10. ZJAWISKO APOPTOZY I JEGO ZNACZENIE

Apoptoza - inaczej: programowana śmierć komórki. Jest to proces fizjologiczny, nie powodujący powstania stanu zapalnego. Przebiega w konserwowany sposób u bardzo wielu organizmów eukariotycznych. Może być indukowana czynnikami wewnętrznymi lub zewnętrznymi.

W programowanej śmierci komórki (programmed cell death

) występuje kaskada zdarzeń, która jest kontrolowana wewnątrz komórki przez geny, enzymy, kaskady sygnałów. Chromatyna kondensuje, DNA jest cięte pomiędzy nukleosomami, komórka kurczy się, a błona wewnętrzna tworzy pęcherzyki. Następuje rozpad jądra i całej komórki. Tworzą się ciałka apoptyczne (fragmenty komórki otoczone błoną, zawartość komórki nie rozlewa się do środowiska zewnętrznego i nie następuje stan zapalny), które są fagocytowane przez komórki żerne. Synteza białek i RNA jest raczej potrzebna, choć nie jest to cecha uniwersalna.

Porównanie apoptozy i nekrozy:

Zmiany morfologiczne i biochemiczne związane z apoptozą:

1. Komórki robią się okrągłe i tracą kontakt z sąsiednimi komórkami.

2. Perforacja błony mitochondrialnej (uwolnienie czynników indukujących apoptozę: cytochromu c, do cytoplazmy).

3. Chromatyna kondensuje (zbija się w masy). DNA jest trawiony pomiędzy nukleosomami przez endonukleazy (gł. CAD, inhibitoem CAD jest ICAD, który jest inaktywowany przez kaspazy).

4. Następuje selektywna proteoliza białek komórkowych. Cięciu ulegają: prokaspazy, laminy jądrowe, białka cytoszkieletu, DNA-PK (serynowo-treoninowa kinaza niezbędna w procesie naprawy dwuniciowych pęknięć DNA), Topoizomeraza II (zdolność cięcia dwóch nici DNA, udział w procesach rekombinacji itp.)

5. Następują zmiany w strukturze błony komórkowej: fosfatydyloseryna, występująca u zdrowej komórki jedynie od wewnętrznej strony błony przeskakuje również na stronę zewnętrzną („flip”)

Mechanizm apoptozy:

Apoptoza obejmuje 3 fazy:

• Faza wzbudzenia - zainicjowanie apoptozy w wyniku działania czynników apoptycznych

• Faza wykonawcza - włączenie programu śmierci (za tę decyzję odpowiedzialnych jest szereg genów, których białkowe produkty stymulują bądź hamują program apoptozy)

• Faza zniszczenia - fragmentacja DNA, rozbicie cytoszkieletu, formowanie ciałek apoptycznych, fagocytoza

Apoptoza może być uruchomiona na skutek:

• wycofania pozytywnych sygnałów (zahamowanie sygnałów stymulujących „życie” komórki ze strony innych komórek, takich jak: czynniki wzrostu neuronów, interleukina 2 (IL-2), czynnik wzrostu limfocytów T)

• odbioru negatywnych sygnałów, np.: uszkodzenie DNA na skutek działania czynników oksydacyjnych, ultrafiolet, promieniowanie X, chemioterapia, hormony tarczycy, glikokortykoidy, aktywatory śmierci - cząsteczki, które wiążąc się do specyficznych receptorów błonowych przesyłają sygnał do rozpoczęcia apoptozy; należą do nich: czynnik martwicy nowotworów (TNF-α) - wiąże się do receptorów TNF, limfotoksyna (TNF-β) - również wiąże się do receptorów TNF, ligand receptorów Fas, perforyny i granzymy

Głównymi białkami apoptozy są KASPAZY:

Kaspazy - wewnątrzkomórkowe enzymy proteolityczne: proteazy cysteinowe (w centrum aktywnym jest cysteina), tnące substraty za kwasem asparaginowym; zachowane w toku ewolucji. Działają na zasadzie reakcji łańcuchowej - aktywowanie jednej cząsteczki prowadzi do uruchomienia innych i skierowania komórki na drogę apoptozy. Aktywacja kaspaz zachodzi przy udziale tzw. czynników aktywujących apoptozę: Apaf-1, cytochrom c.

