Proces, ktorým sa bunka môže zabiť, sa nazýva programovaná bunková smrť (PCD). Tento mechanizmus má niekoľko odrôd a hrá dôležitú úlohu vo fyziológii rôznych organizmov, najmä mnohobunkových. Najbežnejšou a dobre študovanou formou CHF je apoptóza.
Čo je apoptóza
Apoptóza je riadený fyziologický proces sebadeštrukcie bunky, charakterizovaný postupnou deštrukciou a fragmentáciou jej obsahu s tvorbou membránových vezikúl (apoptotických teliesok), ktoré sú následne pohlcované fagocytmi. Tento genetický mechanizmus sa aktivuje pod vplyvom určitých vnútorných alebo vonkajších faktorov.
Pri tomto variante smrti obsah buniek nepresahuje membránu a nespôsobuje zápal. Dysregulácia apoptózy vedie k vážnym patológiám, ako je nekontrolované delenie buniek alebo degenerácia tkaniva.
Apoptóza je len jednou z niekoľkých foriem programovanej bunkovej smrti (PCD), preto je chybou identifikovať tieto pojmy. K slávnymtypy bunkovej sebadeštrukcie tiež zahŕňajú mitotickú katastrofu, autofágiu a programovanú nekrózu. Iné mechanizmy PCG ešte neboli študované.
Príčiny bunkovej apoptózy
Dôvodom spustenia mechanizmu programovanej bunkovej smrti môžu byť prirodzené fyziologické procesy aj patologické zmeny spôsobené vnútornými defektmi alebo vystavením vonkajším nepriaznivým faktorom.
Normálne apoptóza vyrovnáva proces bunkového delenia, reguluje ich počet a podporuje obnovu tkaniva. V tomto prípade sú príčinou HGC určité signály, ktoré sú súčasťou systému riadenia homeostázy. Pomocou apoptózy sú zničené bunky na jedno použitie alebo bunky, ktoré splnili svoju funkciu. Zvýšený obsah leukocytov, neutrofilov a ďalších prvkov bunkovej imunity po ukončení boja s infekciou je teda eliminovaný práve vďaka apoptóze.
Programovaná smrť je súčasťou fyziologického cyklu reprodukčných systémov. Apoptóza sa podieľa na procese oogenézy a tiež prispieva k smrti vajíčka bez oplodnenia.
Klasickým príkladom zapojenia bunkovej apoptózy do životného cyklu vegetatívnych systémov je jesenné opadávanie listov. Samotný výraz pochádza z gréckeho slova apoptóza, ktoré sa doslovne prekladá ako „pád“.
Apoptóza hrá dôležitú úlohu v embryogenéze a ontogenéze, keď sa v tele menia tkanivá a niektoré orgány atrofujú. Príkladom je zmiznutie blán medzi prstami končatín niektorých cicavcov alebo odumretie chvosta pri metamorfóze.žaby.
Apoptóza môže byť spustená nahromadením defektných zmien v bunke v dôsledku mutácií, starnutia alebo mitotických chýb. Dôvodom na spustenie CHC môže byť nepriaznivé prostredie (nedostatok živín, nedostatok kyslíka) a patologické vonkajšie vplyvy sprostredkované vírusmi, baktériami, toxínmi a pod.. Navyše, ak je škodlivý účinok príliš intenzívny, bunka sa mať čas uskutočniť mechanizmus apoptózy a v dôsledku toho zomrie.vývoj patologického procesu - nekróza.
Morfologické a štrukturálne-biochemické zmeny v bunke počas apoptózy
Proces apoptózy je charakterizovaný určitým súborom morfologických zmien, ktoré možno pozorovať mikroskopicky v tkanivovom preparáte in vitro.
Hlavné znaky charakteristické pre bunkovú apoptózu zahŕňajú:
- prestavba cytoskeletu;
- utesniť obsah bunky;
- kondenzácia chromatínu;
- fragmentácia jadra;
- zníženie objemu buniek;
- zvrásnenie obrysu membrány;
- tvorba bublín na povrchu bunky,
- zničenie organel.
U zvierat tieto procesy vyvrcholia tvorbou apoptocytov, ktoré môžu byť pohltené tak makrofágmi, ako aj susednými tkanivovými bunkami. U rastlín nedochádza k tvorbe apoptotických teliesok a po degradácii protoplastu zostáva kostra vbunková stena.
Okrem morfologických zmien je apoptóza sprevádzaná množstvom preskupení na molekulárnej úrovni. Dochádza k zvýšeniu aktivity lipázy a nukleázy, čo má za následok fragmentáciu chromatínu a mnohých proteínov. Prudko sa zvyšuje obsah cAMP, mení sa štruktúra bunkovej membrány. V rastlinných bunkách sa pozoruje tvorba obrovských vakuol.
