. Kapitola II
reprodukciu buniek. Problémy bunkovej proliferácii v medicíne.
2.1. Životný cyklus bunky.
Bunková teória hovorí, že bunky vznikajú z buniek delením pôvodných. Toto ustanovenie vylučuje tvorbu buniek z nebunkovej látky. Bunkovému deleniu predchádza reduplikácia ich chromozómového aparátu, syntéza DNA v eukaryotických aj prokaryotických organizmoch.
Čas existencie bunky od delenia po delenie sa nazýva bunka alebo životný cyklus. Jeho hodnota sa značne líši: pre baktérie je to 20-30 minút, pre topánku 1-2 krát denne, pre amébu asi 1,5 dňa. Mnohobunkové bunky majú tiež odlišnú schopnosť deliť sa. V ranej embryogenéze sa často delia a v dospelom organizme väčšinou túto schopnosť strácajú, keďže sa špecializujú. Ale aj v organizme, ktorý dosiahol plný vývoj, sa mnohé bunky musia rozdeliť, aby nahradili opotrebované bunky, ktoré sa neustále vylučujú, a nakoniec sú potrebné nové bunky na hojenie rán.
Preto v niektorých populáciách buniek musí k deleniu dochádzať počas celého života. Vzhľadom na to možno všetky bunky rozdeliť do troch kategórií:
1. Do narodenia dieťaťa sa nervové bunky dostanú do vysoko špecializovaného stavu, strácajú schopnosť reprodukcie.V procese ontogenézy ich počet neustále klesá. Táto okolnosť má jednu dobrú stránku; ak by sa nervové bunky delili, tak by boli narušené vyššie nervové funkcie (pamäť, myslenie).
2. Ďalšia kategória buniek je tiež vysoko špecializovaná, ale pre ich neustálu deskvamáciu sú nahradené novými a túto funkciu plnia bunky rovnakej línie, ale ešte nešpecializované a nestratili schopnosť deliť sa. Tieto bunky sa nazývajú obnovujúce. Príkladom sú neustále sa obnovujúce bunky črevného epitelu, krvotvorných buniek. Dokonca aj bunky kostného tkaniva sú schopné tvoriť z nešpecializovaných (možno to pozorovať pri reparačnej regenerácii zlomenín kostí). Populácie nešpecializovaných buniek, ktoré si zachovávajú schopnosť deliť sa, sa zvyčajne nazývajú kmeňové bunky.
3. Tretia kategória buniek je výnimkou, keď vysoko špecializované bunky za určitých podmienok môžu vstúpiť do mitotického cyklu. Hovoríme o bunkách, ktoré sa vyznačujú dlhou životnosťou a kde po úplnom raste len zriedka dochádza k deleniu buniek. Príkladom sú hepatocyty. Ak sa však pokusnému zvieraťu odoberú 2/3 pečene, potom sa za menej ako dva týždne obnoví pôvodná veľkosť. Také sú bunky žliaz, ktoré produkujú hormóny: za normálnych podmienok je len niekoľko z nich schopných reprodukcie a za zmenených podmienok sa väčšina z nich môže začať deliť.
Bunkový cyklus znamená opakované opakovanie po sebe nasledujúcich dejov, ktoré trvajú určitý čas. Cyklické procesy sú zvyčajne graficky znázornené ako kruhy.
Bunkový cyklus je rozdelený na dve časti: mitózu a interval medzi koncom jednej mitózy a začiatkom ďalšej - interfázy. Metóda autorádiografie umožnila zistiť, že v interfáze bunka vykonáva nielen svoje špecializované funkcie, ale aj syntetizuje DNA. Toto obdobie medzifázy sa nazývalo syntetické (S). Začína asi 8 hodín po mitóze a končí po 7-8 hodinách. Interval medzi S-periódou a mitózou sa po synteticky nazýval presyntetický (G1 - 4 hodiny), pred samotnou mitózou - postsyntetický (G2). prebieha v priebehu približne jednej hodiny.
V bunkovom cykle ocele sa teda rozlišujú štyri stupne; mitóza, G1-perióda, S-perióda, G2-perióda.
Zistenie faktu zdvojenia v medzifáze DNA znamená, že bunka počas svojej doby nemôže vykonávať špecializované funkcie, je zaneprázdnená budovaním bunkových štruktúr, syntéza stavebné materiály, zabezpečujúce rast dcérskych buniek, akumuláciu energie vynaloženej počas samotnej mitózy, syntézu špecifických enzýmov na replikáciu DNA. Preto interfázové bunky, aby mohli vykonávať svoje funkcie predurčené genetickým programom (aby sa stali vysoko špecializovanými), musia dočasne alebo trvalo opustiť cyklus v období G0, alebo zostať v rozšírenej G1 (výrazné rozdiely v stave buniek periód GO a G1 neboli zaznamenané, pretože GO môže bunky za cyklus). Zvlášť je potrebné poznamenať, že v zrelých mnohobunkových organizmoch je známe, že väčšina buniek je v období G0.
Ako už bolo spomenuté, k nárastu počtu buniek dochádza len vďaka deleniu pôvodnej bunky, ktorému predchádza fáza presnej reprodukcie genetického materiálu, molekúl DNA, chromozómov.
Mitotické delenie zahŕňa nové stavy buniek: interfázové, dekondenzované a už reduplikované chromozómy sa transformujú do kompaktnej formy mitotických chromozómov, vzniká achromatický mitotický aparát, ktorý sa podieľa na prenose chromozómov, chromozómy sa rozchádzajú na opačné póly a dochádza k cytokinéze. Proces nepriameho delenia sa zvyčajne delí na tieto hlavné fázy: profáza, metafáza, anafáza a telofáza. Delenie je podmienené, keďže mitóza je kontinuálny proces a k fázovej zmene dochádza postupne. Jedinou fázou, ktorá má skutočný začiatok, je anafáza, v ktorej
chromozómy sa začínajú oddeľovať. Trvanie jednotlivých fáz je rôzne (priemerne profáza a telofáza - 30-40", anafáza a metafáza - 7-15"). Na začiatku mitózy obsahuje ľudská bunka 46 chromozómov, z ktorých každý pozostáva z 2 rovnakých polovíc - chromatidov (chromatid sa nazýva aj S-chromozóm a chromozóm pozostávajúci z 2 chromatidov je d-chromozóm).
Jedným z najpozoruhodnejších javov pozorovaných pri mitóze je tvorba štiepneho vretienka. Zabezpečuje zoradenie d-chromozómov v jednej rovine, v strede bunky, a pohyb S-chromozómov k pólom. Deliace vreteno tvoria centrioly bunkového centra. Mikrotubuly sa tvoria v cytoplazme z proteínu tubulín.
V G1-období obsahuje každá bunka dva centrioly, v čase prechodu do G2-periódy sa v blízkosti každého centriolu vytvorí dcérsky centriol a celkovo sa vytvoria dva páry.
V profáze sa jeden pár centriolov začne pohybovať k jednému pólu, druhý k druhému.
Medzi pármi centriolov smerom k sebe sa začína vytvárať súbor interpolárnych a chromozomálnych mikrotubulov.
Jadrový obal sa na konci profázy rozpadá, jadierko zaniká, chromozómy (d) spiralizujú, deliace vretienko sa presúva do stredu bunky a d-chromozómy sú v medzerách medzi vretienkovými mikrotubulami.
Počas profázy D chromozómy kondenzujú z filamentóznych štruktúr na tyčinkovité. Skrátenie a zhrubnutie (d-chromozómy pokračujú istý čas v metafáze, v dôsledku čoho majú metafázové d-chromozómy dostatočnú hustotu. V chromozómoch je jasne viditeľná centroméra, ktorá ich delí na rovnaké resp. nerovné ramená, pozostávajúce z 2 susediacich S-chromozómov (chromatidov). Na začiatku anafázy sa S chromozómy (chromatidy) začnú presúvať z rovníkovej roviny k pólom. Anafáza začína rozdelením oblasti centroméry každého z chromozómov, v dôsledku čoho sú dva chromozómy S každého chromozómu d od seba úplne oddelené. Vďaka tomu každá dcérska bunka dostane identickú sadu 46 S chromozómov. Po rozdelení centroméry sa jedna polovica 92 S chromozómov začne pohybovať k jednému pólu, druhá polovica k druhému.
Až do dnešného dňa nebolo presne stanovené, akým pôsobením sa uskutočňuje pohyb chromozómov k pólom. Existuje niekoľko verzií:
1. V deliacom vretienku sa nachádzajú filamenty s obsahom aktínu (ako aj iné svalové bielkoviny), je možné, že táto sila vzniká rovnakým spôsobom ako v svalové bunky.
2. Pohyb chromozómov je spôsobený kĺzaním chromozomálnych mikrotubulov pozdĺž kontinuálnych (interpolárnych) mikrotubulov s opačnou polaritou (Mak-Itosh, 1969, Margolis, 1978).
3. Rýchlosť pohybu chromozómov je regulovaná kinetochórovými mikrotubulami, aby sa zabezpečila riadna separácia chromatíd. S najväčšou pravdepodobnosťou spolupracujú všetky vyššie uvedené mechanizmy na realizáciu matematicky presnej distribúcie dedičnej substancie medzi dcérske bunky.
Na konci anafázy a na začiatku telofázy sa v strede predĺženej bunky začína tvorba zúženia, tvorí takzvanú drvivú brázdu, ktorá po prehĺbení delí bunku na dve dcérske. Aktínové vlákna sa podieľajú na tvorbe brázdy. Ale ako sa brázda prehlbuje, bunky sú prepojené zväzkom mikrotubulov, nazývaných stredné telo, z ktorých zvyšok je tiež nejaký čas prítomný v medzifáze. Paralelne s cytokinézou sa chromozómy na každom póle despiralizujú v opačnom poradí od chromozomálnej po nukleozomálnu úroveň. Nakoniec, dedičná látka má formu zhlukov chromatínu, buď husto zabalených alebo dekondenzovaných. Jadierko, jadrová membrána obklopujúca chromatín a karyoplazmu, sa znovu vytvorí. Novovzniknuté dcérske bunky sú teda v dôsledku delenia mitotických buniek navzájom identické a sú kópiou materskej bunky, čo je dôležité pre následný rast, vývoj a diferenciáciu buniek a tkanív.
2.2. Mechanizmus regulácie mitotickej aktivity
Udržiavanie počtu buniek na určitej konštantnej úrovni zabezpečuje celkovú homeostázu. Napríklad počet erytrocytov a leukocytov v zdravé telo relatívne stabilné, napriek tomu, že tieto bunky odumierajú, neustále sa dopĺňajú. Preto musí byť rýchlosť tvorby nových buniek regulovaná tak, aby zodpovedala rýchlosti bunkovej smrti.
Na udržanie homeostázy je potrebné, aby množstvo rôznych špecializovaných buniek v tele a funkcie, ktoré musia vykonávať, boli pod kontrolou rôznych regulačných mechanizmov, ktoré to všetko udržujú v stabilnom stave.
V mnohých prípadoch bunky dostanú signál, že musia zvýšiť svoju funkčnú aktivitu, čo môže vyžadovať zvýšenie počtu buniek. Napríklad, ak klesne obsah Ca v krvi, potom bunky prištítnej žľazy zvýšia sekréciu hormónu, hladina vápnika dosiahne normu. Ale ak v strave zvieraťa chýba vápnik, potom dodatočná produkcia hormónu nezvýši obsah tohto prvku v krvi.V tomto prípade bunky štítna žľaza začnú intenzívne deliť, takže zvýšenie ich počtu vedie k ďalšiemu zvýšeniu syntézy hormónu. Zníženie jednej alebo druhej funkcie teda môže viesť k zvýšeniu populácie buniek, ktoré tieto funkcie zabezpečujú.
