Apoptoza, nekroza

Kamila Podkrólewicz

Analityka Medyczna, III

rok

gr. e

APOPTOZA

Apoptoza (gr. apoptosis)

Apoptoza nazywana programową śmiercią

komórki jest procesem fizjologicznym

warunkującym prawidłowe funkcjonowanie

organizmu za równo na etapie

embrionalnym jak i w późniejszym okresie.

Apoptoza przebiega zarówno w warunkach

fizjologicznych jak i patologicznych.

Śmierć komórek jest niezbędna do

utrzymania homeostazy organizmu.

Apoptoza jest wynikiem ekspresji

odpowiednich genów i zachodzi w wyniku

określonych reakcji biochemicznych

Apoptoza cd.

• zjawisko apoptozy dotyczy pojedynczych

komórek, które uzyskały tzw. kompetencje,

ale liczba komórek jakie w danej chwili

uległy apoptozie, może być duża

• apoptoza zachodzi poprzez aktywowanie

wewnątrzkomórkowego programu

samobójstwa komórek

• informacja odpowiedzialna za apoptozę jest

umieszczona wewnątrz komórek (czynniki

wewnątrz komórkowe), ale aktywacja

programu śmierci jest również regulowana

przez wiele sygnałów pochodzących ze

środowiska zewnętrznego (czynniki

zewnątrzkomórkowe)

Apoptoza cd

Programowana śmierć komórki może być

podzielona na następujące fazy

I.

Faza indukcji albo wzbudzenia
(decyzja o śmierci komórki)

II. Faza wykonawcza (śmierć komórki)
III. Faza zniszczenia (degradacja) i

fagocytoza (pochłonięcie komórki
przez fagocyty lub komórki
sąsiadujące)

Apoptoza cd

• pobudzenie odpowiednich układów

receptorowych jest przekazywane w komórce
przez szereg cząsteczek pośredniczących
m.in. przez cząsteczki aktywujące kaspazy
takie jak:

– FADD (Fas Associating Protein With Death Domain)
– TRAD ( TNFR-1 Associated Death Domain Protein)

• sygnał do apoptozy może być też przekazany

innymi drogami, np. przekaźnikiem mogą być
ceramidy syntetyzowane de novo lub
uzyskiwane przez komórkę sfingomieliny.

Sygnał apoptozy

• przekazywany komórce wieloma drogami
• najlepiej poznana droga – układ receptor-

ligand CD95/CD95L

• apoptozę wzbudza także uwolnienie do

cytoplazmy cytochromu C, znajdującego się
w mitochondriach

(regulacja uwalniania cytochromu C do cytoplazmy

zachodzi przy udziale białek BAX, BAD, BMI i BAK
(czynniki promujące apoptozę) oraz białek BCL-2,
BCL-X, A-1 i MEL-1 (czynniki hamujące apoptozę)

Proces apoptozy przebiega zawsze według

określonego schematu. Pierwszym morfologicznym

objawem świadczącym o rozpoczęciu procesu

samobójczej śmierci komórki są zmiany na poziomie

jądra.
Chromatyna ulega kondensacji i umiejscowieniu tuż

pod błoną komórkową, następnie dochodzi do

obkurczenia całego jądra oraz jego fragmentacji.

Kolejny etap „umierania” to kondensacja cytoplazmy

oraz tworzenie charakterystycznych pęcherzyków na

powierzchni komórki.

Z uwypukleń błony komórkowej tworzą się ciałka

apoptotyczne, które są strukturami zawierającymi

chromatynę, cytoplazmę oraz organelle komórkowe.

Ostatecznym etapem jest fagocytoza powstałych

ciałek.

Jak już wcześniej wspomniano, programowana śmierć

komórki jest procesem czynnym, wymagającym

aktywacji wielu genów oraz nakładu energii.
Dwie najlepiej poznane ścieżki to szlak zewnętrzny

(receptorowy), związany z błoną komórkową oraz

wewnętrzny przebiegający z udziałem

mitochondrium.

