Samobójstwo w świecie komórek- apoptoza.

W obliczu zerwania między Koreą Północną i Południową traktatu o nieagresji i zapowiadającej się, nieuniknionej drugiej wojny koreańskiej w powietrzu zawisł mi w pokoju temat śmierci. Stwierdziłem, że śmierć sama w sobie jest bardzo ciekawa i dziwna, ale jeszcze dziwniejsza robi się na poziomie komórki. Chciałbym wam przybliżyć tą tematykę, ponieważ jest ona bardzo dziwaczna. Domyślam się, że mało ludzi zastanawiało się nad tym czy komórka może umrzeć, albo czy jej pojedyncze elementy trafiają na śmietnik. W sumie, zapewne mało ludzi zastanawiało się czym w ogóle jest śmierć, której definicja jest tak niejasna (w sumie nie istnieje) jak (nie)definicja życia. Zanim przejdę do sedna sprawy, spróbujmy na potrzeby tego artykułu zdefiniować sobie śmierć, a przy okazji zobaczymy i przekonamy się, że nie jest to takie łatwe.

W dawniejszych czasach za śmierć uważano moment, w którym osoba nie wykazywała się czynnością oddechową, ani krążeniową. Wraz z rozwojem medycyny okazało się, że mimo tego, że człowiek sam nie jest w stanie oddychać, ani jego serce samo z siebie nie bije, za pomocą maszyn można robić to za niego- oczywiście definicja śmierci musiała się zmienić. Uznano więc, że za śmierć człowieka uznaje się moment w którym następuje śmierć mózgu. Jest to dość nieprecyzyjne pojęcie, bo niby jak je rozumieć? Czy w jednej chwili zanika tylko aktywność chemiczna między synapsami, czy w momencie umierają wszystkie komórki nerwowe? Ponieważ udało się dojść do wniosku, że śmierć mózgu nie oznacza śmierci jego komórek, uznano, że „stan” śmierci oznacza śmierć pnia mózgu. Dalej definicja jest niejasna, ponieważ śmierć pnia mózgu też nie oznacza, że wszystkie jego komórki w tej samej chwili przestają pracować. Obecnie uznaje się, że śmierć pnia mózgu i mózgu to moment w którym nie są one w  stanie podtrzymywać ciała przy życiu, nie reagują na żadne bodźce. Prościej niż ułożenie definicji śmierci jest podanie jej objawów tj. ustanie krążenia, ustanie oddychania, ochłodzenie skóry, brak reakcji na bodźce, bladość ciała, oraz inne symptomy, które definitywnie świadczą o „martwości” osobnika (wcześniejsze nie są jednoznaczne z byciem martwym) tj. plamy opadowe, wysychanie pośmiertne rogówki, gnicie. Wniosek z tego taki, że gdy zobaczysz człowieka, który nie oddycha i nie reaguje na bodźce, to nie możesz być pewny, czy on żyje czy nie, ale gdy zobaczysz u niego plamy opadowe, albo wyschniętą rogówkę- możesz być pewny, że jemu już nic nie pomoże.

Jak to się ma do śmierci komórki? Nijak. Patrząc na komórkę raczej ciężko u niej stwierdzić braku oddechu, braku krążenia, plamy opadowej czy bladości ciała. Trzeba szukać dalej. Czy śmierć komórki jest śmiercią, czy też samobójstwem. Wszystko wskazuje na to, że komórki jeśli nie są zabijane, to same się zabijają.

Apoptoza, bo o tym mowa, jest planowaną, zaprogramowaną śmiercią komórki. Gdy komórka „dojdzie do wniosku” że jest już zbędna, albo, że na jej miejsce powinny wejść inne komórki, „otwiera” ona odpowiedni „program” i po prostu sama się unicestwia, bez szkody dla organizmu. Chciałbym przyjrzeć się temu zjawisku i jego mechanizmom, które są bardzo ciekawe i zawiłe.