U ľudí vstupujúcich na vysočiny sa počet červených krviniek prudko zvyšuje (v nadmorskej výške menšej ako 02), aby telu poskytli potrebné množstvo kyslík. Obličkové bunky reagujú na pokles kyslíka a zvyšujú sekréciu erytropoetínu, čo zvyšuje krvotvorbu. Po vytvorení dostatočného počtu ďalších erytrocytov hypoxia zmizne a bunky, ktoré produkujú tento hormón, znížia jeho sekréciu na bežnú úroveň.
Bunky, ktoré sú plne diferencované, sa nemôžu deliť, ale napriek tomu môžu byť rozšírené o kmeňové bunky, z ktorých pochádzajú. Nervové bunky sa za žiadnych okolností nemôžu deliť, ale môžu zvýšiť svoju funkciu zvýšením svojich procesov a znásobením spojení medzi nimi.
Treba poznamenať, že u dospelých zostáva pomer celkových veľkostí rôznych orgánov viac-menej konštantný. Pri umelom porušení existujúceho pomeru veľkosti orgánu má tendenciu k normálu (odstránenie jednej obličky vedie k zvýšeniu druhej).
Jedným z konceptov vysvetľujúcich tento jav je, že proliferáciu buniek regulujú špeciálne látky – kalóny. Predpokladá sa, že sú špecifické pre bunky. odlišné typy, orgánové tkanivá. Predpokladá sa, že zníženie počtu kalónov stimuluje bunkovú proliferáciu, napríklad počas regenerácie. V súčasnosti tento problém starostlivo skúmajú rôzni špecialisti. Boli získané údaje, že chalony sú glykoproteíny s molekulovou hmotnosťou 30 000 - 50 000.
2.3. Nepravidelné typy bunkovej reprodukcie
Amitóza. priame delenie alebo amitóza, opísaná skôr ako mitotické delenie, ale oveľa menej časté. Amitóza je bunkové delenie, pri ktorom je jadro v interfázovom stave. V tomto prípade nedochádza ku kondenzácii chromozómov a tvorbe deliaceho vretienka. Formálne by amitóza mala viesť k objaveniu sa dvoch buniek, ale najčastejšie vedie k rozdeleniu jadra a objaveniu sa dvoj- alebo viacjadrových buniek.
Amitotické delenie začína fragmentáciou jadier, po ktorej nasleduje rozdelenie jadra zovretím (alebo invagináciou). Môže dôjsť k viacnásobnému rozdeleniu jadra, zvyčajne nerovnakej veľkosti (pri patologických procesoch). Početné pozorovania ukázali, že amitóza sa vyskytuje takmer vždy v bunkách, ktoré sú zastarané, degenerujúce a neschopné produkovať cenné prvky v budúcnosti. Takže normálne k amitotickému deleniu dochádza v embryonálnych membránach zvierat, vo folikulárnych bunkách vaječníkov, v obrovských bunkách trofoblastov. Amitóza má pozitívnu hodnotu v procese regenerácie tkanív alebo orgánov (regeneračná amitóza). Amitóza v starnúcich bunkách je sprevádzaná poruchami biosyntetických procesov, vrátane replikácie, opravy DNA, ako aj transkripcie a translácie. sa menia fyzikálno-chemické vlastnosti chromatínové proteíny bunkových jadier, zloženie cytoplazmy, štruktúra a funkcie organel, čo so sebou prináša funkčné poruchy na všetkých nasledujúcich úrovniach – bunkovej, tkanivovej, orgánovej a organizačnej. Ako sa deštrukcia zvyšuje a obnova mizne, dochádza k prirodzenej bunkovej smrti. Amitóza sa často vyskytuje pri zápalových procesoch a malígnych novotvaroch (indukovaná amitóza).
Endomitóza. Keď sú bunky vystavené látkam, ktoré ničia mikrotubuly vretienka, delenie sa zastaví a chromozómy budú pokračovať vo svojom cykle transformácií: replikovať sa, čo povedie k postupnej tvorbe polyploidných buniek - 4. s. 8. s. atď. Tento transformačný proces sa inak nazýva endoreprodukcia. Schopnosť buniek k endomitóze sa využíva pri šľachtení rastlín na získanie buniek s viacnásobnou sadou chromozómov. Na to sa používa kolchicín, vinblastín, ktoré ničia vlákna achromatínového vretena. Polyploidné bunky (a potom dospelé rastliny) sa líšia veľké veľkosti, vegetatívne orgány z takýchto buniek sú veľké, s veľkou zásobou živín. U ľudí sa endoreprodukcia vyskytuje v niektorých hepatocytoch a kardiomyocytoch.
Ďalším, zriedkavejším výsledkom endomitózy sú polyténové bunky. Pri polyténii v S-perióde sa v dôsledku replikácie a nedisjunkcie chromozómových reťazcov vytvára multifilamentózna, polyténová štruktúra. Od mitotických chromozómov sa líšia veľkými veľkosťami (200-krát dlhšími). Takéto bunky sa nachádzajú v slinných žľazách dvojkrídlového hmyzu, v makronukleách nálevníkov. Na polyténových chromozómoch sú viditeľné opuchy, vačky (miesta transkripcie) – vyjadrenie aktivity génu. Tieto chromozómy sú najdôležitejším objektom genetického výskumu.
2.4. Problémy bunkovej proliferácie v medicíne.
Ako je známe, tkaniny vysoká rýchlosť obnova buniek je citlivejšia na účinky rôznych mutagénov ako tkanivá, v ktorých sa bunky obnovujú pomaly. Avšak napr. radiačné poškodenie sa nemusí objaviť okamžite a nemusí nutne slabnúť s hĺbkou, niekedy dokonca poškodzuje hlboko uložené tkanivá oveľa viac ako povrchové. Pri ožiarení buniek röntgenovými alebo gama lúčmi dochádza k hrubým porušeniam v životnom cykle buniek: mitotické chromozómy menia tvar, lámu sa, nasleduje nesprávne spojenie fragmentov, niekedy jednotlivé časti chromozómov úplne zmiznú. Môžu sa vyskytnúť anomálie vretienka (v bunke sa nevytvoria dva póly, ale tri), čo povedie k nerovnomernej separácii chromatíd. Niekedy je poškodenie buniek (veľké dávky žiarenia) také významné, že všetky pokusy bunky spustiť mitózu sú neúspešné a delenie sa zastaví.
Podobný účinok ožarovania čiastočne vysvetľuje jeho použitie v terapii nádorov. Účelom ožarovania nie je zabiť nádorové bunky v interfáze, ale prinútiť ich, aby stratili schopnosť mitózy, čo spomalí alebo zastaví rast nádoru. Žiarenie v dávkach, ktoré nie sú pre bunky smrteľné, môže spôsobiť mutácie vedúce k zvýšenej proliferácii zmenených buniek a viesť k zhubnému bujneniu, ako sa to často stávalo tým, ktorí pracovali s röntgenovými lúčmi a nevedeli o ich nebezpečenstve.
Proliferáciu buniek ovplyvňujú mnohé chemikálie, vrátane liekov. Napríklad alkaloid kolchicín (obsiahnutý v Colchicum corms) bol prvým liek, ktorý zmierňoval bolesti kĺbov s dnou. Ukázalo sa, že má aj ďalší účinok – zastaviť delenie väzbou na tubulíny proteíny, z ktorých sa tvoria mikrotubuly. Kolchicín teda, podobne ako mnohé iné lieky, blokuje tvorbu štiepneho vretienka.
Na tomto základe sa alkaloidy ako vinblastín a vinkristín používajú na liečbu určitých typov malígnych novotvarov, ktoré vstupujú do arzenálu moderných chemoterapeutických protirakovinových činidiel. Je potrebné poznamenať, že schopnosť látok, ako je kolchicín zastaviť mitózu, sa používa ako metóda na následnú identifikáciu chromozómov v lekárskej genetike.
Pre medicínu je veľmi dôležitá schopnosť diferencovaných (navyše pohlavných) buniek zachovať si svoj proliferačný potenciál, čo niekedy vedie k vzniku nádorov vo vaječníkoch, na reze ktorých sú viditeľné bunkové vrstvy, tkanivá a orgány, ktoré sú „neporiadkom“. Odhalia sa kúsky kože vlasové folikuly vlasy, deformované zuby, kúsky kostí, chrupaviek, nervového tkaniva, úlomkov oka atď., čo si vyžaduje urgentný chirurgický zákrok.
2.5. Patológia reprodukcie buniek
Anomálie mitotického cyklu.. Mitotický rytmus, zvyčajne adekvátny potrebe obnoviť starnúce, odumreté bunky, môže byť za patologických podmienok zmenený. Spomalenie rytmu pozorujeme pri starnúcich alebo málo vaskularizovaných tkanivách, zvýšenie rytmu pozorujeme v tkanivách s rôznymi typmi zápalov, hormonálnymi vplyvmi, pri nádoroch atď.
Bunka je základnou jednotkou všetkých živých vecí. Mimo bunky nie je život. K reprodukcii buniek dochádza až delením pôvodnej bunky, ktorému predchádza rozmnoženie jej genetického materiálu. K aktivácii bunkového delenia dochádza v dôsledku vplyvu vonkajších alebo vnútorných faktorov na ňu. Proces delenia buniek od okamihu ich aktivácie sa nazýva proliferácia. Inými slovami, proliferácia je množenie buniek, t.j. zvýšenie počtu buniek (v kultúre alebo tkanive), ku ktorému dochádza mitotickými deleniami. Životnosť bunky ako takej, od delenia po delenie, sa bežne označuje ako bunkový cyklus.
ÚVOD 3
KAPITOLA I. Proliferácia 4
Bunkový cyklus 5
Regulácia bunkového cyklu 6
Exogénne regulátory proliferácie 7
Endogénne regulátory proliferácie 7
Regulačné dráhy CDK 8
Regulácia G1 fáza 10
Regulácia S fázy 11
Regulácia G2, fáza 12
Regulácia mitózy 12
Poškodenie DNA 13
1.10.1 Dráhy opravy dvojvláknových zlomov DNA 13
1.10.2 Bunková odpoveď na poškodenie DNA a jej regulácia 14
1.11. Regenerácia tkaniva 15
1.11.1 Formy regenerácie 16
1.11.2. Regulácia regenerácie tkaniva 17
KAPITOLA II. APOPTÓZA 18
2.1. Charakteristické črty apoptóza 19
2.2. Mechanizmus apoptózy 19
2.3. Úloha apoptózy pri ochrane proti onkologické ochorenia 20
2.4. Regulácia apoptózy 21
REFERENCIE 24
Práca obsahuje 1 súbor
Ruská štátna pedagogická univerzita pomenovaná po A. I. Herzenovi
Biologická fakulta
KURZOVÁ PRÁCA
bunkovej proliferácii
SPb 2010
OBSAH
ÚVOD 3
KAPITOLA I. Proliferácia 4
- bunkový cyklus 5
- Regulácia bunkového cyklu 6
- Exogénne regulátory proliferácie 7
- Endogénne regulátory proliferácie 7
- Regulačné dráhy CDK 8
- Regulácia fázy G1 10
- Regulácia fázy S 11
- Regulácia fázy G2 12
- Regulácia mitózy 12
- poškodenie DNA 13
1.10.1 Dráhy opravy dvojvláknových zlomov DNA 13
1.10.2 Bunková odpoveď na poškodenie DNA a jej regulácia 14
1.11. Regenerácia tkaniva 15
1.11.1 Formy regenerácie 16
1.11.2. Regulácia regenerácie tkaniva 17
KAPITOLA II. apoptóza 18
2.1. Charakteristické znaky apoptózy 19
2.2. Mechanizmus apoptózy 19
2.3. Úloha apoptózy pri ochrane pred rakovinou 20
2.4. Regulácia apoptózy
21
BIBLIOGRAFIA 24
Úvod
Bunka je základnou jednotkou všetkých živých vecí. Mimo bunky nie je život. K reprodukcii buniek dochádza až delením pôvodnej bunky, ktorému predchádza rozmnoženie jej genetického materiálu. K aktivácii bunkového delenia dochádza v dôsledku vplyvu vonkajších alebo vnútorných faktorov na ňu. Proces delenia buniek od okamihu jej aktivácie sa nazývašírenie. Inými slovami, šírenie - ide o rozmnožovanie buniek, t.j. zvýšenie počtu buniek (v kultúre alebo tkanive), ku ktorému dochádza mitotickými deleniami. Životnosť bunky ako takej, od delenia po delenie, sa bežne označuje akobunkový cyklus.
