Мітохондріальний сигнальний шлях
Більшість форм апоптозу у хребетних реалізується мітохондріальним шляхом, а не через рецептори клітинної загибелі. Мітохондріальний сигнальний шлях апоптозу реалізується в результаті виходу апоптогенних білків з міжмембранного простору мітохондрій в цитоплазму клітини. Вивільнення апоптогенних білків, ймовірно, може здійснюватися двома шляхами: за рахунок розриву мітохондріальної мембрани або ж шляхом відкриття високопроникних каналів на зовнішній мембрані мітохондрій.
Ключовою подією мітохондріального шляху апоптозу є підвищення проникності зовнішньої мембрани мітохондрій (англ. Mitochondrial Outer Membrane Permeabilization, MOMP) . Значну роль в підвищенні MOMP грають апоптотичні Bcl-2 білки - Bax і Bak. Вони вбудовуються в зовнішню мембрану мітохондрій і олігомерізуются. При цьому, ймовірно, порушується цілісність зовнішньої мембрани мітохондрій, по невідомому поки механізму. При підвищенні MOMP з міжмембранного простору мітохондрій в цитозоль вивільняються розчинні білки, які беруть участь в апоптозі: цитохром c - білок з молекулярною масою 15 кДа; прокаспази -2, -3 і -9; AIF (від англ. Apoptosis inducing factor - «фактор що індукує апоптоз») - флавопротеїнів з молекулярною масою 57 кДа.
Розрив зовнішньої мембрани мітохондрій пояснюється збільшенням обсягу мітохондріального матриксу. Даний процес пов'язують з розкриттям пор мітохондріальної мембрани, що призводить до зниження мембранного потенціалу та високоамплітудного набухання мітохондрій внаслідок осмотичного дисбалансу. Пори діаметром 2,6-2,9 нм здатні пропускати низькомолекулярні речовини масою до 1,5 кДа. [5] Розкриття пор стимулюють такі чинники: неорганічний фосфат; каспази; SH-реагенти; виснаження клітин відновленим глутатіоном; утворення активних форм кисню; роз'єднання окисного фосфорилювання протонофорними сполуками; збільшення вмісту Ca2 + в цитоплазмі; вплив цераміду; виснаження мітохондріального пулу АТФ та ін.
Цитохром c в цитоплазмі клітини бере участь у формуванні апоптосоми разом з білком APAF-1 (від англ. Apoptosis Protease Activating Factor-1 - «активуючий чинник апоптотичної протеази-1»). Попередньо, APAF-1 зазнає конформаційні зміни в результаті реакції, що протікає з витратою енергії АТФ. Передбачається, що трансформований APAF-1 набуває здатність зв'язувати цитохром c. До того ж відкривається доступ CARD-домена APAF-1 для прокаспази-9. У результаті відбувається олігомеризація 7 субодиниць трансформованого білка APAF-1 за участю цитохрому c і прокаспази-9. [10] Так утворюється апоптосома, що активує каспазу-9. Зріла каспаза-9 пов'язує і активує прокаспазу-3 з утворенням ефекторною каспази-3. Флатопротеїн AIF, що вивільняється з міжмембранного простору мітохондрій є ефектором апоптозу, діючим незалежно від каспаз. [11] (мал.3)
мал.3 Модель утворення апоптосоми
«Цитохром c - APAF-1 - CARD - прокаспаза-9»
Інші шляхи індукції апоптозу
Реалізація апоптозу може відбуватися в результаті комбінованої дії двох основних сигнальних шляхів - рецептор-залежного і мітохондріального. Крім цього, існує ряд менш поширених механізмів ініціації апоптозу. Наприклад, за рахунок активації прокаспази-12, локалізованої в ЕПР. Вивільнення і активація прокаспази-12 при цьому обумовлені порушеннями внутрішньоклітинного гомеостазу іонів кальцію (Ca2 +). Активація апоптозу також може бути пов'язана з порушенням адгезії клітин.
В якості ще одного фактора індукції апоптозу розглядається атака інфікованих клітин цитотоксичними Т-лімфоцитами, які, крім активації Fas-рецептора, здатні секретувати перфорин поблизу мембрани зараженої клітини. Перфорин, полімеризуючись, утворює трансмембранні канали, через які всередину клітини надходять лімфотоксин-альфа і суміш серинових протеаз (гранзимів). Далі гранзим B активує каспазу-3 і запускається каспазний каскад.
