Апоптоз

13 Августа в 1:59 5061 0


Апоптозом (от греч. apoptosis— опадание) названо явление программируемой гибели клетки, сопровождаемой набором характерных цитологических признаков (маркёров апоптоза) и молекулярных процессов. Термин введён А. Керром с соавторами (Kerretal, 1972). Принципиальным отличием апоптоза от некроза является то, что первый сопровождается характерным каскадом реакций процесса элиминации клетки, а некроз есть результат незапланированного события и происходит спонтанно (Harmonetal., 1998) (рис. 1).

Схема изменений клtтки при апоптозе и некрозе

Рис. 1. Схема ультраструктурных изменений клетки при апоптозе и некрозе, предложенная лабораторией специальной микроскопии Донецкого ГМУ

Характерный каскад процессов при апоптозе включает: (а) конденсацию хроматина, (б) разрушение ядра, (в) вспучивание плазматической мембраны, (г) фрагментацию клетки с образованием дискретных апоптозных тел (АпТ). Апоптоз может быть вызван как внешними воздействиями (например, ядами), так и внутриклеточными сигналами, включая активацию «генов смерти». При этом механизмы апоптоза могут быть не только запрограммированными, но и спонтанными (Фильченков, Стойка, 1999).

Апоптоз в эволюции появился, по-видимому, вместе с появлением эукариотных многоклеточных организмов для регуляции численности клеток и установления между клетками в организме определенных взаимоотношений. Клетки взаимодействуют на разных стадиях жизненного цикла, например, при делении, росте, дифференцировке и гибели. Исследование молекулярных механизмов гибели (запрограммированной?) клетки стало в последние годы одной из самых трудных и актуальных проблем биологии.

Проблема апоптоза в настоящее время вызывает повышенный интерес со стороны специалистов разных научных дисциплин. Активацией апоптоза объясняют протекание СПИД, заболеваний локомоторного аппарата, нервной системы, болезней Вильсона, Паркинсона, Альцхаймера и Гетчинсона (прогерия, преждевременное старение). Вероятно, по механизму апоптоза отмирают клетки при ишемии мозга и инсульте, а также при анемиях (Белушкина, Белецкий, 2004).

В здоровом организме в норме в разных процессах также происходит удаление клеток путем апоптоза. Например, при росте и развитии организма. В процессе развития ЦНС нейронов образуется больше, чем необходимо, лишние удаляются. Апоптоз необходим также для реализации иммунного ответа. Один из механизмов защиты предполагает существенное увеличение количества лимфоцитов, которые при внедрении чужеродных микроорганизмов продуцируют антитела. После уничтожения этих микроорганизмов большинство таких специфических клеток соединительной ткани уничтожаются; таким образом, механизм удаления ненужных клеток необходим для выживания организма.

Этот механизм действует также при атрофии клеток под действием цитокинов (фактор некроза опухоли), при вирусных заболеваниях (например, при синдроме приобретенного иммунодефицита — СПИД), при нейрогенеративных заболеваниях. Недостаток апоптоза приводит к раку и другим опухолям; его избыток приводит к потере клеток. В молодом возрасте апоптоз является полезным, в дальнейшем он участвует в процессах старения.

Определены некоторые признаки апоптоза, отличающие его от некроза:

  • фосфатидилсерин из внутреннего слоя цитоплазматической мембраны перемещается в наружный;
  • цитохром с из межмембранного пространства митохондрий выходит в цитоплазму; активируются цистеиновые протеиназы (каспазы);
  • увеличивается образование активных форм кислорода (АФК); цитоплазматическая мембрана сморщивается, а объем клетки уменьшается;
  • нити ядерной ДНК в межнуклеосомных участках разрываются, хроматин конденсируется по периферии ядра, которое затем распадается на части;
  • клетки фрагментируются на везикулы с внутриклеточным содержимым (апоптотические тельца). В отличие от некроза, в случае апоптоза целостность цитоплазматической мембраны сохраняется до поздних стадий процесса, несмотря на сморщивание.

Выявлены некоторые молекулярные процессы, наблюдаемые при апоптозе:

1) действие Са2+ и Zn2+ (главных неорганических мессенджера и гормона, соответственно), имеющее взаимно антагонистический характер,

2) изменение мембранных белков в апоптотических клетках,

3) активирование разных путей передачи сигнала для апоптоза.