V tele dospelého človeka majú bunky rôznych tkanív a orgánov nerovnakú schopnosť delenia. Okrem toho so starnutím klesá intenzita bunkovej proliferácie (t.j. interval medzi mitózy ). Existujú populácie buniek, ktoré úplne stratili schopnosť deliť sa. Zvyčajne ide o terminálne bunky.diferenciácienapr zrelý neuróny, granulované krvné leukocyty, kardiomyocyty . V tomto smere je imunitný systém výnimkou.Pamäťové B a T bunky, ktorý je v konečnom štádiu diferenciácie, keď sa v tele objaví určitý podnet vo forme predtým zažitého antigén sú schopné množiť sa. Telo má neustále obnovujúce sa tkanivá - rôzne typy epitelu, krvotvorné tkanivá. V takýchto tkanivách je zásoba buniek, ktoré sa neustále delia a nahrádzajú vyčerpané alebo umierajúce typy buniek (napr.bunky črevnej krypty, bunky bazálnej vrstvy integumentárneho epitelu, krvotvorné bunky kostná dreň ). Aj v tele sú bunky, ktoré sa za normálnych podmienok nemnožia, ale túto vlastnosť za určitých podmienok opäť získavajú, najmä ak je to potrebné. regenerácia tkanív a orgánov.
Proces bunkovej proliferácie je prísne regulovaný tak ako samotná bunka (regulácia bunkového cyklu, zastavenie alebo spomalenie syntézy autokrinné rastové faktory a ich receptory) a jeho mikroprostredie (nedostatok stimulačných kontaktov so susednými bunkami a matricou, zastavenie sekrécie a/alebo syntézy parakrinný rastové faktory). Porušenie regulácie proliferácie vedie k neobmedzenému deleniu buniek, čo následne iniciuje rozvoj onkologického procesu v tele.
Proliferácia
Hlavná funkcia spojená s iniciáciou proliferácie je vykonávanáplazmatická membránabunky. Práve na jej povrchu dochádza k udalostiam, ktoré sú spojené s prechodom pokojových buniek do aktivovaného stavu, ktorý predchádza deleniu. Plazmatická membrána buniek vďaka receptorovým molekulám, ktoré sa v nej nachádzajú, vníma rôzne extracelulárne mitogénne signály a zabezpečuje transport potrebných látok, ktoré sa podieľajú na iniciácii proliferačnej odpovede, do bunky. Mitogénne signály môžu byť kontakty medzi bunkami, medzi bunkou a matricou, ako aj interakcia buniek s rôznymi zlúčeninami, ktoré stimulujú ich vstup do bunkový cyklus ktoré sa nazývajú rastové faktory. Bunka, ktorá dostala mitogénny signál na proliferáciu, začína proces delenia.
bunkový cyklus
Celý bunkový cyklus pozostáva zo 4 stupňov: presyntetický (G1),
syntetická (S), postsyntetická (G2) a správna mitóza (M).
Okrem toho existuje takzvané obdobie G0, ktoré charakterizuje
kľudový stav bunky. V období G1 majú bunky diploidný
Obsah DNA na jadro. Počas tohto obdobia začína rast buniek,
hlavne v dôsledku hromadenia bunkových bielkovín, čo je spôsobené
zvýšenie množstva RNA na bunku. Okrem toho sa začínajú prípravy na syntézu DNA. V ďalšom S-období dochádza k zdvojnásobeniu sumy DNA a počet chromozómov sa podľa toho zdvojnásobí. Postsyntetická G2 fáza sa tiež nazýva premitotická. V tejto fáze dochádza k aktívnej syntéze mRNA (messenger RNA). Po tomto štádiu nasleduje skutočné rozdelenie bunky na dve časti alebo mitóza.
rozdelenie všetkých eukaryotických buniekspojené s kondenzáciou zdvojených (replikované) chromozómy. V dôsledku delenia sa tieto chromozómov sa prenášajú do dcérskych buniek. Tento typ delenia eukaryotických buniek - mitóza (z gréckeho mitos - vlákna) - je jediným úplným spôsobom, ako zvýšiť počet buniek. Proces mitotického delenia je rozdelený do niekoľkých etáp: profáza, prometafáza, metafáza, anafáza, telofáza.
Regulácia bunkového cyklu
Účelom regulačných mechanizmov bunkového cyklu nie je regulovať prechod bunkového cyklu ako takého, ale zabezpečiť v konečnom dôsledku bezchybnú distribúciu dedičného materiálu v procese rozmnožovania buniek. Regulácia reprodukcie buniek je založená na zmene stavov aktívnej proliferácie aproliferatívna dormancia. Regulačné faktory, ktoré riadia reprodukciu buniek, možno rozdeliť do dvoch skupín: extracelulárne (alebo exogénne) alebo intracelulárne (alebo endogénne).Exogénne faktorysú v bunkovom mikroprostredí a interagujú s povrchom bunky. Faktory, ktoré sú syntetizované samotnou bunkou a pôsobia v nej, pozri
endogénne faktory. Takéto rozdelenie je veľmi podmienené, pretože niektoré faktory, ktoré sú endogénne vo vzťahu k bunke, ktorá ich produkuje, ho môžu opustiť a pôsobiť ako exogénne regulátory na iné bunky. Ak regulačné faktory interagujú s rovnakými bunkami, ktoré ich produkujú, potom sa tento typ kontroly nazýva autokrinný. Pod parakrinnou kontrolou sa syntéza regulátorov uskutočňuje inými bunkami.
Exogénne regulátory proliferácie
V mnohobunkových organizmoch dochádza k regulácii proliferácie rôznych typov buniek pôsobením nie jedného z rastových faktorov, ale ich kombináciou. Okrem toho niektorérastové faktory, ktoré sú stimulantmi pre niektoré typy buniek, sa správajú ako inhibítory vo vzťahu k iným. klasickérastové faktoryreprezentovať polypeptidy s molekulovou hmotnosťou 7-70 kDa. K dnešnému dňu je známych viac ako sto takýchto rastových faktorov.
PDGF krvných doštičiek. PDGF, uvoľnený po deštrukcii cievnej steny, sa podieľa na procesoch trombózy a hojenia rán. PDGF je silný rastový faktor pre odpočinok fibroblasty . Spolu s PDGF sa nemenej podrobne študoval aj epidermálny rastový faktor (EGF). EGF ), ktorý je tiež schopný stimulovať proliferáciu fibroblastov. Ale okrem toho má stimulačný účinok aj na iné typy buniek, najmä na chondrocyty.
Veľkou skupinou rastových faktorov sú cytokíny (interleukíny, faktory nekrózy nádorov, faktory stimulujúce kolónieatď.). Všetky cytokíny sú polyfunkčné. Môžu buď zvýšiť alebo inhibovať proliferatívne reakcie. Napríklad rôzne subpopulácie CD4+ T-lymfocytov, Th1 a Th2 , produkujúce odlišné spektrum cytokínov, vo vzájomnom vzťahu sú antagonisty. To znamená, že Th1 cytokíny stimulujú proliferáciu buniek, ktoré ich produkujú, no zároveň inhibujú delenie Th2 buniek a naopak. Normálne sa teda v tele udržiava stála rovnováha týchto dvoch typov T-lymfocytov. Interakcia rastových faktorov s ich receptormi na bunkovom povrchu spúšťa vo vnútri bunky celú kaskádu dejov. V dôsledku toho dochádza k aktivácii transkripčných faktorov a expresii génov proliferatívnej odozvy, čo v konečnom dôsledku iniciuje replikáciu DNA a vstup bunky do mitózy.
Endogénne regulátory bunkového cyklu
V normálnych eukaryotických bunkách je prechod bunkového cyklu prísne regulovaný. Príčinaonkologické ochorenia je transformácia buniek, zvyčajne spojená s porušením regulačných mechanizmov bunkového cyklu. Jedným z hlavných výsledkov chybného bunkového cyklu je genetická nestabilita, pretože bunky s chybnou kontrolou bunkového cyklu strácajú schopnosť správne sa duplikovať a distribuovaťgenóm . Genetická nestabilita vedie k získaniu nových vlastností, ktoré sú zodpovedné za progresiu nádoru.
1. rastové faktory(makrofágy, lymfocyty, fibroblasty, krvné doštičky atď.) - stimulácia proliferácie a obmedzenie apoptózy.
2. Keylons- glykoproteínové tkanivovo špecifické inhibítory rastu.
3. Fibronektín- chemoatraktant fibroblastov.
4. Laminin- hlavný adhezívny proteín bazálnych membrán.
5. Syndekan-integrálny proteoglykán bunkových membrán, viaže kolagén, fibronektín a trombospondín.
6. Trombospondin- glykoproteín, tvorí komplexy so syndekánom, kolagénom a heparínom, zohráva významnú úlohu pri skladaní kostného tkaniva.
Tvorba a realizácia účinkov biologicky aktívnych látok (BAS) je jedným z kľúčových článkov zápalu. BAS zabezpečujú pravidelný charakter rozvoja zápalu, tvorbu jeho celkových a lokálnych prejavov, ako aj následky zápalu. Preto sa BAS často označuje ako zápalových mediátorov.
Zápalové mediátory- sú to lokálne chemické signály, ktoré sa tvoria, uvoľňujú alebo aktivujú v ohnisku zápalu, pôsobia a ničia aj v ohnisku. Zápalové mediátory (mediátory) sú biologicky aktívne látky zodpovedné za vznik alebo udržiavanie niektorých zápalových javov, ako je zvýšená vaskulárna permeabilita, emigrácia atď.
Ide o tie isté látky, ktoré sa za podmienok normálneho fungovania organizmu tvoria v rôzne telá a tkanivá vo fyziologických koncentráciách, sú zodpovedné za reguláciu funkcií na bunkovej, tkanivovej úrovni. Pri zápale, keď sa lokálne uvoľňujú (v dôsledku aktivácie buniek a tekutých médií) vo veľkých množstvách, získavajú novú kvalitu - zápalové mediátory. Takmer všetky mediátory sú tiež modulátory zápalu, t.j. sú schopné zvýšiť alebo oslabiť závažnosť zápalových javov. Je to spôsobené zložitosťou ich vplyvu a ich interakciou s bunkami produkujúcimi tieto látky, ako aj medzi sebou navzájom. V súlade s tým môže byť účinok mediátora aditívny (aditívny), potenciačný (synergický) a zoslabujúci (antagonistický) a interakcia mediátorov je možná na úrovni ich syntézy, sekrécie alebo účinkov.
V patogenéze zápalu je hlavná väzba mediátora. Koordinuje interakciu mnohých buniek - efektorov zápalu, zmeny bunkových fáz v mieste zápalu. V súlade s tým si patogenézu zápalu možno predstaviť ako reťazec viacerých medzibunkových interakcií regulovaných mediátormi-modulátormi zápalu.
Zápalové mediátory určujú vývoj a reguláciu alteračných procesov (vrátane zmien metabolizmu, fyzikálno-chemických parametrov, štruktúry a funkcie), rozvoj cievnych reakcií, exsudáciu tekutín a emigráciu krviniek, fagocytózu, proliferáciu a reparačné procesy v ohnisku zápalu.
Väčšina mediátorov vykonáva svoje biologické funkcie špecifickým pôsobením na receptory cieľových buniek. Niektoré z nich však majú priamu enzymatickú alebo toxickú aktivitu (napríklad lyzozomálne hydrolázy a reaktívne kyslíkové radikály). Funkcie každého mediátora sú regulované príslušnými inhibítormi.
