definicja apoptozy
apoptoza jest procesem, który zachodzi w komórce wielokomórkowej, gdy komórka celowo „postanawia” umrzeć. Często dzieje się to dla większego dobra całego organizmu, na przykład gdy DNA komórki zostało uszkodzone i może stać się nowotworowe.
apoptoza jest określana jako „zaprogramowana” śmierć komórki, ponieważ dzieje się to z powodu biochemicznych instrukcji w DNA komórki; jest to sprzeczne z procesem „martwicy”, gdy komórka umiera z powodu zewnętrznego urazu lub deprywacji.,
podobnie jak wiele innych złożonych procesów komórkowych, apoptoza jest wywoływana przez cząsteczki sygnałowe, które mówią komórce, że czas popełnić komórkowe samobójstwo.”
dwa główne rodzaje ścieżek apoptozy to „wewnętrzne ścieżki”, gdzie komórka otrzymuje sygnał do zniszczenia się z jednego z własnych genów lub białek z powodu wykrycia uszkodzenia DNA; i „zewnętrzne ścieżki”, gdzie komórka otrzymuje sygnał do rozpoczęcia apoptozy z innych komórek w organizmie., Szlak zewnątrzkomórkowy może zostać uruchomiony, gdy organizm uzna, że komórka przetrwała swoją przydatność lub nie jest już dobrą inwestycją dla organizmu do wspierania.
apoptoza odgrywa rolę w wywoływaniu i zapobieganiu niektórym ważnym procesom medycznym. U ludzi apoptoza odgrywa ważną rolę w zapobieganiu nowotworom, powodując, że komórki z uszkodzonym DNA popełniają „samobójstwo”, zanim staną się nowotworowe., Odgrywa również rolę w zaniku mięśni, gdzie organizm decyduje, że nie jest już dobrym pomysłem, aby wydawać kalorie na utrzymanie komórek mięśniowych, jeśli komórki nie są regularnie używane.
., Na pierwszy rzut oka może to zabrzmieć jak okropny pomysł. Dlaczego zniszczyłeś część siebie?
cóż, być może, gdyby ta część ciebie stała się niebezpieczna dla reszty, jak w przypadku komórek z uszkodzonym DNA, które mogłyby stać się nowotworowe. Apoptoza jest głównym zabójcą komórek przedrakowych, a osoby z mutacjami, które uniemożliwiają prawidłowe funkcjonowanie apoptozy, są znacznie bardziej narażone na raka.
organizmy wielokomórkowe mogą również chcieć stracić komórki, które nie są już użyteczne dla organizmu. Poniżej przedstawiamy kilka naprawdę spektakularnych przykładów, kiedy śmierć komórek jest dobrą rzeczą.,
przykłady apoptozy
od kijanki do żaby
spektakularny tego przykład można znaleźć w żabie kijanki, które niszczą i ponownie absorbują całe struktury ciała podczas ich transformacji w żaby.
komórki skrzeli, płetw i ogona kijanki są „informowane” o obumieraniu przez sygnały apoptozy, gdy Kijanka dojrzewa. Surowce z tych nierozgałęzionych komórek stają się materiałami budowlanymi i pożywieniem dla ich nowych rosnących kończyn.,
rozwój układu nerwowego człowieka
podczas wczesnego rozwoju układu nerwowego człowieka, ogromna liczba komórek umiera w wyniku apoptozy. Dlaczego miałoby tak być?
prawda jest taka, że naukowcy nie są do końca pewni, dlaczego w rozwijającym się układzie nerwowym występuje tak wiele zaprogramowanych śmierci komórek. Niektórzy uważają, że tworzenie prawidłowych połączeń jest złożonym i potencjalnie trudnym procesem dla młodych neuronów; a ponieważ maksymalna wydajność układu nerwowego jest zdecydowanie w najlepszym interesie organizmu.,
nerwy do funkcjonowania wymagają ogromnych ilości energii – w rzeczywistości układ nerwowy zużywa około 20-25% wszystkich kalorii spożywanych w organizmie człowieka!