Proces samobójstwa z perspektywy komórki jest skomplikowany i wymagający integracji wielu genów, białek i procesów. Proces z uwagi na jego charakter jest bardzo endoergiczny, a czas potrzebny na całkowite unicestwienie komórki wynosi od kilku godzin do nawet kilku dni. Na początku przyjrzyjmy się temu co dzieje się z poszczególnymi elementami komórki w momencie zadecydowania o samobójstwie. Później przyjrzymy się dogłębniejszym mechanizmom samego procesu.

W momencie, gdy komórka poddaje się eutanazji zaczyna się obkurczać i traci kontakt z otaczającymi ją komórkami. W końcowym etapie, gdy z komórki pozostają jedynie resztki, komórki sąsiednie wchłaniają je. Błona komórki zachowuje swoją integralność, ale zaczyna się fragmentować, co prowadzi do powolnego dzielenia komórki na ciałka apoptyczne. Organelle komórkowe nie ulegają istotnym zmianom. Ich cytoplazma obkurcza się- prowadzi to do odwodnienia. W jądrze komórkowym następuje kondensacja chromatyny oraz jej fragmentacja na mniejsze kawałki. Mitochondria pęcznieją i zanika ich potencjał błonowy. Jeśli chodzi o lizosomy nie ulegają one zmianom. Białka tj. kinazy białkowe i fosfatazy zaczynają się aktywować. Obok nich do „akcji” włączają się również kaspazy, nukleazy i kalpainy. Atakują one inne białka i prowadzą je do dezintegracji i proteolizy.

Schemat indukcji apoptozy. 

Jak komórka podejmuje decyzję, że czas ze sobą skończyć ? Jednym ze szlaków zapoczątkowującym proces apoptozy są receptory śmierci i ich ligandy. Receptory śmierci (DR- death receptors) są to białka transbłonowe, których struktura dzieli się na wewnątrzkomórkową, transbłonową i zewnątrzkomórkową. Przyjrzyjmy się dokładniejszej budowie DR. Ich część zewnątrzkomórkowa zawiera wiele reszt cysteiny, dzięki czemu możliwe jest rozpoznanie określonych, specyficznych ligandów. Część wewnątrz komórki posiada tzw. domenę śmierci (DD- death domain), czyli długą na około 80 reszt aminokwasowych sekwencję, która zostaje aktywowana w momencie przyłączenia odpowiedniego sygnału w części zewnątrzkomórkowej. W momencie przyłączenia do części zewnątrzkomórkowej odpowiedniego liganda, część wewnątrzkomórkowa zostaje aktywowana, dzięki czemu ona sama może aktywować odpowiednie białka tj. kaspazy, które uczestniczą w dalszej części procesu apoptozy.

Innym receptorem jest receptor Fas, glikoproteina. Receptor Fas aktywowany jest przez ligandy tj.  cytokina Fas-L. Po związaniu cytokiny, receptor ulega reakcji trimeryzacji i agreguję, co pozwala na wnikanie mu do cytoplazmy komórki. W momencie wniknięcia do cytoplazmy, ztrimeryzowany receptor w pewnym momencie spotyka białko FADD (białko adaptorowe), z którym wiąże się. Powstaje wtedy kompleks białkowy zawierający na jednym końcu domenę efektorową śmierci (DED), a na drugim końcu domenę śmierci. Dzięki powstaniu takiego kompleksu możliwe jest aktywowanie enzymów- kaspaz, przez domenę DED, która jest podobna do domeny DED w części białka prokaspazy-8.

Indukcja apoptozy z udziałem mitochondrium. 

Powyżej był opisany po krótcy proces indukcji apoptozy, przez czynniki zewnętrzne. Istnieje też szlak wewnętrzny. Pełnią w nim role głownie mitochondria, które w naturalnych warunkach utrzymują komórkę przy życiu. Stanowią one miejsce, w którym „zapadają” decyzję dotyczące indukcji sygnałów apoptycznych. Oczywiście mitochondria nie aktywują samobójstwa bezpodstawnie. Mitochondria są wrażliwe na czynniki takie jak wzrost stężenia reaktywnych form tlenu, stężenia jonów wapniowych, wzrost stężenia tlenku azotu, szok termiczny, różnego rodzaju toksyny i zaburzenia w procesie transportu elektronów.

