiji različnih organizmov, zlasti večceličnih. Najpogostejša in dobro raziskana oblika CHF je apoptoza.
Kaj je apoptoza
Apoptoza je nadzorovan fiziološki proces samouničenja celice, za katerega je značilno postopno uničenje in razdrobljenost njene vsebine s tvorbo membranskih veziklov (apoptotičnih teles), ki jih nato absorbirajo fagociti. Ta genetski mehanizem se aktivira pod vplivom določenih notranjih ali zunanjih dejavnikov.
Pri tej varianti smrti celična vsebina ne presega membrane in ne povzroča vnetja. Disregulacija apoptoze vodi do resnih patologij, kot je nenadzorovana delitev celic ali degeneracija tkiva.
Apoptoza je le ena od več oblik programirane celične smrti (PCD), zato je napačno identificirati te koncepte. Do slavnihvrste celičnega samouničenja vključujejo tudi mitotično katastrofo, avtofagijo in programirano nekrozo. Drugi mehanizmi PCG še niso raziskani.
Vzroki za celično apoptozo
Vzrok za sprožitev mehanizma programirane celične smrti so lahko tako naravni fiziološki procesi kot patološke spremembe, ki jih povzročajo notranje okvare ali izpostavljenost zunanjim škodljivim dejavnikom.
Običajno apoptoza uravnoveša proces delitve celic, uravnava njihovo število in spodbuja obnovo tkiva. V tem primeru so vzrok HGC določeni signali, ki so del sistema za nadzor homeostaze. S pomočjo apoptoze se uničijo celice za enkratno uporabo ali celice, ki so izpolnile svojo funkcijo. Tako se povečana vsebnost levkocitov, nevtrofilcev in drugih elementov celične imunosti po koncu boja proti okužbi odpravi prav zaradi apoptoze.
Programirana smrt je del fiziološkega cikla reproduktivnega sistema. Apoptoza je vključena v proces oogeneze in prispeva tudi k smrti jajčeca v odsotnosti oploditve.
Klasičen primer vpletenosti celične apoptoze v življenjski cikel vegetativnih sistemov je jesensko odpadanje listov. Sam izraz izvira iz grške besede apoptosis, ki dobesedno pomeni "padanje".
Apoptoza igra pomembno vlogo pri embriogenezi in ontogenezi, ko se v telesu spremenijo tkiva in nekateri organi atrofirajo. Primer je izginotje membran med prsti okončin nekaterih sesalcev ali smrt repa med metamorfozo.žabe.
Apoptozo lahko sproži kopičenje okvarjenih sprememb v celici, ki so posledica mutacij, staranja ali mitotičnih napak. Neugodno okolje (pomanjkanje hranil, pomanjkanje kisika) in patološki zunanji vplivi, ki jih posredujejo virusi, bakterije, toksini, itd. imajo čas za izvedbo mehanizma apoptoze in zaradi tega umre razvoj patološkega procesa - nekroza.
Morfološke in strukturno-biokemične spremembe v celici med apoptozo
Za proces apoptoze je značilen določen niz morfoloških sprememb, ki jih lahko opazujemo z mikroskopom v tkivnem pripravku in vitro.
Glavne značilnosti, značilne za celično apoptozo, vključujejo:
- obnova citoskeleta;
- zapečati vsebino celic;
- kromatinska kondenzacija;
- razdrobljenost jedra;
- zmanjšanje glasnosti celic;
- gubanje konture membrane;
- tvorba mehurčkov na površini celice,
- uničenje organelov.
Pri živalih ti procesi dosežejo vrhunec s tvorbo apoptocitov, ki jih lahko zajamejo tako makrofagi kot sosednje tkivne celice. V rastlinah do tvorbe apoptotičnih teles ne pride, po razgradnji protoplasta pa ostane okostje vcelična stena.
Poleg morfoloških sprememb apoptozo spremljajo številne preureditve na molekularni ravni. Povečajo se aktivnosti lipaze in nukleaze, kar povzroči fragmentacijo kromatina in številnih beljakovin. Vsebnost cAMP se močno poveča, struktura celične membrane se spremeni. V rastlinskih celicah opazimo nastanek velikanskih vakuol.
Kako se apoptoza razlikuje od nekroze
Glavna razlika med apoptozo in nekrozo je v vzroku razgradnje celic. V prvem primeru so vir uničenja molekularna orodja same celice, ki delujejo pod strogim nadzorom in zahtevajo porabo energije ATP. Pri nekrozi pride do pasivnega prenehanja življenja zaradi zunanjih škodljivih učinkov.
