Apoptoza

Apoptoza (gr. apo+pto = opadanje lišća; apoptosis = raspadanje) ili programirana ćelijska smrt (ćelijsko samoubistvo) je deo životnog ciklusa ćelije koji omogućava normalan razvoj organizma tako što otklanja suvišne ćelije. Prvi put su je opisali Glucksman i Saunders 50-tih godina XX veka. Stalan broj ćelija (ćelijska homeostaza) u organizmu održava se zahvaljujući dinamičkoj ravnoteži dva suprotna procesa: ćelijskoj deobi i ćelijskoj smrti. Genetički je određen proces koji zahteva trošenje enrgije pa otuda i naziv programirana ćelijska smrt. Narušavanje mehanizama kojima se reguliše može dovesti do različitih patoloških promena (kancer, Alchajmerova bolest, Perkinsonova bolest, neke autoimune bolesti, infarkt i dr).

Jedan je od najproučavanijih procesa u višećelijskim organizmima o čemu govori podatak o broju naučnih radova posvećenih apoptozi, oko 10.000 za 10 godina. Apoptoza se odvija kako u normalnim fiziološkim uslovima (embriogeneza, diferencijacija, razvoj i regulacija imunog sistema) tako i u patološkim stanjima (delovanjem patoloških faktora ili mehaničkih povreda). Kod životinja počinje već na stupnju morule, kada zahvata neke ćelije u njenoj unutrašnjosti čime nastaje duplja blastule (blastocel). Enzimi koji su najčešći medijatori apoptoze jesu kaspaze iz familije cistein proteaza.

Oblici ćelijske smrti

Ćelijski ciklus se završava:

• deobom ćelije na dve kćerke ćelije, kroz koje ćelija produžava svoje trajanje ili
• starenjem i umiranjem pa se tako apoptoza posmatra kao konačni stadijum diferencijacije ćelija.

Ćelije umiru kako tokom embriogeneze, morfogeneze i metamorfoze tako i unutar tkiva i organa u odraslom organizmu. U odraslom organizmu ćelije se razlikuju morfološki, po funkcijama koje obavljaju, a takođe i po fiziološkoj starosti. Iako sve potiču od jedne, oplođene jajne ćelije, u zavisnosti od tkiva i organa kojima pripadaju stare i umiru različitom brzinom i na različite načine.

Razlikuju se dva osnovna načina ćelijskog umiranja:

• nekroza (gr. necrosis = izumrlost) ili ubistvo ćelija, ispoljava se u nepovoljnim, nefiziološkim uslovima kada su ćelije izložene patološkim faktorima ili mehaničkim povredama;
• apoptoza ili samoubistvo ćelije koja se odvija u povoljnim uslovima tokom npr. embriogeneze ili regeneracije tkiva, mada se može odvijati i u uslovima akutne infekcije ili hroničnih bolesti.

1972. god. australijski patolog Džon F. R. Ker i njegovi saradnici su na osnovu morfoloških karakteristika jasno odvojili apoptozu od nekroze. Takođe, oni su potvrdili njeno postojanje u odraslom organizmu i njeno trajanje sve do smrti.

Faze apoptoze kod životinja

Morfološke promene ćelije u toku apoptoze

Apoptoza se može posmatrati sa više aspekata filziološkog, biohemijskog, morfološkog pa se prema tome i broj faza razlikuje.

Morfološke i biohemijske promene

U toku apoptoze dolazi do karakterističnih morfoloških promena bez obzira na vrstu ćelija. Te promene se mogu grupisati u dve faze:

