Apoptoza
Większość tkanek ma całe swoje linie rozwojowe, które w określonym momencie różnicowania się organizmu umierają w sposób całkowicie kontrolowany. Historia badań nad PCD rozpoczęła się w latach 60. Już wtedy było wiadomo, że śmierć jest niezbędna, aby powstawały nowe tkanki. W latach 70. było już wiadomo, że śmierć ta jest zaprogramowana, a nie przypadkowa. Ukoronowaniem badań nad apoptozą była Nagroda Nobla w 2002 roku za zidentyfikowanie genów regulujących apoptozę i rozwój u Caenorhabditis elegans. Większość genów homologicznych do tych u C.elegans występuje też u człowieka. W określonym momencie umierają określone komórki.
Nekroza - jedna z form niekontrolowanej śmierci.
Morfologia apoptozy:
komórka zaczyna się kurczyć
tworzenie w błonie pęcherzyków, z których powstają ciałka apoptotyczne - obłonione fragmenty komórek
zmiana przepuszczalności błony mitochondiów
fragmentacja jądra, która zwykle poprzedzona jest kondensacją chromatyny
ciągłość błon komórkowych jest długotrwała
Morfologia nekrozy:
komórka pęcznieje
dezintegracja wszystkich błon i organelli w obrębie komórki
strawienie cytoszkieletu
wyciek elektrolitów z komórki
Apoptoza u zwierząt:
Sekwencja zmian biochemicznych i morfologicznych:
Głównym wyznacznikiem apoptozy jest degradacja DNA jądrowego w określonych miejscach pomiędzy nukleosomami - internukleosomalna fragmentacja DNA. DNA zostaje pocięte na bardzo równe odcinki.
Drugim wyznacznikiem jest kondensacja chromatyny.
Częstym wyznacznikiem jest też uwolnienie cytochromu c z mitochondrium wskutek zmian w przepuszczalności błon. Uruchamia to ciąg dalszy mechanizmów związanych z apoptozą.
Komórka traci wodę i elektrolity, co powoduje obkurczenie komórki
Kondensacja cytoplazmy
Rozpad komórki na ciałka apoptotyczne
Przyczyny apoptozy:
musi istnieć równowaga między proliferacją a obumieraniem komórek; komórki krwi i nabłonkowe muszą się stale odtwarzać
w określonych etapach rozwoju musi nastąpić śmierć, np. zanikanie ogona kijanki lub tkanki pomiędzy palcami płodu, obumieranie nadmiaru komórek nerwowych podczas tworzenia się synaps
niszczenie komórek, które zagrażają integralności organizmu, np. zainfekowanych przez wirusy lub komórek zarodkowych z defektywnym DNA. Induktorem apoptozy jest białko p53. Jego kumulacja następuje, gdy dochodzi do utworzenia DNA.
Indukcja:
a) szlak zewnętrzny (receptorowy)
Sygnał zewnętrzny musi napotkać receptor w błonie komórkowej. Jest charakterystyczna dla ssaków; nie występuje u C.elegans. Pewne czynniki np. zapalne cytokiny rozpoznają pewne określone receptory w błonie, tworzy się tzw. kompleks śmierci, dochodzi do uruchomienia określonych enzymów i następuje degradacja białek i DNA.
Ligand rozpoznaje odpowiedni receptor (Fas + FasL) i tworzy się kompleks DISC (death-inducing signaling complex). Powoduje to aktywację kaspazy 8 i następnie kaskady kaspaz.
TNF + TNRF ½ --> DISC --> kaspaza 8 --> kaskada kaspaz
Kaskada kaspaz powoduje cięcia w obrębie filamin, czyli białek otoczki jądrowej, które uruchamiają endonukleazy, które tną DNA.
b) szlak wewnętrzny (mitochondrialny)
Związany ze zmianą potencjału błonowego mitochondrium, otwieraniem się kanałów mitochondrialnych i wydostaniem się cytochromu c z mitochondrium. Po wydostaniu się cytochromu c tworzą się kompleksy zwane apoptosomami, które zbudowane są z kilku białek: białka cytochromu c, białka Apaf 1 i prokaspazy 9. Po utworzeniu apoptosomu, następuje kaskada kaspaz, która indukuje zmiany w otoczce jądrowej i białkach oraz enzymy, które powodują fragmentację DNA. Błona mitochondrialna jest chroniona przez białka przeciwapoptotyczne (Bcl2 i Apaf1). Wskutek sygnału inne białka powodują, że błona przestaje byc chroniona i dochodzi do wycieku cytochromu c. Monomer Apaf1 ma określone domeny, z których każda dołącza się do innej części apoptosomu:
- CARD - do kaspaz
- NB-ARC - powoduje oligomeryzację Apaf1
- WD40 - do cytochromu c
Kaspazy:
faza wykonawcza apoptozy
są proteazami cysteinowymi, które tną białka przy kwasie asparaginowym
występują w cytoplazmie w formie nieaktywnej w postaci proenzymów i stają się aktywne dopiero po połączeniu z innymi czynnikami
dzieli się je na kaspazy inicjujące apoptozę i tzw. egzekutory apoptozy. Inicjujące to kaspaza 9 w przypadku szlaku mitochondrialnego i 8 w przypadku receptorowego, a egzekutory to kaspazy 3 i 7.
Apoptoza u roślin:
Nie zawsze jest pod kontrolą tych samych genów, które funkcjonują u zwierząt. Różnice między apoptozą u zwierząt i roślin występują, bo:
są różne wzory rozwoju organizmów roślinnych i zwierzęcych
jest inna strukturalna i metaboliczna organizacja komórek roślinnych i zwierzęcych
fitohormony mają inną budowę i funkcję niż hormony zwierzęce
u roślin nie ma homologów Bcl-2, Bax i kaspaz
Apoptoza zachodzi zarówno w organach generatywnych, jak i wegetatywnych. Zachodzi podczas starzenia się liści, degeneracji tapetum, czyli warstwy wyściełającej komorę pyłkową, podczas starzenia się czapeczki i różnicowania się naczyń; w mezofilu, tkance bielma.
- Wyznacznikiem apoptozy jest internukleosomalna fragmentacja DNA. Kaspazopodobne białka uruchamiają określone endonukleazy, które tną DNA.
- Drugim wyznacznikiem jest kondensacja chromatyny. Jest to łatwiejsze do stwierdzenia u roślin jednoliściennych.
Metoda obserwacji: elektroforeza pojedynczych komórek - metoda kometkowa
Komórki z pofragmentowanym DNA tworzą obraz komety. Fragmenty tworzą ogon komety. Jest to łatwe do zaobserwowania w tkance miękiszowej liścia.
Indukcja:
wolne rodniki
NO - jego pojawianie się następuje bardzo wcześnie (ok. 10 dnia rozwoju liści). Pojawia się w cytoplazmie i mitochondriach. Tworzy kompleks ze specyficznym rodzajem fluorochromu.
Zmiany potencjału błonowego nie indukują. Zarówno w młodych, jak i starych częściach, są komórki z prawidłowym potencjałem i ze zmienionym.
PCD w mezofilu:
fragmentacja DNA
kondensacja chromatyny i pojawianie się NO
destrukcja organelli
Pośrednikami podczas apoptozy są aktywne formy tlenu, czyli np. NO, hormony roślinne i określony poziom metabolitów, np. węgla.