При апоптозе изменяются мембраны, в частности, гликопротеины и гликолипиды теряют сиаловую кислоту, а на клеточной поверхности увеличивается количество рецептора витронектина и, как указывалось выше, фосфатидилсерина — факторов, привлекающих макрофаги.

При апоптозе активируются разные изоформы фосфолипазы с, затем образуются вторичные мессенджеры диацилглицерин (DAG) и инозит-1,4,5-трифосфат (IP3). DAG активирует семейство сериновых и треониновых киназ (протеинкиназа с), a IP3 стимулирует освобождение Са2+ из внутриклеточных депо в цитозоль. Вызывать апоптоз могут также тирозинкиназы и некоторые токсины, нарушающие гомеостаз Са.

Предложена гипотеза о существовании генетической программы самоуничтожения митохондрий, клетки, органа, организма, соответственно — митоптоз, апоптоз, органоптоз, феноптоз. Эта программа названа «самурайским законом биологии» (В.П. Скулачев, 1996). При апоптозе в клетке образуется специфический «белок самоубийства» р53, который способствует реализации этой программы. Активация этого белка некоторыми интерферонами даёт эффект при лечении рака. В настоящее время проблему апоптоза исследуют весьма активно, так как она связана с решением проблемы старения. Если бы удалось регулировать апоптоз, можно было бы замедлить старение человека.

Исходя из гипотезы, что запуск программы самоуничтожения начинается вследствие снижения активности антиокислительной системы (АО С) в митохондриях и накопления в них активных форм кислорода (АФК), был предложен путь борьбы с этим явлением путем внедрения в органеллы клеток веществ с антиокислительными свойствами.

Однако действие известных естественных антиокислителей, в частности, витаминов С и Е, к успеху не приводило. Поэтому синтезировали вещества со свойствами АОС. После многочисленных испытаний оказалось, что оптимальным для этой цели являются фенилфосфониевые катионы (ФФК). Из них было синтезировано вещество, названное «ионом Скулачева» (SkQ). Он представляет собой комплексное соединение тетрафенилфосфониевого катиона, где ионом-комплексообразователем является Р(III) (рис. 2). Такая структура имеет делокализованный положительный заряд.

Ион Скулачева

Рис. 2. Ион Скулачева — трифенилфосфин, связанный деканом с пластохиноном.

Видно, что SkQ алкилирован деканом C10H22 образованием поляризованной молекулы с положительно заряженной головкой иона и липофильным хвостом. Этот комплекс легко проникает в клетку через отрицательно заряженную плазматическую мембрану в цитоплазму и через еще более отрицательно заряженную митохондриальную мембрану в матрикс органеллы и накапливается там, предположительно, в результате простого взаимного притяжения разноименных зарядов по физическим законам. Пластохинон, по мнению авторов, увеличивает антиоксидантную активность иона.

Точечное воздействие даже при наноконцентрациях позволяет этому комплексу длительно находиться внутри митохондрий (до 4-суток). Ферменты, находясь в эндоплазматическом ретикулуме (ЭР), не могут разрушить этот комплекс внутри митохондрий, поскольку неспособны преодолеть мембранный барьер.

Скулачев полагает, что антиокислительные свойства иона SkQ, позволяют нейтрализовать свободные радикалы внутри митохондрий и тем самым оказывают положительное фармакологическое действие, активируя АО С. Однако такое объяснение совсем не учитывает твердо установленное влияние на процессы апоптоза ионов металлов, в частности, Са2+и Zn2+, и законы межэлементных взаимодействий, в частности, их антагонизм.

С точки зрения бионеорганики механизм процессов апоптоза и влияния на них фенилфосфониевых катионов более сложен. В соответствие со следствием закона замещения, «свободный» Са вытесняет ионы переходных металлов из комплексов с белками и нуклеопротеинами, нарушая их функционирование и вызывая полимикроэлементоз. Избыток Са2+вытесняет Mg2+, инактивируя все обменные процессы, связанные с АТФ. В первую очередь это проявляется в снижении активности натриевого насоса и, следовательно, мембранного потенциала (Ψ) и зависящих от него процессов нейтрализации свободных радикалов. Из-за вытеснения из ферментов АОС ионов металлов-комплексообразователей (Fe, Си, Se, Zn) активность этих ферментов по определению снижается.