• rana faza, koju karakteriše skupljanje ćelije, njena kondezacija i njeno odvajanje iz sredine u kojoj se nalazi; počinje kondezacijom hromatina u jedru (hiperhromatizam), a zatim dolazi i do fragmentacije DNK na delove veličine 200 do 300 bp (baznih parova); jedro se kondezuje u loptastu formu i tada se naziva piknotičko jedro ili se razbija na brojne loptice (liče na zrnevlje grožđa); pored jedra kondezuje se i citoplazma; time se zapremina ćelije smanjuje, ćelijske organele se sabijaju i citoskelet se razgrađuje (videti sliku); sa citološkog aspekta mitohondrije izgledaju nepromenjeno (za razliku od nekroze gde bubre i prskaju) mada se danas zna da su najranije promene na membranama mitohondrija i da su one uvod u apoptozu;
• kasna faza, koja je obeležena podelom jedra i citoplazme čime se obrazuju tzv. apoptotska tela; tome prethode promene na ćelijskoj membrani u smislu obrazovanja izvrata u vidu mehurova (pupljenje membrane);
• završna faza je fagocitoza apoptotskih tela koju vrše makrofagi i druge ćelije.

Fiziološke promene

Posmatrano sa fiziološkog stanovišta apoptoza se odvija u dve faze:

• prva faza je označena kao predaja i dužina njenog trajanja se razlikuje u zavisnosti od vrste ćelije;
• druga faza označena je kao izvršna i traje relativno kratko (od 15 minuta do jednog sata) bez obzira na vrstu ćelije.

Za vreme fiziološkog nestajanja ćelije u jedru se odigravaju procesi koji su srodni onima koji se odigravaju za vreme mitotičkog ćelijskog ciklusa. Naime, pokretači ćelijske deobe su istovremeno i pokretači apoptoze. Na osnovu toga može se zaključiti da su naizgled dva suprotna procesa, umnožavanje ćelija i njihovo umiranje, međusobno povezani.

Pokretači i mehanizmi samoubistva ćelije

Faktori/pokretači

Ćelija može ući u apoptotske promene kao odgovor na dve vrste signala:

• odsustva ili slabljenja pozitivnih signala koji su joj neophodni za preživljavanje; u tome je posebno velika uloga citokinina, faktora rasta i nekih hormona (npr. estogena i progesterona sa tkivom mlečne žlezde; androgenih hormona sa prostatom i dr.)
• primanja negativnih signala u koje se mogu ubrojiti različiti činioci, koji na ovaj ili onaj način oštećuju ćeliju:
  • faktori koji oštećuju ćelijsku DNK (jonizujuće zračenje, neki mikotoksini, hemoterapeutici i dr.);
  • faktori koji izazivaju stres ćelije kao što su lekovi i toksini;
  • raktivna jedinjenja kiseonika
  • liganidi, molekuli nazvani još i pokretači smrti koji se vezuju za odgovarajuće receptore ćelijske membrane (nazivaju se receptori smrti) i započinju proces apoptoze;

Mehanizmi

Razlikuju se dva mehanizma:

• spoljašnji u koji su uključeni receptori smrti na ćelijskoj membrani
• unutrašnji ili mitohondrijalni.

Spoljašnji mehanizam

Ulazak ćelije u apoptozu može biti posledica vezivanja nekog vanćelijskog signala (najčešće su to specifični liganidi) za komplementarne receptore na ćelijskoj membrani, nazvane receptori smrti. Receptori smrti se prostiru kroz čitavu membranu, od njene spoljašnje do unutrašnje strane. Pripadaju porodici TNFRs (od eng. tumor necrosis factor receptors) receptora. Delovi receptora smrti smešteni u citoplazmi su veoma značajni u prevođenju signala iz spoljašnje sredine u ćeliju i otpočinjanje apoptoze. Zbog toga su ti citoplazmatski delovi označeni kao domeni smrti. Tokom prevođenja vanćelijskog signala prvi enzim koji se pri tome aktivira jeste kaspaza 8 koja zatim izaziva kaskadnu aktivaciju drugih kaspaza.

Unutrašnji mehanizam

Apoptozu mogu izazvati i unutarćelijski signali poput lekova, radijacije, toksina, hipoksije, virusne infekcije i dr. Signale primaju proteini u kompleksu mitohondrijalnih pora i kao rezultat toga u citoplazmu izlaze proaptopogeni faktori (citohrom c i dr.). Po uticajem tih faktora u citoplazmi se pokreće aktivacija enzima proteaza i kaspaza. Kaspaze odlaze u jedro gde zajedno sa endonukleazama cepaju molekul DNK na fragmente, čime se apoptoza i morfološki može da vidi.

Mitohondrijalne pore su kompleksi izgrađeni od proteina koji regulišu apoptozu i svrstavaju se u dve grupe antagonisti smrti i agonisti smrti. Njihova relativna količina i međusobni odnos predstavljaju prekidač koji uključuje ili isključuje apoptozu.

Enzimi smrti

Nezavisno od načina pokretanja ili mehanizma dešavanja apoptoze, ključni enzimi u tom procesu jesu kaspaze. Deluju na više od 100 proteina citoplazme i jedra. U ćeliji su prisutni kao proenzimi, a do njihove aktivacije dolazi kaskadnim proteolitičkim razlaganjem. Danas je poznato 14 vrsta kaspaza (obeleženih brojevima od 1 - 14) koje pripadaju porodici cisteinskih proteaza i svrstavaju se u dve podporodice:

• pokretačke kaspaze, kojima pripadaju prokaspaze 2, 8, 9 i 10
• kaspaze-izvršioci, kojima pripadaju prokaspaze 3, 6 i 7.

Aktivacija kaspaza odvija se proteolitičkim odvajanjem subjedinica tako da se obrazuje tetramer koji ima dva aktivna mesta i deluje na veći broj proteina: proteine nukleoplazme, histon H1, komponente citoskeleta (npr. aktin) i dr. U ćelijama sisara dokazano je prisustvo 7 prirodnih inhibitora kaspaza nazvanih proteini inhibitozi apoptoze - IAPs (od eng. inhibitors of apoptosis proteins). Kada u ćeliji ne postoji nadražaj koji bi pokrenuo apoptozu, ti inhibitori sprečavaju pretvaranje prokaspaza u aktivnu formu.

Zašto ćelije ulaze u apoptozu?

Mnoge ćelije u ljudskom organizmu su genetički programirane da budu povrgnute apoptozi, slično kao što su programirane da obavljaju replikaciju ili ćelijsko disanje. U osnovi, apoptoza je način za uklanjanje ćelija koje više ne bi trebalo da budu u organizmu. Neke ćelije moraju biti uklonjene tokom embrionalnog razvoja (npr. kada se formiraju prsti kod čoveka, gubitak repa punoglavca tokom metamorfoze). Druge ćelije su abnormalne (ćelije inficirane virusima ili sa oštećenom DNK) i mogu oštetiti ostatak tkiva, organizma ako se ne uklone. Kada se takve ćelije uklone, istovremeno se eliminiše i opasnost po organizam (širenje virusne infekcije ili kancer). Kada dođe do oštećenja DNK, ćelijski mehanizmi ih otkrivaju i pokušavaju da poprave (reper-mehanizmi). Ako je oštećenje nepopravljivo, ćelija se podvrgava apoptozi. U slučaju da se ćelija sa oštećenom DNK ne podvrgne apoptozi, može doći do razvoja kancera. U odraslom organizmu ćelije mogu biti uklonjene kako bi se održala ravnoteža (ćelijska homeostaza), kako bi se stvorile nove ćelije ili uklonile ćelije koje su imale neke privremene uloge.

Literatura

• Šerban, M, Nada: Ćelija - strukture i oblici, ZUNS, Beograd, 2001
• Grozdanović-Radovanović, Jelena: Citologija, ZUNS, Beograd, 2000
• Pantić, R, V: Biologija ćelije, Univerzitet u Beogradu, beograd, 1997
• Diklić, Vukosava, Kosanović, Marija, Dukić, Smiljka, Nikoliš, Jovanka: Biologija sa humanom genetikom, Grafopan, Beograd, 2001
• Petrović, N, Đorđe: Osnovi enzimologije, ZUNS, Beograd, 1998.
• https://www.khanacademy.org/science/biology/developmental-biology/apoptosis-in-development/a/apoptosis

Snežana Trifunović, dipl. biolog