Процес, при якому клітина може вбивати сама себе, називається запрограмованої клітинної загибелі (ЗГК). Цей механізм має кілька різновидів і відіграє важливу роль у фізіології різних організмів, особливо багатоклітинних. Найбільш часто зустрічається і добре вивченою формою ЗГК є апоптоз.
Що таке апоптоз
Апоптоз – це контрольований фізіологічний процес самознищення клітини, що характеризується поступовим руйнуванням і фрагментацією її вмісту з формуванням мембранних бульбашок (апоптотичних тілець), згодом поглинаються фагоцитами. Цей генетично закладений механізм активується під впливом певних внутрішніх або зовнішніх факторів. При такому варіанті загибелі клітинне вміст не виходить за межі мембрани і не викликає запалення. Порушення регуляції апоптозу призводять до серйозних патологій, таких як неконтрольовані клітинні поділу або дегенерація тканин.
Апоптоз являє собою лише одну з декількох форм запрограмованої загибелі клітини (ЗГК), тому ототожнювати ці поняття помилково. До відомих видів клітинного самознищення відносять також мітотичну катастрофу, аутофагию і програмоване некроз. Інші механізми ЗГК поки не вивчені.
Причини апоптозу клітин
Причиною запуску механізму запрограмованої клітинної загибелі можуть бути як природні фізіологічні процеси, так і патологічні зміни, викликані внутрішніми дефектами або впливом зовнішніх несприятливих факторів. У нормі апоптоз врівноважує процес ділення клітин, регулюючи їх кількість і сприяючи відновленню тканин. В такому випадку причиною ЗГК служать певні сигнали, що входять в систему контролю гомеостазу. З допомогою апоптозу знищуються одноразові або виконали свою функцію клітини. Так, підвищений вміст лейкоцитів, нейтрофілів та інших елементів клітинного імунітету після закінчення боротьби з інфекцією усувається саме за рахунок апоптозу.
Запрограмована загибель є частиною фізіологічного циклу репродуктивних систем. Апоптоз задіяний у процесі оогенеза, а також сприяє загибелі яйцеклітини при відсутності запліднення. Класичним прикладом участі апоптозу клітин в життєвому циклі вегетативних систем є осінній листопад. Сам термін походить від грецького слова apoptosis, що буквально перекладається як "обпадання". Апоптоз відіграє найважливішу роль в ембріогенезі і онтогенезі, коли в організмі змінюються тканини і атрофуються певні органи. Прикладом можуть служити зникнення перетинок між пальцями кінцівок деяких ссавців або відмирання хвоста при метаморфозі жаби.
Апоптоз може бути спровокований накопиченням дефектних змін у клітині, які виникли в результаті мутацій, старіння або помилок мітозу. Причиною запуску ЗГК можуть бути несприятливе середовище (нестача поживних компонентів, дефіцит кисню) і патологічні зовнішні впливи опосередковані вірусами, бактеріями, токсинами і т. д. При цьому якщо пошкоджуючий ефект надто інтенсивний, то клітина не встигає здійснити механізм апоптозу і гине внаслідок розвитку патологічного процесу – некрозу.
Морфологічні та структурно-біохімічні зміни клітини під час апоптозу
Процес апоптозу характеризується певним набором морфологічних змін, які з допомогою мікроскопії можна спостерігати в препараті тканини in vitro.
До основних ознак, характерних для апоптозу клітин, відносять:
перестроювання цитоскелета; ущільнення клітинного вмісту; конденсацію хроматину; фрагментацію ядра; зменшення об'єму клітини; зморщування контуру мембрани; освіта бульбашок на клітинній поверхні, деструкцію органоїдів. У тварин ці процеси завершуються утворенням апоптоцитов, які можуть бути поглинені як макрофагами, так і сусідніми клітинами тканини. У рослин формування апоптотичних тілець не відбувається, а після деградації протопласта зберігається остов у вигляді клітинної стінки.
Крім морфологічних змін, апоптоз супроводжується рядом перебудов на молекулярному рівні. Відбувається підвищення липазной і нуклеазной активностей, які тягнуть за собою фрагментацію хроматину та багатьох білків. Різко збільшується вміст сАМФ, змінюється структура клітинної мембрани. У рослинних клітинах спостерігається утворення гігантських вакуолей.
