Real Bio - биология всерьез!

На данный момент известно  три основных механизма:

- нарушение электронного транспорта>>оксислительного фосфорилирования >> выработкb аденозинтрифосфата (АТФ );

- высвобождение  цитохрома С  и др. медиаторов апоптоза;

- нарушение окислительного потенциала и образование

  пероксидов.

1. Нарушение электронного транспорта и апоптоз.

В течение десятилетий нарушение электронного транспорта считалось первичным признаком смерти клетки.

Одним из последствий утраты электронного транспорта должно быть падение выработки ATФ. Хотя такое падение и наблюдается при апоптозе, оно часто случается на довольно поздней стадии процесса. Поэтому, хотя потеря митохондриальной выработки ATФ может убить клетку, не похоже, что это есть механизм индуцирования апоптоза.

Гамма-облучение вызывает апоптоз в тимоцитах и разрушение цепи электронного транспорта, возможно на стадии цитохром в-с1/цитохром с.

Церамиды , вторичный посредник, задействованный в организации апоптоза разрывает электронный транспорт на одной и той же стадии в клетках, как и в изолированных митохондриях. Связывание Fas с FAS лигандом также приводит к нарушению в клетках функции электронного транспорта.

2. Митохондрии: роль высвобождения цитохрома C в апоптозе

Важная роль митохондрий в апоптозе была выявлена в исследованиях бесклеточных систем, в которых спонтанная, ингибируемая воздействием Bcl-2 ядерная конденсация и фрагментация ДНК оказались зависимыми от присутствия митохондрий. Впоследствии, исследования с другой бесклеточной системой показали, что индукция активации каспазы путем добавки ATФ зависит от присутствия цитохрома C , высвобождаемого митохондриями.

В ходе апоптоза (in vivo и in vitro) цитохром C высвобождается из митохондрии (этот процесс ингибируется присутствием Bcl-2) >>цитозольный цитохром C входит как существенная часть в структуру апоптосомы>> активация каспазы-9 >> обработка и активация других каспаз >> биохимическое убийство клеток.

Ингибиторы каспаз не предотвращают высвобождение цитохрома C. Однако если они подсоединены к цитоплазматическому домену FAS (фактора некроза опухоли) тогда выделение цитохрома C предотвращается.

Картина, которая возникает из этих данных, представляется такой: высвобождение цитохрома C>> клетка «приговаривается» к смерти или за счет

-         быстрого апоптического механизма, включающего активацию каспаз при посредстве Apaf-1;>;

-         более медленного некротического процесса, обусловленного коллапсом электронного транспорта, в результате удаления из мтх цитохрома C, что приводит к различным вредным последствиям, включая генерацию оксигенных АФК и уменьшение производства АТФ.

Последствия высвобождения цитохрома C зависят от типа клеток

В тех клетках, где цитохром C существует в избытке, каспазы могут быть активированы и еще может остаться достаточное количество цитохрома C,  привязанного при помощи их высокоактивных контактов к цитохрому b-c и цитохромC-оксидазе, что поддерживает электронный транспорт. В этом случае потребление кислорода и производство ATФ может оставаться незатронутым, тогда как каспазы продолжают атаковать цитозольные и ядерные субстраты, что приводит к апоптозу .

В противоположность этому в клетках, которые содержат большие количества эндогенных каспазных ингибиторов, высвобождение цитохрома C может не индуцировать зависимый от каспаз апоптоз и вместо этого происходит нарушение цепи электронного транспорта, что может вовлечь клетку на путь некротического разрушения.

Цитохром C: роль в апоптозе: эволюционный аспект

Хотя участие митохондрий и высвобождение цитохрома C могут не являться универсальными признаками апоптоза, похоже что они часто встречаются у позвоночных. В противоположность этому, в настоящее время нет свидетельств, что цитохром C играет роль в апоптозе как в нематодах, так и у насекомых. У первых, активация каспаз вследствие взаимодействия с CED-4 (чья роль по-видимому аналогична роли Apaf-1 ) происходит без участия цитохрома C. Более детальный эволюционный анализ поможет установить, явилось ли вовлечение цитохрома C относительно поздней эволюционной инновацией или было ли это впоследствии утеряно в некоторых ветвях развития. Тем не менее, роль митохондрий, как детекторов стресса и исполнителей экзекуции несомненно  важна для поддержания процесса апоптоза в многоклеточных организмах. То есть, клетки не могут получить преимуществ в развитии, просто отказавшись от митохондрий, потому что эти органеллы также нужны для эффективного энергетического метаболизма, продуцирования мембранных липидов и роста клеток. Дефекты в цепи апоптических явлений ниже митохондрий (например в каспазах) могут также не обеспечить преимуществ в развитии, потому что клетки могут, тем не менее, умереть из- за митохондриальных воздействий (хотя и медленнее), и, таким образом, мутации в каспазах не могут вызвать онкогенез.

3. Митохондрии: АФК (ROS-активные кислородные соединения) и апоптоз.

Митохондрии являются главным источником создания супероксидных анионов в клетках. В ходе транспорта электронов к молекулярному кислороду, в соответствии с оценками, от 1 до 5 % электронов в цепи дыхания теряются, участвуя в формировании АФК.   Все, что уменьшает эффективность проводимости в цепи и нарушает транспорт электронов может увеличивать производство супероксидов. Количество супероксидов и перекисное окисление липидов увеличивается в ходе апоптоза.

Но АФК не являются единственным индуктором апоптоза, т.к.:

-         генерация ROS может происходить и на относительно поздней стадии, после того, как клетка вступила в процесс активации каспаз;

-         в условиях гипоксии найдены др. проапоптические стимулы, работающие  в отсутствии или почти отсутствии кислорода.

ROS могут генерироваться при условиях виртуального анаэробиоза и поэтому ихучастие в апоптозе не оспоримо.

Механизмы образования АФК:

При нарушении наружной мембраны митохондрий из межмембранного объема выделяется термолабильный фактор >>необратимое превращение ксантиндегидрогеназы в ксантиноксидазу. Фактор устойчив к ряду испытанных ингибиторов протеаз, включая ингибиторы каспаз, ингибиторы сериновых протеаз и ингибиторы металлопротеиназ. >>

Ксантиндегидрогеназа катализирует зависимое от NAD+ окисление: ксантин >> гипоксантин >> мочевая кислота. Ксантиноксидаза катализирует те же реакции с О₂ в качестве акцептора электронов >> образуются - О₂- и Н₂О₂ и другие АФК>> разрушение митохондрий, индукция апоптоза.

Главным источником АФК в клетках являются митохондрии. Резкое увеличение АФК происходит при возрастании мембранного потенциала в митохондриях, когда снижено потребление АТФ и скорость дыхания лимитируется AДФ. Цитоплазматическая мембрана макрофагов и нейтрофилов содержит O₂- - генерирующую NADPH-оксидазу.

Автор: Елена Гончарова.