Protsessi, mille käigus rakk saab end tappa, nimetatakse programmeeritud rakusurmaks (PCD). Sellel mehhanismil on mitu varianti ja see mängib olulist rolli erinevate organismide, eriti mitmerakuliste organismide füsioloogias. Kõige tavalisem ja paremini uuritud CHF-i vorm on apoptoos.
Mis on apoptoos
Apoptoos on rakkude enesehävitamise kontrollitud füsioloogiline protsess, mida iseloomustab selle sisu järkjärguline hävimine ja killustumine koos membraani vesiikulite (apoptootiliste kehade) moodustumisega, mis seejärel fagotsüütidesse imenduvad. See geneetiline mehhanism aktiveerub teatud sisemiste või väliste tegurite mõjul.
Selle surmavariandi korral ei lähe raku sisaldus membraanist kaugemale ega põhjusta põletikku. Apoptoosi düsregulatsioon põhjustab tõsiseid patoloogiaid, nagu rakkude kontrollimatu jagunemine või kudede degeneratsioon.
Apoptoos on vaid üks programmeeritud rakusurma (PCD) mitmest vormist, seega on nende mõistete tuvastamine viga. Kuulsatelerakkude enesehävitamise tüüpide hulka kuuluvad ka mitootiline katastroof, autofagia ja programmeeritud nekroos. Muid PCG mehhanisme ei ole veel uuritud.
Raku apoptoosi põhjused
Programmeeritud rakusurma mehhanismi käivitamise põhjuseks võivad olla nii loomulikud füsioloogilised protsessid kui ka patoloogilised muutused, mis on põhjustatud sisemistest defektidest või kokkupuutest väliste kahjulike teguritega.
Tavaliselt tasakaalustab apoptoos rakkude jagunemisprotsessi, reguleerides nende arvu ja soodustades kudede uuenemist. Sel juhul on HGC põhjuseks teatud signaalid, mis on osa homöostaasi juhtimissüsteemist. Apoptoosi abil hävitatakse ühekordselt kasutatavad või oma funktsiooni täitnud rakud. Seega elimineeritakse pärast infektsioonivastase võitluse lõppu suurenenud leukotsüütide, neutrofiilide ja muude rakulise immuunsuse elementide sisaldus just tänu apoptoosile.
Programmeeritud surm on osa reproduktiivsüsteemide füsioloogilisest tsüklist. Apoptoos osaleb oogeneesi protsessis ja aitab kaasa ka munaraku surmale viljastumise puudumisel.
Klassikaline näide raku apoptoosi kaasamisest vegetatiivsete süsteemide elutsüklisse on sügisene lehtede langemine. Termin ise pärineb kreekakeelsest sõnast apoptoos, mis tõlkes tähendab "kukkumist".
Apoptoos mängib olulist rolli embrüogeneesis ja ontogeneesis, kui kehas muutuvad koed ja teatud elundid atroofeeruvad. Näiteks võib tuua mõne imetaja jäsemete sõrmede vaheliste membraanide kadumise või saba surma metamorfoosi käigus.konnad.
Apoptoosi võib vallandada mutatsioonidest, vananemisest või mitootilistest vigadest tingitud defektsete muutuste kuhjumine rakus. KHK käivitamise põhjuseks võib olla ebasoodne keskkond (toitainete vähesus, hapnikupuudus) ja patoloogilised välismõjud, mida vahendavad viirused, bakterid, toksiinid jne. Pealegi, kui kahjustav toime on liiga intensiivne, siis rakk ei on aega apoptoosimehhanismi teostamiseks ja sureb selle tagajärjel.patoloogilise protsessi areng - nekroos.
Morfoloogilised ja struktuur-biokeemilised muutused rakus apoptoosi ajal
Apoptoosi protsessi iseloomustab teatud kogum morfoloogilisi muutusi, mida saab jälgida mikroskoopia abil koepreparaadis in vitro.
Raku apoptoosi peamised tunnused on järgmised:
- tsütoskeleti taastamine;
- pitseri lahtri sisu;
- kromatiini kondensatsioon;
- tuuma killustatus;
- lahtri helitugevuse vähendamine;
- membraani kontuuri kortsumine;
- mullide moodustumine raku pinnal,
- organellide hävitamine.
Loomadel kulmineeruvad need protsessid apoptootsüütide moodustumisega, mida võivad haarata nii makrofaagid kui ka naaberkoe rakud. Taimedes apoptootiliste kehade teket ei toimu ja pärast protoplasti lagunemist jääb luustikrakusein.
Lisaks morfoloogilistele muutustele kaasneb apoptoosiga hulk ümberkorraldusi molekulaarsel tasandil. Suureneb lipaasi ja nukleaasi aktiivsus, mis toob kaasa kromatiini ja paljude valkude killustumise. cAMP sisaldus suureneb järsult, muutub rakumembraani struktuur. Taimerakkudes täheldatakse hiiglaslike vakuoolide moodustumist.