Krvná plazma a zápalové bunky môžu slúžiť ako zdroje zápalových mediátorov. V súlade s tým sa rozlišujú 2 veľké skupiny zápalových mediátorov: humorálne a bunkové. Humorné
mediátory sú zastúpené najmä polypeptidmi, ktoré neustále cirkulujú v krvi v neaktívnom stave a sú syntetizované hlavne v pečeni. Títo mediátori tvoria tzv Sentinelový polysystém krvnej plazmy. Bunkové mediátory môžu byť syntetizované de novo (napr. metabolity kyseliny arachidónovej) alebo uvoľnené z bunkových zásob (napr. histamín). Zdrojmi bunkových mediátorov v ohnisku zápalu sú najmä makrofágy, neutrofily a bazofily.
Z humorálnych zápalových mediátorov sú najdôležitejšie deriváty komplementu. Medzi takmer 20 rôzne bielkoviny, vytvorený počas aktivácie komplementu, jeho fragmenty C5a, C3a, C3b a komplex C5b-C9 priamo súvisia so zápalom. C5a a v menšej miere C3a sú zároveň mediátormi akútneho zápalu. C3b opsonizuje patogénne činidlo a tým podporuje imunitnú adhéziu a fagocytózu. Komplex C5b-C9 je zodpovedný za lýzu mikroorganizmov a patologicky zmenených buniek. Zdrojom komplementu je krvná plazma a v menšej miere tkanivový mok. Zvýšený prísun plazmatického komplementu do tkaniva je jedným z dôležitých účelov exsudácie. C5a, vznikajúce z neho v plazme a tkanivovom moku vplyvom karboxypeptidázy N, C5a des Arg a C3a zvyšujú permeabilitu postkapilárnych venul. Súčasne C5a a C3a, ktoré sú anafylatoxíny (t.j. uvoľňovače histamínu zo žírnych buniek), zvyšujú permeabilitu priamo aj nepriamo prostredníctvom histamínu. Účinok C5a des Arg nie je spojený s histamínom, ale je závislý od neutrofilov, t.j. permeabilita faktory uvoľňované z polymorfonukleárnych granulocytov – lyzozomálne enzýmy a neenzymatické katiónové proteíny, aktívne metabolity kyslíka. Okrem toho C5a a C5a des Arg priťahujú neutrofily. Naproti tomu C3a nemá prakticky žiadne chemotaktické vlastnosti. Aktívne zložky komplementu uvoľňujú nielen histamín a granulocytárne produkty, ale aj interjakín-1, prostaglandíny, leukotriény, faktor aktivujúci krvné doštičky a synergicky interagujú s prostaglandínmi a látkou P.
kiníny- vazoaktívne peptidy vznikajúce z kininogénov (alfa2-globulínov) vplyvom kalikreínov v plazme (bradykinín nonapeptid) a v tkanivovej tekutine (lysylbradykinín dekapeptid, alebo kallidin). Spúšťacím faktorom aktivácie kalikreín-kinínového systému je v prípade poškodenia tkaniva aktivácia Hagemanovho faktora (XII faktor zrážania krvi), ktorý premieňa prekalikreíny na kalikreíny.
Kiníny sprostredkovávajú expanziu arteriol a zvyšujú permeabilitu venul kontrakciou endotelových buniek. Sťahujú hladké svaly žíl a zvyšujú intrakapilárny a venózny tlak. Kiníny inhibujú emigráciu neutrofilov, modulujú distribúciu makrofágov, stimulujú migráciu a mitogenézu T-lymfocytov a sekréciu lymfokínov. Zvyšujú tiež proliferáciu fibroblastov a syntézu kolagénu, a preto môžu byť dôležité pri reparačných javoch a v patogenéze chronického zápalu.
Jedným z najvýznamnejších účinkov kinínov je aktivácia reflexov stimuláciou zakončení zmyslových nervov a tým sprostredkovaním zápalovej bolesti. Kiníny spôsobujú alebo zvyšujú uvoľňovanie histamínu zo žírnych buniek, syntézu prostaglandínov mnohými typmi buniek, takže niektoré z ich hlavných účinkov – vazodilatácia, kontrakcia hladkého svalstva, bolesť – sú spojené s uvoľňovaním iných mediátorov, najmä prostaglandínov.
Aktivácia Hagemanovho faktora spúšťa nielen proces tvorby kinínov, ale aj zrážanie krvi a fibrinolýzu. V tomto prípade sa tvoria mediátory, ako sú fibrinopeptidy a produkty degradácie fibrínu, ktoré sú silnými chematraktantmi. Okrem toho je fibrinolýza a tvorba krvných zrazenín v cievach ohniska nevyhnutná pri patologických aj ochranných javoch zápalu.
Z bunkových mediátorov sú prvoradé eikosanoidy pretože s najväčšou pravdepodobnosťou sú centrálnym mediátorovým článkom zápalovej reakcie. Podporuje to dlhodobé udržiavanie produkcie eikosanoidov v ohnisku, ich úzke spojenie s kľúčová udalosť zápalový proces - infiltrácia leukocytov, silný protizápalový účinok inhibítorov ich syntézy.
Hlavnú úlohu pri produkcii eikosanoidov v ohnisku zápalu zohrávajú leukocyty, najmä monocyty a makrofágy, hoci ich po stimulácii tvoria takmer všetky typy jadrových buniek. Prevládajúcimi eikozanoidmi v ohnisku zápalu sú takmer vždy prostaglandín (PG) E2, leukotrién (LT) B4 a kyselina 5-hydroxyeikozatetraénová (5-HETE). Tvorí sa aj tromboxán (Tx) A2, PGF2alfa, PGD2, prostacyklín (PG12), LTS4, LTD4, LTE4 a ďalšie GETE, aj keď v menšom množstve.
Hlavné účinky eikosanoidov pri zápale sú na leukocyty. PG, Tx a hlavne LT sú silné chemotraktanty a teda hrajú dôležitá úloha v mechanizmoch samoudržiavania infiltrácie leukocytov. PG samotné nezvyšujú vaskulárnu permeabilitu, ale ako silné vazodilatátory zvyšujú hyperémiu a následne exsudáciu. LTC4, JITD4, LTE4 zvyšujú vaskulárnu permeabilitu priamou kontrakciou endotelových buniek a LTV4 pôsobí ako mediátor závislý od neutrofilov. PG a LT sú dôležité pri vzniku zápalovej bolesti. Súčasne PGE2 bez priamej bolestivej aktivity zvyšuje citlivosť receptorov zakončení aferentných bolestivých nervov na bradykinín a histamín. PGE2 je silné antipyretické činidlo a horúčka počas zápalu môže byť čiastočne spôsobená jeho uvoľňovaním. PG hrajú kľúčovú úlohu v modulácii zápalového procesu obojsmernou reguláciou exsudácie, emigrácie a degranulácie leukocytov a fagocytózy. Napríklad PGE sú schopné zosilniť rozvoj edému spôsobeného histamínom alebo bradykinínom, zatiaľ čo PGF2alfa môže byť naopak oslabený. Podobný vzťah medzi PGE a PGF2alfa platí aj pre emigráciu leukocytov.
Pre LT je charakteristický obzvlášť široký rozsah interakcií s inými mediátormi zápalu. Interagujú synergicky s ohľadom na bronchospazmus s histamínom, acetylcholínom, PG a Tx, stimulujú uvoľňovanie PG a Tx. Modulačná funkcia eikozanoidov sa uskutočňuje prostredníctvom zmien v pomere cyklických nukleotidov v bunkách.
Zdroje histamín sú bazofily a žírne bunky. Serotonín(neurotransmiter) u ľudí sa okrem malého množstva v žírnych bunkách nachádza aj v krvných doštičkách a enterochromafínových bunkách. Vďaka rýchlemu uvoľňovaniu počas degranulácie žírnych buniek , schopnosť meniť lúmen mikrociev a spôsobiť priamu kontrakciu venulárnych endotelových buniek, histamín a serotonín sú považované za hlavné mediátory počiatočných porúch mikrocirkulácie v ohnisku akútneho zápalu a okamžitej fázy zvýšenej vaskulárnej permeability. Histamín hrá dualistickú úlohu v cievach aj v bunkách. Cez H2 receptory rozširuje arterioly a cez H1 receptory zužuje venuly a tým zvyšuje intrakapilárny tlak. Prostredníctvom Hi receptorov histamín stimuluje a cez Hg receptory inhibuje emigráciu a degranuláciu leukocytov. Pri normálnom priebehu zápalu pôsobí histamín najmä cez Hg receptory na neutrofily, čím obmedzuje ich funkčnú aktivitu, a cez Hi receptory na monocyty, pričom ich stimuluje. Spolu s prozápalovými cievnymi účinkami má teda protizápalové bunkové účinky. Serotonín tiež stimuluje monocyty v mieste zápalu. Histamín obojsmerne reguluje proliferáciu, diferenciáciu a funkčnú aktivitu fibroblastov, a preto môže byť dôležitý pri reparačných javoch. Modulačné účinky histamínu sú tiež sprostredkované cyklickými nukleotidmi.
Čo sa týka interakcií biogénnych amínov v ohnisku zápalu, je známe, že histamín môže spustiť alebo zvýšiť syntézu prostaglandínov cez Hi receptory a inhibovať ju cez H receptory. Biogénne amíny interagujú navzájom aj s bradykinínom, nukleotidmi a nukleozidmi, substanciou P pri zvyšovaní vaskulárnej permeability. Vazodilatačný účinok histamínu sa zvyšuje v kombinácii s acetylcholínom, serotonínom a bradykinínom.
hlavný zdroj lyzozomálne enzýmy v ohnisku zápalu sú fagocyty - granulocyty a monocyty-makrofágy. Napriek veľkému významu fagocytózy v patogenéze zápalu sú fagocyty predovšetkým mobilnými nosičmi extracelulárne vylučovaných mediátorových modulátorov. Uvoľňovanie lyzozomálneho obsahu sa uskutočňuje počas ich chemotaktickej stimulácie, migrácie, fagocytózy, poškodenia, smrti. Hlavnými zložkami ľudských lyzozómov sú neutrálne proteinázy elastáza, katepsín G a kolagenázy obsiahnuté v primárnych azurofilných granulách neutrofilov. V procesoch antimikrobiálnej ochrany, vrátane zápalu, patria proteinázy k faktorom „druhého rádu“ po mechanizmoch závislých od kyslíka (myeloperoxidáza – peroxid vodíka) a nezávislých od kyslíka, akými sú laktoferín a lyzozým. Zabezpečujú najmä lýzu už usmrtených mikroorganizmov. Hlavnými účinkami proteináz je sprostredkovanie a modulácia zápalových javov vrátane poškodenia vlastných tkanív. Mediátorové a modulačné účinky proteináz sa uskutočňujú vo vzťahu k vaskulárnej permeabilite, emigrácii, fagocytóze.
K zvýšeniu vaskulárnej permeability pod vplyvom lyzozomálnych enzýmov dochádza v dôsledku lýzy subendotelovej matrice, stenčovania a fragmentácie endotelových buniek a je sprevádzané krvácaním a trombózou. Tvorbou alebo rozkladom najdôležitejších chemotaktických látok sú lyzozomálne enzýmy modulátormi infiltrácie leukocytmi. V prvom rade ide o zložky komplementového systému a kalikreín-kinínu.
Lysozomálne enzýmy môžu v závislosti od koncentrácie samy o sebe zvyšovať alebo inhibovať migráciu neutrofilov. Vo vzťahu k fagocytóze majú aj neutrálne proteinázy množstvo účinkov. Najmä elastáza môže tvoriť C3b opsonín; C3b je tiež dôležitý pre adhéziu častíc k povrchu neutrofilov. V dôsledku toho samotný neutrofil poskytuje mechanizmus na zvýšenie fagocytózy. Ako katepsín G, tak elastáza zvyšujú afinitu Fc receptora neutrofilnej membrány pre imunoglobulínové komplexy a v súlade s tým zvyšujú účinnosť absorpcie častíc.
Tiež vďaka schopnosti lyzozomálnych enzýmov aktivovať komplement, kalikreín-kinínový, koagulačný a fibrinolýzny systém, uvoľňovať cytokíny a lymfokíny, zápal sa rozvíja a dlhodobo sa udržiava.