Чим апоптоз відрізняється від некрозу
Головна відмінність між апоптозом і некрозом полягає в причині клітинної деградації. В першому випадку джерелом руйнування служать молекулярні інструменти самої клітини, які працюють під суворим контролем і вимагають витрат енергії АТФ. При некрозі відбувається пасивне припинення життєдіяльності з-за зовнішнього руйнівного впливу.
Апоптоз – це природний фізіологічний процес, сконструйований таким чином, щоб не шкодити оточуючим клітинам. Некроз – це неконтрольоване патологічне явище, що виникає в результаті критичних пошкоджень. Тому не дивно, що механізм, морфологія і наслідки апоптозу і некрозу багато в чому протилежні. Однак є і загальні риси.
Характеристика процесу
Апоптоз
Некроз
об'єм клітини
зменшується
збільшується
цілісність мембрани
зберігається
порушується
запальний процес
відсутній
розвивається
енергія АТФ
витрачається
не використовується
фрагментація хроматину
є
присутній
різке падіння концентрації АТФ
є
є
підсумок процесу
фагоцитоз
викид вмісту в міжклітинний простір
У разі пошкодження клітини запускають механізм запрограмованої загибелі в тому числі для того, щоб не допустити некротичного розвитку. Проте недавні дослідження показали, що існує інша непатологическая форма некрозу, яку також віднесли до ЗГК.
Біологічне значення апоптозу
Незважаючи на те, що апоптоз призводить до клітинної загибелі, його роль для підтримання нормальної життєдіяльності всього організму дуже велика. Завдяки механізму ЗГК здійснюються такі фізіологічні функції:
підтримання балансу між проліферацією і смертю клітин; оновлення тканин і органів; усунення дефектних і "старих" клітин; захист від розвитку патогенного некрозу; зміна тканин і органів при ембріо - і онтогенезі; видалення непотрібних елементів, що виконали свою функцію; усунення клітин, небажаних або небезпечних для організму (мутантних, пухлинних, заражених вірусом); запобігання розвитку інфекції. Таким чином, апоптоз є одним із способів підтримки клітинно-тканинного гомеостазу.
У рослин апоптоз часто запускається, щоб блокувати поширення інфекційних тканини паразитичних агробактерій.
Етапи клітинної смерті
Те, що відбувається з клітиною при апоптозі, є результатом складної ланцюжка молекулярних взаємодій між різними ферментами. Реакції проходять по типу каскада, коли одні білки активують інші, сприяючи поступовому розвитку сценарію загибелі. Цей процес можна розділити на кілька етапів:
Індукція. Активація проапоптических білків. Активація каспаз. Руйнування і перебудова клітинних органел. Формування апоптоцитов. Підготовка клітинних фрагментів до фагоцитозу. Синтез всіх компонентів, необхідних для запуску, реалізації та контролю кожного етапу закладений генетично, чому апоптоз і називають запрограмованої загибелі клітини. Активація цього процесу перебуває під суворим контролем регуляторних систем, що включають у тому числі і різні інгібітори ЗГК.
Молекулярні механізми апоптозу клітини
Розвиток апоптозу зумовлена сукупною дією двох молекулярних систем: індукційної і ефекторній. Перший блок відповідає за контрольований запуск ЗГК. У нього входять так звані рецептори смерті, Cys-Asp-протеази (каспази), ряд мітохондріальних компонентів і проапоптических білків. Всі елементи індукційної фази можна розділити на тригеры (беруть участь в індукції) та модулятори, що забезпечують трансдукцию сигналу смерті.
Ефекторну систему складають молекулярні інструменти, що забезпечують деградацію і перебудову клітинних компонентів. Перехід між першою і другою фазами здійснюється на етапі протеолітичної каспазного каскаду. Саме за рахунок ефекторних компонентів блоку відбувається загибель клітини при апоптозі.
