Prosessia, jolla solu voi tappaa itsensä, kutsutaan ohjelmoiduksi solukuolemaksi (PCD). Tällä mekanismilla on useita lajikkeita, ja sillä on tärkeä rooli eri organismien, erityisesti monisoluisten, fysiologiassa. Yleisin ja hyvin tutkittu CHF:n muoto on apoptoosi.
Mikä on apoptoosi
Apoptoosi on hallittu fysiologinen solujen itsetuhoprosessi, jolle on tunnusomaista sen sisällön asteittainen tuhoutuminen ja pirstoutuminen, jolloin muodostuu kalvorakkuloita (apoptoottisia kappaleita), jotka myöhemmin imeytyvät fagosyytiin. Tämä geneettinen mekanismi aktivoituu tiettyjen sisäisten tai ulkoisten tekijöiden vaikutuksesta.
Tässä kuoleman muunnelmassa solusisältö ei ylitä kalvoa eikä aiheuta tulehdusta. Apoptoosin säätelyhäiriöt johtavat vakaviin patologioihin, kuten hallitsemattomaan solun jakautumiseen tai kudosten rappeutumiseen.
Apoptoosi on vain yksi ohjelmoidun solukuoleman (PCD) monista muodoista, joten on virhe tunnistaa nämä käsitteet. Kuuluisillesolujen itsetuhotyyppejä ovat myös mitoottinen katastrofi, autofagia ja ohjelmoitu nekroosi. Muita PCG:n mekanismeja ei ole vielä tutkittu.
Solujen apoptoosin syyt
Syy ohjelmoidun solukuoleman mekanismin laukeamiseen voi olla sekä luonnollisia fysiologisia prosesseja että patologisia muutoksia, jotka johtuvat sisäisistä vioista tai altistumisesta ulkoisille haitallisille tekijöille.
Normaalisti apoptoosi tasapainottaa solujen jakautumisprosessia, säätelee niiden määrää ja edistää kudosten uusiutumista. Tässä tapauksessa HGC:n syynä ovat tietyt signaalit, jotka ovat osa homeostaasin ohjausjärjestelmää. Apoptoosin avulla kertakäyttöiset tai tehtävänsä täyttäneet solut tuhoutuvat. Siten lisääntynyt leukosyyttien, neutrofiilien ja muiden soluimmuniteetin elementtien pitoisuus infektioita vastaan taistelun päätyttyä eliminoituu juuri apoptoosin ansiosta.
Ohjelmoitu kuolema on osa lisääntymisjärjestelmien fysiologista kiertokulkua. Apoptoosi osallistuu oogeneesin prosessiin, ja se edistää myös munasolun kuolemaa hedelmöittymisen puuttuessa.
Klassinen esimerkki solujen apoptoosin osallisuudesta vegetatiivisten järjestelmien elinkaareen on syksyn lehtien pudotus. Itse termi tulee kreikan sanasta apoptosis, joka tarkoittaa kirjaimellisesti "putoamista".
Apoptoosilla on tärkeä rooli alkion synnyssä ja ontogeneesissä, kun kudokset muuttuvat kehossa ja tietyt elimet surkastuvat. Esimerkkinä on joidenkin nisäkkäiden raajojen sormien välisten kalvojen katoaminen tai hännän kuolema metamorfoosin aikana.sammakot.
Apoptoosin voi laukaista mutaatioista, ikääntymisestä tai mitoottisista virheistä johtuvien viallisten muutosten kerääntyminen soluun. Epäsuotuisa ympäristö (ravinteiden puute, hapenpuute) ja patologiset ulkoiset vaikutukset, joita välittävät virukset, bakteerit, toksiinit jne., voivat olla syynä CHC:n markkinoille.. Lisäksi jos vahingollinen vaikutus on liian voimakas, solu ei ehtii toteuttaa apoptoosimekanismin ja kuolee sen seurauksena patologisen prosessin kehittyminen - nekroosi.
Morfologiset ja rakenne-biokemialliset muutokset solussa apoptoosin aikana
Apoptoosiprosessille on ominaista tietty joukko morfologisia muutoksia, jotka voidaan havaita mikroskopialla kudosvalmisteessa in vitro.