Ako sa líši apoptóza od nekrózy
Hlavný rozdiel medzi apoptózou a nekrózou spočíva v príčine bunkovej degradácie. V prvom prípade sú zdrojom deštrukcie molekulárne nástroje samotnej bunky, ktoré fungujú pod prísnou kontrolou a vyžadujú si výdaj energie ATP. Pri nekróze dochádza k pasívnemu zastaveniu života v dôsledku vonkajších škodlivých účinkov.
Apoptóza je prirodzený fyziologický proces navrhnutý tak, aby nepoškodzoval okolité bunky. Nekróza je nekontrolovaný patologický jav, ktorý sa vyskytuje v dôsledku kritických zranení. Preto nie je prekvapujúce, že mechanizmus, morfológia a dôsledky apoptózy a nekrózy sú v mnohých ohľadoch opačné. Existujú však aj spoločné znaky.
| Charakteristika procesu | Apoptóza | Nekróza |
| objem buniek | znižuje | narastajúce |
| integrita membrány | maintained | violated |
| zápalový proces | chýba | develops |
| energia ATP | expending | nepoužité |
| fragmentácia chromatínu | available | súčasnosť |
| prudký pokles koncentrácie ATP | is | is |
| výsledok procesu | fagocytóza | uvoľnenie obsahu do medzibunkového priestoru |
V prípade poškodenia bunky spúšťajú mechanizmus programovanej smrti, a to aj s cieľom zabrániť nekrotickému vývoju. Nedávne štúdie však ukázali, že existuje aj iná nepatologická forma nekrózy, ktorá sa označuje aj ako PCD.
Biologický význam apoptózy
Napriek tomu, že apoptóza vedie k bunkovej smrti, jej úloha pri udržiavaní normálneho fungovania celého organizmu je veľmi veľká. V dôsledku mechanizmu PCG sa vykonávajú nasledujúce fyziologické funkcie:
- udržiavanie rovnováhy medzi bunkovou proliferáciou a smrťou;
- aktualizácia tkanív a orgánov;
- eliminácia chybných a "starých" buniek;
- ochrana pred rozvojom patogénnej nekrózy;
- zmena tkanív a orgánov počas embryogenézy a ontogenézy;
- odstránenie nepotrebných prvkov, ktoré splnili svoju funkciu;
- eliminácia buniek, ktoré sú nežiaduce alebo nebezpečné pre telo (mutant, nádor, infikovaný vírusom);
- prevencia infekcie.
Apoptóza je teda jedným zo spôsobov, ako udržať homeostázu buniek a tkanív.
V rastlináchapoptóza sa často spúšťa na blokovanie šírenia tkanivovo infikujúcich parazitických agrobaktérií.
Štádiá bunkovej smrti
To, čo sa deje s bunkou počas apoptózy, je výsledkom zložitého reťazca molekulárnych interakcií medzi rôznymi enzýmami. Reakcie prebiehajú ako kaskáda, keď niektoré proteíny aktivujú iné, čo prispieva k postupnému vývoju scenára smrti. Tento proces možno rozdeliť do niekoľkých etáp:
- Indukcia.
- Aktivácia proapoptotických proteínov.
- Aktivácia kaspázy.
- Zničenie a reštrukturalizácia bunkových organel.
- Tvorba apoptocytov.
- Príprava bunkových fragmentov na fagocytózu.
Syntéza všetkých komponentov potrebných na spustenie, implementáciu a kontrolu každého štádia je geneticky založená, a preto sa apoptóza nazýva programovaná bunková smrť. Aktivácia tohto procesu je pod prísnou kontrolou regulačných systémov, vrátane rôznych inhibítorov CHG.
Molekulárne mechanizmy bunkovej apoptózy
Vývoj apoptózy je určený kombinovaným pôsobením dvoch molekulárnych systémov: indukcie a efektora. Prvý blok je zodpovedný za riadené spustenie ZGK. Zahŕňa takzvané receptory smrti, Cys-Asp-proteázy (kaspázy), množstvo mitochondriálnych komponentov a proapoptotické proteíny. Všetky prvky indukčnej fázy možno rozdeliť na spúšťače (zúčastňujú sa indukcie) a modulátory, ktoré zabezpečujú prenos signálu smrti.
Efektorový systém pozostáva z molekulárnych nástrojov, ktoré zabezpečujú degradáciu a reštrukturalizáciu bunkových komponentov. Prechod medzi prvou a druhou fázou nastáva v štádiu proteolytickej kaskády kaspáz. Je to kvôli zložkám efektorového bloku, že bunková smrť nastáva počas apoptózy.
Faktory apoptózy
Štrukturálne-morfologické a biochemické zmeny počas apoptózy sú uskutočňované určitým súborom špecializovaných bunkových nástrojov, z ktorých najdôležitejšie sú kaspázy, nukleázy a membránové modifikátory.
Kaspázy sú skupinou enzýmov, ktoré štiepia peptidové väzby na zvyškoch asparagínu a fragmentujú proteíny na veľké peptidy. Pred nástupom apoptózy sú v bunke prítomné v neaktívnom stave vďaka inhibítorom. Hlavným cieľom kaspáz sú jadrové proteíny.
