Proces kojim se stanica može ubiti naziva se programirana stanična smrt (PCD). Ovaj mehanizam ima nekoliko varijanti i igra važnu ulogu u fiziologiji različitih organizama, posebno višestaničnih. Najčešći i dobro proučavan oblik CHF je apoptoza.
Što je apoptoza
Apoptoza je kontrolirani fiziološki proces samouništenja stanice, karakteriziran postupnim uništavanjem i fragmentacijom njezinog sadržaja uz nastajanje membranskih vezikula (apoptotskih tijela), koje naknadno apsorbiraju fagociti. Ovaj genetski mehanizam aktivira se pod utjecajem određenih unutarnjih ili vanjskih čimbenika.
Kod ove varijante smrti, sadržaj stanica ne ide 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 stanične smrti (PCD), pa je pogrešno identificirati ove koncepte. Na slavnevrste stanične samouništenja također uključuju mitotičku katastrofu, autofagiju i programiranu nekrozu. Drugi mehanizmi PCG-a još nisu proučavani.
Uzroci stanične apoptoze
Razlog pokretanja mehanizma programirane stanične smrti mogu biti i prirodni fiziološki procesi i patološke promjene uzrokovane unutarnjim defektima ili izloženošću vanjskim štetnim čimbenicima.
Uobičajeno, apoptoza uravnotežuje proces diobe stanica, regulirajući njihov broj i promičući obnovu tkiva. U ovom slučaju, uzrok HGC-a su određeni signali koji su dio sustava kontrole homeostaze. Uz pomoć apoptoze uništavaju se jednokratne stanice ili stanice koje su ispunile svoju funkciju. Tako se povećani sadržaj leukocita, neutrofila i drugih elemenata stanične imunosti nakon završetka borbe protiv infekcije eliminira upravo zbog apoptoze.
Programirana smrt dio je fiziološkog ciklusa reproduktivnog sustava. Apoptoza je uključena u proces oogeneze, a također doprinosi smrti jajne stanice u nedostatku oplodnje.
Klasičan primjer uključenosti stanične apoptoze u životni ciklus vegetativnih sustava je jesensko 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 u tijelu mijenjaju tkiva i atrofiraju određeni organi. Primjer je nestanak membrana između prstiju udova nekih sisavaca ili smrt repa tijekom metamorfoze.žabe.
Apoptoza može biti potaknuta nakupljanjem defektnih promjena u stanici koje su rezultat mutacija, starenja ili mitotičkih pogrešaka. Nepovoljan okoliš (nedostatak hranjivih tvari, manjak kisika) i patološki vanjski utjecaji posredovani virusima, bakterijama, toksinima i sl. mogu biti razlog za pokretanje CHC-a. Štoviše, ako je štetni učinak preintenzivan, tada stanica ne propada. imati vremena da provede mehanizam apoptoze i kao rezultat umire razvoj patološkog procesa - nekroza.
Morfološke i strukturno-biokemijske promjene u stanici tijekom apoptoze
Proces apoptoze karakterizira određeni skup morfoloških promjena, koje se mogu uočiti mikroskopski u tkivnom preparatu in vitro.
Glavne značajke karakteristične za staničnu apoptozu uključuju:
- obnova citoskeleta;
- zapečati sadržaj ćelije;
- kromatin kondenzacija;
- fragmentacija jezgre;
- smanjenje volumena ćelije;
- boranje konture membrane;
- formiranje mjehurića na površini ćelije,
- uništenje organela.
Kod životinja, ovi procesi kulminiraju stvaranjem apoptocita, koje mogu progutati i makrofagi i susjedne stanice tkiva. U biljkama ne dolazi do stvaranja apoptotičkih tijela, a nakon razgradnje protoplasta skelet ostaje ustanični zid.
Pored morfoloških promjena, apoptozu prati niz preuređivanja na molekularnoj razini. Dolazi do povećanja aktivnosti lipaze i nukleaze, što za sobom povlači fragmentaciju kromatina i mnogih proteina. Sadržaj cAMP naglo raste, struktura stanične membrane se mijenja. U biljnim stanicama opaža se stvaranje divovskih vakuola.