Najdôležitejšia vlastnosť neenzymatické katiónové proteíny, obsiahnuté v azurofilných aj špecifických granulách neutrofilov, je ich vysoká mikrobicídna aktivita. V tomto ohľade sú v synergickej interakcii so systémom myeloperoxidáza-peroxid vodíka. Katiónové proteíny sú adsorbované na negatívne nabitej membráne bakteriálnej bunky elektrostatickou interakciou. V dôsledku toho dochádza k narušeniu priepustnosti a štruktúry membrány a k odumretiu mikroorganizmu, čo je predpokladom pre následnú účinnú lýzu jeho lyzozomálnych proteináz. Extracelulárne uvoľnené katiónové proteíny sprostredkovávajú zvýšenú vaskulárnu permeabilitu (hlavne indukciou degranulácie žírnych buniek a uvoľňovania histamínu), adhéziu a emigráciu leukocytov.
hlavný zdroj cytokíny(monokíny) pri zápale sú stimulované monocyty a makrofágy. Okrem toho sú tieto polypeptidy produkované neutrofilmi, lymfocytmi, endotelovými a inými bunkami. Najviac študovanými cytokínmi sú interleukín-1 (IL-1) a tumor nekrotizujúci faktor (TNF). Cytokíny zvyšujú vaskulárnu permeabilitu (neutrofil-dependentný spôsob), adhéziu a emigráciu leukocytov. Spolu s prozápalovými vlastnosťami môžu byť cytokíny dôležité aj pri priamej obrane tela, stimulujúc neutrofily a monocyty, aby zabíjali, absorbovali a trávili invázne mikroorganizmy, ako aj podporujú fagocytózu opsonizáciou patogénneho agens.
Stimuláciou čistenia rán, bunkovej proliferácie a diferenciácie cytokíny posilňujú reparačné procesy. Spolu s tým môžu sprostredkovať deštrukciu tkaniva (degradáciu matrice chrupavky a resorpciu kosti) a tým zohrávajú úlohu v patogenéze chorôb. spojivové tkanivo najmä pri reumatoidnej artritíde.
Pôsobenie cytokínov tiež spôsobuje množstvo základných metabolických účinkov bežné prejavy zápal - horúčka, ospalosť, nechutenstvo, metabolické zmeny, stimulácia hepatocytov k zvýšenej syntéze bielkovín akútna fáza, aktivácia krvného systému atď.
Cytokíny interagujú navzájom, s prostaglandínmi, neuropeptidmi a inými mediátormi.
K zápalovým mediátorom patrí aj množstvo lymfokíny- polypeptidy produkované stimulovanými lymfocytmi. Najviac študovanými lymfokínmi, ktoré modulujú zápalovú odpoveď, sú makrofágový inhibičný faktor, makrofágový aktivačný faktor a interleukín-2. Lymfokíny koordinujú interakciu neutrofilov, makrofágov a lymfocytov, čím regulujú zápalovú odpoveď vo všeobecnosti.
Aktívne metabolity kyslíka, Predovšetkým voľné radikály - superoxidový aniónový radikál, hydroxylový radikál HO, perhydroxyl, vďaka prítomnosti jedného alebo viacerých nepárových elektrónov na svojej vonkajšej dráhe, majú zvýšenú reaktivitu s inými molekulami a tým aj výrazný deštruktívny potenciál, ktorý je dôležitý v patogenéze zápalu. Zdrojom voľných radikálov, ako aj iných kyslíkových derivátov mediátorov a modulátorov zápalu - peroxid vodíka (H 2 0 2), singletový kyslík (f0 2), chlórnan (HOC1) sú: respiračné vzplanutie fagocytov pri ich stimulácii, arachidonové kyslá kaskáda v procese tvorby eikozanoidov, enzymatické procesy v endoplazmatickom retikule a peroxyzómoch, mitochondriách, cytozole, ako aj autooxidácia malých molekúl, ako sú hydrochinóny, leukoflavíny, katecholamíny atď.
Úloha aktívnych kyslíkových metabolitov pri zápale spočíva na jednej strane vo zvyšovaní baktericídnej schopnosti fagocytov a na druhej strane v ich mediátorových a modulačných funkciách. Úloha sprostredkovateľa aktívnych metabolitov kyslíka je spôsobená ich schopnosťou spôsobiť peroxidáciu lipidov, oxidáciu proteínov, sacharidov a poškodenie nukleových kyselín. Tieto molekulárne zmeny sú základom javov spôsobených aktívnymi metabolitmi kyslíka charakteristickými pre zápal – zvýšená vaskulárna permeabilita (v dôsledku poškodenia endotelových buniek), stimulácia fagocytov.
Modulačná úloha , metabolity aktívneho kyslíka môžu spočívať jednak v zosilnení zápalových javov (indukovaním uvoľňovania enzýmov a interakciou s nimi pri poškodení tkaniva; nielen spustením, ale aj moduláciou kaskády kyseliny arachidónovej), ako aj v protizápalových účinkoch (v dôsledku inaktivácie lyzozomálnych hydrolázy a iné mediátory zápalu).
Reaktívne kyslíkové metabolity hrajú dôležitú úlohu pri udržiavaní chronického zápalu.
Tiež označované ako mediátory a modulátory zápalu neuropeptidy- látky uvoľňované C-vláknami v dôsledku aktivácie zápalovým činidlom polymodálnych nociceptorov, ktoré hrajú dôležitú úlohu pri výskyte axónových reflexov v koncových vetvách primárnych aferentných (senzitívnych) neurónov. Najviac skúmaná je látka P, peptid súvisiaci s génom kalcitonínu, neurokinín A. Neuropeptidy zvyšujú vaskulárnu permeabilitu a táto schopnosť je do značnej miery sprostredkovaná mediátormi odvodenými zo žírnych buniek. Medzi nemyelinizovanými nervami a žírnymi bunkami sú membránové kontakty, ktoré zabezpečujú komunikáciu s centrálou nervový systém s ohniskom zápalu.
Neuropeptidy synergicky interagujú pri zvyšovaní vaskulárnej permeability ako medzi sebou, tak aj s histamínom, bradykinínom, C5a, faktorom aktivujúcim krvné doštičky, leukotriénom B4; antagonisticky - s ATP a adenozínom. Majú tiež zosilňujúci účinok na príťažlivosť a cytotoxickú funkciu neutrofilov, zvyšujú adhéziu neutrofilov k endotelu venuly. Neuropeptidy navyše zvyšujú citlivosť nociceptorov na pôsobenie rôznych mediátorov, najmä prostaglandínu E2 a prostacyklínu, čím sa podieľajú na rekonštrukcii zápalovej bolesti.
Okrem vyššie uvedených látok sem patria aj mediátory zápalu acetylcholív a katecholamíny, uvoľňuje sa pri excitácii cholínu a adrenergných štruktúr. Acetylcholín spôsobuje vazodilatáciu a hrá úlohu v axónovom reflexnom mechanizme arteriálnej hyperémie počas zápalu. Norepinefrín a epinefrín inhibujú rast vaskulárnej permeability a pôsobia hlavne ako modulátory zápalu.
Bunkový cyklus je obdobie života bunky od jedného delenia k druhému alebo od delenia po smrť. Bunkový cyklus pozostáva z interfázy (obdobie mimo delenia) a samotného bunkového delenia.
Na konci obdobia G1 je zvykom rozlišovať špeciálny moment nazývaný R-bod (bod obmedzenia, R-bod), po ktorom bunka nevyhnutne vstúpi do periódy S v priebehu niekoľkých hodín (zvyčajne 1–2). Obdobie medzi bodom R a začiatkom obdobia S možno považovať za prípravné na prechod na obdobie S.
Najdôležitejším procesom, ktorý prebieha v období S, je zdvojenie alebo zdvojenie DNA. Všetky ostatné reakcie prebiehajúce v tomto čase v bunke sú zamerané na zabezpečenie syntézy DNA. Takéto pomocné procesy zahŕňajú syntézu histónových proteínov, syntézu enzýmov, ktoré regulujú a zabezpečujú syntézu nukleotidov a tvorbu nových reťazcov DNA.
Prechod bunky cez všetky obdobia bunkového cyklu je prísne kontrolovaný. Pri pohybe buniek bunkovým cyklom sa v nich objavujú a zanikajú špeciálne regulačné molekuly, aktivujú sa a inhibujú, ktoré zabezpečujú: 1) prechod bunky určitým obdobím bunkového cyklu a 2 prechod z jedného obdobia do druhého. Okrem toho je kontrolovaný prechod každým obdobím, ako aj prechod z jedného obdobia do druhého rôzne látky. Teraz sa pokúsime zistiť, čo tieto látky sú a čo robia.
Všeobecná situácia vyzerá takto. Bunka neustále obsahuje špeciálne enzýmové proteíny, ktoré fosforyláciou iných proteínov (serínovými, tyrozínovými alebo treonínovými zvyškami v polypeptidovom reťazci) regulujú aktivitu génov zodpovedných za prechod bunky určitým obdobím bunkového cyklu. Tieto enzýmové proteíny sa nazývajú cyklín-dependentné proteínkinázy (cdc). Existuje niekoľko druhov, ale všetky majú podobné vlastnosti. Hoci počet týchto cyklín-dependentných proteínkináz sa môže meniť v rôznych obdobiach bunkového cyklu, sú prítomné v bunke neustále, bez ohľadu na obdobie bunkového cyklu, to znamená, že sú prítomné v nadbytku. Inými slovami, ich syntéza alebo množstvo neobmedzuje ani nereguluje prechod buniek bunkovým cyklom. Ak je však v patológii narušená ich syntéza, znížený ich počet, prípadne existujú mutantné formy so zmenenými vlastnosťami, tak to, samozrejme, môže ovplyvniť priebeh bunkového cyklu.
Prečo takéto cyklín-dependentné proteínkinázy samotné nie sú schopné regulovať prechod buniek cez obdobia bunkového cyklu. Ukazuje sa, že sú v bunkách v neaktívnom stave a na to, aby sa aktivovali a začali pracovať, sú potrebné špeciálne aktivátory. Sú to cyklíny. Existuje tiež veľa rôznych typov, ale nie vždy sú prítomné v bunkách: objavujú sa a miznú. V rôznych fázach bunkového cyklu vznikajú rôzne cyklíny, ktoré väzbou na Cdk vytvárajú rôzne komplexy Cdk-cyklín. Tieto komplexy regulujú rôzne fázy bunkového cyklu, a preto sa nazývajú G1-, G1/S-, S- a M-Cdk (obrázok z mojich obrázkov cyklíny). Napríklad prechod bunky cez G1 periódu bunkového cyklu zabezpečuje komplex cyklín-dependentnej proteínkinázy-2 (cdk2) a cyklínu D1, cyklín-dependentnej proteínkinázy-5 (cdk5) a cyklínu D3. Prechod cez špeciálny reštrikčný bod (R-bod) periódy G1 riadi komplex cdc2 a cyklínu C. Prechod bunky z periódy G1 bunkového cyklu do periódy S riadi komplex cdk2 resp. cyklín E. Prechod bunky z obdobia S do obdobia G2 vyžaduje komplex cdk2 a cyklín A. Cyklín-dependentná proteínkináza-2 (cdc2) a cyklín B sa podieľajú na prechode bunky z obdobia G2 do mitóza (obdobie M). Cyklín H v spojení s cdk7 je potrebný na fosforyláciu a aktiváciu cdc2 v komplexe s cyklínom B.
Cyklíny sú novou triedou proteínov objavených Timom Huntom, ktoré hrajú kľúčovú úlohu pri riadení bunkového delenia. Názov "cyklíny" sa objavil v dôsledku skutočnosti, že koncentrácia proteínov tejto triedy sa pravidelne mení v súlade s fázami bunkového cyklu (napríklad spadá pred začiatkom bunkového delenia).
Prvý cyklín objavil Hunt začiatkom 80. rokov minulého storočia pri pokusoch so žabími vajíčkami a morských ježkov. Neskôr boli cyklíny nájdené aj u iných živých bytostí.