Wśród innych dróg sygnałowych apoptozy, wymienia

się również zaobserwowany w cytotoksycznych

limfocytach T oraz komorkach NK – szlak

pseudoreceptorowy angażujący perforyny i granzym

B, szlak sfingomielinowo-ceramidowy oraz opisany

w 2000 r. – związany z reticulum endoplazmatycznym

szlak indukowany stresem.

Niezależnie od rodzaju przebiegu apoptozy,

elementem łączącym wszystkie te szlaki są kaspazy

(proteazy cysteinowe), ktore w zależności od etapu

apoptozy, w którym biorą udział, dzielimy na

inicjatorowe (indukujące) oraz wykonawcze

(efektorowe)

Szlaki apoptozy

• zewnętrzny (receptorowy)
• wewnętrzny (z udziałem

mitochondrium)

• pseudoreceptorowy
• sfingomielinowo-ceramidowy
• szlak indukowany stresem

Zewnętrzny szlak apoptozy

• opiera się głownie na receptorach błonowych i ligandach
• do receptorów śmierci zaliczamy białka narodziny TNF

( TNFR1, TNFR2, Fas/CD95/Apo1 lub też TRAIL/Apo2)

• ligand wiąże się z odpowiednim receptorem błonowym
• sygnał śmierci jest przekazywany do białka adaptorowego

FADD

• aktywowane kaspazy zapoczątkowują działanie kaskady

kaspaz wykonawczych prowadzących do śmierci komórki

• szlak receptorowy może się łączyć z opisywanym poniżej

szlakiem wewnętrznym poprzez białko Bid, które ulega

proteolizie z powstaniem postaci tBid (truncated Bid).

Wewnętrzny szlak apoptozy

• szlak mitochondrialny jest aktywowany w

wyniku wzrostu stężenia reaktywnych form

tlenu (ROS-reactive oxygen species), stresu

oksydacyjnego, uszkodzeń DNA, zaburzeń

transportu elektrolitów oraz wzrostu

stężenia jonów wapnia w cytoplazmie

• najważniejszym elementem tego szlaku są

oczywiście mitochondria, a dokładniej

megakanały (PTP – permeability transition

pore) tych organelli, które są

umiejscowione na styku dwóch błon

• Kolejna z hipotez przedstawia model oparty wyłącznie na

działaniu ANT błony wewnętrznej z pęczniejącym matriks,

co w konsekwencji powoduje przerwanie błony

zewnętrznej

• wpływ na powstawanie porów mitochondrialnych mają

również czynniki oddziałujące bezpośrednio z ANT, m.in.

białka Bax, Bak oraz Bcl-2

• następny model opiera się na selektywnej permeabilizacji

zewnętrznej błony mitochondrium, powiązanej z

wzajemnym oddziaływaniem VDAC i białka Bax

• jeszcze jedna teoria przedstawia działanie samego

oligomeryczne-go białka Bax, które niezależnie od VDAC

tworzy autonomiczny kanał, który prawdopodobnie może

być regulowany jedynie przez białko Bid oraz jego krótszą

formę tBid

• jak wszystkie szlaki apoptozy, także i

wewnętrzny jest regulowany przez wiele
czynników

• oprócz cytochromu C z mitochondrium

wypływa około 40 innych białek, a niektóre z
nich mają wpływ na dalsze etapy tego procesu

• najliczniejszymi i najbardziej poznanymi

regulatorami apoptozy są białka z rodziny Bcl-
2

• czynnikami antyapoptotycznymi wpływającymi

hamująco na działanie kaspaz 3, 7 i 9 są białka
IAP

• natomiast białko p53 wykazuje właściwości

proapoptyczne

Szlak sfingomielinowo -

ceramidowy

• opisywany szlak apoptozy wiąże się ze wzrostem

stężenia ceramidów w komórce, co jest wynikiem

połączenia odpowiedniego liganda z receptorem

rodziny TNF, m.in. FAS, IL-1, a następnie aktywacji

kwaśniej lub obojętnej sfingomielinazy

• enzym ten tnie jeden z lipidów błonowych –

sfingomielinę na ceramid i fosfocholinę

• pierwszy ze składników hydrolizy sfingomieliny, pod

wpływem działania czynników apoptotycznych,

syntetyzowany jest także de novo.