Kuidas apoptoos erineb nekroosist
Peamine erinevus apoptoosi ja nekroosi vahel seisneb rakkude lagunemise põhjuses. Esimesel juhul on hävitamise allikaks raku enda molekulaarsed tööriistad, mis töötavad range kontrolli all ja nõuavad ATP energia kulutamist. Nekroosiga kaasneb elu passiivne seiskumine väliste kahjulike mõjude tõttu.
Apoptoos on loomulik füsioloogiline protsess, mis on loodud nii, et see ei kahjusta ümbritsevaid rakke. Nekroos on kontrollimatu patoloogiline nähtus, mis tekib kriitiliste vigastuste tagajärjel. Seetõttu pole üllatav, et apoptoosi ja nekroosi mehhanism, morfoloogia ja tagajärjed on paljudes aspektides vastupidised. Siiski on ka ühiseid jooni.
| Protsessi karakteristikud | Apoptoos | Nekroos |
| lahtri helitugevus | väheneb | kasvab |
| membraani terviklikkus | hooldatud | rikutud |
| põletikuline protsess | kadunud | arendab |
| ATP energia | kulutamine | pole kasutatud |
| kromatiini killustumine | saadaval | olevik |
| ATP kontsentratsiooni järsk langus | on | on |
| protsessi tulemus | fagotsütoos | sisu vabastamine rakkudevahelisse ruumi |
Kahjustuse korral käivitavad rakud programmeeritud surma mehhanismi, sealhulgas selleks, et vältida nekrootilist arengut. Hiljutised uuringud on aga näidanud, et on veel üks mittepatoloogiline nekroosi vorm, mida nimetatakse ka PCD-ks.
Apoptoosi bioloogiline tähtsus
Vaatamata sellele, et apoptoos viib rakusurma, on selle roll kogu organismi normaalse talitluse säilitamisel väga suur. PCG mehhanismi tõttu teostatakse järgmisi füsioloogilisi funktsioone:
- tasakaalu säilitamine rakkude proliferatsiooni ja surma vahel;
- kudede ja elundite värskendamine;
- defektsete ja "vanade" rakkude kõrvaldamine;
- kaitse patogeense nekroosi tekke eest;
- kudede ja elundite muutus embrüogeneesi ja ontogeneesi käigus;
- oma funktsiooni täitnud mittevajalike elementide eemaldamine;
- organismile soovimatute või ohtlike rakkude (mutant, kasvaja, viirusega nakatunud) elimineerimine;
- nakkuse ennetamine.
Seega on apoptoos üks viise raku-koe homöostaasi säilitamiseks.
Taimedesapoptoos käivitatakse sageli, et blokeerida kudesid nakatavate parasiitide agrobakterite levik.
Rakusurma etapid
Apoptoosi ajal rakuga toimuv on erinevate ensüümide vahelise keerulise molekulaarse interaktsiooni ahela tulemus. Reaktsioonid kulgevad kaskaadina, kui mõned valgud aktiveerivad teisi, aidates kaasa surmastsenaariumi järkjärgulisele arengule. Selle protsessi saab jagada mitmeks etapiks:
- Induktsioon.
- Proapoptootiliste valkude aktiveerimine.
- Kaspaasi aktiveerimine.
- Rakuorganellide hävitamine ja ümberstruktureerimine.
- Apoptotsüütide moodustumine.
- Rakufragmentide ettevalmistamine fagotsütoosiks.
Kõigi iga etapi käivitamiseks, rakendamiseks ja juhtimiseks vajalike komponentide süntees on geneetiliselt põhinev, mistõttu apoptoosi nimetatakse programmeeritud rakusurmaks. Selle protsessi aktiveerimine toimub regulatoorsete süsteemide, sealhulgas erinevate CHG inhibiitorite range kontrolli all.
Raku apoptoosi molekulaarsed mehhanismid
Apoptoosi arengu määrab kahe molekulaarse süsteemi: induktsiooni ja efektori kombineeritud toime. Esimene plokk vastutab ZGK kontrollitud käivitamise eest. See sisaldab niinimetatud surma retseptoreid, Cys-Asp-proteaase (kaspaase), mitmeid mitokondriaalseid komponente ja pro-apoptootilisi valke. Kõik induktsioonifaasi elemendid võib jagada trigeriteks (osalevad induktsioonis) ja modulaatoriteks, mis tagavad surmasignaali ülekande.
Efektorsüsteem koosneb molekulaarsetest tööriistadest, mis tagavad rakukomponentide lagunemise ja ümberstruktureerimise. Üleminek esimese ja teise faasi vahel toimub proteolüütilise kaspaasi kaskaadi etapis. Apoptoosi ajal toimub rakusurm tänu efektorbloki komponentidele.
Apoptoosifaktorid
Apoptoosi käigus toimuvad struktuursed-morfoloogilised ja biokeemilised muutused viiakse läbi teatud spetsiaalsete rakuliste tööriistade abil, millest olulisemad on kaspaasid, nukleaasid ja membraani modifikaatorid.
Kaspaasid on rühm ensüüme, mis lõikavad peptiidsidemeid asparagiinijääkide juurest, fragmenteerides valgud suurteks peptiidideks. Enne apoptoosi algust on nad rakus inhibiitorite tõttu inaktiivses olekus. Kaspaaside peamised sihtmärgid on tuumavalgud.
