Proces, kterým se buňka může zabít, se nazývá programovaná buněčná smrt (PCD). Tento mechanismus má několik variant a hraje důležitou roli ve fyziologii různých organismů, zejména mnohobuněčných. Nejběžnější a dobře prozkoumanou formou CHF je apoptóza.
Co je apoptóza
Apoptóza je řízený fyziologický proces sebedestrukce buňky, charakterizovaný postupnou destrukcí a fragmentací jejího obsahu s tvorbou membránových váčků (apoptotických tělísek), které jsou následně absorbovány fagocyty. Tento genetický mechanismus je aktivován pod vlivem určitých vnitřních nebo vnějších faktorů.
U této varianty smrti obsah buněk nepřesahuje membránu a nezpůsobuje zánět. Dysregulace apoptózy vede k vážným patologiím, jako je nekontrolované dělení buněk nebo degenerace tkání.
Apoptóza je pouze jednou z několika forem programované buněčné smrti (PCD), takže je chybou tyto pojmy identifikovat. Ke slavnýmtypy buněčné sebedestrukce také zahrnují mitotickou katastrofu, autofagii a programovanou nekrózu. Jiné mechanismy PCG ještě nebyly studovány.
Příčiny buněčné apoptózy
Důvodem pro spuštění mechanismu programované buněčné smrti mohou být jak přirozené fyziologické procesy, tak patologické změny způsobené vnitřními defekty nebo vystavením vnějším nepříznivým faktorům.
Normálně apoptóza vyrovnává proces buněčného dělení, reguluje jejich počet a podporuje obnovu tkání. V tomto případě jsou příčinou HGC určité signály, které jsou součástí systému řízení homeostázy. Pomocí apoptózy jsou zničeny buňky na jedno použití nebo buňky, které splnily svou funkci. Zvýšený obsah leukocytů, neutrofilů a dalších prvků buněčné imunity po ukončení boje s infekcí je tedy eliminován právě díky apoptóze.
Programovaná smrt je součástí fyziologického cyklu reprodukčních systémů. Apoptóza se účastní procesu oogeneze a také přispívá k odumírání vajíčka bez oplodnění.
Klasickým příkladem zapojení buněčné apoptózy do životního cyklu vegetativních systémů je podzimní opad listí. Samotný termín pochází z řeckého slova apoptosis, které se doslovně překládá jako „padající“.
Apoptóza hraje důležitou roli v embryogenezi a ontogenezi, kdy se v těle mění tkáně a některé orgány atrofují. Příkladem je mizení blan mezi prsty končetin některých savců nebo odumírání ocasu při metamorfóze.žáby.
Apoptóza může být spuštěna nahromaděním defektních změn v buňce v důsledku mutací, stárnutí nebo mitotických chyb. Důvodem pro spuštění CHC může být nepříznivé prostředí (nedostatek živin, nedostatek kyslíku) a patologické vnější vlivy zprostředkované viry, bakteriemi, toxiny apod. Pokud je navíc škodlivý účinek příliš intenzivní, pak buňka ne mít čas provést mechanismus apoptózy a v důsledku toho zemře.rozvoj patologického procesu - nekróza.
Morfologické a strukturně-biochemické změny v buňce během apoptózy
Proces apoptózy je charakterizován určitým souborem morfologických změn, které lze pozorovat mikroskopicky v tkáňovém preparátu in vitro.
Hlavní rysy charakteristické pro buněčnou apoptózu zahrnují:
- přestavba cytoskeletu;
- zapečetit obsah buňky;
- kondenzace chromatinu;
- fragmentace jádra;
- snížení objemu buněk;
- zvrásnění obrysu membrány;
- tvorba bublin na buněčném povrchu,
- zničení organel.
U zvířat tyto procesy vrcholí tvorbou apoptocytů, které mohou být pohlceny jak makrofágy, tak sousedními tkáňovými buňkami. U rostlin k tvorbě apoptotických tělísek nedochází a po degradaci protoplastu zůstává kostra vbuněčná stěna.
Kromě morfologických změn je apoptóza doprovázena řadou přestaveb na molekulární úrovni. Dochází ke zvýšení lipázových a nukleázových aktivit, které mají za následek fragmentaci chromatinu a mnoha proteinů. Prudce se zvyšuje obsah cAMP, mění se struktura buněčné membrány. V rostlinných buňkách je pozorována tvorba obřích vakuol.