• ceramid pełni rolę lipidowego, wtórnego przekaźnika

śmierci, który może aktywować kinazy CAPK (ceramide-

activated protein kinases), MAPK (mitogen-activated

protein kinases), kaskady kinaz SAPK/JNK (stress

associated protein kinase/Jun N-terminal kinase) oraz

fosfatazy CAPP (ceramide-activated protein

phosphatase) i fosfolipazę A2

• Obie komórki T – CD-4 i CD-8 – mogą zapoczątkowywać

śmierć komórki poprzez ekspresję ligandu Fas, członka

rodziny TNF.

• Ligand Fas rozpoznaje białko FAS, szeroko

rozprzestrzenione na powierzchni komórek. Krzyżowe

zespolenie prowadzi do trójczłonowości Fas i rekrutacji

FADD do domeny śmierci (Fass-associated Heath domain –

FADD) w cytoplazmatycznym fragmencie Fas. FADD

rekrutuje kaspazy 8 lub 10, prowadząc do Ca2+-zależnej

od apoptozy.

• Aktywowana kazpaza 8 może, oprócz własnego

bezpośredniego działania na szlaku apoptozy, rozszczepiać

i aktywować inne kaspazy.

• Inni członkowie rodziny receptorów dla TNF z domenami

śmierci w ich cytoplazmatycznych fragmentach, np. TNF-

R1, mogą również wywoływać śmierci komórki zależnej od

kaspazy po nawiązaniu kontaktu ze swoim ligandem

według podobnego mechanizmu.

• Zdolność do wywoływania śmierci komórki zależnej od

obecności domeny śmierci w cytoplazmatyczny

fragmencie.

• Członkowie receptorów dla TNF z brakiem domeny śmierci

nie pośredniczą w śmierci komórki zależnej od kaspaz.

Morfologia komórki

apoptotycznej

• komórki umierające w wyniku apoptozy wykazują szereg

charakterystycznych, morfologicznych zmian

• komórka apoptotyczna z reguły oddziela się od pozostałych

• na skutek utraty wewnątrzkomórkowej wody i elektrolitów dochodzi

do jej obkurczenia, zmiany kształtu, wielkości oraz zagęszczenia

cytoplazmy

•

• powierzchnia takiej komórki ulega charakterystycznemu pofałdowaniu

• jednocześnie dochodzi do zmian w chromatynie jądrowej. Ulega ona

zagęszczeniu i początkowo gromadzi się w pobliżu błony jądrowej

• następnie wypełnia ona całe jądro, które staje się pyknotyczne

• organella są gęsto upakowane w cytoplazmie i nie wykazują

znaczących zmian morfologicznych

Morfologia komórek apoptotycznych cd.

• cechą charakterystyczną dla apoptozy jest również

fragmentacja jądra komórkowego oraz powstawanie tzw. ciałek

apoptotycznych w późniejszych stadiach tego procesu

• w przypadku apoptozy zawartość komórki nie wydostaje się na

zewnątrz i nie dochodzi do powstania odczynów zapalnych

(dzieje się tak dzięki tworzeniu się nierozpuszczalnej osłony

stabilizującej integralność całej komórki apoptotycznej, a w

późniejszym etapie również ciałek apoptotycznych)

• jest to efekt tworzenia się dodatkowych wiązań pomiędzy

białkami błonowymi

• w warunkach fizjologicznych, komórki podlegające apoptozie są

fagocytowane przez makrofagi lub sąsiadujące komórki.

• w hodowli zaś, wobec braku komórek fagocytujących, komórki

apoptotyczne ulegają wtórnej martwicy

Rys. 1. Zmiany
morfologiczne
zachodzące w
komórce
apoptotycznej. A -
kondensacja
chromatyny,
której towarzyszy
obkurczenie komórki i
zagęszczenie
cytoplazmy; B -
fragmentacja jądra
komórkowego; C –
fagocytoza [na
podstawie
www.mol.uj.edu.pl -
zmienione].