Apoptoza je naravni fiziološki proces, zasnovan tako, da ne poškoduje okoliških celic. Nekroza je nenadzorovan patološki pojav, ki nastane kot posledica kritičnih poškodb. Zato ni presenetljivo, da so mehanizem, morfologija in posledice apoptoze in nekroze v mnogih pogledih nasprotni. Vendar pa obstajajo tudi skupne točke.
| Procesna značilnost | Apoptoza | Nekroza |
| prostornina celic | zmanjša | povečanje |
| integriteta membrane | ohranjeno | kršeno |
| vnetni proces | manjka | razvija |
| ATP energija | poraba | ni uporabljeno |
| fragmentacija kromatina | na voljo | daril |
| močan padec koncentracije ATP | je | je |
| rezultat postopka | fagocitoza | sprostitev vsebine v medcelični prostor |
V primeru poškodbe celice sprožijo mehanizem programirane smrti, tudi zato, da preprečijo nekrotični razvoj. Vendar pa so nedavne študije pokazale, da obstaja še ena nepatološka oblika nekroze, ki se imenuje tudi PCD.
Biološki pomen apoptoze
Kljub temu, da apoptoza vodi v celično smrt, je njena vloga pri ohranjanju normalnega delovanja celotnega organizma zelo velika. Naslednje fiziološke funkcije se izvajajo zaradi mehanizma PCG:
- ohranjanje ravnovesja med celično proliferacijo in smrtjo;
- posodabljanje tkiv in organov;
- odprava okvarjenih in "starih" celic;
- zaščita pred razvojem patogene nekroze;
- sprememba tkiv in organov med embriogenezo in ontogenezo;
- odstranjevanje nepotrebnih elementov, ki so izpolnili svojo funkcijo;
- odstranitev celic, ki so nezaželene ali nevarne za telo (mutant, tumor, okužen z virusom);
- preprečevanje okužbe.
Tako je apoptoza eden od načinov za vzdrževanje homeostaze celičnega tkiva.
V rastlinahapoptoza se pogosto sproži, da blokira širjenje parazitskih agrobakterij, ki okužijo tkiva.
Fape celične smrti
Kaj se zgodi s celico med apoptozo, je rezultat kompleksne verige molekularnih interakcij med različnimi encimi. Reakcije potekajo kot kaskada, ko nekateri proteini aktivirajo druge, kar prispeva k postopnemu razvoju scenarija smrti. Ta postopek lahko razdelimo na več stopenj:
- Indukcija.
- Aktivacija proapoptotičnih proteinov.
- Aktivacija kaspaze.
- Uničenje in prestrukturiranje celičnih organelov.
- Tvorba apoptocitov.
- Priprava celičnih fragmentov za fagocitozo.
Sinteza vseh komponent, potrebnih za zagon, izvajanje in nadzor vsake stopnje, je genetsko zasnovana, zato se apoptoza imenuje programirana celična smrt. Aktivacija tega procesa je pod strogim nadzorom regulativnih sistemov, vključno z različnimi zaviralci CHG.
Molekularni mehanizmi celične apoptoze
Razvoj apoptoze je določen s kombiniranim delovanjem dveh molekularnih sistemov: indukcije in efektorja. Prvi blok je odgovoren za nadzorovan izstrelitev ZGK. Vključuje tako imenovane receptorje smrti, Cys-Asp-proteaze (kapaze), številne mitohondrijske komponente in pro-apoptotične proteine. Vse elemente indukcijske faze lahko razdelimo na sprožilce (sodelujejo pri indukciji) in modulatorje, ki zagotavljajo transdukcijo signala smrti.
Efektorski sistem je sestavljen iz molekularnih orodij, ki zagotavljajo razgradnjo in prestrukturiranje celičnih komponent. Prehod med prvo in drugo fazo se pojavi na stopnji kaskade proteolitične kaspaze. Zaradi komponent efektorske blokade pride do celične smrti med apoptozo.
faktorji apoptoze
Strukturno-morfološke in biokemične spremembe med apoptozo izvaja določen nabor specializiranih celičnih orodij, med katerimi so najpomembnejše kaspaze, nukleaze in membranski modifikatorji.
Kaspaze so skupina encimov, ki prerežejo peptidne vezi na ostankih asparagina in fragmentirajo beljakovine v velike peptide. Pred nastopom apoptoze so prisotni v celici v neaktivnem stanju zaradi inhibitorjev. Glavne tarče kaspaz so jedrske beljakovine.