Soluapoptoosille ominaisia pääpiirteitä ovat:
- sytoskeleton uudelleenrakentaminen;
- sinettisolun sisältö;
- kromatiinin kondensaatio;
- ytimen pirstoutuminen;
- solun äänenvoimakkuuden vähennys;
- kalvon muodon rypistyminen;
- kuplan muodostuminen solun pinnalle,
- elinten tuhoutuminen.
Eläimillä nämä prosessit huipentuvat apoptosyyttien muodostumiseen, jotka sekä makrofagit että viereiset kudossolut voivat nielaista. Kasveissa apoptoottisten kappaleiden muodostumista ei tapahdu, ja protoplastin hajoamisen jälkeen luuranko jääsoluseinä.
Morfologisten muutosten lisäksi apoptoosiin liittyy useita molekyylitason uudelleenjärjestelyjä. Lipaasi- ja nukleaasiaktiivisuus lisääntyy, mikä johtaa kromatiinin ja monien proteiinien fragmentoitumiseen. cAMP-pitoisuus kasvaa jyrkästi, solukalvon rakenne muuttuu. Kasvisoluissa havaitaan jättimäisten vakuolien muodostumista.
Miten apoptoosi eroaa nekroosista
Pääasiallinen ero apoptoosin ja nekroosin välillä on solun hajoamisen syy. Ensimmäisessä tapauksessa tuhon lähde ovat itse solun molekyylityökalut, jotka toimivat tiukasti hallinnassa ja vaativat ATP-energian kuluttamista. Nekroosin yhteydessä tapahtuu passiivinen elämän loppuminen ulkoisten vahingollisten vaikutusten vuoksi.
Apoptoosi on luonnollinen fysiologinen prosessi, joka on suunniteltu siten, ettei se vahingoita ympäröiviä soluja. Nekroosi on hallitsematon patologinen ilmiö, joka ilmenee kriittisten vammojen seurauksena. Siksi ei ole yllättävää, että apoptoosin ja nekroosin mekanismi, morfologia ja seuraukset ovat monessa suhteessa päinvastaisia. On kuitenkin myös yhteisiä piirteitä.
| Prosessin ominaisuus | Apoptoosi | nekroosi |
| solun tilavuus | vähenee | kasvava |
| kalvon eheys | huollettu | rikottu |
| tulehdusprosessi | puuttuu | kehittyy |
| ATP-energia | kulutus | ei käytetty |
| kromatiinin pirstoutuminen | saatavilla | nykyinen |
| ATP-pitoisuuden jyrkkä pudotus | on | on |
| prosessin tulos | fagosytoosi | sisällön vapauttaminen solujen väliseen tilaan |
Vahingon sattuessa solut laukaisevat ohjelmoidun kuoleman mekanismin, myös nekroottisen kehityksen estämiseksi. Viimeaikaiset tutkimukset ovat kuitenkin osoittaneet, että on olemassa toinen ei-patologinen nekroosimuoto, jota kutsutaan myös PCD:ksi.
Apoptoosin biologinen merkitys
Huolimatta siitä, että apoptoosi johtaa solukuolemaan, sen rooli koko organismin normaalin toiminnan ylläpitämisessä on erittäin suuri. PCG:n mekanismista johtuen suoritetaan seuraavat fysiologiset toiminnot:
- solujen lisääntymisen ja kuoleman välisen tasapainon säilyttäminen;
- kudosten ja elinten päivittäminen;
- viallisten ja "vanhojen" solujen poistaminen;
- suojaus patogeenisen nekroosin kehittymiseltä;
- kudosten ja elinten muutos alkion ja ontogeneesin aikana;
- tehtävänsä täyttäneiden tarpeettomien elementtien poistaminen;
- epätoivottujen tai keholle vaarallisten solujen eliminointi (mutantti, kasvain, viruksen saastuttama);
- tartuntojen ehkäisy.
Apoptoosi on siis yksi tavoista ylläpitää solu-kudosten homeostaasia.
Kasveissaapoptoosi laukaistaan usein estämään kudoksia infektoivien loisagrobakteerien leviämisen.
