Het proces waarbij een cel zichzelf kan doden, wordt geprogrammeerde celdood (PCD) genoemd. Dit mechanisme kent verschillende varianten en speelt een belangrijke rol in de fysiologie van verschillende organismen, vooral meercellige. De meest voorkomende en best bestudeerde vorm van CHF is apoptose.
Wat is apoptose
Apoptose is een gecontroleerd fysiologisch proces van zelfvernietiging van cellen, gekenmerkt door de geleidelijke vernietiging en fragmentatie van de inhoud ervan met de vorming van membraanblaasjes (apoptotische lichamen), die vervolgens worden geabsorbeerd door fagocyten. Dit genetische mechanisme wordt geactiveerd onder invloed van bepaalde interne of externe factoren.
Bij deze variant van de dood gaat de celinhoud niet verder dan het membraan en veroorzaakt geen ontsteking. Ontregeling van apoptose leidt tot ernstige pathologieën zoals ongecontroleerde celdeling of weefseldegeneratie.
Apoptose is slechts een van de vele vormen van geprogrammeerde celdood (PCD), dus het is een vergissing om deze concepten te identificeren. naar de beroemdevormen van cellulaire zelfvernietiging omvatten ook mitotische catastrofe, autofagie en geprogrammeerde necrose. Andere mechanismen van PCG zijn nog niet onderzocht.
Oorzaken van celapoptose
De reden voor het activeren van het mechanisme van geprogrammeerde celdood kan zowel natuurlijke fysiologische processen als pathologische veranderingen zijn die worden veroorzaakt door interne defecten of blootstelling aan externe nadelige factoren.
Normaal gesproken balanceert apoptose het proces van celdeling, reguleert het hun aantal en bevordert het weefselvernieuwing. In dit geval is de oorzaak van HGC bepaalde signalen die deel uitmaken van het homeostasecontrolesysteem. Met behulp van apoptose worden wegwerpcellen of cellen die hun functie hebben vervuld vernietigd. Zo wordt het verhoogde geh alte aan leukocyten, neutrofielen en andere elementen van cellulaire immuniteit na het einde van de strijd tegen infectie geëlimineerd, juist door apoptose.
Geprogrammeerde dood maakt deel uit van de fysiologische cyclus van de voortplantingssystemen. Apoptose is betrokken bij het proces van oögenese en draagt ook bij aan de dood van het ei bij afwezigheid van bevruchting.
Een klassiek voorbeeld van de betrokkenheid van celapoptose bij de levenscyclus van vegetatieve systemen is herfstbladval. De term zelf komt van het Griekse woord apoptose, wat zich letterlijk verta alt als "vallen".
Apoptose speelt een belangrijke rol bij embryogenese en ontogenese, wanneer weefsels in het lichaam veranderen en bepaalde organen atrofiëren. Een voorbeeld is het verdwijnen van de vliezen tussen de vingers van de ledematen van sommige zoogdieren of het afsterven van de staart tijdens metamorfose.kikkers.
Apoptose kan worden veroorzaakt door de accumulatie van defecte veranderingen in de cel als gevolg van mutaties, veroudering of mitotische fouten. Een ongunstige omgeving (gebrek aan voedingsstoffen, zuurstoftekort) en pathologische externe invloeden gemedieerd door virussen, bacteriën, toxines, enz. kunnen de reden zijn voor de lancering van CHC. Bovendien, als het schadelijke effect te intens is, zal de cel niet tijd hebben om het apoptose-mechanisme uit te voeren en sterft als resultaat ontwikkeling van het pathologische proces - necrose.
Morfologische en structureel-biochemische veranderingen in de cel tijdens apoptose
Het proces van apoptose wordt gekenmerkt door een bepaalde reeks morfologische veranderingen, die door microscopie kunnen worden waargenomen in een weefselpreparatie in vitro.
De belangrijkste kenmerken die kenmerkend zijn voor celapoptose zijn:
- herbouwen van het cytoskelet;
- celinhoud verzegelen;
- chromatine condensatie;
- kernfragmentatie;
- celvolumereductie;
- rimpeling van de membraancontour;
- belvorming op het celoppervlak,
- vernietiging van organellen.
Bij dieren culmineren deze processen in de vorming van apoptocyten, die kunnen worden opgeslokt door zowel macrofagen als aangrenzende weefselcellen. In planten vindt de vorming van apoptotische lichamen niet plaats en na de afbraak van de protoplast blijft het skelet incelwand.
Naast morfologische veranderingen gaat apoptose gepaard met een aantal herschikkingen op moleculair niveau. Er is een toename van lipase- en nuclease-activiteiten, wat de fragmentatie van chromatine en veel eiwitten met zich meebrengt. Het geh alte aan cAMP neemt sterk toe, de structuur van het celmembraan verandert. In plantencellen wordt de vorming van gigantische vacuolen waargenomen.