Поскольку основные ферменты АОС (каталаза, пероксидаза, цитохромоксидаза, глутатионпероксидаза) содержат гемин с Fe, Си, а селенопротеины — Se и I, избыток Са2+ в цитоплазме автоматически приводит к резкому снижению антиокислительной активности без участия каких-либо генов. При преодолении фракционного порога начинается цепная реакция, то есть в каждом атоме с неспаренным электроном появляется свободный радикал. Запускается цепь превращений уже существующих валентнонасыщенных исходных молекул в более реакционноспособные продукты. Причем процессы апоптоза начинаются с нарушения деятельности мембран, вероятно, каким-то образом связанного с синтезом коллагена.

«Свободный» Са2+ играет на начальных стадиях развития апоптоза ключевую роль, поскольку является инициатором цепной реакции. Его концентрация при апоптозе в клетках всегда увеличивается. «Свободный» Са цитотоксичен, он нарушает многие процессы метаболизма. В частности, в результате активируются эндонуклеаза, расщепляющая ДНК во внутренних участках нуклеосом, и тканевая трансглутаминаза, ковалентно связывающая белки с мембраной изопептидными связями. Понятно, что при этом нарушается функционирование и нуклеопротеинов, и мембран.

Zn2+, в соответствии с законом замещения, будучи ионом непереходного металла 4 периода, образующим комплексы с биолигандами с наибольшими Куст, способен снижать концентрацию Са в клетках и, следовательно, отдалять начало апоптоза. Поэтому его считают ингибитором этого процесса, подавляющим, в частности, активность эндонуклеазы и трансглутаминазы. Отмеченное всеми исследователями апоптоза замедление процесса гибели клеток при поступлении в них Zn2+ объясняется тем, что содержание «свободного» Са2+ в цитоплазме клеток уменьшается, а активность АОС возрастает. Поэтому можно полагать, что любое воздействие, снижающее фракцию «свободного» Са2+ в клетке и её органеллах, будет замедлять процессы старения и оказывать положительный фармакологический эффект при заболеваниях, сопровождаемых накоплением этой фракции. Среди таких заболеваний можно назвать болезни глаз, остеопороз, прогерию и болезнь Дауна.

Механизм цепной реакции, как и его особенности, хорошо известны на примере атомной бомбы. Характерным свойством этой реакции является её многостадийностъ. Среди важнейших стадий — зарождение цепи (инициирование), продолжение цепи (зарождение новых активных частиц = радикалов), обрыв цепи («гибель» активных частиц). Сами цепи могут быть неразветвленными, когда на каждую израсходованную активную частицу приходится одна вновь образованная, или разветвленными, когда на одну израсходованную активную частицу приходится две и более вновь образованных.

Разветвленные цепные реакции могут происходить в стационарном режиме, когда скорость разветвления меньше скорости гибели активных частиц, и в нестационарном, когда гибель происходит медленнее, чем разветвление. В этом случае скорость реакции возрастает по экспоненте и лимитируется только расходованием исходных веществ. Причем переход от стационарного к нестационарному режиму происходит скачкообразно при очень небольшом изменении концентрации одного из исходных веществ — наблюдается цепной «взрыв».

Цепные реакции отличаются очень эффективным изменением их свойств, и даже направленности, при наличии ничтожных примесей веществ, способных выводить из системы активные частицы, то есть ингибиторов, или, напротив, облегчать их формирование — инициаторов. Именно по такому механизму, многостадийно и очень медленно на первых стадиях, развивается процесс апоптоза. Следовательно, при рассмотрении этой проблемы надо исходить из общих закономерностей, а не частных, связанных с «генами смерти» или «борьбой» со свободными радикалами. Именно по этой причине антиокислительные витамины Е и С не оказывают существенного воздействия на процессы апоптоза, так как воздействуют не на причину цепной реакции, а на её следствие.

Р(III) в SkQ, являясь комплексообразователем, не способен многократно изменять свою валентность — что совершенно необходимо для процесса переноса электронов, происходящего в АОС. В то же время известно, что P(V), образуемый при окислении Р(III), является компонентом кислородных кислот, в частности фосфорной кислоты, которая легко связывается с Са2+, образуя трифосфат Ca3(P3O10)2. Анион с пятивалентным фосфором в этом соединении является секвестрирующим агентом, а образовавшаяся соль устойчива, что выводит Са2+ из «свободной» фракции.

С точки зрения бионеорганики фенилфосфониевые катионы, в случае их попадания внутрь клеток и митохондрий, служат эффективным источником активного фосфора для нейтрализации избытка «свободного» Са2+. То есть они, как и Zn2+, оказываются ингибитором цепной реакции апоптоза, но с иным механизмом действия.