Kako se apoptoza razlikuje od nekroze
Glavna razlika između apoptoze i nekroze leži u uzroku degradacije stanica. U prvom slučaju, izvor uništenja su molekularni alati same stanice, koji djeluju 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 stanicama. 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 točke.
| Procesna karakteristika | Apoptoza | Nekroza |
| volumen ćelije | smanjuje | rastući |
| cjelovitost membrane | održavano | prekršeno |
| upalni proces | nedostaje | razvija |
| ATP energija | trošenje | nije korišteno |
| fragmentacija kromatina | dostupno | sadašnjost |
| oštar pad koncentracije ATP-a | je | je |
| rezultat procesa | fagocitoza | ispuštanje sadržaja u međustanični prostor |
U slučaju oštećenja, stanice pokreću mehanizam programirane smrti, uključujući i kako bi se spriječio razvoj nekrotizma. Međutim, nedavne studije su pokazale da postoji još jedan nepatološki oblik nekroze, koji se također naziva PCD.
Biološki značaj apoptoze
Unatoč činjenici da apoptoza dovodi do smrti stanice, njezina je uloga u održavanju normalnog funkcioniranja cijelog organizma vrlo velika. Sljedeće fiziološke funkcije provode se zahvaljujući mehanizmu PCG:
- održavanje ravnoteže između stanične proliferacije i smrti;
- ažuriranje tkiva i organa;
- eliminacija neispravnih i "starih" ćelija;
- zaštita od razvoja patogene nekroze;
- promjena tkiva i organa tijekom embriogeneze i ontogeneze;
- uklanjanje nepotrebnih elemenata koji su ispunili svoju funkciju;
- eliminacija stanica koje su neželjene ili opasne za tijelo (mutant, tumor, zaražen virusom);
- prevencija infekcije.
Dakle, apoptoza je jedan od načina za održavanje homeostaze staničnog tkiva.
U biljkamaapoptoza se često pokreće kako bi se blokiralo širenje parazitskih agrobakterija koje inficiraju tkivo.
Fazije stanične smrti
Ono što se događa sa stanicom tijekom apoptoze rezultat je složenog lanca molekularnih interakcija između različitih enzima. Reakcije se odvijaju kao kaskada, kada neki proteini aktiviraju druge, pridonoseći postupnom razvoju scenarija smrti. Ovaj se proces može podijeliti u nekoliko faza:
- Indukcija.
- Aktivacija proapoptotičkih proteina.
- Aktivacija kaspaze.
- Destrukcija i restrukturiranje staničnih organela.
- Formiranje apoptocita.
- Priprema staničnih fragmenata za fagocitozu.
Sinteza svih komponenti potrebnih za pokretanje, implementaciju i kontrolu svake faze je genetski utemeljena, zbog čega se apoptoza naziva programirana stanična smrt. Aktivacija ovog procesa je pod strogom kontrolom regulatornih sustava, uključujući razne inhibitore CHG.
Molekularni mehanizmi stanične apoptoze
Razvoj apoptoze određen je kombiniranim djelovanjem dvaju molekularnih sustava: indukcije i efektora. Prvi blok je odgovoran za kontrolirano lansiranje ZGK-a. Uključuje takozvane receptore smrti, Cys-Asp-proteaze (kaspaze), brojne mitohondrijske komponente i pro-apoptotičke proteine. Svi elementi faze indukcije mogu se podijeliti na okidače (sudjeluju u indukciji) i modulatore koji osiguravaju transdukciju signala smrti.
Sustav efekta sastoji se od molekularnih alata koji osiguravaju degradaciju i restrukturiranje staničnih komponenti. Prijelaz između prve i druge faze događa se u fazi kaskade proteolitičke kaspaze. Zbog komponenti efektorskog bloka dolazi do smrti stanice tijekom apoptoze.
faktori apoptoze
Strukturno-morfološke i biokemijske promjene tijekom apoptoze provode se određenim skupom specijaliziranih staničnih alata, među kojima su najvažnije kaspaze, nukleaze i modifikatori membrane.