Zmiany biochemiczne

zachodzące w komórce

umierającej na drodze

apoptozy

Zmiany zachodzące w błonie plazmatycznej komórki

podczas procesu apoptozy

• cechą charakterystyczną procesu apoptozy są zmiany

zachodzące w budowie błony komórkowej
(dochodzi wówczas do zaburzenia asymetrii w

rozmieszczeniu fosfolipidów błonowych; w normalnej

komórce na powierzchni błony przeważają fosfolipidy

obojętne, do których zalicza się: sfingomielinę i

fosfatydylocholinę; w warstwie wewnętrznej zaś dominują

fosfolipidy anionowe, takie jak fosfatydyloseryna)

• w komórkach apoptotycznych fosfatydyloseryna jest

eksponowana w zewnętrznej warstwie błony komórkowej.

(zjawisko to wykorzystuje się do znakowania komórek

apoptotycznych za pośrednictwem aneksyny V, która ma

zdolność do preferencyjnego wiązania się z ujemnie

naładowanymi fosfolipidami, takimi jak

fosfatydyloseryna)

Zmiany zachodzące w budowie błony komórkowej

we wczesnych fazach apoptozy

Zmiany w funkcjonowaniu mitochondriów

• apoptoza jest ściśle kontrolowana na poziomie mitochondriów

• jednym z kluczowych parametrów, określających zaburzenie

funkcji tych organelli podczas apoptozy, jest spadek potencjału

elektrochemicznego (Ψm) na wewnętrznej błonie

mitochondrialnej

• następuje on przed pojawieniem się fragmentacji DNA i

charakterystycznych dla apoptozy zmian w morfologii komórki

• spadek potencjału Ψm poniżej krytycznej wartości tzw.

potencjału bramkującego, sprzyja otwieraniu tzw. megakanałów

itochondrialnych, co nieodwracalnie prowadzi do apoptozy

• w wyniku otwarcia tychże megakanałów dochodzi do

uwolnienia z przestrzeni międzybłonowej mitochondriów do

cytoplazmy szeregu białek apoptogennych, takich jak

cytochrom c, czynnik indukujący apoptozę (AIF) oraz

prokaspazy 2, 3 i 9

Fragmentacja DNA

• kolejnym, charakterystycznym znacznikiem procesu apoptozy

jest degradacja DNA, przebiegająca w kilku następujących po

sobie etapach

• w pierwszym z nich powstają duże fragmenty DNA (HMW, ang.

high molecular DNA), osiągające wielkość od 300 do 50 tysięcy

par zasad

• w kolejnym etapie, DNA może ulec fragmentacji do krótkich

odcinków, będących wielokrotnością około 200 par zasad

• stosując technikę elektroforezy w żelu agarozowym można

rozdzielić DNA podegradowane na mono- i oligonukleosomy

• fragmenty te układają się na elektroforegramie w

charakterystyczną „drabinkę”; do fragmentacji DNA dochodzi w

wyniku aktywacji specyficznych endonukleaz, takich jak

DFF40/CAD oraz endonukleaza G, czy lizosomalna DNaza II

Aktywacja specyficznych enzymów

proteolitycznych - kaspaz

• kaspazy to specyficzna klasa enzymów będących protezami

cysteinowymi, które przecinają łańcuch polipeptydowy na

reszcie argininy w określonej sekwencji aminokwasowej

• enzymy te syntetyzowane są w postaci nieaktywnego

zymogenu, a ich funkcje fizjologiczne w normalnej komórce

nie są znane

• zostały one podzielone na dwie grupy: kaspazy inicjatorowe i

kaspazy egzekutorowe

• w początkowej fazie apoptozy aktywowane są kaspazy

inicjatorowe, a dopiero później kaspazy egzekutorowe,

których substratami są różne białka komórkowe (np. PARP,

kinaza DNA – PK, topoizomeraza II, aktyna, gelsolina, lamina

B)

Podsumowanie

• apoptoza jest procesem genetycznie zaprogramowanym

podobnie jak podziały komórkowe

• program genetyczny apoptozy zachował duże

podobieństwo w rozwoju ewolucyjnym organizmów

• u kręgowców i bezkręgowców zaprogramowana śmierć

komórki zachodzi według podobnych schematów i przy

udziale homologicznych białek

• w utrzymniu homeostazy apoptoza ma równoważną rolę z

podziałami komókowymi

• w wielu chorobach znaczenie mają zaburzenia w przebiegu

apoptozy, dlatego poznanie i możliwość regulacji tego

procesu będą miały w przyszłości duży wpływ na leczenie

NEKROZA

W odróżnieniu od programowanej

genetycznie śmierci komórki,
występuje również zjawisko nekrozy,
a więc śmierć komórki pod wpływem
masywnych czynników
uszkadzających, co powoduje utratę
równowagi osmotycznej w komórce.

