Процесът, чрез който клетката може да се самоубие, се нарича програмирана клетъчна смърт (PCD). Този механизъм има няколко разновидности и играе важна роля във физиологията на различни организми, особено многоклетъчни. Най-честата и добре проучена форма на CHF е апоптоза.
Какво е апоптоза
Апоптозата е контролиран физиологичен процес на самоунищожение на клетката, характеризиращ се с постепенно разрушаване и фрагментиране на съдържанието й с образуване на мембранни везикули (апоптотични тела), които впоследствие се абсорбират от фагоцитите. Този генетичен механизъм се активира под влиянието на определени вътрешни или външни фактори.
При този вариант на смърт клетъчното съдържание не излиза извън мембраната и не предизвиква възпаление. Дисрегулацията на апоптозата води до сериозни патологии като неконтролирано клетъчно делене или тъканна дегенерация.
Апоптозата е само една от няколкото форми на програмирана клетъчна смърт (PCD), така че е грешка да се идентифицират тези понятия. На известнитевидовете клетъчно самоунищожение също включват митотична катастрофа, аутофагия и програмирана некроза. Други механизми на PCG все още не са проучени.
Причини за клетъчна апоптоза
Причината за задействане на механизма на програмирана клетъчна смърт могат да бъдат както естествени физиологични процеси, така и патологични промени, причинени от вътрешни дефекти или излагане на външни неблагоприятни фактори.
Обикновено апоптозата балансира процеса на делене на клетките, регулирайки техния брой и насърчавайки обновяването на тъканите. В този случай причината за HGC са определени сигнали, които са част от системата за контрол на хомеостазата. С помощта на апоптоза се унищожават клетките за еднократна употреба или клетките, които са изпълнили своята функция. Така повишеното съдържание на левкоцити, неутрофили и други елементи на клетъчния имунитет след края на борбата с инфекцията се елиминира именно поради апоптоза.
Програмираната смърт е част от физиологичния цикъл на репродуктивната система. Апоптозата участва в процеса на оогенеза, а също така допринася за смъртта на яйцеклетката при липса на оплождане.
Класически пример за участието на клетъчната апоптоза в жизнения цикъл на вегетативните системи е есенното падане на листата. Самият термин идва от гръцката дума апоптоза, която буквално се превежда като "падане".
Апоптозата играе важна роля в ембриогенезата и онтогенезата, когато тъканите се променят в тялото и някои органи атрофират. Пример за това е изчезването на мембраните между пръстите на крайниците на някои бозайници или смъртта на опашката по време на метаморфоза.жаби.
Апоптозата може да бъде предизвикана от натрупването на дефектни промени в клетката в резултат на мутации, стареене или митотични грешки. Неблагоприятна среда (липса на хранителни вещества, недостиг на кислород) и патологични външни влияния, медиирани от вируси, бактерии, токсини и др. има време да осъществи механизма на апоптоза и в резултат умира развитие на патологичния процес - некроза.
Морфологични и структурно-биохимични промени в клетката по време на апоптоза
Процесът на апоптоза се характеризира с определен набор от морфологични промени, които могат да се наблюдават чрез микроскопия в тъканен препарат in vitro.
Основните характеристики, характерни за клетъчната апоптоза, включват:
- възстановяване на цитоскелета;
- запечатване на съдържанието на клетката;
- хроматинова кондензация;
- фрагментация на ядрото;
- намаляване на обема на клетката;
- набръчкване на контура на мембраната;
- образуване на мехурчета върху повърхността на клетката,
- разрушаване на органели.
При животните тези процеси кулминират с образуването на апоптоцити, които могат да бъдат погълнати както от макрофагите, така и от съседните тъканни клетки. При растенията образуването на апоптотични тела не се случва и след разграждането на протопласта скелетът остава вклетъчна стена.
В допълнение към морфологичните промени, апоптозата е придружена от редица пренареждания на молекулярно ниво. Наблюдава се повишаване на липазната и нуклеазната активност, което води до фрагментиране на хроматин и много протеини. Съдържанието на cAMP рязко се увеличава, структурата на клетъчната мембрана се променя. В растителните клетки се наблюдава образуването на гигантски вакуоли.
