Apoptoza (programowana śmierć komórek)

Czym jest śmierć komórkowa i dlaczego jest nam potrzebna? Jaką funkcję pełnią w niej mitochondria?

Apoptoza (programowana śmierć komórek)

Każdego dnia wytwarzamy i tracimy biliony komórek. Nieustannie zachodzi proces śmierci i tworzenia nowych elementarnych jednostek naszego organizmu. Z tego powodu warto przyjrzeć się bliżej temu niezwykłemu procesowi oraz funkcji, jaką pełnią w nim mitochondria.

Czy apoptoza jest dla nas korzystna?

Ogólnie proces śmierci komórek to strata dla organizmu. Z każdą utraconą komórką maleje ilość produkowanej przez nas energii, a część tej, którą udało się wytworzyć, zostaje wykorzystana na metabolizowanie obumarłych komórek. Jednak śmierć komórek może odbywać się na dwa sposoby: nekrozy oraz apoptozy. Nekroza następuje na skutek uszkodzenia komórki za sprawą takich czynników jak toksyny, zakażenia biologiczne, czy stosowanie niektórych leków np. przeciwnowotworowych, czy hormonalnych1. Natomiast apoptoza jest naturalnym procesem zaprogramowanej śmierci komórki, która jest uszkodzona lub chora, a proces ten jest niezwykle korzystny. Dzięki apoptozie organizm sprawuje kontrolę nad słabszymi komórkami, niekiedy również wchodzącymi w proces nowotworzenia2. Apoptoza pozwala na wyeliminowanie tych komórek, które są zainfekowane lub uszkodzone. Zapobiega przekazywaniu zaburzeń nowym komórkom. Dzięki temu uszkodzone mitochondria nie powielają się, a nowo powstające komórki nie zawierają defektów w DNA.

Apoptoza to samobójcza, fizjologiczna śmierć komórki, która jest niezbędna do zachowania homeostazy. W zdrowym organizmie powinna być utrzymywana stała i ściśle określona ilość komórek. Dlatego w miejsce komórki apoptotycznej organizm tworzy nową. Zaburzenia tego procesu obserwuje się w rozwoju nowotworów lub autoimmunizacji. Zbyt częsta śmierć komórek może prowadzić do rozwoju niektórych przewlekłych chorób degeneracyjnych.

Programowana śmierć komórki dla celów ochronnych organizmu może zostać aktywowana lub unieczynniona przy pomocy niektórych białek, obecnych w komórce. Nazywamy je białkami apoptotycznymi, ponieważ decydują o tym, czy komórka ulegnie apoptozie2.

Proces ten składa się z dwóch podstawowych faz: sygnalizacyjnej, wykonawczej i eliminacji. Pierwszy etap polega na uruchomieniu genów indukujących śmierć komórki. Za indukcję mogą odpowiadać geny sygnalizacji, replikacji, czy transkrypcji DNA. Podczas etapu wykonawczego uruchamiane są różne szlaki związane z aktywacją enzymów, które degradują struktury komórki. Początkowo komórka zaczyna kurczyć się, a następnie ulega rozpuszczeniu. Podczas eliminacji usuwane zostają pozostałości obumarłej komórki. Apoptoza może zachodzić na drodze różnych szlaków. Mitochondria biorą bezpośredni udział w tak zwanym szlaku wewnętrznym. Bardzo często apoptoza następuje w wyniku zwiększenia przepuszczalności błony mitochondrium.

Mitochondria złożone są z dwóch błon: gładkiej zewnętrznej i pofałdowanej błony wewnętrznej. Między nimi znajduje się przestrzeń błonowa, natomiast przestrzeń między wewnętrzną błoną nazywana jest macierzą mitochondrialną (matrix), stanowiącą miejsce działania wielu enzymów, czy przebiegu cyklu kwasu cytrynowego. 

Czynnikami, które również stymulują proces apoptozy i zależą od pracy mitochondriów, mogą być:

  • wzrost stężenia reaktywnych form tlenu,
  • stres oksydacyjny,
  • uszkodzenia mtDNA,
  • zaburzenia transportu elektronów,
  • wzrost stężenia jonów wapnia w komórce.

Bardzo ważnym czynnikiem w apoptozie jest udział cytochromu c (Cyt c). CYtochrom c to białko związane z wewnętrzną błoną mitochondriów oraz przestrzenią między błonami. Odpowiada za przekazywanie elektronów w łańcuchu oddechowym. W szczególnych przypadkach cytochrom c może przenikać przez zewnętrzną błonę mitochondrium, kiedy zwiąże się z odpowiednią substancją np. białkiem p53, które zwiększa przepuszczalność błony, lub poprzez ekspresję białek z rodziny Bcl-2. Białka te należą do czynników apoptotycznych i zostają uwolnione z przestrzeni międzybłonowej mitochondriów.

Po przedostaniu się do plazmy komórki, cytochrom aktywuje specjalne enzymy – kaspazy. Ich zadaniem jest proteoliza, czyli rozkładanie białek, tworzących strukturę komórki. Na koniec komórka zostaje rozłożona przez makrofagi, dzięki czemu nie powstaje stan zapalny w organizmie3.

Zadaniem mitochondriów jest aktywacja procesu apoptozy w odpowiedzi na zmiany zachodzące w komórce.

Jednak, aby apoptoza w ogóle mogła się odbyć, oprócz ATP niezbędne jest do tego kwaśne pH środowiska komórki oraz zasadowe środowisko przestrzeni pozakomórkowej. Wyjątek stanowią komórki nowotworowe, które mają zasadowy charakter. Bronią się w ten sposób przed śmiercią. Dlatego czynnikiem sprzyjającym rozrostowi komórek nowotworowych jest obniżenie poziomu pH przestrzeni pozakomórkowej, co popularnie określa się jako „zakwaszenie organizmu”. Komórki rakowe czerpią niezbędne im do przeżycia jony kwasotwórcze właśnie z przestrzeni międzykomórkowej.

Dużym wyzwaniem dla nauki jest proces indukowania apoptozy w komórkach nowotworowych lub zahamowanie ich namnażania. Dzięki badaniom nad zjawiskiem apoptozy wiemy, że ma ona związek z rozwojem chorób. Zaburzenie równowagi pomiędzy komórkami nowopowstającymi a tymi, które powinny ulec apoptozie, wpływa m.in. na rozwój udaru mózgu, chorób zwyrodnieniowych czy AIDS4,5.

Autor: Paulina Żurek

  1. Elmore S.: Apoptosis: A Review of Programmed Cell Death. Toxicol. Pathol. 2007.
  2. Chilmonczyk Z.: Receptory śmierci – cel molekularny leków przeciwnowotworowych. Gazeta farmaceutyczna, 2009.
  3. Bielak-Żmijewska A.: Mechanizm oporności komórek nowotworowych na apoptozę. Kosmos, 2003.
  4. Gazeta Lekarska.: Nobel za apoptozę. Naczelna Rada Lekarska. 2002.
  5. Gregorczyk. K, Wyżewski. W, Szulc-Dąbrowska. L i inni.: Rola mitochondriów w odporności przeciwwirusowej. Post. Mikrobiol., 2014.