W pierwszej kolejności, gdy mitochondrium „wyczuje” czynniki aktywujące śmiercionośny pogram, otwierają się megakanały mitochondrialne (PTP), które powstają na stykach wewnętrznej i zewnętrznej błony mitochondrium. Megakanały zbudowane są z wielu enzymów tj. kinaza keratynowa, heksokinaza, kinaza glicerylowa i inne. Po otwarciu kanałów, obniża się potencjał błony mitochondrialnej, co ogranicza produkcję ATP- uniwersalnego nośnika energii chemicznej. W tym samym czasie w macierzy mitochondrialnej wzrasta stężenie kationów wapniowych. Przez kanały z mitochondrium do cytoplazmy przedostaje się białko cytochrom c (które w mitochondrium pełni rolę transportera elektronów w szlaku elektronowych). Właśnie cytochrom c jest jednym z głównych sygnałów apoptycznych nadawanych przez mitochondria. Cytochrom c wiążę się w cytoplazmie z białkami BAX i BAK, które jako kompleksy wiążą się z innymi białkami adaptorowymi, a te agregują i „włączają” kaspazy.  Objaśnię jeszcze, dlaczego mitochondria pęcznieją, mimo, że powinny się kurczyć. Niektóre białka występujące w przestrzeni międzybłonowej mitochondrium są zbyt wielkie, aby mogły przejść swobodnie przez megakanały. W tym samym czasie zmiany stężeń jonów kationowych w macierzy mitochondrialnej (ich napływ do macierzy) związany jest z ciągłym napływem wody do wnętrza mitochondriów (zgodnie z prawami osmozy), co prowadzi do ich napęcznienia, a w konsekwencji do pękania ich błony. Trzeba dodać jeszcze, że wypływający do cytoplazmy cytochrom c łączący się z prokaspazami 9 tworzy duży kompleks białkowy nazwany apoptosomem. Proces ten wymaga użycia energii zmagazynowanej w wiązaniach makroergicznych ATP. Po uformowaniu kompleksu w jego obrębie dokonuje się aktywacja nieaktywnych dotąd białek kaspaz.

Ostatnim omówionym przeze mnie szlakiem indukującym proces apoptozy jest szlak wywołany stresem. Szukałem w kilku miejscach i nie znalazłem specyficznej nazwy dla tego szlaku, dlatego na potrzeby artykułu nazwę go „szlakiem siateczki śródplazmatycznej” (SSS), albo „szlakiem retikulum endoplazmatycznego” (SRE). W tym przypadku proces apoptozy zaczyna się w siateczce śródplazmatycznej na skutek poważnych zaburzeń homeostazy komórki. W wyniku stresu (bez udziału szlaku błonowego i mitochondrialnego) zaburzona zostaje gospodarka kationami wapnia, oraz gromadzeniem w siateczce śródplazmatycznej źle zsyntezowanych białek, albo białek, które uległy niepoprawnej obróbce posttranslacyjnej. Białka gromadzą się w strukturach retikulum, co prowadzi do tego, że występują w nadmiarze, a siateczka nie jest w stanie usuwać ich poza obręb komórki. Taka sytuacja aktywuje cząsteczki zymogenu- kaspazy-12 (cząsteczka zymogenu kaspazy-12 jest to nieaktywna cząsteczka enzymu, która w trakcie aktywacji staje się enzymem czynnym). Prawdopodobnie SSS/SRE są odpowiedzialne za chorobę Alzheimera.

Omówiliśmy po krótcy i bez wnikania w głębsze szczegóły trzy główne procesy prowadzące do rozpoczęcia procesu apoptozy- dla przypomnienia, omówiliśmy proces w którym receptory śmierci na powierzchni komórki wyłapują sygnały ze środowiska i przekazują je do wnętrza komórki, omówiliśmy proces, którego prowodyrami są mitochondria i omówiliśmy proces w którym apoptoza jest następstwem stresu.

Kaspaza 1

Jak pewnie zauważyliście, wszystkie procesy w gruncie rzeczy prowadzą do aktywacji pewnej specyficznej grupy białek- kaspaz, którym chciałbym się teraz dokładniej przyjrzeć. Są one białkami odpowiedzialnymi za realizację fazy wykonawczej procesu apoptozy. Kaspazy są białkami należącymi to proteaz cysteinowych. Co to oznacza? Proteazy jest to podklasa białek z klasy hydrolaz. Białka będące proteazami mają za zadanie katalizować reakcję proteolizy, czyli hydrolitycznego rozpadu wiązania peptydowego. Ogólnie kaspazy można podzielić na aktywatory cytokinin (nie związane z naszym tematem), inicjatory apoptozy i efektory apoptozy.

W zdrowej komórce, kaspazy syntezowane są jako proenzymy (zymogeny) czyli cząsteczki, które nie mają zdolności katalitycznej- są tak jakby uśpione. W wyniku aktywacji (na drodze jednej z trzech omówionych wcześniej szlaków) prokaspazy „budzą się”. Gdy są już w pełni aktywne rozpoczynają cięcie wszystkiego co się da- czyli tną inne białka na drobne fragmenty. Przy okazji aktywują jeszcze inne kaspazy, które tylko potęgują efekt rozkładu. Po aktywacji kaspaz następuje degradacja cytoszkieletu oraz innych struktur komórki. Pośrednio kaspazy odpowiadają za szatkowanie materiału genetycznego w jądrze.

W momencie aktywacji kaspaz na drodze jednego ze szlaków rozpoczyna się faza wykonawcza i faza zniszczenia. W tym miejscu zbiegają się wszystkie ścieżki aktywujące samobójstwo komórki. W momencie, gdy kaspazy inicjujące aktywują kaspazy wykonawcze, nie ma już szans na zaprzestanie procesu apoptozy. Czas aktywacji w zależności od komórki może wynosić od kilku minut do kilku godzin, ale po przekroczeniu tego magicznego punktu nie ma już niczego, co mogłoby zatrzymać kaspazy wykonawcze. W pierwszej kolejności kaspazy dobierają się do białek cytoszkieletu, białek otoczki jądrowej , białek odpowiedzialnych za upakowanie przestrzenne DNA i jego naprawę, oraz za białka odpowiedzialne za porządek podczas procesów mitozy. Musimy zwrócić uwagę na to, że dezintegracja białek cytoszkieletu jest procesem wybiórczym i kaspazy „oszczędzają” włókna aktyny F i G, dzięki czemu możliwe jest uformowanie się ciałek apoptycznych.

Niezależnie od zapoczątkowania apoptozy, w wyniku działalności kaspaz zostają otwarte megakanały mitochondrialne co dodatkowo potęguje i przyspiesza proces apoptozy. Na chwilę przed tym jak enzymy dobiorą się do rozdrabniania jądrowego DNA, zostaje posiatkowane DNA w mitochondriach. Podczas pęcznienia mitochondriów z ich wnętrza uwalnia się białko AIF, które migruje do jądra i rozpoczyna tam proces kondensacji  chromatyny i defragmentacji DNA.

Jak pewnie zauważyliście, jednym z powtarzających się motywów w wyżej wymienionych szlakach inicjacji apoptozy, są kationy wapniowe. Są one niezbędne do procesów aktywacji niektórych enzymów odpowiedzialnych za cięcie DNA, oraz indukują one geny związane z wykonaniem samobójstwa.

W takim stadium komórka zostaje praktycznie całkowicie rozdrobniona od środka. Większość jej białek zostaje zdefragmentowana, materiał genetyczny pocięty, większość struktur przestaje istnieć, a organelle „psują się”. Komórka w efekcie dzieli się na tzw. ciałka apoptyczne,  wypełnione resztkami, które zostają pochłonięte przez komórki otaczające miejsce samobójstwa.

Podczas pisania tekstu korzystałem z:

Cytobiochemia  L. Kłyszejko- Stefanowicz

Biochemia Stryer

Biologia  Villie

Strukturalne podstawy biologii komórki  W. Kilarski

Dokładniejsze omówienie białek o których ja nie pisałem w tekście można znaleźć pod linkiem: http://www.phmd.pl/fulltxthtml.php?ICID=454171

Pamiętajcie o naszym zaprzyjaźnionym Antykwariacie! 

Zachęcam do komentowania!  Zapraszam również na naszą stronę na Facebook!