Drogi aktywacji kaspaz:

Białko p53 - uszkodzenie DNA prowadzi do nagromadzenia w komórce aktywnych cząsteczek p53, zatrzymanie cyklu komórkowego i zapoczątkowuje próby naprawy zniszczeń. Jeśli naprawa nie jest możliwa to białko p53 zmusza komórkę do produkcji cząsteczek białka Bax. Białko to we współpracy z innymi białkami otwiera mitochondria i wypuszcza z nich cząsteczki cytochromu c. Po przedostaniu się do cytoplazmy cytochrom c łączy się z bialkiem Apaf-1 i poenzymem kaspazy 9. Utworzenie tego kompleksu prowadzi do aktywacji kaspazy 9 i uruchomienia kaskady kaspaz.

Bialka BcL - w wyniku zwiększenia przepuszczalności błon otaczających mitochondrium. W regulację tego procesu zaangażowane są białka należące do rodziny Bcl. Niektóre z nich np. Bcl-2 zwiększają szansę przeżycia komórki, a inne np.: Bak i Bax zmuszają komórkę do apoptozy. Białka Bak i Bax we współpracy z białkami VDAC tworzą kanały błonowe, przez które z mitochondirum uwalniany jest cytochrom c.

Receptory Fas i TNF - czynnikiem aktywującym receptory Fas jest białko FasL, a receptorów TNF: TNF-α i TNF- β (czynnik martwicy nowotworów). Powstanie kompleksu Fas-FasL lub R-TNF-TNFα lub β, aktywuje kaspazę 8, która uruchamia szlak kaspaz w aktywowanej komórce i apoptozę.

Perforyny i granzymy - perforyny to białka, które w błonie niszczonej komórki tworzą kanały błonowe umożliwiające wnikanie do komórki innych białek tzw. granzymów. Granzymy to białka z rodziny proteaz przecinające takie same białka jak kaspazy i podobnie jak one mogą inicjować apoptozę.

(Czynnik indukujący apoptozę - niektóre komórki, np. neurony, wykorzystują inną drogę samodestrukcji niż ta związana z aktywacją kaspaz. Czynnik indukujący apoptozę jest białkiem zlokalizowanym w przestrzeni międzybłonowej mitochondrium. Kiedy komórka otrzyma sygnał, że powinna umrzeć, mitochondrium uwalnia AIF, który migruje do jądra komórkowego, wiąże się z DNA i rozpoczyna jego degradację i w efekcie śmierć komórki.)

Białka regulujące apoptozę:

1. Rodzina białek Bcl-2:

anty-apoptyczne: Bcl-2, Bcl-xL, Bcl-w, Mcl-1, A1

pro-apoptyczne: Bak, Bax, Bok, Bik, Blk, Hrk, BNIP3, Bim, Bad, Bid

2. IAP - inhibitory apoptozy, hamują apoptozę wiążąc się z kaspazami bezpośrednio lub hamując ich aktywację

Znaczenie apoptozy:

1. HOMEOSTAZA - utrzymanie stałej liczby komórek organizmu. Każdego dnia powstaje i umiera tyle samo komórek ciała.

2. ROZWÓJ EMBRIONALNY:

- „rzeźbienie” części ciała: rozdzielanie palców rąk i nóg (nieprawidłowości w apoptozie - syndaktylia), tworzenie jam ciała (światło tub, pęcherzyków), przebudowa kości.

- eliminacja struktur już niepotrzebnych, zużytych lub charakterystycznych tylko dla jednej płci: metamorfozy owadów, płazów (odpadanie ogona kijanki), regresja gruczołów sutkowych ssaków po zaprzestaniu karmienia

- samoorganizacja układu nerwowego: nadmierna produkcja neuronów i oligodendrocytów- ponad połowa z nich umiera, zostają te które utworzą prawidłowe połączenia z komórkami docelowymi, ponad połowa motoneuronów odcinka lędźwiowego powstałych podczas embriogenezy umiera przed urodzeniem - zostaje tyle ile jest komórek mięśniowych, które mają unerwiać

- samoorganizacja układu immunologicznego: niefunkcjonalne limfocyty T i B (brak produktywnego receptora do wiązania antygenu, który dostarcza sygnał troficzny hamujący apoptozę - pozytywna selekcja) lub potencjalnie groźne dla organizmu limfocyty T i B, które rozpoznają swoje antygeny ulegają apoptozie (negatywna selekcja).

Ok. 90% limfocytów T migrujących w grasicy nigdy z niej nie wychodzi

- kontrola jakości komórek powstających podczas rozwoju: eliminacja komórek nieprawidłowych, przemieszczonych w nieprawidłowe miejsce

3. OBRONA PRZED CHOROBAMI:

- eliminacja komórek zaatakowanych wirusem, komórek nowotworowych

(nadmierne obumieranie komórek może powodować choroby: stwardnienie rozsiane, marskość wątroby, inne choroby neurodegeneracyjne; zbyt mało efektywna apoptoza może powodować choroby: nowotwory, arteriosklerozę)

---