Solukuoleman vaiheet
Se, mitä solulle tapahtuu apoptoosin aikana, on seurausta monimutkaisesta ketjusta molekyylien vuorovaikutuksia eri entsyymien välillä. Reaktiot etenevät kaskadina, kun jotkin proteiinit aktivoivat toisia ja myötävaikuttavat kuolemanskenaarion asteittaiseen kehittymiseen. Tämä prosessi voidaan jakaa useisiin vaiheisiin:
- Induktio.
- Proapoptoottisten proteiinien aktivointi.
- Kaspaasin aktivointi.
- Soluorganellien tuhoutuminen ja uudelleenjärjestely.
- Apoptosolujen muodostuminen.
- Solufragmenttien valmistaminen fagosytoosia varten.
Kaikkien kunkin vaiheen käynnistämiseen, toteuttamiseen ja hallintaan tarvittavien komponenttien synteesi perustuu geneettisesti, minkä vuoksi apoptoosia kutsutaan ohjelmoiduksi solukuolemaksi. Tämän prosessin aktivointi on säätelyjärjestelmien tiukassa valvonnassa, mukaan lukien erilaiset CHG:n estäjät.
Soluapoptoosin molekyylimekanismit
Apoptoosin kehittyminen määräytyy kahden molekyylijärjestelmän: induktion ja efektorin yhteisvaikutuksen perusteella. Ensimmäinen lohko on vastuussa ZGK:n kontrolloidusta käynnistämisestä. Se sisältää niin kutsutut kuolemanreseptorit, Cys-Asp-proteaasit (kaspaasit), joukon mitokondriokomponentteja ja pro-apoptoottisia proteiineja. Kaikki induktiovaiheen elementit voidaan jakaa triggereihin (osallistu induktioon) ja modulaattoreihin, jotka välittävät kuolemasignaalin.
Effektorijärjestelmä koostuu molekyylityökaluista, jotka varmistavat solukomponenttien hajoamisen ja uudelleenjärjestelyn. Siirtyminen ensimmäisen ja toisen vaiheen välillä tapahtuu proteolyyttisen kaspaasikaskadin vaiheessa. Effektorilohkon komponenttien ansiosta solukuolema tapahtuu apoptoosin aikana.
Apoptoositekijät
Apoptoosin aikana tapahtuvat rakenteelliset-morfologiset ja biokemialliset muutokset suoritetaan tietyillä erikoistuneilla soluvälineillä, joista tärkeimpiä ovat kaspaasit, nukleaasit ja kalvomodifioijat.
Kaspaasit ovat ryhmä entsyymejä, jotka katkaisevat peptidisidoksia asparagiinitähteistä ja pilkkovat proteiinit suuriksi peptideiksi. Ennen apoptoosin alkamista ne ovat solussa inaktiivisessa tilassa estäjien takia. Kaspaasien pääkohteet ovat ydinproteiinit.
Nukleaasit ovat vastuussa DNA-molekyylien leikkaamisesta. Erityisen tärkeä apoptoosin kehittymisessä on aktiivinen endonukleaasi CAD, joka rikkoo kromatiinialueita linkkerisekvenssien alueilla. Tämän seurauksena muodostuu fragmentteja, joiden pituus on 120-180 nukleotidiparia. Proteolyyttisten kaspaasien ja nukleaasien monimutkainen vaikutus johtaa ytimen muodonmuutokseen ja fragmentoitumiseen.
Solukalvon modifioijat - rikkovat bilipidikerroksen epäsymmetrian ja tekevät siitä fagosyyttisolujen kohteen.
Avainrooli apoptoosin kehittymisessä on kaspaaseilla, jotka asteittain aktivoivat kaikki myöhemmät hajoamis- ja morfologiset uudelleenjärjestelymekanismit.
Kaspaasin rooli soluissakuolema
Kaspaasiperheeseen kuuluu 14 proteiinia. Jotkut niistä eivät osallistu apoptoosiin, kun taas loput on jaettu kahteen ryhmään: aloitusryhmään (2, 8, 9, 10, 12) ja efektoriin (3, 6 ja 7), joita kutsutaan muuten toisen tason kaspaaseiksi. Kaikki nämä proteiinit syntetisoidaan prekursoreina - prokaspaaseina, jotka aktivoituvat proteolyyttisellä pilkkoutumisella, jonka ydin on N-terminaalisen domeenin irtoaminen ja jäljelle jääneen molekyylin jakautuminen kahteen osaan, jotka liittyvät myöhemmin dimeereiksi ja tetrameereiksi.