Ukázalo sa, že tieto proteíny sa v priebehu evolúcie len málo zmenili, rovnako ako mechanizmus riadenia bunkového cyklu, ktorý sa z jednoduchých kvasinkových buniek dostal k ľuďom v „konzervovanej“ forme.
Timothy Hunt (R. Timothy Hunt) spolu s anglickým kolegom Paulom M. Nursem a Američanom Lelandom H. Hartwellom dostali v roku 2001 Nobelovu cenu za fyziológiu a medicínu za objav genetických a molekulárnych mechanizmov regulácie bunkového cyklu – procesu ktorý má nevyhnutné pre rast, vývoj a samotnú existenciu živých organizmov
Kontrolné body bunkového cyklu
1. Bod výstupu z G1-fázy, nazývaný Štart - u cicavcov a reštrikčný bod u kvasiniek. Po prechode cez reštrikčný bod R na konci G1 sa nástup S stáva nevratným, t.j. spustia sa procesy vedúce k ďalšiemu deleniu buniek.
2. Bod S - kontrola presnosti replikácie.
3. Bod G2/M-prechod - overenie dokončenia replikácie.
4. Prechod z metafázy do anafázy mitózy.
Regulácia replikácie
Pred začiatkom replikácie Sc je komplex ORC (komplex rozpoznávania pôvodu) umiestnený na ori, počiatku replikácie. Cdc6 je prítomný počas celého bunkového cyklu, ale jeho koncentrácia sa zvyšuje na začiatku G1, kde sa viaže na komplex ORC, ktorý sa potom spája s proteínmi Mcm za vzniku pre-replikatívneho komplexu (pre-RC). Po zostavení pred RC je bunka pripravená na replikáciu.
Na spustenie replikácie sa S-Cdk viaže na proteínkinázu (a), ktorá fosforyluje pre-RC. Súčasne sa Cdc6 po začiatku replikácie disociuje z ORC a je fosforylovaný, potom je ubikvitinovaný pomocou SCF a degradovaný. Zmeny pred RC zabraňujú reštartovaniu replikácie. S-Cdk tiež fosforyluje niektoré proteínové komplexy Mcm, čo spúšťa ich export z jadra. Následná defosforylácia proteínov reštartuje proces tvorby pre-RC.
Cyklíny sú aktivátory Cdk. Cyklíny, ako aj Cdk, sa podieľajú na rôznych procesoch okrem riadenia bunkového cyklu. Cyklíny sú rozdelené do 4 tried v závislosti od času pôsobenia v bunkovom cykle: G1 / S, S, M a G1 cyklíny.
Cyklíny G1/S (Cln1 a Cln2 u S. cerevisiae, cyklín E u stavovcov) vrcholia v neskorej fáze G1 a spadajú do fázy S.
Komplex G1/S cyklín-Cdk spúšťa začiatok replikácie DNA vypnutím rôznych systémov, ktoré inhibujú Cdk fázy S vo fáze G1. Cyklíny G1/S tiež iniciujú duplikáciu centrozómov u stavovcov a tvorbu vretienkového tela u kvasiniek. Pokles hladín G1/S je sprevádzaný zvýšením koncentrácie S cyklínov (Clb5, Clb6 v Sc a cyklínu A u stavovcov), ktoré tvoria komplex S cyklín-Cdk, ktorý priamo stimuluje replikáciu DNA. Hladina S cyklínu zostáva vysoká počas fáz S, G2 a začiatku mitózy, kde pomáha pri iniciácii mitózy v niektorých bunkách.
M-cyklíny (Clb1,2,3 a 4 v Sc, cyklín B u stavovcov) sa objavujú ako posledné. Jeho koncentrácia sa zvyšuje, keď bunka prechádza do mitózy a dosahuje maximum v metafáze. Komplex M-cyklín-Cdk zahŕňa zostavu vretena a zarovnanie sesterských chromatidov. Jeho deštrukcia v anafáze vedie k výstupu z mitózy a cytokinézy. G1 cyklíny (Cln3 v Sc a cyklín D u stavovcov) pomáhajú koordinovať rast buniek so vstupom do nového bunkového cyklu. Sú neobvyklé, pretože ich koncentrácia sa nemení s fázou bunkového cyklu, ale mení sa v reakcii na externé signály regulácie rastu.
Programovaná bunková smrť
V roku 1972 Kerr a spol. publikoval článok, v ktorom autori prezentovali morfologické dôkazy o existencii nenekrot zvláštny druh bunková smrť, ktorú nazývali „apoptóza“. Autori uviedli, že štrukturálne zmeny v bunkách počas apoptózy prechádzajú dvoma štádiami:
1. - tvorba apoptotických teliesok,
2. - ich fagocytóza a deštrukcia inými bunkami.
Príčiny smrti, procesy morfologickej a biochemickej povahy vývoja bunkovej smrti môžu byť rôzne. Možno ich však jednoznačne rozdeliť do dvoch kategórií:
1. Nekróza (z gréckeho pekróza – nekróza) a
2. Apoptóza (z gréckych koreňov, čo znamená „odpadnutie“ alebo „rozpad“), ktorá sa často nazýva programovaná bunková smrť (PCD) alebo dokonca bunková samovražda (obr. 354).
Dve cesty bunkovej smrti
a – apoptóza (výrazná bunková smrť): / – špecifická kontrakcia bunky a kondenzácia chromatínu, 2 – fragmentácia jadra, 3 – fragmentácia bunkového tela na množstvo apoptotických teliesok; b - nekróza: / - opuch bunky, vakuolárne zložky, kondenzácia chromatínu (karyorexia), 2 - ďalšie zdurenie membránových organel, lýza jadrového chromatínu (karyolýza), 3 - prasknutie membránových zložiek bunky - lýza bunky
N. je najčastejšou nešpecifickou formou bunkovej smrti. Môže to byť spôsobené vážnym poškodením bunky v dôsledku priamej traumy, žiarenia, vystavenia toxickým látkam v dôsledku hypoxie, lýzy buniek sprostredkovanej komplementom atď.
Nekrotický proces prechádza niekoľkými fázami:
1) paranekróza - podobná nekrotickým, ale reverzibilným zmenám;
2) nekrobióza - ireverzibilné dystrofické zmeny, charakterizované prevahou katabolických reakcií nad anabolickými;
3) bunková smrť, ktorej čas nástupu je ťažké určiť;
4) autolýza - rozklad mŕtveho substrátu pôsobením hydrolytických enzýmov mŕtvych buniek a makrofágov. Z morfologického hľadiska je nekróza ekvivalentná autolýze.
Napriek obrovskému množstvu prác neexistuje dohodnutá a presná definícia pojmu „apoptóza“.
Aloptóza je zvyčajne charakterizovaná ako špeciálna forma bunkovej smrti, ktorá sa líši od nekrózy z hľadiska morfologických, biochemických, molekulárno-genetických a iných znakov.
A. je bunková smrť spôsobená vnútornými alebo vonkajšími signálmi, ktoré samy osebe nie sú toxické ani deštruktívne. A. je aktívny proces, ktorý vyžaduje energiu, génovú transkripciu a syntézu denovo proteínov.
Okrem žiarenia a glukokortikoidov sa zistilo značné množstvo činidiel, ktoré spôsobujú apoptózu týchto buniek:
Ca2+ ionofóry
adenozín
Cyklický AMP
tributylcín
hypertermia
Štúdium kinetiky degradácie DNA v lymfoidných bunkách in vivo a in vitro ukázalo:
Prvé zreteľné známky rozkladu sa objavujú spravidla viac ako 1 hodinu po expozícii, častejšie do konca 2. hodiny.
Internukleozomálna fragmentácia pokračuje niekoľko hodín a končí hlavne 6, menej často 12 hodín po expozícii.
Bezprostredne od okamihu nástupu degradácie analýza odhalí veľké množstvo malé fragmenty DNA a pomer medzi veľkými a malými fragmentmi sa počas apoptózy významne nemení.
Použitie inhibítorov syntézy ATP, proteínovej a génovej transkripcie spomaľuje proces apoptózy. Takáto závislosť neexistuje v prípade N.
Ako je možné vidieť z porovnania definícií nekrózy a apoptózy, medzi týmito dvoma typmi bunkovej smrti sú podobnosti a významné rozdiely.
| Charakteristický | Nekróza | apoptóza |
| funkčne | nezvratné ukončenie jej života; | |
| morfologicky | porušenie integrity membrán, zmeny v jadre (pyknóza, rhexis, lýza), cytoplazma (edém), deštrukcia buniek; | strata mikroklkov a medzibunkových kontaktov, kondenzácia chromatínu a cytoplazmy, zmenšenie objemu buniek (zmršťovanie), tvorba vezikúl z plazmatickej membrány, fragmentácia buniek a tvorba apoptotických teliesok; |
| biochemicky | porušenie výroby energie, koagulácia, hydrolytické štiepenie bielkovín, nukleových kyselín, lipidov; | hydrolýza cytoplazmatických proteínov a rozpad internukleozomálnej DNA; |
| geneticky | - strata genetickej informácie; a vyvrcholí jeho autolýzou alebo heterolýzou so zápalovou reakciou. | štrukturálne a funkčné preskupenie genetického aparátu a vyvrcholenie jeho absorpciou makrofágmi a (alebo) inými bunkami bez zápalovej reakcie. |
Bunková smrť je regulovaná medzibunkovými interakciami rôznymi spôsobmi. Mnohé bunky v mnohobunkovom organizme potrebujú signály, aby zostali nažive. V neprítomnosti takýchto signálov alebo trofických faktorov si bunky vyvinú program "samovraždy" alebo programovanej smrti. Napríklad bunky neurónovej kultúry odumierajú v neprítomnosti neuronálneho rastového faktora (NGF), bunky prostaty zomierajú v neprítomnosti testikulárnych androgénov, bunky prsníka odumierajú, keď hladina hormónu progesterónu klesá atď. Bunky môžu zároveň prijímať signály, ktoré spúšťajú procesy v cieľových bunkách, ktoré vedú k smrti apoptózou. Hydrokortizón teda spôsobuje smrť lymfocytov a glutamát spôsobuje smrť nervových buniek v tkanivovej kultúre, faktor nekrózy nádorov (TNF) spôsobuje smrť rôznych buniek. Tyroxín (hormón štítnej žľazy) spôsobuje apoptózu buniek chvosta pulca. Okrem toho existujú situácie, keď je apoptotická bunková smrť spôsobená vonkajšími faktormi, ako je žiarenie.
Pojem "apoptóza" bol zavedený pri štúdiu smrti niektorých pečeňových buniek s neúplnou ligáciou portálnej žily. V tomto prípade sa pozoruje zvláštny obraz bunkovej smrti, ktorý postihuje iba jednotlivé bunky v pečeňovom parenchýme.
Proces začína tým, že susedné bunky strácajú kontakty, zdá sa, že sa zmenšujú (pôvodný názov pre túto formu smrti je shrinkagenekróza – nekróza kompresiou buniek), v jadrách nastáva špecifická kondenzácia chromatínu pozdĺž ich periférie, potom jadro je fragmentovaný na samostatné časti, po ktorých sa samotná bunka fragmentuje na jednotlivé telieska, ohraničené plazmatickou membránou, - apoptotické telieska.
Apoptóza je proces, ktorý nevedie k lýze, nie k rozpusteniu bunky, ale k jej fragmentácii, rozpadu. Osud apoptotických teliesok je tiež nezvyčajný: sú fagocytované makrofágmi alebo dokonca normálnymi susednými bunkami. V tomto prípade sa zápalová reakcia nevyvinie.
Je dôležité poznamenať, že vo všetkých prípadoch apoptózy, či už počas embryonálneho vývoja, či už v dospelom organizme, pri normálnych alebo patologických procesoch, je morfológia procesu bunkovej smrti veľmi podobná. To môže naznačovať zhodnosť procesov apoptózy v rôznych organizmoch a v rôznych orgánoch.