Можлива ініціація клітинної смерті за вивільненні лізосомальних протеаз - катепсинов. Приміром, каспаза-8 викликає вихід з лізосом активного катепсина B, який потім розщеплює регуляторний білок Bid. В результаті утворюється активний білок t-Bid, що активує в свою чергу проапоптозний білок Bax. [5]
Ефекторна фаза
Протягом ефекторної фази різні ініціативніі шляхи конвертуються в один (або декілька) загальний шлях апоптозу. Як правило, відбувається активація каскаду білків-ефекторів і регулюючих їх білків-модуляторів. Основними ефекторами апоптозу є каспази. В процесі активації вони запускають каспазний каскад: складно переплетені ланцюжки взаємодій ініціюючих і ефекторних каспаз.
Каспазний каскад
Каспази являють собою цистеїнові протеази, які розщеплюють амінокислотні послідовності після залишку аспарагінової кислоти. Каспази утворюються за рахунок активації прокаспаз, в складі яких виділяють 3 домена: регуляторний N-кінцевий домен (продомен), велику і малу субодиниці. [3] Активація відбувається шляхом протеолітичного процесингу: всі три домена розщеплюються, відділяється продомен, а інші, велика і мала субодиниці асоціюються, утворюючи гетеродимер. Два гетеродимера надалі формують тетрамер - повноцінну каспазу з двома каталітичними ділянками.(мал.6, мал.7)
Мал.6 Функціональні взаємодії між ініціюючими і ефекторними каспазами (каспаза-2 може існувати у формі двох ізомерів,
один з яких ініціює, а другий пригнічує апоптоз)
мал.7 Схематична послідовність активації каспаз шляхом протеолітичного розщеплення прокаспази на велику і малу субодиниці з їх подальшою асоціацією.
Каспази виявлені в більшості живих організмів. У ссавців ідентифіковано 13 каспаз. [12] Частина з них у апоптозі не бере участі (-1, -4, -5, -11, -13). Решта каспаз, які беруть участь у апоптозі, поділяють на ініціаторні (-2, -8, -9, -10, -12) і ефекторні (-3, -6, -7) [5].Ініціаторні каспаз активують ефекторні каспаз, які в свою чергу провокують і безпосередньо беруть участь у трансформації клітини. У підсумку морфологічні та біохімічні зміни призводять до загибелі клітини за типом апоптозу.
Одна з основних функцій ефекторних каспаз полягає в прямому і опосередкованому руйнуванні клітинних структур. Важливою функцією ефекторних каспаз є інактивація білків, блокуючих апоптоз. Зокрема розщеплюється інгібітор DFF (англ. DNA fragmentation factor - «фактор фрагментації ДНК»), що перешкоджає активації апоптозної ДНКази CAD (англ. Caspase-activated DNase - «ДНКаза, що активується каспазами»). Руйнуванню піддаються і антиапоптозні білки сімейства Bcl-2. Нарешті, в результаті дії ефекторних каспаз відбувається дисоціація регуляторних і ефекторних доменів, що беруть участь у репарації ДНК, мРНК-сплайсингу і ДНК-реплікації.
Деградаційна фаза
Підсумком програмованої клітинної загибелі незалежно від початкового ініціюючого впливу є деградація клітини шляхом фрагментації на окремі апоптотичні тільця, обмежені плазматичною мембраною. Фрагменти загиблої клітини зазвичай дуже швидко (в середньому за 90 хвилин) фагоцитуються макрофагами або сусідніми клітинами, минаючи розвиток запальної реакції.
Морфологічні зміни
Умовно деградацію клітини, яка гине можна розділити на три послідовні фази: вивільнення, блеббінг і конденсація. Деградація більшості клітин починається з вивільнення прикріплень позаклітинного матриксу та реорганізації фокальної адгезії. Усередині клітини, яка гине деполімеризуються мікротрубочки цитоскелету. Внутрішньоклітинні актинові мікрофіламенти реорганізуються в пов'язані з мембраною периферійні (кортикальні) кільцеві пучки. В результаті клітина набуває округлої форми. Наступна за вивільненням, стадія блеббінгу, характеризується скороченням периферійних актинових кілець. В результаті скорочень клітинна мембрана утворює здуття, клітина ніби «кипить». Процес блеббінгу енергозалежний і вимагає великої кількості АТФ. Фаза блеббінгу в нормальних умовах завершується приблизно через годину. В результаті клітина фрагментується на маленькі апоптотичні тіла, або цілком конденсується, округлюючись і зменшуючись в розмірах.