Как апоптозата се различава от некрозата
Основната разлика между апоптоза и некроза се крие в причината за разграждането на клетките. В първия случай източникът на разрушаване са молекулярните инструменти на самата клетка, които работят под строг контрол и изискват изразходване на енергия от АТФ. При некроза се получава пасивно спиране на живота поради външни увреждащи ефекти.
Апоптозата е естествен физиологичен процес, създаден по такъв начин, че да не уврежда околните клетки. Некрозата е неконтролирано патологично явление, което възниква в резултат на критични наранявания. Следователно не е изненадващо, че механизмът, морфологията и последствията от апоптозата и некрозата са в много отношения противоположни. Има обаче и общи черти.
| Характеристика на процеса | Апоптоза | Некроза |
| обем на клетката | намалява | увеличаване |
| целостта на мембраната | поддържан | нарушено |
| възпалителен процес | липсва | развива |
| ATP енергия | разход | не е използвано |
| фрагментация на хроматин | наличен | подарък |
| рязък спад в концентрацията на АТФ | е | е |
| резултат от процеса | фагоцитоза | изпускане на съдържание в междуклетъчното пространство |
В случай на увреждане, клетките задействат механизма на програмирана смърт, включително с цел предотвратяване на некротично развитие. Въпреки това, последните проучвания показват, че има друга непатологична форма на некроза, която също се нарича PCD.
Биологично значение на апоптозата
Въпреки факта, че апоптозата води до клетъчна смърт, ролята й за поддържане на нормалното функциониране на целия организъм е много голяма. Следните физиологични функции се осъществяват благодарение на механизма на PCG:
- поддържане на баланс между клетъчната пролиферация и смъртта;
- актуализиране на тъкани и органи;
- елиминиране на дефектни и "стари" клетки;
- защита срещу развитието на патогенна некроза;
- промяна на тъкани и органи по време на ембриогенеза и онтогенеза;
- премахване на ненужни елементи, които са изпълнили своята функция;
- елиминиране на клетки, които са нежелани или опасни за тялото (мутант, тумор, заразени с вирус);
- предотвратяване на инфекция.
По този начин апоптозата е един от начините за поддържане на клетъчно-тъканната хомеостаза.
В растенияапоптозата често се задейства, за да блокира разпространението на заразяващи тъкани паразитни агробактерии.
Етапи на клетъчна смърт
Това, което се случва с клетката по време на апоптоза, е резултат от сложна верига от молекулярни взаимодействия между различни ензими. Реакциите протичат като каскада, когато някои протеини активират други, допринасяйки за постепенното развитие на сценария на смъртта. Този процес може да бъде разделен на няколко етапа:
- Индукция.
- Активиране на проапоптотични протеини.
- Активиране на каспаза.
- Разрушаване и преструктуриране на клетъчни органели.
- Образуване на апоптоцити.
- Подготовка на клетъчни фрагменти за фагоцитоза.
Синтезът на всички компоненти, необходими за стартиране, изпълнение и контрол на всеки етап е генетично базиран, поради което апоптозата се нарича програмирана клетъчна смърт. Активирането на този процес е под стриктен контрол на регулаторни системи, включително различни инхибитори на CHG.
Молекулярни механизми на клетъчна апоптоза
Развитието на апоптозата се определя от комбинираното действие на две молекулярни системи: индукция и ефектор. Първият блок е отговорен за контролираното изстрелване на ZGK. Той включва така наречените рецептори за смърт, Cys-Asp-протеази (каспази), редица митохондриални компоненти и проапоптотични протеини. Всички елементи на индукционната фаза могат да бъдат разделени на тригери (участват в индукцията) и модулатори, които осигуряват трансдукция на сигнала за смърт.
Ефекторната система се състои от молекулярни инструменти, които осигуряват разграждането и преструктурирането на клетъчните компоненти. Преходът между първата и втората фаза се осъществява на етапа на каскадата на протеолитичната каспаза. Това се дължи на компонентите на ефекторния блок, че клетъчната смърт настъпва по време на апоптоза.
Апоптозни фактори
Структурно-морфологични и биохимични промени по време на апоптозата се извършват от определен набор от специализирани клетъчни инструменти, сред които най-важни са каспазите, нуклеазите и мембранните модификатори.
Каспазите са група от ензими, които разрязват пептидните връзки в аспарагиновите остатъци, фрагментирайки протеините в големи пептиди. Преди началото на апоптозата те присъстват в клетката в неактивно състояние поради инхибитори. Основните цели на каспазите са ядрените протеини.