Чинники апоптозу
Структурно-морфологічні і біохімічні зміни при апоптозі здійснюються певним набором спеціалізованих клітинних інструментів, серед яких найбільш важливими є каспасы, нуклеази і мембранні модифікатори. Каспази – група ферментів, розрізаючих пептидні зв'язки за залишками аспарагіну, фрагментуючи білки на великі пептиди. До початку апоптозу присутні в клітині в неактивному стані через інгібіторів. Головною мішенню каспаз є ядерні білки. Нуклеази – відповідальні за розрізування молекул ДНК. Особливо важлива у розвитку апоптозу активна ендонуклеаза CAD, розриває ділянки хроматину в областях линкерных послідовностей. В результаті утворюються фрагменти довжиною 120-180 нуклеотидних пар. Комплексний вплив протеолітичних каспаз і нуклеаз призводить до деформації і фрагментації ядра.
Модифікатори клітинної мембрани – порушують асиметричність билипидного шару, перетворюючи його в мішень для фагоцитирующих клітин. Ключова роль в розвитку апоптозу належить каспазам, які поетапно активують всі наступні механізми деградації і морфологічної перебудови.
Роль каспаз в клітинної загибелі
Сімейство каспаз включає 14 білків. Частина з них не задіяна в апоптозі, а інші поділяються на 2 групи: инициаторные (289 1012) і ефекторні (3 6 та 7), які інакше називаються каспазами другого ешелону. Всі ці білки синтезуються у вигляді попередників – прокаспаз, активуються протеолітичних розщепленням, суть якого полягає у від'єднанні N-кінцевого домену і поділі залишилася молекули на дві частини, надалі асоціюються в димери і тетрамеры. Инициаторные каспази необхідні для активації ефекторній групи, яка проявляє протеолітичну активність відносно різних життєво важливих клітинних білків. До субстратів каспаз другого ешелону відносяться:
ферменти репарації ДНК; игибитор білка р-53; полі(ADP-рибозо)-полімераза; інгібітор ДНК-ази DFF (руйнування цього білка призводить до активації ендонуклеази CAD) і ін. Загальна кількість мішеней ефекторних каспаз налічує понад 60 білків. Інгібування апоптозу клітин ще можливо на стадії активації инициаторных прокаспаз. Коли ефекторні каспази вступають в дію, процес стає незворотнім.
Шляхи активації апоптозу
Передача сигналу для запуску апоптозу клітини може бути здійснена двома шляхами: рецепторних (або зовнішнім) і митохондриальным. У першому випадку процес активується через специфічні рецептори смерті, що сприймають зовнішні сигнали, якими служать білки сімейства TNF (фактора некрозу пухлин) або Fas-ліганди, розташовані на поверхні Т-кілерів. До складу рецептора входить 2 функціональних домену: трансмембранний (призначений для зв'язку з лігандом) і орієнтований всередину клітини "домен смерті", индуцирующий апоптоз. Механізм рецепторного шляху ґрунтується на утворенні DISC-комплексу, активуючого инициаторные каспази 8 або 10. Збірка починається з взаємодії домену смерті з внутрішньоклітинними адапторными білками, які, в свою чергу, пов'язують инициаторные прокаспазы. У складі комплексу останні перетворюються у функціонально-активні каспази і запускають подальший апоптозный каскад. Механізм внутрішнього шляху заснований на протеолітичної активації каскаду особливими мітохондріальними білками, викид яких контролюється внутрішньоклітинними сигналами. Вихід компонентів органоїдів здійснюється через утворення величезних пір. Особлива роль у запуску належить цитохрому с. Потрапляючи в цитоплазму, цей компонент электротранспортной ланцюга зв'язується з білком Apaf1 (апоптотический фактор активації протеаз), що призводить до активації останнього. Потім Apaf1 пов'язують инициаторные прокаспазы 9 які за механізмом каскаду запускають апоптоз. Контроль внутрішнього шляху здійснюється особливою групою білків сімейства Bcl12 які регулюють вихід межмембранных компонентів мітохондрій у цитоплазму. У складі колекції є як проапоптические, так і антиапоптические білки, баланс між якими і визначає, чи буде запущений процес. До одним з потужних факторів, що запускають апоптоз за мітохондріального механізму, належать реактивні форми кисню. Ще одним значущим індуктором є білок р53 який активує мітохондріальний шлях при наявності ДНК пошкоджень. Іноді запуск апоптозу клітин поєднує в собі відразу два шляхи: як зовнішній, так і внутрішній. Останній зазвичай служить для посилення рецепторної активації.