Nukleaasid vastutavad DNA molekulide lõikamise eest. Apoptoosi arengus on eriti oluline aktiivne endonukleaas CAD, mis lõhub linkerjärjestuste piirkondades kromatiini piirkondi. Selle tulemusena moodustuvad fragmendid pikkusega 120-180 nukleotiidipaari. Proteolüütiliste kaspaaside ja nukleaaside kompleksne toime põhjustab tuuma deformeerumist ja killustumist.
Rakumembraani modifikaatorid – rikuvad bilipiidkihi asümmeetriat, muutes selle fagotsüütiliste rakkude sihtmärgiks.
Apoptoosi arengus on võtmeroll kaspaasidel, mis aktiveerivad järk-järgult kõik järgnevad lagunemise ja morfoloogilise ümberkorraldamise mehhanismid.
Kaspaasi roll rakussurm
Kaspaaside perekond sisaldab 14 valku. Mõned neist ei osale apoptoosis, samas kui ülejäänud on jagatud kahte rühma: initsiatiiv (2, 8, 9, 10, 12) ja efektor (3, 6 ja 7), mida muidu nimetatakse teise astme kaspaasideks. Kõik need valgud sünteesitakse eelkäijatena – prokaspaasidena, mis aktiveeritakse proteolüütilise lõhustamise teel, mille põhiolemus on N-terminaalse domeeni eraldumine ja ülejäänud molekuli jagunemine kaheks osaks, mis seejärel seostatakse dimeerideks ja tetrameerideks.
Initsiaatorkaspaasid on vajalikud, et aktiveerida efektorrühm, millel on proteolüütiline toime erinevate rakuliste elutähtsate valkude vastu. Teise astme kaspaassubstraadid hõlmavad järgmist:
- DNA-d parandavad ensüümid;
- p-53 valgu inhibiitor;
- polü-(ADP-riboos)polümeraas;
- DNaasi DFF-i inhibiitor (selle valgu hävitamine viib CAD endonukleaasi aktiveerumiseni) jne.
Efektorkaspaaside sihtmärkide koguarv on üle 60 valgu.
Raku apoptoosi inhibeerimine on endiselt võimalik initsiaatorprokaspaaside aktiveerimise etapis. Kui efektorkaspaasid on aktiveeritud, muutub protsess pöördumatuks.
Apoptoosi aktiveerimise teed
Signaali edastamine raku apoptoosi alustamiseks võib toimuda kahel viisil: retseptor (või väline) ja mitokondriaalne. Esimesel juhul aktiveeritakse protsess spetsiifiliste välissignaale tajuvate surmaretseptorite kaudu, milleks on TNF (tumornekroosifaktori) perekonna valgud või pinnal paiknevad Fas ligandid. T-killers.
Retseptor sisaldab 2 funktsionaalset domeeni: transmembraanset domeeni (mis on loodud ligandiga seonduma) ja raku sees orienteeritud "surmadomeeni", mis kutsub esile apoptoosi. Retseptorraja mehhanism põhineb DISC-kompleksi moodustumisel, mis aktiveerib initsiaatorkaspaasid 8 või 10.
Kokkupanek algab surmadomeeni interaktsioonist intratsellulaarsete adaptervalkudega, mis omakorda seovad initsiaatorprokaspaase. Kompleksi osana muudetakse viimased funktsionaalselt aktiivseteks kaspaasideks ja käivitavad täiendava apoptootilise kaskaadi.
Siseraja mehhanism põhineb proteolüütilise kaskaadi aktiveerimisel spetsiifiliste mitokondriaalsete valkude poolt, mille vabanemist kontrollivad rakusisesed signaalid. Organellide komponentide vabanemine toimub tohutute pooride moodustumisega.
Cytochrome c mängib turule toomisel erilist rolli. Tsütoplasmasse sattudes seondub see elektrotranspordiahela komponent Apaf1 valguga (apoptootilist proteaasi aktiveeriv faktor), mis viib viimase aktiveerumiseni. Seejärel seotakse Apaf1 initsiaatorprokaspaasidega 9, mis käivitavad kaskaadmehhanismi kaudu apoptoosi.
Sisemise raja kontrollib spetsiaalne Bcl12 perekonna valkude rühm, mis reguleerib mitokondrite intermembraansete komponentide vabanemist tsütoplasmasse. Perekond sisaldab nii pro-apoptootilisi kui ka anti-apoptootilisi valke, mille tasakaal määrab, kas protsess käivitatakse.
Üks võimsamaid tegureid, mis käivitavad mitokondriaalse mehhanismi apoptoosi, on reaktiivsedhapniku vormid. Teine oluline indutseerija on valk p53, mis aktiveerib DNA kahjustuse korral mitokondriaalse raja.
Mõnikord ühendab raku apoptoosi algus korraga kahte võimalust: nii välist kui ka sisemist. Viimane aitab tavaliselt retseptori aktiveerimist.