Біохімічні зміни
На молекулярному рівні одним з наслідків апоптозу є фрагментація ДНК за участю нуклеаз. Спочатку утворюються великі фрагменти з 30 000-700 000 пар основ, які в подальшому розщеплюються в міжнуклеосомній області на відрізки 180-190 пар (180-200 пар) основ або кратні цим величинам. Фрагментація ДНК є характерною, але не обов'язковою ознакою апоптозу, так як існують спостереження, в ході яких процес фрагментації ядра (каріорексис) протікав без супутньої фрагментації ДНК.
Ще одним істотним наслідком апоптозу є експресія на зовнішній стороні плазматичної мембрани специфічних молекулярних маркерів, які розпізнаються фагоцитуючими клітинами: тромбоспондину; фосфатидилсерину та інших фосфоліпідів, що містять фосфосерин. Маркери які беруть участь у фагоцитозі клітини, яка гине можна умовно розділити на три групи: «їж мене», «знайди мене» і «не їж мене».
Критичний сигнал «їж мене» виникає при екстерналізації фосфатидилсерину. Зазвичай він локалізується на внутрішньому шарі плазматичної мембрани. Даний стан забезпечується АТФ-залежною фліппазою, яка переміщує фосфоліпід із зовнішнього на внутрішній шар. Під час апоптозу фосфатидилсерин, навпаки, переміщується на зовнішній шар плазматичної мембрани за участю каспаз. Там він асоціюється з такими білками, як Аннексин I і MFG-E8, які беруть участь у взаємодії з рецепторами фагоцитуючих клітин.
В процесі апоптозу також знижується інтенсивність сигналів «не їж мене» (CD31), які в нормі присутні у фагоцитів і у більшості здорових клітин. Третя група сигналів «знайди мене» (лізофосфатидилхоліну) продукується гинучою клітиною для залучення фагоцитів: ефекторні каспази активують фосфоліпазу A, яка бере участь в утворенні лізофосфатидилхоліну.
Висновки:
Отже, функції лізосом:
Шляхом фаго- або піноцитозу до клітини можуть потрапляти краплі жиру, крохмальні зерна та інші речовини, які розщеплюються в лізосомах.
Лізосоми очищають клітину від молекул білків, що утворилися в ній, ліпідів, вуглеводів, нуклеїнових кислот та інших органічних речовин, які вже «відпрацювали своє» і не потрібні клітині.
Лізосоми звільняють клітину від чужорідних об’єктів, що потрапили до неї, наприклад від вірусів і бактерій.[14]
Список літератури
Ченцов Ю.С. 2004, введение в клеточную биология с.294-301
Кузнецов С. Л., Мушкамбаров Н. Н. Гистология, цитология и эмбриология: Учебник для медицинских вузов. — М.: ООО «Медицинское информационное агентство», 2007. — 600 с. — ISBN 5-89481-238-0. с. 83
Гордеева А. В., Лабас Ю. А., Звягильская Р. А. Апоптоз одноклеточных организмов: механизмы и эволюция // Биохимия. — 2004. — В. 10. — Т. 69. — С. 1301—1313.
Chen G. G., Lai P. B. S. (eds.). Apoptosis in carcinogenesis and chemotherapy. Apoptosis in cancer. — Springer, 2009. — 384 p. — ISBN 978-1-4020-9596-2. p. 27
Lockshin R. A., Zakeri Z. (eds.). When cells die II: A comprehensive evaluation of apoptosis and programmed cell death. — John Wiley & Sons, 2004. — 572 p. — ISBN 978-0-471-21947-7. p. 12
Banfalvi G. Apoptotic chromatin changes. — Springer science + Business media B. V., 2009. — 412 p. — ISBN 978-1-4020-9560-3.p. 203
Vaux D. L. Apoptosis Timeline (англ.) // Cell Death and Differentiation. — 2002. — Vol. 9. — P. 349—354. — ISSN 1350-9047. — DOI:10.1038/sj/cdd/4400990 p. 349
Апоптоз: введение. Сайт humbio.ru.
Alberts B. at al. Molecular biology of the cell. — 5th edition. — Garland science, 2008. — 1601 p. — ISBN 978-0-8153-4105.
фактор, индуцирующий апоптоз по независимому от каспаз пути. Сайт humbio.ru.
Барышников А. Ю., Шишкин Ю. В. Иммунологические проблемы апоптоза. — М.: Эдиториал УРСС, 2002. — 320 с. — 1000 экз. — ISBN 5-8360-0328-9. с.42
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BF%D0%BE%D0%BF%D1%82%D0%BE%D0%B7
http://edu.gymnasia.com.ua/mod/resource/view.php?id=458