Описанным механизмом апоптоза объясняется, в частности, факт продления жизни атлантического лосося при заражении жабр личинками двустворчатого моллюска жемчужницы Margarititera margarititera. Эти личинки усиленно поглощают «свободный» Са2+ для построения своей раковины, то есть в данном случае оказываются секвестрирующим агентом в цепной реакции начавшегося полимикроэлементоза, блокируя эту реакцию.

Альбатрос живет около 50 лет, и в течение его жизни признаков старения, в том числе репродуктивной функции, не появляется, после чего птица неожиданно умирает от спонтанного «взрывного» ускорения процессов апоптоза. Это объясняется тем, что согласно правилу фракционного порога, в некоторый момент возрастающая концентрация «свободного» Са2+ преодолевает такой порог, наступает нестационарная стадия цепной реакции, приводящая к быстрому финалу — смерти организма.

Опыты на животных (лабораторных грызунах, кроликах, собаках, кошках, лошадях) с дистрофией сетчатки и катарактой, которым закапывали в глаза 20 нМ раствор SkQ, показали, что после нескольких недель лечения болезни глаз излечивались, причем прозревали даже некоторые слепые животные. Получены положительные предварительные данные об использовании SkQ для лечения 12 различных старческих заболеваний, в частности, остеопороза, инфарктов и болезней глаз — глаукомы и катаракты. Предполагаемый механизм развития апоптоза показан на рис. 3.

Механизм развития апоптоза

Рис. 3. Предполагаемый механизм развития апоптоза

Проблема рака противоположна проблеме апоптоза. В отличие от старения, когда нужно замедлить процесс апоптоза, при раке нужно сделать прямо противоположное - ускорить этот процесс в раковых клетках. Наиболее эффективны для этого могут быть меры, увеличивающие содержание «свободной» фракции Са в цитозоле клеток и в митохондриях выше фракционного порога, после которого начинается цепная реакция апоптоза в виде гибели раковых клеток. Исходя из особенностей механизмов цепной реакции, подобный эффект должен проявляться уже при наноконцентрациях действующих веществ.

Что касается теории об апоптозе, как генетически запрограммированной смерти, не менее вероятной представляется гипотеза о цепной реакции нарушения металл-лигандного гомеостаза. Цепные реакции отражают более фундаментальные природные процессы, чем сопутствующие им генетически закреплённые биологические проявления. Поэтому гипотезу о природе апоптоза, как проявлении цепной реакции микроэлементоза кальция, переходящего в полимикроэлементоз, нельзя отбросить без объяснения роли металлов в этом процессе с точки зрения общераспространённой теории.

Известно, что запись кода не всегда соответствует «центральной догме» биологии (ДНК > РНК > белок). Открытие отмеченных Нобелевскими премиями обратных ревертаз, в том числе теломераз (2009 г.), а также прионов (Prusiner, 1997), подтверждает правомерность такой точки зрения. Активация «спящих генов» вызывается тем или иным состоянием металл-лигандного гомеостаза. Например, соотношение металлов, связанных с нарушением обмена Си, «будит» или ген синтеза белков болезни Вильсона, которая в настоящее время излечима, или ген синтеза белков болезни Менкеса, которая пока неизлечима. При этом «разбуженный» ген полностью подавляет другой (Bertini, 2008).

Медицинская бионеорганика. Г.К. Барашков

Похожие статьи
  • 20.07.2012 73651 44
    Типы химических связей

    Каждый атом обладает некоторым числом электронов. Вступая в химические реакции, атомы отдают, приобретают, либо обобществляют электроны, достигая наиболее устойчивой электронной конфигурации. Наиболее устойчивой оказывается конфигурация с наиболее низкой энергией (как в атомах благородных газов&...

    Бионеорганика
  • 21.07.2012 19250 16
    Ионные насосы

    Ионными насосами называют молекулярные механизмы, локализованные в мембране и способные транспортировать вещества за счет энергии, высвобождаемой при расщеплении АТФ, или любого другого вида энергии.

    Бионеорганика
  • 19.06.2012 17042 20
    1 группа (1А подгруппа) — щелочные металлы (главная группа)

    В нее входят Li, Na, К, Rb, Cs, Fr (табл. 1 и 2). По многим химическим свойствам несколько отличается от других щелочных металлов Li+, имеющий диагональное сходство с Mg2+.

    Бионеорганика
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы