Proces programowanej śmierci komórki, czyli apoptoza, jest regulowany genetycznie. Każda komórka organizmu wielokomórkowego ma określony czas życia, po którym uruchamiane są procesy jej obumierania. Zapobiega to starzeniu się komórek oraz związanej z tym pogorszeniem ich funkcjonalności. Apoptoza jest też bardzo ważna dla prawidłowego przebiegu rozwoju embrionalnego: warunkuje wykształcenie się odpowiednich struktur ciała, charakterystycznych dla danego gatunku.

R1F740xi0Dw701

Zdjęcie przedstawia komórki mysiej wątroby. Widocznych jest dużo owalnych, sferycznych bądź nieregularnych kształtów komórek. Strzałką zaznaczono komórkę w fazie apoptozy.

Rozpoczęcie procesu apoptozy wymaga aktywacji określonych genów, wywołanej przez sygnał pochodzący od samej komórki (zmiany w mitochondriach) lub pochodzący z zewnątrz (wskutek związania odpowiedniego ligandaligandliganda przez receptory powierzchniowe komórki, zwane receptorami śmierci).

Do czynników inicjujących apoptozę zaliczamy między innymi:

• stres oksydacyjnystres oksydacyjnystres oksydacyjny komórki;

• niedobór niektórych hormonów (np. hormonu wzrostu);

• szok termiczny;

• obecność cytokincytokinycytokin;

• niektóre patogeny (np. wirusy);

• limfocyty cytotoksyczne;

• obecność niektórych jonów (np. kadmu) lub ich niedobór (np. jonu wapnia).

Odebranie sygnału powoduje szereg przemian biochemicznych, określanych jako mitochondrialny i receptorowy szlak apoptozy. Ich skutkiem jest aktywacja białek z rodziny kaspazkaspazykaspaz oraz uruchomienie procesów proteolitycznych i nukleolitycznych, prowadzących do pojawienia się charakterystycznych zmian morfologicznych i ostatecznie do śmierci komórki.

Kaspazy to grupa enzymów, których głównym celem jest zniszczenie białek strukturalnych i enzymatycznych, a w efekcie całkowita dezintegracja komórki. Kaspazy produkowane są w postaci prokaspaz, a ich aktywacja zachodzi pod wpływem innych białek biorących udział w szlaku apoptozy. Kaspazy przeprowadzają hydrolizę wiązań występujących po reszcie kwasu asparaginowego w łańcuchu białkowym.

RG4MgenzEJt6g1

Na rysunku przedstawiono proces apoptozy. Komórka rozpada się na mniejsze części, w których znajdują się jej organella.

W trakcie apoptozy w komórce zachodzą charakterystyczne zmiany morfologiczne i biochemiczne. Przebiegają one następująco:

1. Odwodnienie (dehydratacja) i zmiana kształtu komórki.

2. Obkurczenie jądra komórkowego i kondensacja chromatyny w jednym z jego biegunów.

3. Cięcie materiału genetycznego przez enzymy nukleolityczne na fragmenty o charakterystycznej długości od 180 do 200 pz (par zasad).

4. Zanik otoczki jądrowej i rozpad jądra.

5. Rozpad cytoszkieletu.

6. Tworzenie się pęcherzyków poprzez otaczanie błoną komórkową fragmentów cytoplazmy – powstawanie ciałek apoptycznychciałka apoptyczneciałek apoptycznych.

Ciałka apoptyczne są następnie fagocytowane przez makrofagi, które oczyszczają miejsce śmierci komórki z jej resztek.

Apoptoza odgrywa ważną rolę w trakcie rozwoju embrionalnego – dzięki niej możliwe jest kształtowanie się struktur ciała charakterystycznych dla danego gatunku. To właśnie proces apoptozy warunkuje prawidłowe modelowanie tkanek i narządów w czasie embriogenezy. Programowanej śmierci komórki podlegają między innymi neurony, które podczas początkowego etapu rozwoju płodowego powstają w bardzo dużej liczbie, a następnie ok. 50% z nich obumiera w trakcie formowania mózgu.

U ssaków, w tym człowieka, proces apoptozy obserwowany jest też podczas kształtowania się układu rozrodczego. Początkowo u płodu powstają elementy wspólne dla obu płci (tzw. męskie przewody Wolffaprzewody Wolffaprzewody Wolffa i żeńskie przewody Mülleraprzewody Mülleraprzewody Müllera). Następnie przewody niewłaściwe dla danego osobnika ulegają apoptozie.

Apoptoza warunkuje również powstawanie palców rąk i nóg, powodując eliminację komórek z rejonów międzypalcowych i ukształtowanie właściwych struktur. Brak prawidłowego przebiegu apoptozy na tym etapie prowadzi do powstania wady wrodzonej zwanej syndaktylią, czyli zrośnięcia się dwóch lub więcej palców dłoni czy stóp.

R131g9U7eje7I

Na zdjęciu dłonie mężczyzny trzymają dłoń noworodka, w której dwa palce są zrośnięte ze sobą.

Programowana śmierć komórek odgrywa również rolę w sprawnym funkcjonowaniu układu odpornościowego. Gdy limfocyty T i B dojrzewają, kontrolowana jest ich zdolność do odróżniania komórek własnego organizmu od komórek obcych. Jeśli takie limfocyty atakują własne komórki (czyli działają błędnie), to uruchamiany jest wobec nich szlak apoptozy. Wszelkie nieprawidłowości w tym zakresie są przyczyną powstawania chorób autoimmunologicznych.

Prawidłowy przebieg apoptozy warunkuje również eliminację komórek nowotworowych. Jeżeli szlak apoptozy zostanie zaburzony, to możliwe jest niekontrolowane namnażanie się tych komórek i rozwój choroby nowotworowej.

Ciekawostka

RrLpanRb77t3f1

Fotografia przedstawia uśmiechniętego starszego mężczyznę w okularach, ubranego w garnitur.

W 2002 r. Robert H. Horvitz (amerykański biolog), sir John E. Sulston (brytyjski biolog molekularny) i Sydney Brenner (brytyjski genetyk) otrzymali Nagrodę Nobla za odkrycie mechanizmów odpowiedzialnych za rozwój organów i programowaną śmierć komórki.

Apoptoza znacząco różni się od innych rodzajów śmierci, której mogą ulec komórki. W przypadku komórek zwierzęcych obserwuje się również śmierć w wyniku nekrozynekrozanekrozy, która następuje na skutek uszkodzenia komórki przez czynniki fizyczne lub mechaniczne. Nekroza różni się przebiegiem od apoptozy. W czasie nekrozy dochodzi do naruszenia integralności błony komórkowej, obrzęku i degradacji organelli komórkowych, cięcia DNA w przypadkowych miejscach i powstania stanu zapalnego w miejscu wystąpienia nekrozy. Procesowi temu ulegają zazwyczaj całe grupy komórek, a nie pojedyncze komórki.

U roślin i grzybów nie występuje apoptoza, a najczęstszą forma programowanej śmierci komórki jest śmierć wakuolarna wskutek autofagiiautofagiaautofagii. Wyróżnia się również nekrozę, czyli śmierć komórki zachodzącą w wyniku uszkodzenia komórek bodźcami zewnętrznymi i obejmującą większą liczbę komórek jednocześnie.

Słownik