• ten rodzaj śmierci zachodzi pod wpływem zarówno czynników

fizycznych, chemicznych jak i biologicznych, m.in.

wywoływany jest przez niską i wysoką temperaturę,

promieniowanie UV i γ, a także toksyny bakteryjne

• aby doszło do tego typu śmierci czas działania oraz natężenie

szkodliwych czynników musi przekroczyć próg odporności tych

komórek

• nekroza dotyczy grupy komórek, które pęcznieją i tracą

ciągłość błony komórkowej; w komórkach, które mają ulec

śmierci nekrotycznej drastycznie spada poziom ATP, który jest

niezbędny do prawidłowego przebiegu wielu procesów

• deficyt ATP następuje w wyniku depolaryzacji błony

mitochondrium, czego konsekwencją są zaburzenia w

transporcie elektronów

• nie tylko funkcja i budowa mitochondriom ulegają zmianom;

destrukcja dotyczy także innych organelli, m.in. reticulum

endoplazmatycznego, polisomów, jądra komórkowego oraz

lizosomów

• w wyniku zaburzeń w strukturze błony komórkowej dochodzi do

biernego napływu wody i jonów (głównie wapnia i sodu) do

wnętrza komórki.

• pojawienie się dużej ilości jonów CA2+ w cytozolu (napływ z

zewnątrz oraz wypływ z ER), jest uważane za typowy objaw

nekrozy

• wzrost stężenia ww. jonów wpływa na aktywację nukleaz, które

tną DNA, a jądro komórkowe ulega dezintegracji

• zaburzeniu ulegają również inne struktury komórki, ponieważ

zostają uwolnione enzymy hydrolityczne z pękających lizosomów

• napęczniała coraz bardziej komórka i jej organella ulegają

rozpadowi, a cała zawartość jest uwalniana do przestrzeni

międzykomórkowej

• rozlane składniki komórkowe wywołują odczyn zapalny, którego

brak w przypadku apoptozy

Ryc. „Znaczenie apoptozy w patogenezie

miażdżycy”; Zapolska-Downar D., Sygitowicz

G., Jarosz M.; Instytut Żywności i Żywienia;

Warszawa

Ryc. „Rodzaje śmierci komórki”; Aleksandra Stępień, Magdalena

Izdebska, Alina Grzanka; Katedra i Zakład Histologii i
Embriologii Collegium Medicum im. L. Rydygiera w
Bydgoszczy UMK w Toruniu

KONIEC

Bibliografia:

1)

„Immunologia”, red. nauk. Gołąb J., Jakóbisiak M., Lasek W.,

Stokłosa T., wyd. PWN

2)

„Immunologia”, Male D., Roth D.B., Roitt I., Brostoff J., wyd. I

polskie pod red. Żeromskiego J., wyd. Urban & Partner

3)

„Immunologia kliniczna”, pod red. Kowalskiego M.R., wyd.

Mediton Oficyna Wydawnicza 2000

4)

„Podstawy genetyki”; pod red. Drewy G. i Ferenca T; wyd. II;

wyd. Medyczne Urban & Partner

5)

Artykuły:

1)

„Rodzaje śmierci komórki”; Aleksandra Stępień, Magdalena
Izdebska, Alina Grzanka; Katedra i Zakład Histologii i Embriologii
Collegium Medicum im. L. Rydygiera w Bydgoszczy UMK w Toruniu

2)

„Znaczenie apoptozy w patogenezie miażdżycy”; Zapolska-Downar
D., Sygitowicz G., Jarosz M.; Instytut Żywności i Żywienia; Warszawa

3)

„Zaprogramowana śmierć komórki”; dr hab. Olga Haus, prof..
nadzw. AM; listopad 2002; abc pacjenta