Hoe verschilt apoptose van necrose
Het belangrijkste verschil tussen apoptose en necrose ligt in de oorzaak van celafbraak. In het eerste geval is de bron van vernietiging de moleculaire instrumenten van de cel zelf, die onder strikte controle werken en het verbruik van ATP-energie vereisen. Bij necrose vindt passieve levensbeëindiging plaats als gevolg van externe schadelijke effecten.
Apoptose is een natuurlijk fysiologisch proces dat zo is ontworpen dat het de omliggende cellen niet schaadt. Necrose is een ongecontroleerd pathologisch fenomeen dat optreedt als gevolg van kritieke verwondingen. Het is daarom niet verwonderlijk dat het mechanisme, de morfologie en de gevolgen van apoptose en necrose in veel opzichten tegengesteld zijn. Er zijn echter ook overeenkomsten.
| Proceskenmerk | Apoptose | Necrose |
| celvolume | verlaagt | toenemend |
| membraan integriteit | onderhouden | geschonden |
| ontstekingsproces | ontbrekende | ontwikkelt |
| ATP-energie | uitgave | niet gebruikt |
| chromatine fragmentatie | beschikbaar | present |
| een scherpe daling van de ATP-concentratie | is | is |
| resultaat van het proces | fagocytose | vrijgave van inhoud in de intercellulaire ruimte |
In geval van schade activeren de cellen het mechanisme van geprogrammeerde dood, ook om necrotische ontwikkeling te voorkomen. Recente onderzoeken hebben echter aangetoond dat er een andere niet-pathologische vorm van necrose is, die ook wel PCD wordt genoemd.
Biologische betekenis van apoptose
Ondanks het feit dat apoptose tot celdood leidt, is zijn rol bij het in stand houden van de normale werking van het hele organisme erg groot. De volgende fysiologische functies worden uitgevoerd door het mechanisme van PCG:
- behoud van een evenwicht tussen celproliferatie en dood;
- updaten van weefsels en organen;
- eliminatie van defecte en "oude" cellen;
- bescherming tegen de ontwikkeling van pathogene necrose;
- verandering van weefsels en organen tijdens embryogenese en ontogenese;
- het verwijderen van onnodige elementen die hun functie hebben vervuld;
- eliminatie van cellen die ongewenst of gevaarlijk zijn voor het lichaam (mutant, tumor, geïnfecteerd met een virus);
- preventie van infectie.
Apoptose is dus een van de manieren om de homeostase van celweefsel te handhaven.
In plantenapoptose wordt vaak geactiveerd om de verspreiding van weefselinfecterende parasitaire agrobacteriën te blokkeren.
Stadia van celdood
Wat er met een cel gebeurt tijdens apoptose is het resultaat van een complexe keten van moleculaire interacties tussen verschillende enzymen. Reacties verlopen als een cascade, wanneer sommige eiwitten andere activeren, wat bijdraagt aan de geleidelijke ontwikkeling van het doodsscenario. Dit proces kan in verschillende fasen worden verdeeld:
- Inductie.
- Activering van pro-apoptotische eiwitten.
- Activering van caspase.
- Vernietiging en herstructurering van celorganellen.
- Vorming van apoptocyten.
- Bereiding van celfragmenten voor fagocytose.
De synthese van alle componenten die nodig zijn om elke fase te starten, te implementeren en te controleren, is genetisch gebaseerd, daarom wordt apoptose geprogrammeerde celdood genoemd. De activering van dit proces staat onder strikte controle van regelgevende systemen, waaronder verschillende remmers van CHG.
Moleculaire mechanismen van celapoptose
De ontwikkeling van apoptose wordt bepaald door de gecombineerde werking van twee moleculaire systemen: inductie en effector. Het eerste blok is verantwoordelijk voor de gecontroleerde lancering van de ZGK. Het omvat de zogenaamde doodsreceptoren, Cys-Asp-proteasen (caspasen), een aantal mitochondriale componenten en pro-apoptotische eiwitten. Alle elementen van de inductiefase kunnen worden onderverdeeld in triggers (deelnemen aan inductie) en modulatoren die zorgen voor transductie van het doodssignaal.
Het effectorsysteem bestaat uit moleculaire hulpmiddelen die zorgen voor de afbraak en herstructurering van cellulaire componenten. De overgang tussen de eerste en tweede fase vindt plaats in het stadium van de proteolytische caspase-cascade. Het is te wijten aan de componenten van het effectorblok dat celdood optreedt tijdens apoptose.
Apoptose factoren
Structureel-morfologische en biochemische veranderingen tijdens apoptose worden uitgevoerd door een bepaalde reeks gespecialiseerde cellulaire hulpmiddelen, waarvan de belangrijkste caspases, nucleasen en membraanmodificatoren zijn.