Kaspaze su skupina enzima koji režu peptidne veze na ostacima asparagina, fragmentirajući proteine u velike peptide. Prije početka apoptoze, prisutni su u stanici u neaktivnom stanju zbog inhibitora. Glavni ciljevi kaspaza su nuklearni proteini.
Nukleaze su odgovorne za rezanje molekula DNK. Osobito je važna u razvoju apoptoze aktivna endonukleaza CAD, koja razbija kromatinske regije u regijama linker sekvenci. Kao rezultat, nastaju fragmenti duljine 120-180 parova nukleotida. Složeni učinak proteolitičkih kaspaza i nukleaza dovodi do deformacije i fragmentacije jezgre.
Modifikatori stanične membrane - razbijaju 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 preuređivanja.
Uloga kaspaze u staničnojsmrt
Obitelj kaspaza uključuje 14 proteina. Neki od njih nisu uključeni u apoptozu, dok su ostali podijeljeni u 2 skupine: 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 bit odvajanje N-terminalne domene i podjela preostale molekule na dva dijela, naknadno povezane u dimere i tetramere.
Inicijatorske kaspaze potrebne su za aktiviranje efektorske skupine koja pokazuje proteolitičku aktivnost protiv različitih vitalnih staničnih proteina. Kaspazni supstrati drugog reda uključuju:
- enzimi za popravak DNK;
- p-53 inhibitor proteina;
- poli-(ADP-riboza)-polimeraza;
- inhibitor DNase DFF (uništenje ovog proteina dovodi do aktivacije CAD endonukleaze), itd.
Ukupni broj meta za efektorske kaspaze je više od 60 proteina.
Inhibicija stanične apoptoze još uvijek je moguća u fazi aktivacije inicijatorskih prokaspaza. Jednom kada se efektorske kaspaze aktiviraju, proces postaje nepovratan.
Putevi aktivacije apoptoze
Prijenos signala za početak apoptoze stanice može se provesti na dva načina: receptorski (ili vanjski) i mitohondrijski. U prvom slučaju, proces se aktivira putem 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-ubojice.
Receptor uključuje 2 funkcionalne domene: transmembransku (dizajniranu da se veže na ligand) i "domenu smrti" orijentiranu unutar stanice, koja inducira apoptozu. Mehanizam receptorskog puta temelji se na stvaranju DISC kompleksa koji aktivira inicijatorske kaspaze 8 ili 10.
Sastavljanje počinje interakcijom domene smrti s intracelularnim adapterskim proteinima, koji zauzvrat vežu inicijatorske prokaspaze. Kao dio kompleksa, potonje se pretvaraju u funkcionalno aktivne kaspaze i pokreću daljnju apoptotičku kaskadu.
Mehanizam unutarnjeg puta temelji se na aktivaciji proteolitičke kaskade specifičnim mitohondrijskim proteinima, čije je oslobađanje kontrolirano unutarstaničnim signalima. Oslobađanje komponenti organela odvija se kroz stvaranje ogromnih pora.
Cytochrome c igra posebnu ulogu u lansiranju. Jednom u citoplazmi, ova komponenta elektrotransportnog lanca veže se na protein Apaf1 (faktor aktivacije apoptotske proteaze), što dovodi do aktivacije potonjeg. Apaf1 je tada vezan za inicijatorske prokaspaze 9, koje pokreću apoptozu kaskadnim mehanizmom.
Kontrolu unutarnjeg puta provodi posebna skupina proteina iz obitelji Bcl12, koji reguliraju otpuštanje intermembranskih komponenti mitohondrija u citoplazmu. Obitelj sadrži i pro-apoptotičke i anti-apoptotičke proteine, a ravnoteža između kojih određuje hoće li se proces pokrenuti.
Jedan od moćnih čimbenika koji pokreću apoptozu mitohondrijskim mehanizmom su reaktivnioblici kisika. Drugi značajan induktor je protein p53, koji aktivira mitohondrijski put u prisutnosti oštećenja DNK.
Ponekad početak stanične apoptoze kombinira dva načina odjednom: vanjski i unutarnji. Potonji obično služi za poboljšanje aktivacije receptora.