Štúdie na rôznych objektoch ukázali, že apoptóza je výsledkom implementácie geneticky naprogramovanej bunkovej smrti. Prvý dôkaz o prítomnosti genetického programu bunkovej smrti (PCD) bol získaný štúdiom vývoja háďatka Caenorhabditiselegans. Tento červ sa vyvíja len za tri dni a jeho malá veľkosť umožňuje sledovať osud všetkých jeho buniek, počnúc od skoré štádia drvenie na sexuálne vyspelý organizmus.
Ukázalo sa, že počas vývoja Caenorhabditiselegans vzniká len 1090 buniek, z toho časť nervových buniek v množstve 131 kusov spontánne odumiera apoptózou a 959 buniek zostáva v tele. Boli nájdené mutanty, u ktorých bol narušený proces eliminácie 131 buniek. Identifikovali sa dva gény ced-3 a ced-4, ktorých produkty spôsobujú apoptózu v 131 bunkách. Ak tieto gény chýbajú alebo sú zmenené v mutantných Caenorhabditiselegans, potom apoptóza nenastane a dospelý organizmus pozostáva z 1090 buniek. Našiel sa aj ďalší gén, ced-9, ktorý je supresorom apoptózy: keď je ced-9 zmutovaný, všetkých 1090 buniek zomrie. Analóg tohto génu bol nájdený u ľudí: gén bcl-2 je tiež supresorom apoptózy v rôznych bunkách. Ukázalo sa, že oba proteíny kódované týmito génmi, Ced-9 a Bc1-2, majú jednu transmembránovú doménu a sú lokalizované vo vonkajšej membráne mitochondrií, jadier a endoplazmatického retikula.
Ukázalo sa, že systém vývoja apoptózy je u háďatiek a stavovcov veľmi podobný, pozostáva z troch článkov: regulátora, adaptéra a efektora. V Caenorhabditiselegans je regulátorom Ced-9, ktorý blokuje adaptorový proteín Ced-4, ktorý zase neaktivuje efektorový proteín Ced-3, proteázu, ktorá pôsobí na cytoskeletálne a jadrové proteíny (tabuľka 16).
Tab. 16. Vývoj programovanej bunkovej smrti (apoptóza)
Znak ──┤ - inhibícia procesu, znak ─→ - stimulácia procesu
O systém stavovcov PCS je zložitejšie. Tu je regulátorom proteín Bc1–2, ktorý inhibuje adaptorový proteín Apaf-1, ktorý stimuluje aktivačnú kaskádu špeciálnych proteináz, kaspáz.
Enzýmy - účastníci procesu apoptózy
Touto cestou,
Po spustení v bunke takáto degradácia prebieha rýchlo "do konca";
Nie všetky bunky vstupujú do apoptózy naraz alebo v krátkom časovom období, ale postupne;
Zlomy DNA sa vyskytujú pozdĺž linkerovej (internukleozomálnej) DNA;
Degradácia sa uskutočňuje endo-, ale nie exonukleázami, a tieto endonukleázy sa aktivujú alebo získajú prístup k DNA nie ako výsledok priamej interakcie s činidlom indukujúcim apoptózu, ale nepriamo, pretože od okamihu, keď bunky ubehnú, uplynie pomerne dlhý čas. prísť do kontaktu s takýmto činidlom, aby došlo k degradácii, a preto fragmentácia DNA nie je prvou charakteristickou "apoptotickou" reakciou bunky na molekulárnej úrovni. Ak by totiž degradácia bola spustená priamou interakciou endonukleáz alebo chromatínu s činidlom, potom by napríklad v prípade pôsobenia ionizujúceho žiarenia nastala apoptóza rýchlo a súčasne takmer vo všetkých bunkách.
Na základe týchto záverov dešifrovanie molekulárny mechanizmus vývoj apoptózy "zameraný" na identifikáciu endonukleáz (endonukleáz), ktoré vykonávajú fragmentáciu DNA, a mechanizmov, ktoré aktivujú endonukleázy.
Endonukleázy
1. Degradácia sa uskutočňuje DNázou I. Proces je aktivovaný Ca2+ a Mg2+ a inhibovaný Zn2+.
Existujú však fakty, ktoré svedčia proti zapojeniu DNázy I do procesu fragmentácie DNA. Je teda známe, že tento enzým v jadre chýba, avšak tento argument nie je príliš závažný, pretože relatívne malá veľkosť jeho molekúl, 31 kDa, v prípade narušenia permeability jadrovej membrány spôsobuje účasť DNázy I na degradácii DNA je celkom reálna. Ďalšia vec je, že pri in vitro spracovaní chromatínu spôsobuje DNáza I zlomy nielen v spojovacej časti, ale aj v nukleozomálnej DNA.
2. Ďalšia endonukleáza považovaná za hlavný enzým degradujúci DNA je endonukleáza II [Barry 1993]. Táto nukleáza pri spracovaní jadier a chromatínu uskutočňuje internukleozomálnu fragmentáciu DNA. Napriek tomu, že jeho aktivita nezávisí od dvojmocných kovových iónov, otázka účasti endonukleázy II na degradácii DNA nie je doteraz vyriešená, keďže enzým sa nenachádza len v lyzozómoch, ale je uvoľňovaný aj z bunkových jadier.
3. endonukleáza s molekulovou hmotnosťou 18 kDa. Tento enzým bol izolovaný z jadier potkaních tymocytov umierajúcich apoptózou [Gaido, 1991]. V normálnych tymocytoch chýbal. Aktivita enzýmu sa prejavuje v neutrálnom prostredí a závisí od Ca2+ a Mg2+.
4. γ-nukleáza s molekulovou hmotnosťou 31 kDa, ktorá má „klasickú“ závislosť od iónov Ca, Mg a Zn. Aktivita tohto enzýmu bola zvýšená v jadrách tymocytov potkanov liečených glukokortikoidmi.
5. endonukleáza s molekulovou hmotnosťou 22,7 kDa enzým, ktorého aktivita sa prejavuje v jadrách potkaních tymocytov až po pôsobení glukokortikoidov a je potlačená rovnakými inhibítormi ako degradácia internukleozomálnej DNA.
Kaspázy sú cysteínové proteázy, ktoré štiepia proteíny na kyseline asparágovej. V bunke sa kaspázy syntetizujú vo forme latentných prekurzorov, prokaspáz. Existujú iniciačné a efektorové kaspázy. Iniciačné kaspázy aktivujú latentné formy efektorových kaspáz. Viac ako 60 rôznych proteínov slúži ako substráty pre pôsobenie aktivovaných kaspáz. Ide napríklad o kinázu fokálnych adhéznych štruktúr, ktorých inaktivácia vedie k oddeleniu apoptotických buniek od ich susedov; ide o lamely, ktoré sa rozkladajú pôsobením kaspáz; ide o cytoskeletálne proteíny (intermediárne filamenty, aktín, gelsolin), ktorých inaktivácia vedie k zmene tvaru bunky a objaveniu sa bublín na jej povrchu, z ktorých vznikajú apoptotické telieska; je to aktivovaná CAD proteáza, ktorá štiepi DNA na oligonukleotidové nukleozomálne fragmenty; ide o DNA reparačné enzýmy, ktorých potlačenie zabraňuje obnove štruktúry DNA a mnohé ďalšie.
Jedným príkladom rozvinutia apoptotickej reakcie by bola reakcia bunky na neprítomnosť signálu z požadovaného trofického faktora, ako je nervový rastový faktor (NGF) alebo androgén.
V cytoplazme buniek v prítomnosti trofických faktorov je ďalší účastník reakcie, fosforylovaný Bad proteín, v neaktívnej forme. V neprítomnosti trofického faktora je tento proteín defosforylovaný a viaže sa na proteín Bc1–2 na vonkajšej mitochondriálnej membráne, čím inhibuje jeho antiapoptotické vlastnosti. Potom sa aktivuje membránový proapoptotický proteín Bax, čím sa otvorí cesta pre ióny vstupujúce do mitochondrií. Súčasne sa cytochróm c uvoľňuje z mitochondrií cez póry vytvorené v membráne do cytoplazmy, ktorá sa viaže na adaptorový proteín Apaf-1, ktorý následne aktivuje pro-kaspázu 9. Aktivovaná kaspáza 9 spúšťa kaskádu ďalších pro-kaspázy, vrátane kaspázy 3, ktoré ako proteinázy začínajú tráviť zmiešané proteíny (lamíny, cytoskeletálne proteíny atď.), čo spôsobuje apoptotickú bunkovú smrť, jej rozpad na časti, na apoptotické telieska.
Apoptotické telieska, obklopené plazmatickou membránou zničenej bunky, priťahujú jednotlivé makrofágy, ktoré ich pohltia a natrávia svojimi lyzozómami. Makrofágy nereagujú na susedné normálne bunky, ale rozpoznávajú apoptotické. Je to spôsobené tým, že pri apoptóze je narušená asymetria plazmatickej membrány a na jej povrchu sa objavuje fosfatidylserín, negatívne nabitý fosfolipid, ktorý sa bežne nachádza v cytosolickej časti bilipidovej plazmatickej membrány. Selektívnou fagocytózou sa teda tkanivá akoby očistili od mŕtvych apoptotických buniek.
Ako je uvedené vyššie, apoptóza môže byť spôsobená mnohými vonkajšie faktory ako je žiarenie, pôsobenie niektorých toxínov, inhibítory bunkového metabolizmu. Nevratné poškodenie DNA spôsobuje apoptózu. Je to spôsobené tým, že akumulujúci transkripčný faktor, proteín p53, nielenže aktivuje proteín p21, ktorý inhibuje cyklín-dependentnú kinázu a zastavuje bunkový cyklus v G1 alebo G2 fáze, ale aktivuje aj expresiu gén bax, ktorého produkt spúšťa apoptózu.
Prítomnosť kontrolných bodov v bunkovom cykle je nevyhnutná na určenie dokončenia každej fázy. K zastaveniu bunkového cyklu dochádza pri poškodení DNA v období G1, pri neúplnej replikácii DNA v S fáze, pri poškodení DNA v období G2 a pri porušení spojenia deliaceho vretienka s chromozómami.
Jedným z kontrolných bodov v bunkovom cykle je samotná mitóza, ktorá neprejde do anafázy, ak vreteno nie je správne zostavené a chýba úplné spojenie medzi mikrotubulmi a kinetochórmi. V tomto prípade nedochádza k aktivácii komplexu APC, k degradácii kohezínov spájajúcich sesterské chromatidy a k degradácii mitotických cyklínov, ktoré sú nevyhnutné pre prechod do anafázy.
Poškodenie DNA zabraňuje bunkám vstúpiť do S-periódy alebo mitózy. Ak tieto poškodenia nie sú katastrofické a dajú sa obnoviť vďaka reparatívnej syntéze DNA, potom sa blok bunkového cyklu odstráni a cyklus sa skončí. Ak je poškodenie DNA významné, potom nejakým spôsobom dôjde k stabilizácii a akumulácii proteínu p53, ktorého koncentrácia je zvyčajne veľmi nízka kvôli jeho nestabilite. Proteín p53 je jedným z transkripčných faktorov, ktoré stimulujú syntézu proteínu p21, ktorý je inhibítorom komplexu CDK-cyklín. To spôsobí zastavenie bunkového cyklu v štádiu G1 alebo G2. Pri blokovaní v období G1 sa bunka s poškodenou DNA nedostane do S-fázy, pretože by to mohlo viesť k objaveniu sa mutantných buniek, medzi ktorými môžu byť nádorové bunky. Blokáda v období G2 tiež zabraňuje procesu mitózy buniek s poškodením DNA. Takéto bunky s blokovaným bunkovým cyklom následne umierajú apoptózou, programovanou bunkovou smrťou (obr. 353).
Pri mutáciách, ktoré vedú k strate génov proteínu p53, alebo pri ich zmenách nedochádza k blokáde bunkového cyklu, bunky vstupujú do mitózy, čo vedie k objaveniu sa mutantných buniek, z ktorých väčšina nie je životaschopná, zatiaľ čo iné spôsobujú vznik malígnych buniek. bunky.