Na początku rozwoju neurony rosną z wściekle dzielących się komórek macierzystych „rodziców” i podążają za sygnałami chemicznymi, aby spróbować znaleźć właściwe komórki docelowe, z którymi można się połączyć. Połączenia muszą być utworzone między mózgiem a skórą, między mózgiem a mięśniami, między neuronami w mózgu a komórkami pręcików i stożków w siatkówce itp..,
aby stworzyć ten niezwykle złożony cel, rozwijający się układ nerwowy po prostu rośnie zbyt wiele komórek. Te, które skutecznie łączą się z prawidłowymi celami, są często używane i są zachowywane. Ale te, które nie nawiązują skutecznego kontaktu i nie są często używane, umierają z dala od apoptozy.
może być tak, że ta teoria o tym, dlaczego neurony umierają podczas rozwoju, jest poprawna; może być też tak, że naukowcy dokonają ważnych odkryć, o których jeszcze nie marzyliśmy, które wyjaśnią, dlaczego w rozwijającym się układzie nerwowym występuje tak wiele apoptozy., Z pewnością potrzebne są dalsze badania!
stopy myszy
podczas rozwoju embrionalnego stopy myszy zaczynają się jako płaskie, w kształcie łopatki. W miarę rozwoju stopy dzielą się na pięć różnych palców w procesie – zgadliście-apoptozy! Komórki, które łączą palce obumierają, tworząc wyraźne szczeliny między nimi.
jest to przykład, jak programowana śmierć komórki może być wykorzystana do kształtowania użytecznych struktur i tworzenia przydatnych funkcji, oprócz pozbycia się niepotrzebnych.,
apoptoza i rak
jedną z podstawowych funkcji apoptozy jest niszczenie komórek, które są niebezpieczne dla reszty organizmu. Częstym powodem apoptozy jest to, że komórka rozpoznaje, że jej DNA zostało poważnie uszkodzone. W takich przypadkach uszkodzenie DNA wyzwala szlaki apoptozy, zapewniając, że komórka nie może stać się nowotworem złośliwym.
jednak oczywiście ten proces czasami zawodzi. Wszystkie przypadki raka są prawdopodobnie przypadkami, w których uszkodzona komórka nie popełniła apoptozy, ale zamiast tego zrobiła więcej z siebie.,
apoptoza może nie wystąpić, jeśli niezbędne do niej geny należą do tych, które są uszkodzone. Jednak niektórzy lekarze i naukowcy badali apoptozę intensywnie w nadziei, że mogą być w stanie nauczyć się wyzwalać ją szczególnie w komórkach nowotworowych przy użyciu nowych leków lub innych terapii.
podobnie jak w przypadku wszystkich leków mających na celu zabijanie komórek nowotworowych, wyzwaniem dla leków mających na celu wywołanie apoptozy jest zapewnienie, że leki te działają tylko na komórki nowotworowe. Lek, który powoduje zarówno zdrowe komórki, jak i nowotworowe do popełnienia zaprogramowanej śmierci komórki, może być bardzo niebezpieczny.,
zdjęcie może też nie być tak proste, jak „rak występuje, gdy apoptoza zawodzi.”Badania sugerują, że niektóre nowotwory mogą pojawić się w populacjach komórkowych, w których apoptoza występuje łatwiej niż powinna; prawdopodobnie komórki te zostały zmuszone do „uczenia się” ignorowania nadmiernie entuzjastycznych sygnałów apoptozy, a następnie nie popełniają apoptozy, nawet jeśli doznały poważnych uszkodzeń.,
inne badania wykazały, że komórki nowotworowe, które obumierają z powodu działania leków, często obumierają z powodu apoptozy – co sugeruje, że nowotwory szczególnie oporne na apoptozę mogą być również szczególnie oporne na leczenie.
potrzebne są znacznie więcej badań na temat leczenia raka, a zrozumienie ścieżek apoptozy jest jedną z niezwykle obiecujących dróg do dokonywania nowych przełomów!
ścieżka apoptozy
istnieją dwa główne rodzaje ścieżek apoptozy, z których każdy ilustruje ważny punkt o tym, jak apoptoza jest wywoływana i dlaczego jest przydatna.,
obie główne drogi są zilustrowane na poniższej grafice. Kroki te są bardziej szczegółowo omówione w następujących listach:
ścieżka zewnętrzna
w „zewnętrznej” ścieżce do apoptozy, sygnał jest odbierany spoza komórki, nakazując jej popełnienie zaprogramowanej śmierci komórki. Może to wystąpić, jeśli komórka nie jest już potrzebna lub jeśli jest chora.,
podobnie jak wiele ścieżek powodujących złożone zmiany w komórce, zewnątrzkomórkowa droga apoptozy obejmuje wiele etapów, z których każdy może być „regulowany w górę” lub „regulowany w dół” przez ekspresję genów lub inne cząsteczki:
Krok 1:
podobnie jak większość sygnalizacji między komórkami, zewnątrzkomórkowa droga apoptozy zaczyna się od cząsteczki sygnału wiążącej się z receptorem na zewnątrz błony komórkowej.