Nukleázy sú zodpovedné za rezanie molekúl DNA. Zvlášť dôležitá pri rozvoji apoptózy je aktívna endonukleáza CAD, ktorá štiepi chromatínové oblasti v oblastiach linkerových sekvencií. V dôsledku toho sa vytvárajú fragmenty s dĺžkou 120-180 nukleotidových párov. Komplexný účinok proteolytických kaspáz a nukleáz vedie k deformácii a fragmentácii jadra.
Modifikátory bunkovej membrány – narušujú asymetriu bilipidovej vrstvy a menia ju na cieľ pre fagocytujúce bunky.
Kľúčovú úlohu pri rozvoji apoptózy majú kaspázy, ktoré postupne aktivujú všetky následné mechanizmy degradácie a morfologického preskupenia.
Úloha kaspázy v bunkesmrť
Rodina kaspáz zahŕňa 14 proteínov. Niektoré z nich nie sú zapojené do apoptózy, zatiaľ čo ostatné sú rozdelené do 2 skupín: iniciačné (2, 8, 9, 10, 12) a efektorové (3, 6 a 7), ktoré sa inak nazývajú kaspázy druhého stupňa. Všetky tieto proteíny sú syntetizované ako prekurzory – prokaspázy, aktivované proteolytickým štiepením, ktorého podstatou je odtrhnutie N-terminálnej domény a rozdelenie zvyšnej molekuly na dve časti, následne spojené do dimérov a tetramérov.
Iniciátorové kaspázy sú potrebné na aktiváciu efektorovej skupiny, ktorá vykazuje proteolytickú aktivitu proti rôznym životne dôležitým bunkovým proteínom. Druhovrstvové kaspázové substráty zahŕňajú:
- enzýmy na opravu DNA;
- p-53 proteínový inhibítor;
- poly-(ADP-ribóza)-polymeráza;
- inhibítor DNázy DFF (deštrukcia tohto proteínu vedie k aktivácii endonukleázy CAD) atď.
Celkový počet cieľov pre efektorové kaspázy je viac ako 60 proteínov.
Inhibícia bunkovej apoptózy je stále možná v štádiu aktivácie iniciačných prokaspáz. Po aktivácii efektorových kaspáz sa proces stane nezvratným.
Cesta aktivácie apoptózy
Prenos signálu na spustenie bunkovej apoptózy sa môže uskutočniť dvoma spôsobmi: receptorovým (alebo externým) a mitochondriálnym. V prvom prípade je proces aktivovaný prostredníctvom špecifických receptorov smrti, ktoré vnímajú vonkajšie signály, ktorými sú proteíny rodiny TNF (tumor necrosis factor) alebo ligandy Fas umiestnené na povrchu. T-killers.
Receptor obsahuje 2 funkčné domény: transmembránovú (naviazanú na ligand) a „doménu smrti“orientovanú vo vnútri bunky, ktorá indukuje apoptózu. Mechanizmus receptorovej dráhy je založený na tvorbe komplexu DISC, ktorý aktivuje iniciátorové kaspázy 8 alebo 10.
Zostavenie začína interakciou domény smrti s intracelulárnymi adaptorovými proteínmi, ktoré následne viažu iniciačné prokaspázy. Ako súčasť komplexu sa tieto konvertujú na funkčne aktívne kaspázy a spúšťajú ďalšiu apoptotickú kaskádu.
Mechanizmus vnútornej dráhy je založený na aktivácii proteolytickej kaskády špecifickými mitochondriálnymi proteínmi, ktorých uvoľňovanie je riadené intracelulárnymi signálmi. Uvoľňovanie zložiek organel sa uskutočňuje tvorbou obrovských pórov.
Cytochróm c hrá pri spustení špeciálnu úlohu. Akonáhle je v cytoplazme, táto zložka elektrotransportného reťazca sa viaže na proteín Apaf1 (faktor aktivujúci apoptotické proteázy), čo vedie k jeho aktivácii. Apaf1 je potom viazaný iniciátorom prokaspáz 9, ktoré spúšťajú apoptózu kaskádovým mechanizmom.
Kontrolu vnútornej dráhy vykonáva špeciálna skupina proteínov rodiny Bcl12, ktoré regulujú uvoľňovanie medzimembránových komponentov mitochondrií do cytoplazmy. Rodina obsahuje proapoptotické aj antiapoptotické proteíny, pričom rovnováha medzi nimi určuje, či sa proces spustí.
Jedným zo silných faktorov, ktoré spúšťajú apoptózu mitochondriálnym mechanizmom, sú reaktívneformy kyslíka. Ďalším významným induktorom je proteín p53, ktorý aktivuje mitochondriálnu dráhu v prítomnosti poškodenia DNA.
Spustenie bunkovej apoptózy niekedy kombinuje dva spôsoby naraz: vonkajšie aj vnútorné. Ten zvyčajne slúži na zvýšenie aktivácie receptora.