Dochádza tiež k selektívnemu poškodeniu mitochondrií, pri ktorom sa cytochróm c uvoľňuje do cytoplazmy spoločná príčina rozvoj apoptózy. Mitochondrie a ďalšie bunkové zložky sú obzvlášť ovplyvnené tvorbou toxických reaktívnych foriem kyslíka (ATC), pôsobením ktorých sa vo vnútornej mitochondriálnej membráne vytvárajú nešpecifické kanály s vysokou iónovou permeabilitou, v dôsledku čoho mitochondriálna matrica napučí a praskne vonkajšia membrána. Zároveň sa do cytoplazmy dostávajú proteíny rozpustené v medzimembránovom priestore spolu s cytochrómom c. Medzi uvoľnenými proteínmi sú faktory aktivujúce apoptózu a pro-kaspáza 9.
Mnohé toxíny (ricín, difterický toxín atď.), ako aj antimetabolity, môžu spôsobiť bunkovú smrť apoptózou. Keď je syntéza proteínov narušená v endoplazmatickom retikule, pro-kaspáza 12, ktorá je tam lokalizovaná, sa podieľa na rozvoji apoptózy, ktorá aktivuje množstvo ďalších kaspáz, vrátane kaspázy 3.
Eliminácia – odstránenie jednotlivých buniek apoptózou, sa pozoruje aj u rastlín. Tu apoptóza zahŕňa, ako v živočíšnych bunkách, indukčnú fázu, efektorovú fázu a degradačnú fázu. Morfológia odumierania rastlinných buniek je podobná zmenám v živočíšnych bunkách: kondenzácia chromatínu a fragmentácia jadra, degradácia oligonukleotidov DNA, kontrakcia protoplastov, jeho fragmentácia do vezikúl, prasknutie plazmodesmat atď. Avšak protoplastové vezikuly sú zničené hydrolázami samotných vezikúl, pretože rastliny nemajú bunky analogické fagocytom. PCD sa teda vyskytuje počas rastu buniek koreňového uzáveru, počas tvorby perforácií v listoch a počas tvorby xylému a floému. Pád listov je spojený so selektívnou smrťou buniek v určitej oblasti rezu.
Biologická úloha apoptózy, čiže programovanej bunkovej smrti, je veľmi veľká: ide o odstraňovanie buniek, ktoré sa osvedčili alebo sú v danom štádiu vývoja nepotrebné, ako aj o odstraňovanie zmenených, resp. patologických buniek, najmä tie, ktoré sú zmutované alebo infikované vírusmi.
Takže na to, aby bunky v mnohobunkovom organizme existovali, sú potrebné signály na ich prežitie – trofické faktory, signálne molekuly. Tieto signály môžu byť prenášané na diaľku a zachytené príslušnými receptorovými molekulami na cieľových bunkách (hormonálna, endokrinná signalizácia), môže ísť o parakrinné spojenie pri prenose signálu do susednej bunky (napríklad prenos neurotransmiteru). Pri absencii takýchto trofických faktorov sa implementuje program apoptózy. Súčasne môže byť apoptóza indukovaná signálnymi molekulami, napríklad počas resorpcie chvosta pulcov pôsobením tyroxínu. Okrem toho pôsobenie množstva toxínov, ktoré ovplyvňujú jednotlivé články bunkového metabolizmu, môže spôsobiť aj bunkovú smrť prostredníctvom apoptózy.
Apoptóza v patogenéze chorôb
1. V imunitnom systéme
2. ONKOLOGICKÉ OCHORENIA
3. VÍRUSOVÁ INFEKCIA (vyvolávajúca apoptózu: c. ľudská imunodeficiencia, c. anémia kurčiat; inhibícia apoptózy: cytomegalovírus, c. Epstein-Barr, c. herpes)
4. A. a NEURÓNY MOZKOVEJ KÔRY
PRINCÍPY KOREKCIE APOPTÓZY BUNIEK
Objav regulovaného procesu bunkovej smrti – apoptózy – umožnil určitým spôsobom ovplyvňovať jej jednotlivé štádiá za účelom regulácie alebo nápravy.
Biochemické procesy vývoja apoptózy možno hypoteticky rozdeliť do niekoľkých etáp:
Pôsobenie faktora, ktorý spôsobuje apoptózu;
Prenos signálu z molekuly receptora do bunkového jadra;
Aktivácia génov špecifických pre apoptózu;
Syntéza proteínov špecifických pre apoptózu
Aktivácia endonukleáz
fragmentácia DNA (obr. 2.4).
V súčasnosti sa verí, že ak bunka odumrie apoptózou, potom sa predpokladá možnosť terapeutického zásahu, ak v dôsledku nekrózy, potom je takýto zásah nemožný. Na základe poznatkov o regulácii programovanej bunkovej smrti, široký okruh lieky na ovplyvnenie tohto procesu v rôzne druhy bunky.
Pri liečbe hormonálne závislých nádorov sa teda berie do úvahy informácia o receptorom sprostredkovanej regulácii bunkovej apoptózy.
Pri rakovine prostaty je predpísaná androgénna blokujúca terapia.
Rakovina prsníka často ustúpi pri použití antagonistov estrogénových receptorov.
Informácie o biochemických dráhach prenosu signálu regulácie apoptózy umožňujú efektívne využívať antioxidačnú terapiu, lieky regulujúce koncentráciu vápnika, aktivátory či inhibítory rôznych proteínkináz a pod. na korekciu apoptózy v rôznych typoch buniek.
Uvedomenie si úlohy apoptózy v bunkovej smrti zintenzívnilo hľadanie farmakologických účinkov, ktoré chránia bunky pred apoptózou.
Inhibítory špecifických proteáz sa aktívne študujú ako farmakologické činidlá. Ide spravidla o tri- alebo tetrapeptidy obsahujúce kyselinu asparágovú (Asp). Použitie takýchto proteáz na terapeutické účely je obmedzené ich nízkou schopnosťou prenikať do bunky. Napriek tomu sa však Z-VAD-FMK, inhibítor proteáz podobných ICE, úspešne použil v experimentoch in vivo. široký rozsah akcie na zníženie oblasti infarktu pri simulácii mŕtvice.
V najbližších rokoch môžeme očakávať novinky lieky na liečbu a prevenciu rôznych chorôb, ktorých základom bude princíp regulácie procesov apoptózy.
Najúčinnejšie prístupy na korekciu apoptózy sú tie, ktoré sú spojené s reguláciou génov špecifických pre apoptózu. Tieto prístupy tvoria základ génovej terapie, jednej z perspektívnych oblastí liečby pacientov s chorobami spôsobenými poruchou funkcie jednotlivých génov.
Princípy génovej terapie zahŕňajú nasledujúce kroky:
Identifikácia sekvencie DNA, ktorá sa má liečiť;
Určenie typu buniek, v ktorých sa bude ošetrenie vykonávať;
Ochrana DNA pred hydrolýzou endonukleázami;
Transport DNA do bunky (jadra).
Prístupy génovej terapie umožňujú
Posilniť prácu jednotlivých génov (transformácia génov, ktoré inhibujú apoptózu, ako je gén bcl-2),
Oslabiť ich výraz. Na selektívnu inhibíciu génovej expresie sa v súčasnosti používa antisense oligonukleotidová (antisense) technika. Použitie antisense znižuje syntézu určitých proteínov, čo ovplyvňuje reguláciu procesu apoptózy.
Mechanizmus účinku antisense sa aktívne študuje. V niektorých prípadoch krátke (13–17 báz) antisense oligonukleotidy, ktoré majú sekvencie komplementárne k nukleotidovým sekvenciám mediátorovej RNA (mRNA) jednotlivých proteínov, môžu účinne blokovať genetickú informáciu v štádiu pred transkripciou (obr. 2.5). Tieto oligonukleotidy, ktoré sa viažu na DNA, tvoria tripletovú špirálovitú štruktúru. Takáto väzba môže byť ireverzibilná alebo spôsobiť selektívne štiepenie tripletového komplexu, čo v konečnom dôsledku vedie k inhibícii génovej expresie a bunkovej smrti. V iných prípadoch dochádza ku komplementárnej väzbe antisense na mRNA, čo spôsobuje narušenie translácie a zníženie koncentrácie zodpovedajúceho proteínu.
tripletový komplex
Ryža. Regulácia génovej expresie antisense oligonukleotidmi.
Teraz sa presvedčivo ukázalo, že antisense technológia áno veľký význam na reguláciu jednotlivých génov v bunkovej kultúre. Úspešné potlačenie génu bcl-2 v experimentoch na bunkových kultúrach vzbudzuje nádej na budúce využitie antisense na liečbu pacientov s rakovinou. Mnohé in vitro experimenty ukázali, že antisense spôsobujú inhibíciu bunkovej proliferácie a diferenciácie. Tento výsledok potvrdzuje vyhliadky na terapeutické využitie tejto technológie.
Dá sa považovať za preukázané, že originál prvok celého systému krvných buniek je kmeňová bunka, pluripotentná, schopná mnohých rôznorodých diferenciácií a súčasne so schopnosťou sebaudržiavania, t.j. proliferácie bez viditeľnej diferenciácie.
Z toho vyplýva, že zásady riadenia systému krvotvorbu musí zabezpečiť takú reguláciu, v dôsledku ktorej sú pri stabilnej krvotvorbe splnené tieto dve základné podmienky: počet produkovaných buniek každého typu neustále a striktne zodpovedá počtu mŕtvych zrelých buniek; počet kmeňových buniek je konštantný a tvorba nových kmeňových buniek presne zodpovedá počtu kmeňových buniek, ktoré prešli do diferenciácie.
Ešte náročnejšie úlohy sa riešia, keď je systém stabilizovaný po poruche. V tomto prípade by počet vytvorených kmeňových buniek mal prevyšovať počet kmeňových buniek, ktoré prešli do diferenciácie, kým veľkosť delenia nedosiahne počiatočnú úroveň, po ktorej by mal byť vyvážený vzťah medzi počtom novovytvorených a diferencujúcich kmeňových buniek. znovu zavedený.
Na druhej strane, diferenciácia kmeňových buniek by mali byť regulované tak, aby sa obnovil počet zrelých buniek len toho radu, ktorý sa ukázal byť znížený (napríklad erytroidné bunky po strate krvi) so stabilnou produkciou iných buniek. A tu, po zosilnenom novotvaru tejto kategórie buniek, by sa mala jeho produkcia znížiť na vyváženú úroveň.
Kvantitatívna regulácia krvotvorbu zabezpečenie vytvorenia požadovaného počtu buniek požadovaného typu v určitom čase sa vykonáva v nasledujúcich oddeleniach, predovšetkým v oddelení spáchaných prekurzorov.
kmeňová bunka Má dve hlavné vlastnosti: schopnosť samoúdržby, ktorá je pomerne dlhá, porovnateľná s dobou existencie celého mnohobunkového organizmu, a schopnosť diferenciácie. Keďže ten druhý je zjavne nezvratný, kmeňová bunka, ktorá sa „rozhodla“ o diferenciácii nezvratne opúšťa oddelenie.
takže, hlavný problém regulácia na tomto oddelení je, že pri zvýšení dopytu by všetky kmeňové bunky neprešli diferenciáciou, po ktorej by regenerácia krvotvorby nebola možná z dôvodu vyčerpania samoudržiavacích prvkov, keďže bunky všetkých nasledujúcich oddelení nie sú schopné dlho -termínová samoobsluha. Takáto regulácia v organizme skutočne existuje. Po ožiarení v vysoké dávky odumiera takmer celý hematopoetický systém. Medzitým je napríklad u myši možná regenerácia po zničení 99,9 % všetkých kmeňových buniek ožiarením (Bond EA, 1965). Napriek obrovskému dopytu po diferenciácii, zostávajúcich 0,1% kmeňových buniek obnovuje svoj počet a poskytuje prudký nárast diferenciácie buniek nasledujúcich sekcií.