Jak se liší apoptóza od nekrózy
Hlavní rozdíl mezi apoptózou a nekrózou spočívá v příčině buněčné degradace. V prvním případě jsou zdrojem destrukce molekulární nástroje samotné buňky, které fungují pod přísnou kontrolou a vyžadují výdej energie ATP. Při nekróze dochází k pasivnímu zastavení života v důsledku vnějších škodlivých účinků.
Apoptóza je přirozený fyziologický proces navržený tak, aby nepoškozoval okolní buňky. Nekróza je nekontrolovaný patologický jev, ke kterému dochází v důsledku kritických poranění. Proto není divu, že mechanismus, morfologie a důsledky apoptózy a nekrózy jsou v mnoha ohledech opačné. Existují však také společné rysy.
| Procesní charakteristika | Apoptóza | Nekróza |
| objem buněk | snížení | zvýšení |
| integrita membrány | maintained | violated |
| zánětlivý proces | chybí | vyvíjí |
| energie ATP | expending | nepoužito |
| fragmentace chromatinu | available | současnost |
| prudký pokles koncentrace ATP | is | is |
| výsledek procesu | fagocytóza | uvolnění obsahu do mezibuněčného prostoru |
V případě poškození buňky spouštějí mechanismus programované smrti, včetně zabránění nekrotickému vývoji. Nedávné studie však ukázaly, že existuje další nepatologická forma nekrózy, která je také označována jako PCD.
Biologický význam apoptózy
Navzdory tomu, že apoptóza vede k buněčné smrti, její role v udržení normálního fungování celého organismu je velmi velká. Mechanismem PCG se provádějí následující fyziologické funkce:
- udržování rovnováhy mezi buněčnou proliferací a smrtí;
- aktualizace tkání a orgánů;
- eliminace vadných a "starých" článků;
- ochrana proti rozvoji patogenní nekrózy;
- změna tkání a orgánů během embryogeneze a ontogeneze;
- odstranění nepotřebných prvků, které splnily svou funkci;
- eliminace buněk, které jsou pro tělo nežádoucí nebo nebezpečné (mutantní, nádorové, infikované virem);
- prevence infekce.
Apoptóza je tedy jedním ze způsobů, jak udržet homeostázu buněk a tkání.
V rostlináchapoptóza se často spouští, aby se zabránilo šíření tkáň infikujících parazitických agrobakterií.
Fáze buněčné smrti
To, co se děje s buňkou během apoptózy, je výsledkem složitého řetězce molekulárních interakcí mezi různými enzymy. Reakce probíhají jako kaskáda, kdy některé proteiny aktivují jiné, což přispívá k postupnému vývoji scénáře smrti. Tento proces lze rozdělit do několika fází:
- Indukce.
- Aktivace proapoptotických proteinů.
- Aktivace kaspázy.
- Zničení a restrukturalizace buněčných organel.
- Tvorba apoptocytů.
- Příprava buněčných fragmentů na fagocytózu.
Syntéza všech složek nezbytných ke spuštění, implementaci a řízení každé fáze je geneticky založena, a proto se apoptóza nazývá programovaná buněčná smrt. Aktivace tohoto procesu je pod přísnou kontrolou regulačních systémů, včetně různých inhibitorů CHG.
Molekulární mechanismy buněčné apoptózy
Vývoj apoptózy je dán kombinovaným působením dvou molekulárních systémů: indukce a efektoru. První blok je zodpovědný za řízený start ZGK. Zahrnuje takzvané receptory smrti, Cys-Asp-proteázy (kaspázy), řadu mitochondriálních složek a proapoptotické proteiny. Všechny prvky indukční fáze lze rozdělit na spouštěče (účastnící se indukce) a modulátory, které zajišťují přenos signálu smrti.
Efektorový systém se skládá z molekulárních nástrojů, které zajišťují degradaci a restrukturalizaci buněčných komponent. Přechod mezi první a druhou fází nastává ve fázi kaskády proteolytických kaspáz. Díky složkám efektorového bloku dochází během apoptózy k buněčné smrti.
Faktory apoptózy
Strukturálně-morfologické a biochemické změny během apoptózy jsou prováděny určitým souborem specializovaných buněčných nástrojů, z nichž nejdůležitější jsou kaspázy, nukleázy a membránové modifikátory.
Kaspázy jsou skupinou enzymů, které štěpí peptidové vazby na asparaginových zbytcích a fragmentují proteiny na velké peptidy. Před začátkem apoptózy jsou v buňce přítomny v neaktivním stavu díky inhibitorům. Hlavním cílem kaspáz jsou jaderné proteiny.