Нуклеазите са отговорни за разрязването на ДНК молекули. Особено важна за развитието на апоптоза е активната ендонуклеаза CAD, която разрушава хроматиновите региони в участъците на линкерните последователности. В резултат на това се образуват фрагменти с дължина 120-180 нуклеотидни двойки. Сложният ефект на протеолитичните каспази и нуклеази води до деформация и фрагментация на ядрото.
Модификатори на клетъчната мембрана - нарушават асиметрията на билипидния слой, превръщайки го в мишена за фагоцитни клетки.
Ключовата роля в развитието на апоптозата принадлежи на каспазите, които постепенно активират всички последващи механизми на разграждане и морфологично пренареждане.
Ролята на каспазата в клетъчнатасмърт
Фамилията каспази включва 14 протеина. Някои от тях не участват в апоптозата, докато останалите са разделени на 2 групи: инициаторни (2, 8, 9, 10, 12) и ефекторни (3, 6 и 7), които иначе се наричат каспази от второ ниво. Всички тези протеини се синтезират като прекурсори - прокаспази, активирани чрез протеолитично разцепване, чиято същност е откъсването на N-терминалния домен и разделянето на останалата молекула на две части, впоследствие свързани в димери и тетрамери.
Инициаторните каспази са необходими за активиране на ефекторна група, която проявява протеолитична активност срещу различни жизненоважни клетъчни протеини. Второстепенните каспазни субстрати включват:
- Ензими за възстановяване на ДНК;
- p-53 протеинов инхибитор;
- поли-(АДФ-рибоза)-полимераза;
- инхибитор на DNase DFF (разрушаването на този протеин води до активиране на CAD ендонуклеазата) и др.
Общият брой мишени за ефекторни каспази е повече от 60 протеина.
Инхибирането на клетъчната апоптоза все още е възможно на етапа на активиране на инициаторните прокаспази. След като ефекторните каспази се активират, процесът става необратим.
Пътища за активиране на апоптоза
Предаване на сигнал за стартиране на клетъчна апоптоза може да се извърши по два начина: рецепторен (или външен) и митохондриален. В първия случай процесът се активира чрез специфични рецептори за смърт, които възприемат външни сигнали, които са протеини от семейството на TNF (тумор некрозис фактор) или Fas лиганди, разположени на повърхносттаT-убийци.
Рецепторът включва 2 функционални домена: трансмембранен (предназначен да се свързва с лиганда) и "домен на смъртта", ориентиран вътре в клетката, който индуцира апоптоза. Механизмът на рецепторния път се основава на образуването на DISC комплекс, който активира инициаторни каспази 8 или 10.
Сглобяването започва с взаимодействието на домейна на смъртта с вътреклетъчните адапторни протеини, които от своя страна свързват инициаторните прокаспази. Като част от комплекса, последните се превръщат във функционално активни каспази и задействат допълнителна апоптотична каскада.
Механизмът на вътрешния път се основава на активирането на протеолитичната каскада от специфични митохондриални протеини, чието освобождаване се контролира от вътреклетъчни сигнали. Освобождаването на органелните компоненти се осъществява чрез образуването на огромни пори.
Cytochrome c играе специална роля при стартирането. Веднъж попаднал в цитоплазмата, този компонент на електротранспортната верига се свързва с протеина Apaf1 (фактор, активиращ апоптотична протеаза), което води до активиране на последния. След това Apaf1 се свързва с инициаторни прокаспази 9, които задействат апоптоза чрез каскаден механизъм.
Контролът на вътрешния път се осъществява от специална група протеини от семейството Bcl12, които регулират освобождаването на междумембранни компоненти на митохондриите в цитоплазмата. Семейството съдържа както проапоптотични, така и антиапоптотични протеини, балансът между които определя дали процесът ще бъде стартиран.
Един от мощните фактори, които предизвикват апоптоза от митохондриалния механизъм, са реактивниформи на кислород. Друг важен индуктор е протеинът p53, който активира митохондриалния път при наличие на увреждане на ДНК.
Понякога началото на клетъчната апоптоза комбинира два начина наведнъж: както външен, така и вътрешен. Последното обикновено служи за засилване на рецепторното активиране.