Caspasen zijn een groep enzymen die peptidebindingen op asparagineresiduen verbreken, waardoor eiwitten worden gefragmenteerd in grote peptiden. Vóór het begin van apoptose zijn ze door remmers in een inactieve toestand in de cel aanwezig. De belangrijkste doelwitten van caspasen zijn nucleaire eiwitten.
Nucleasen zijn verantwoordelijk voor het knippen van DNA-moleculen. Vooral belangrijk bij de ontwikkeling van apoptose is het actieve endonuclease CAD, dat chromatinegebieden in de gebieden van linkersequenties breekt. Hierdoor worden fragmenten gevormd met een lengte van 120-180 nucleotideparen. Het complexe effect van proteolytische caspasen en nucleasen leidt tot vervorming en fragmentatie van de kern.
Celmembraanmodificatoren - doorbreken de asymmetrie van de bilipidelaag en veranderen deze in een doelwit voor fagocytische cellen.
De sleutelrol in de ontwikkeling van apoptose is weggelegd voor caspasen, die geleidelijk alle daaropvolgende mechanismen van afbraak en morfologische herschikking activeren.
De rol van caspase in cellulairdood
De caspase-familie omvat 14 eiwitten. Sommigen van hen zijn niet betrokken bij apoptose, terwijl de rest is verdeeld in 2 groepen: initiator (2, 8, 9, 10, 12) en effector (3, 6 en 7), die ook wel tweederangs caspases worden genoemd. Al deze eiwitten worden gesynthetiseerd als voorlopers - procaspasen, geactiveerd door proteolytische splitsing, waarvan de essentie het losmaken van het N-terminale domein en de verdeling van het resterende molecuul in twee delen is, vervolgens geassocieerd in dimeren en tetrameren.
Initiator-caspasen zijn nodig om een effectorgroep te activeren die proteolytische activiteit vertoont tegen verschillende vitale cellulaire eiwitten. Tweederangs caspase-substraten zijn onder meer:
- DNA-reparatie-enzymen;
- p-53 eiwitremmer;
- poly-(ADP-ribose)-polymerase;
- remmer van DNase DFF (vernietiging van dit eiwit leidt tot activering van CAD-endonuclease), enz.
Het totale aantal doelen voor effector-caspasen is meer dan 60 eiwitten.
Remming van celapoptose is nog steeds mogelijk in het stadium van activering van initiator procaspases. Zodra effectorcaspases zijn geactiveerd, wordt het proces onomkeerbaar.
Activeringsroutes voor apoptose
Signaaloverdracht om celapoptose te starten kan op twee manieren worden uitgevoerd: receptor (of extern) en mitochondriaal. In het eerste geval wordt het proces geactiveerd door specifieke doodsreceptoren die externe signalen waarnemen, dit zijn eiwitten van de TNF-familie (tumornecrosefactor) of Fas-liganden die zich op het oppervlak bevindenT-killers.
De receptor omvat 2 functionele domeinen: een transmembraandomein (ontworpen om aan het ligand te binden) en een "doodsdomein" dat in de cel is georiënteerd en dat apoptose induceert. Het mechanisme van de receptorroute is gebaseerd op de vorming van een DISC-complex dat initiatorcaspases 8 of 10 activeert.
Assemblage begint met de interactie van het doodsdomein met intracellulaire adapter-eiwitten, die op hun beurt initiator-procaspases binden. Als onderdeel van het complex worden deze laatste omgezet in functioneel actieve caspasen en veroorzaken ze een verdere apoptotische cascade.
Het mechanisme van de interne route is gebaseerd op de activering van de proteolytische cascade door specifieke mitochondriale eiwitten, waarvan de afgifte wordt gecontroleerd door intracellulaire signalen. De afgifte van organelcomponenten wordt uitgevoerd door de vorming van enorme poriën.
Cytochrome c speelt een bijzondere rol bij de lancering. Eenmaal in het cytoplasma bindt deze component van de elektrotransportketen aan het Apaf1-eiwit (een apoptotische protease-activerende factor), wat leidt tot de activering van de laatste. Apaf1 wordt dan gebonden door initiator procaspases 9, die apoptose veroorzaken door een cascademechanisme.
Controle van de interne route wordt uitgevoerd door een speciale groep eiwitten van de Bcl12-familie, die de afgifte van intermembraancomponenten van mitochondriën in het cytoplasma reguleren. De familie bevat zowel pro-apoptotische als anti-apoptotische eiwitten, waarvan de balans bepa alt of het proces wordt gelanceerd.
Een van de krachtige factoren die apoptose veroorzaken door het mitochondriale mechanisme is reactiefvormen van zuurstof. Een andere belangrijke inductor is het p53-eiwit, dat de mitochondriale route activeert in aanwezigheid van DNA-schade.
Soms combineert het begin van celapoptose twee manieren tegelijk: zowel extern als intern. Dit laatste dient meestal om de activering van de receptor te verbeteren.