Nukleaze so odgovorne za rezanje molekul DNK. Posebej pomembna pri razvoju apoptoze je aktivna endonukleaza CAD, ki razbije kromatinske regije v regijah povezovalnih sekvenc. Posledično nastanejo fragmenti z dolžino 120-180 nukleotidnih parov. Kompleksni učinek proteolitičnih kaspaz in nukleaz vodi do deformacije in fragmentacije jedra.
Modifikatorji celične membrane - prekinejo asimetrijo bilipidne plasti in jo spremenijo v tarčo fagocitnih celic.
Ključno vlogo pri razvoju apoptoze imajo kaspaze, ki postopoma aktivirajo vse nadaljnje mehanizme razgradnje in morfološke preureditve.
Vloga kaspaze v celičnismrt
Družina kaspaz vključuje 14 beljakovin. Nekatere med njimi niso vključene v apoptozo, ostale pa delimo v 2 skupini: iniciacijske (2, 8, 9, 10, 12) in efektorske (3, 6 in 7), ki jih sicer imenujemo kaspaze druge stopnje. Vsi ti proteini se sintetizirajo kot prekurzorji - prokaspaze, ki se aktivirajo s proteolitičnim cepljenjem, katerega bistvo je ločitev N-terminalne domene in delitev preostale molekule na dva dela, ki ju nato povežemo v dimerje in tetramere.
Iniciatorske kaspaze so potrebne za aktiviranje efektorske skupine, ki kaže proteolitično aktivnost proti različnim vitalnim celičnim beljakovinam. Substrati kaspaze druge stopnje vključujejo:
- encimi za popravilo DNK;
- p-53 zaviralec beljakovin;
- poli-(ADP-riboza)-polimeraza;
- inhibitor DNase DFF (uničenje te beljakovine vodi do aktivacije CAD endonukleaze) itd.
Skupno število tarč za efektorske kaspaze je več kot 60 beljakovin.
Inhibicija celične apoptoze je še vedno možna v fazi aktivacije iniciatorskih prokaspaz. Ko so efektorske kaspaze aktivirane, postane proces nepovraten.
poti aktivacije apoptoze
Prenos signala za začetek celične apoptoze se lahko izvede na dva načina: receptorski (ali zunanji) in mitohondrijski. V prvem primeru se proces aktivira preko specifičnih smrtnih receptorjev, ki zaznavajo zunanje signale, ki so proteini družine TNF (faktor tumorske nekroze) ali Fas ligandi, ki se nahajajo na površini. T-killers.
Receptor vključuje 2 funkcionalni domeni: transmembransko (zasnovana za vezavo na ligand) in "domeno smrti", usmerjeno v notranjost celice, ki inducira apoptozo. Mehanizem receptorske poti temelji na tvorbi kompleksa DISC, ki aktivira iniciatorske kaspaze 8 ali 10.
Sestavljanje se začne z interakcijo domene smrti z intracelularnimi adapterskimi proteini, ki posledično vežejo iniciatorske prokapaze. Kot del kompleksa se slednje pretvorijo v funkcionalno aktivne kaspaze in sprožijo nadaljnjo apoptotično kaskado.
Mehanizem notranje poti temelji na aktivaciji proteolitične kaskade s specifičnimi mitohondrijskimi proteini, katerih sproščanje nadzirajo znotrajcelični signali. Sprostitev komponent organelov poteka s tvorbo ogromnih por.
Cytochrome c igra posebno vlogo pri lansiranju. Ko je v citoplazmi, se ta komponenta elektrotransportne verige veže na protein Apaf1 (faktor aktivacije apoptotične proteaze), kar vodi do aktivacije slednjega. Apaf1 je nato vezan na iniciatorske prokaspaze 9, ki sprožijo apoptozo s kaskadnim mehanizmom.
Nadzor notranje poti izvaja posebna skupina proteinov družine Bcl12, ki uravnavajo sproščanje intermembranskih komponent mitohondrijev v citoplazmo. Družina vsebuje tako pro-apoptotične kot anti-apoptotične proteine, med katerimi je ravnovesje odvisno, ali se bo proces začel.
Eden od močnih dejavnikov, ki sprožijo apoptozo po mitohondrijskem mehanizmu, je reaktivenoblike kisika. Drug pomemben induktor je protein p53, ki aktivira mitohondrijsko pot v prisotnosti poškodbe DNK.
Včasih začetek celične apoptoze združuje dva načina hkrati: zunanji in notranji. Slednje običajno služi povečanju aktivacije receptorjev.