Nukleázy jsou zodpovědné za řezání molekul DNA. Obzvláště důležitá je při rozvoji apoptózy aktivní endonukleáza CAD, která rozbíjí oblasti chromatinu v oblastech linkerových sekvencí. V důsledku toho se tvoří fragmenty o délce 120-180 nukleotidových párů. Komplexní účinek proteolytických kaspáz a nukleáz vede k deformaci a fragmentaci jádra.
Modifikátory buněčné membrány – narušují asymetrii bilipidové vrstvy a mění ji na cíl pro fagocytující buňky.
Klíčovou roli ve vývoji apoptózy mají kaspázy, které postupně aktivují všechny následné mechanismy degradace a morfologického přeskupení.
Role kaspázy v buňcesmrt
Rodina kaspáz zahrnuje 14 proteinů. Některé z nich se nepodílejí na apoptóze, zatímco ostatní jsou rozděleny do 2 skupin: iniciační (2, 8, 9, 10, 12) a efektorové (3, 6 a 7), které se jinak nazývají kaspázy druhého stupně. Všechny tyto proteiny jsou syntetizovány jako prekurzory - prokaspázy, aktivované proteolytickým štěpením, jehož podstatou je odloučení N-terminální domény a rozdělení zbývající molekuly na dvě části, následně asociované na dimery a tetramery.
Iniciátorové kaspázy jsou nutné k aktivaci efektorové skupiny, která vykazuje proteolytickou aktivitu proti různým životně důležitým buněčným proteinům. Mezi substráty kaspázy druhé úrovně patří:
- enzymy opravující DNA;
- inhibitor proteinu p-53;
- poly-(ADP-ribóza)-polymeráza;
- inhibitor DNázy DFF (destrukce tohoto proteinu vede k aktivaci endonukleázy CAD) atd.
Celkový počet cílů pro efektorové kaspázy je více než 60 proteinů.
Inhibice buněčné apoptózy je stále možná ve fázi aktivace iniciátorových prokaspáz. Jakmile jsou efektorové kaspázy aktivovány, proces se stává nevratným.
Cesta aktivace apoptózy
Přenos signálu k zahájení buněčné apoptózy může být proveden dvěma způsoby: receptorovým (nebo externím) a mitochondriálním. V prvním případě je proces aktivován prostřednictvím specifických receptorů smrti, které vnímají vnější signály, což jsou proteiny rodiny TNF (tumor necrosis factor) nebo ligandy Fas umístěné na povrchuT-killers.
Receptor obsahuje 2 funkční domény: transmembránovou (navrženou k navázání na ligand) a „doménu smrti“orientovanou uvnitř buňky, která indukuje apoptózu. Mechanismus receptorové dráhy je založen na tvorbě DISC komplexu, který aktivuje iniciační kaspázy 8 nebo 10.
Sestavení začíná interakcí domény smrti s intracelulárními adaptorovými proteiny, které zase vážou iniciační prokaspázy. Jako součást komplexu jsou tyto přeměněny na funkčně aktivní kaspázy a spouštějí další apoptotickou kaskádu.
Mechanismus vnitřní dráhy je založen na aktivaci proteolytické kaskády specifickými mitochondriálními proteiny, jejichž uvolňování je řízeno intracelulárními signály. Uvolňování složek organel se provádí tvorbou obrovských pórů.
Cytochrome c hraje při uvedení na trh zvláštní roli. Jakmile se tato složka elektrotransportního řetězce dostane do cytoplazmy, váže se na protein Apaf1 (faktor aktivující apoptotické proteázy), což vede k jeho aktivaci. Apaf1 je poté vázán iniciátorem prokaspáz 9, které spouštějí apoptózu kaskádovým mechanismem.
Řízení vnitřní dráhy provádí speciální skupina proteinů rodiny Bcl12, které regulují uvolňování mezimembránových komponent mitochondrií do cytoplazmy. Rodina obsahuje proapoptotické i antiapoptotické proteiny, jejichž rovnováha určuje, zda bude proces spuštěn.
Jedním ze silných faktorů, které spouštějí apoptózu mitochondriálním mechanismem, jsou reaktivníformy kyslíku. Dalším významným induktorem je protein p53, který aktivuje mitochondriální dráhu v přítomnosti poškození DNA.
Spuštění buněčné apoptózy někdy kombinuje dva způsoby najednou: vnější i vnitřní. Ten obvykle slouží ke zvýšení aktivace receptoru.