dwa typowe rodzaje przekaźników chemicznych, które wywołują pozasłoneczną drogę do apoptozy, to FAS i TRAIL., Cząsteczki te mogą być wydalane przez sąsiednie komórki, jeśli komórka jest uszkodzona lub nie jest już potrzebna.
receptory, które wiążą się z FAS i TRAIL są nazywane „FASR” dla „Receptor FAS” lub ” TRAILR „dla” Receptor szlaku.”
podobnie jak w przypadku większości białek receptorowych, gdy FASR i TRAILR spotykają się ze swoją cząsteczką sygnału – czasami nazywaną” ligandem ” – wiążą się z nią.
proces wiązania powoduje zmiany w domenie wewnątrzkomórkowej receptora.
Krok 2:
w odpowiedzi na zmiany w domenie wewnątrzkomórkowej TRAILR lub FASR, zmienia się również białko wewnątrz komórki zwane FADD.,
nazwa FADD jest albo zabawna, albo przerażająca: oznacza „FAS-Associated Death Domain”.
gdy FADD zostanie aktywowany przez zmiany w receptorze, wchodzi w interakcję z dwoma dodatkowymi białkami, które rozpoczynają proces śmierci komórki.
Krok 3:
Pro-caspase-8 i pro-caspase-10 są białkami nieaktywnymi, dopóki nie wchodzą w interakcję z aktywowanym FADD. Ale jeśli dwie z tych cząsteczek napotkają aktywowaną FADD, części białek, które utrzymują je nieaktywne, są „rozszczepiane” lub „odcinane”.,
pro-kaspazy stają się wtedy caspase-8 i caspase-10, które zostały romantycznie określone przez naukowców jako „początek końca” ze względu na ich rolę w rozpoczęciu apoptozy.
kaspazy-8 i-10 rozpraszają się przez cytoplazmę i wywołują zmiany w kilku innych cząsteczkach w całej komórce, w tym w przekaźnikach, które rozpoczynają rozpad DNA po aktywacji przez kaspazy.
Krok 4:
Inna nieaktywna cząsteczka o nazwie BID jest przekształcana w tBID, gdy aktywowane kaspazy oddzielają część BID, która utrzymuje cząsteczkę nieaktywną.,
po przekształceniu BID w tBID, tBID przenosi się do mitochondriów. tBID aktywuje cząsteczki BAX i BAK.
aktywacja BAX i BAK to pierwsze kroki wspólne zarówno dla zewnętrznych, jak i wewnętrznych szlaków apoptozy.
kroki 1-4 wymienione tutaj są unikalne dla ścieżki zewnątrzpochodnej. Ale po aktywacji BAX i BAK, kolejne kroki są takie same między obiema ścieżkami.
jako takie, kroki 3-7 wewnętrznej ścieżki, wymienione poniżej, są również kroki 5-9 zewnętrznej ścieżki!,
droga wewnętrzna
Krok 1:
droga wewnętrzna do apoptozy jest wyzwalana przez stres lub uszkodzenie komórki. Rodzaje stresu i uszkodzenia, które mogą prowadzić komórkę do apoptozy obejmują uszkodzenie jej DNA, deprywację tlenu i inne naprężenia, które upośledzają zdolność komórki do funkcjonowania.
w odpowiedzi na te uszkodzenia lub naprężenia komórka „decyduje”, że jej dalsze istnienie może być niebezpieczne lub kosztowne dla organizmu jako całości. Następnie aktywuje zestaw białek zwanych ” BH3-only proteins.,”
Krok 2:
białka BH3-only to klasa białek obejmująca kilka białek pro – i anty-apoptozy. Apoptoza może być zachęcana lub zniechęcana, w zależności od tego, które białka BH3 są aktywowane lub ulegają ekspresji.
Pro-apoptotyczne białka BH3 aktywują tylko BAX i BAK-te same białka, które są aktywowane przez tBID po jego wytworzeniu przez zewnątrzkomórkowy szlak do apoptozy.