Initiaattorikaspaaseja tarvitaan aktivoimaan efektoriryhmä, jolla on proteolyyttistä aktiivisuutta erilaisia solun tärkeitä proteiineja vastaan. Toisen tason kaspaasisubstraatteja ovat:
- DNA-korjausentsyymit;
- p-53-proteiinin estäjä;
- poly-(ADP-riboosi)-polymeraasi;
- DNaasi DFF:n estäjä (tämän proteiinin tuhoutuminen johtaa CAD-endonukleaasin aktivoitumiseen) jne.
Effektorikaspaasien kohteiden kokonaismäärä on yli 60 proteiinia.
Soluapoptoosin esto on edelleen mahdollista initiaattoriprokaspaasien aktivaatiovaiheessa. Kun efektorikaspaasit on aktivoitu, prosessista tulee peruuttamaton.
Apoptoosin aktivointireitit
Signaalin välitys solun apoptoosin aloittamiseksi voidaan suorittaa kahdella tavalla: reseptori (tai ulkoinen) ja mitokondrio. Ensimmäisessä tapauksessa prosessi aktivoituu spesifisten kuolemareseptorien kautta, jotka havaitsevat ulkoisia signaaleja, jotka ovat TNF- (tumornekroositekijä) -perheen proteiineja tai pinnalla sijaitsevia Fas-ligandeja. T-killers.
Reseptori sisältää 2 toiminnallista domeenia: transmembraanisen (suunniteltu sitoutumaan ligandiin) ja "kuoleman domeenin", joka on suunnattu solun sisään ja joka indusoi apoptoosia. Reseptorireitin mekanismi perustuu DISC-kompleksin muodostumiseen, joka aktivoi initiaattorikaspaasit 8 tai 10.
Kokoaminen alkaa kuolemadomeenin vuorovaikutuksella solunsisäisten adapteriproteiinien kanssa, jotka puolestaan sitovat initiaattoriprokaspaaseja. Osana kompleksia jälkimmäiset muuttuvat toiminnallisesti aktiivisiksi kaspaaseiksi ja laukaisevat uuden apoptoottisen kaskadin.
Sisäisen reitin mekanismi perustuu proteolyyttisen kaskadin aktivoitumiseen spesifisten mitokondrioproteiinien toimesta, joiden vapautumista säätelevät solunsisäiset signaalit. Organellikomponenttien vapautuminen tapahtuu v altavien huokosten muodostumisen kautta.
Sytochrome c:llä on erityinen rooli julkaisussa. Kerran sytoplasmaan tämä sähkökuljetusketjun komponentti sitoutuu Apaf1-proteiiniin (apoptoottista proteaasia aktivoiva tekijä), mikä johtaa jälkimmäisen aktivoitumiseen. Apaf1 sitoutuu sitten initiaattoriprokaspaaseihin 9, jotka laukaisevat apoptoosin kaskadimekanismilla.
Sisäisen reitin hallinnan suorittaa erityinen Bcl12-perheen proteiiniryhmä, joka säätelee mitokondrioiden välisten kalvokomponenttien vapautumista sytoplasmaan. Perhe sisältää sekä pro-apoptoottisia että anti-apoptoottisia proteiineja, joiden välinen tasapaino ratkaisee, käynnistetäänkö prosessi.
Yksi tehokkaista mitokondriaalisen apoptoosin laukaisevista tekijöistä on reaktiivinenhapen muodot. Toinen merkittävä indusoija on p53-proteiini, joka aktivoi mitokondrioreitin DNA-vaurion läsnä ollessa.
Joskus solujen apoptoosin alkaessa yhdistyvät kaksi tapaa kerralla: sekä ulkoinen että sisäinen. Jälkimmäinen yleensä tehostaa reseptorin aktivaatiota.
