Apoptoza
Większość tkanek ma całe swoje linie rozwojowe, które w określonym momencie różnicowania się organizmu umierają w sposób całkowicie kontrolowany. Historia badań nad PCD rozpoczęła się w latach 60. Już wtedy było wiadomo, że śmierć jest niezbędna, aby powstawały nowe tkanki. W latach 70. było już wiadomo, że śmierć ta jest zaprogramowana, a nie przypadkowa. Ukoronowaniem badań nad apoptozą była Nagroda Nobla w 2002 roku za zidentyfikowanie genów regulujących apoptozę i rozwój u Caenorhabditis elegans. Większość genów homologicznych do tych u C.elegans występuje też u człowieka. W określonym momencie umierają określone komórki.
Nekroza – jedna z form niekontrolowanej śmierci.
Morfologia apoptozy:
- komórka zaczyna się kurczyć
- tworzenie w błonie pęcherzyków, z których powstają ciałka apoptotyczne – obłonione fragmenty komórek
- zmiana przepuszczalności błony mitochondiów
- fragmentacja jądra, która zwykle poprzedzona jest kondensacją chromatyny
- ciągłość błon komórkowych jest długotrwała
Morfologia nekrozy:
- komórka pęcznieje
- dezintegracja wszystkich błon i organelli w obrębie komórki
- strawienie cytoszkieletu
- wyciek elektrolitów z komórki
Apoptoza u zwierząt:
Sekwencja zmian biochemicznych i morfologicznych:
1. Głównym wyznacznikiem apoptozy jest degradacja DNA jądrowego w określonych miejscach pomiędzy nukleosomami – internukleosomalna fragmentacja DNA. DNA zostaje pocięte na bardzo równe odcinki.
2. Drugim wyznacznikiem jest kondensacja chromatyny.
3. Częstym wyznacznikiem jest też uwolnienie cytochromu c z mitochondrium wskutek zmian w przepuszczalności błon. Uruchamia to ciąg dalszy mechanizmów związanych z apoptozą.
4. Komórka traci wodę i elektrolity, co powoduje obkurczenie komórki
5. Kondensacja cytoplazmy
6. Rozpad komórki na ciałka apoptotyczne
Przyczyny apoptozy:
- musi istnieć równowaga między proliferacją a obumieraniem komórek; komórki krwi i nabłonkowe muszą się stale odtwarzać
- w określonych etapach rozwoju musi nastąpić śmierć, np. zanikanie ogona kijanki lub tkanki pomiędzy palcami płodu, obumieranie nadmiaru komórek nerwowych podczas tworzenia się synaps
- niszczenie komórek, które zagrażają integralności organizmu, np. zainfekowanych przez wirusy lub komórek zarodkowych z defektywnym DNA. Induktorem apoptozy jest białko p53. Jego kumulacja następuje, gdy dochodzi do utworzenia DNA.
Indukcja:
a) szlak zewnętrzny (receptorowy)
Sygnał zewnętrzny musi napotkać receptor w błonie komórkowej. Jest charakterystyczna dla ssaków; nie występuje u C.elegans. Pewne czynniki np. zapalne cytokiny rozpoznają pewne określone receptory w błonie, tworzy się tzw. kompleks śmierci, dochodzi do uruchomienia określonych enzymów i następuje degradacja białek i DNA.
- Ligand rozpoznaje odpowiedni receptor (Fas + FasL) i tworzy się kompleks DISC (death-inducing signaling complex). Powoduje to aktywację kaspazy 8 i następnie kaskady kaspaz.
- TNF + TNRF ½ --> DISC --> kaspaza 8 --> kaskada kaspaz
Kaskada kaspaz powoduje cięcia w obrębie filamin, czyli białek otoczki jądrowej, które uruchamiają endonukleazy, które tną DNA.
b) szlak wewnętrzny (mitochondrialny)
Związany ze zmianą potencjału błonowego mitochondrium, otwieraniem się kanałów mitochondrialnych i wydostaniem się cytochromu c z mitochondrium. Po wydostaniu się cytochromu c tworzą się kompleksy zwane apoptosomami, które zbudowane są z kilku białek: białka cytochromu c, białka Apaf 1 i prokaspazy 9. Po utworzeniu apoptosomu, następuje kaskada kaspaz, która indukuje zmiany w otoczce jądrowej i białkach oraz enzymy, które powodują fragmentację DNA. Błona mitochondrialna jest chroniona przez białka przeciwapoptotyczne (Bcl2 i Apaf1). Wskutek sygnału inne białka powodują, że błona przestaje byc chroniona i dochodzi do wycieku cytochromu c. Monomer Apaf1 ma określone domeny, z których każda dołącza się do innej części apoptosomu:
- CARD – do kaspaz
- NB-ARC – powoduje oligomeryzację Apaf1
- WD40 – do cytochromu c
Kaspazy:
- faza wykonawcza apoptozy
- są proteazami cysteinowymi, które tną białka przy kwasie asparaginowym
- występują w cytoplazmie w formie nieaktywnej w postaci proenzymów i stają się aktywne dopiero po połączeniu z innymi czynnikami
- dzieli się je na kaspazy inicjujące apoptozę i tzw. egzekutory apoptozy. Inicjujące to kaspaza 9 w przypadku szlaku mitochondrialnego i 8 w przypadku receptorowego, a egzekutory to kaspazy 3 i 7.
Apoptoza u roślin:
Nie zawsze jest pod kontrolą tych samych genów, które funkcjonują u zwierząt. Różnice między apoptozą u zwierząt i roślin występują, bo:
- są różne wzory rozwoju organizmów roślinnych i zwierzęcych
- jest inna strukturalna i metaboliczna organizacja komórek roślinnych i zwierzęcych
- fitohormony mają inną budowę i funkcję niż hormony zwierzęce
- u roślin nie ma homologów Bcl-2, Bax i kaspaz
Apoptoza zachodzi zarówno w organach generatywnych, jak i wegetatywnych. Zachodzi podczas starzenia się liści, degeneracji tapetum, czyli warstwy wyściełającej komorę pyłkową, podczas starzenia się czapeczki i różnicowania się naczyń; w mezofilu, tkance bielma.
- Wyznacznikiem apoptozy jest internukleosomalna fragmentacja DNA. Kaspazopodobne białka uruchamiają określone endonukleazy, które tną DNA.
- Drugim wyznacznikiem jest kondensacja chromatyny. Jest to łatwiejsze do stwierdzenia u roślin jednoliściennych.
Metoda obserwacji: elektroforeza pojedynczych komórek – metoda kometkowa
Komórki z pofragmentowanym DNA tworzą obraz komety. Fragmenty tworzą ogon komety. Jest to łatwe do zaobserwowania w tkance miękiszowej liścia.
- wolne rodniki
- NO – jego pojawianie się następuje bardzo wcześnie (ok. 10 dnia rozwoju liści). Pojawia się w cytoplazmie i mitochondriach. Tworzy kompleks ze specyficznym rodzajem fluorochromu.
Zmiany potencjału błonowego nie indukują. Zarówno w młodych, jak i starych częściach, są komórki z prawidłowym potencjałem i ze zmienionym.
PCD w mezofilu:
1. fragmentacja DNA
2. kondensacja chromatyny i pojawianie się NO
3. destrukcja organelli
Pośrednikami podczas apoptozy są aktywne formy tlenu, czyli np. NO, hormony roślinne i określony poziom metabolitów, np. węgla.
anna-baran829