Krok 3:
aktywowane BAX i BAK powodują stan znany jako „MOMP.”MOMP” oznacza ” mitochondrialną przepuszczalność błony zewnętrznej.,”
MOMP jest uważany za” punkt bez powrotu ” dla apoptozy. Kroki prowadzące do MOMP mogą zostać zatrzymane przez cząsteczki inhibitora, ale po osiągnięciu MOMP komórka zakończy proces śmierci.
MOMP odgrywa kluczową rolę w apoptozie, umożliwiając uwalnianie cytochromu C do cytoplazmy.
Krok 4:
w normalnych warunkach cytochrom C odgrywa kluczową rolę w mitochondrialnym łańcuchu transportu elektronów. Podczas MOMP cytochrom C może jednak uciec z mitochondriów i działać jako cząsteczka sygnalizacyjna w cytoplazmie komórkowej.,
cytochrom-C w cytoplazmie komórki skłania do powstania złowieszczo brzmiącego „apoptosomu” – kompleksu białek, który wykonuje ostatni krok do rozpoczęcia rozpadu komórek.
Krok 5:
apoptosom po utworzeniu zamienia pro-kaspazę-9 w kaspazę-9.
podobnie jak w przypadku aktywacji kaspaz-8 i -10 w zewnątrzkomórkowym szlaku apoptozy, kaspaza-9 jest w stanie wywołać dalsze zmiany w komórce.
Krok 6:
Caspase-9 pełni kilka funkcji promujących apoptozę. Do najważniejszych należy aktywacja kaspaz – 3 i -7.,
Krok 7:
Po aktywacji kaspazy-3 i -7 rozpoczynają rozpad materiałów komórkowych. Kaspaza-3 skrapla i rozkłada DNA komórki.
kiedy występuje apoptoza?
apoptoza występuje, gdy istnienie komórki nie jest już przydatne dla organizmu. Może to nastąpić z kilku powodów.
Jeśli komórka stała się mocno zestresowana lub uszkodzona, może popełnić apoptozę, aby zapobiec niebezpieczeństwu dla organizmu jako całości. Na przykład komórki z uszkodzeniem DNA mogą stać się nowotworowe, więc lepiej jest dla nich popełnić apoptozę, zanim do tego dojdzie.,
Inne naprężenia komórkowe, takie jak brak tlenu, mogą również powodować, że komórka „decyduje”, że jest niebezpieczna lub kosztowna dla gospodarza. Komórki, które nie mogą prawidłowo funkcjonować mogą inicjować apoptozę, tak jak komórki, które doświadczyły uszkodzenia DNA.
w trzecim scenariuszu komórki mogą popełnić apoptozę, ponieważ organizm nie potrzebuje ich już ze względu na swój naturalny rozwój.
jednym ze znanych przykładów jest Kijanka, której komórki skrzelowe, płetwowe i ogonowe ulegają apoptozie, przekształcając się w żabę., Struktury te są potrzebne, gdy Kijanka żyje w wodzie – ale stają się kosztowne i szkodliwe, gdy przenosi się na suchy ląd.
Quiz
1. Która z poniższych sytuacji nie wywołałaby apoptozy?
A. uszkodzenie DNA komórki
B. długotrwała deprywacja tlenu
C. organizm przechodzi na nowy etap swojego cyklu życiowego, czyniąc niektóre komórki przestarzałymi
D. żadna z powyższych
2., Która z poniższych sytuacji może wystąpić, jeśli mutacja uniemożliwiła apoptozę?
A. układ nerwowy może nie rozwijać się prawidłowo
B. rak może stać się znacznie bardziej prawdopodobny
C. owad może nie być w stanie przejść metamorfozy
D. wszystkie powyższe
3. Jaka jest różnica między zewnętrznymi i wewnętrznymi drogami apoptozy?
A., Zewnątrzkomórkowa ścieżka jest wyzwalana przez sygnał spoza komórki, podczas gdy wewnętrzna ścieżka jest wyzwalana przez zdarzenia wewnątrz komórki.
B. droga zewnętrzna ma więcej etapów, ponieważ sygnał musi być przekazywany z błony komórkowej.
C. szlak zewnątrzpochodny aktywuje BAK i BAX, natomiast szlak wewnętrzny nie.
D. A i B