APOPTOZA

 

 

Fizjologiczna śmierć komórki

  

(śmierć zaprogramowana) synonim 

apoptoza

 (apoptosis, od greckiego 

słowa – opadanie liści, płatków 

kwiatu- Kerr w 1972 r)

 

Jest konsekwencją samobójczego 

programu genetycznego, 

uruchomianego w odpowiedzi na 

złożone oddziaływanie z innymi 

komórkami

 

 

Najczęściej następuje naruszenie 

integralności 

1 z 4 systemów

 

wewnątrzkomórkowych

• oddychania tlenowego
• funkcjonowania błon 

komórkowych

• enzymów i białek strukturalnych
• naprawy aparatu genetycznego

 

 

Nagroda Nobla

Rok 2002 

Sydney 

Brenner

Sir John 

Sulston

Robert H. 

Horvitz

 

 

Apoptoza Caenorhabditis elegans 

Dorosły osobnik jest hermafrodytą i 
składa się z 959 komórek somatycznych
Liczba komórek powstających – 1090
W wyniku apoptozy ginie 131

  - 113 umiera podczas embriogenezy
  - 18 podczas dorosłego życia

Geny proapoptotyczne  Fenotyp

   ced-3 (ICE)

              apoptoza 131 komórek

   ced-4 (Apaf-1)

    

Geny antyapoptotyczne

    

ced-9 (bcl-2)                          brak apoptozy

 

 

Genetyczna kontrola apoptozy

• „ced” (cell death) geny śmierci są 

dobrze zachowane w procesie ewolucji

• ekspresja genów ced-3 i ced-4 

odpowiada za molekularne procesy 
apoptozy   

• ced-9 (u ludzi bcl-2) – ekspresja w 

komórkach stymulowanych do proliferacji  
(m. in. limfocyty prawidłowe, kom. 
nowotworowe) 

 

 

Zdrowa komórka

Komórka obkurcza się i 
oddziela od komórek 
sąsiednich

Powstawanie pęcherzyków 
(uwypuklenie) kondensacja 
chromatyny i cytoplazmy

Marginacja 
skondensowanej 
chromatyny

Fragmentacja 
jądra i 
komórki

Ciałka apoptotyczne

Fagocytoz
a

 

 

Różnice morfologiczne pomiędzy apoptozą 
a martwicą

Apoptoza

Martwica

1. Dotyczy zwykle 

pojedynczych komórek
2. Zmniejszenie objętości 

komórki i pofałdowanie błony 

komórkowej
3. Kondensacja chromatyny, 

fragmentacja jądra
4. Zamknięcie organelli w 

ciałkach apoptotycznych
5. Ciągłość błony kom. 

zachowana aż do momentu 

sfagocytowania ciałek 

apoptotycznych
6. Brak zapalenia, hamowanie 

reakcji zapalnej
7. Fagocytoza przez  sąsiednie 

komórki i makrofagi

1. Najczęściej dotyczy grup 

komórek 

2. Zwiększenie objętości i 

pęcznienie komórki

3. Brak kondensacji 

chromatyny, liza jądra

4. Pęcznienie i rozpad 

organelli

5. Perforacja błony, 

zawartość komórek 

wydostaje się do 

przestrzeni 

pozakomórkowej

6. Odczyn zapalny ze strony 

otoczenia

7. Fagocytoza przez fagocyty

 

 

 

Zmiany biochemiczne

 

Materiał 
genetyczny

 

    

Apoptoza

        

Martwica

aktywacja 
specyficznych 
endonukleaz, 

fragmentacja, 
utworzenie 
odcinków o 
długości 200-300 

kb, 20-50 kb, 200-
300 bp 

aktywacja 
niespecyficznych 
nukleaz, 

fragmentacja na 
odcinki o  
przypadkowej 

długości 

Rozdział 
elektroforetyczn
y DNA

 

obraz drabinki 
DNA

 

Obraz smugi 
(smear)

 

Aktywacja 
enzymów

 

kinaz białkowych 
(np. kinazy MAP) i 
fosfataz, nukleaz, 
kaspaz, kalpain

 

niespecyficzna 
degradacja

 

 

 

Białka 
regulacyjne 

    

Apoptoza

        

Martwica

białka rodziny Bcl-

2 (pro- i anty- 

apoptotyczne), 

inhibitory 

apoptozy 
(białka IAP), 
inhibitory kaspaz 

w niektórych 

przypadkach 
ekspresja Bcl-2

 

Wymagania 
energetyczne 

proces aktywny, 

zależny od ATP 

Proces bierny, 

niezależny od ATP 

Substraty

białka 
enzymatyczne i 

strukturalne

przypadkowe
białka

Inne 

synteza poli(ADP-

rybozy), synteza 
de novo mRNA i 
białek

 

brak syntezy 
białek

 

 

 

Czynniki wywołujące 

apoptozę

 Hormony i cytokiny
 Deficyt czynników wzrostowych 

i troficznych

 Czynniki cytotoksyczne
 Czynniki fizyczne

 

 

Szlaki sygnałowe apoptozy

   W zależności od rodzaju komórki i 

czynnika indukującego proces apoptozy 

może przebiegać różnymi ścieżkami 

   Do najlepiej poznanych należą: 
    - szlak związany z błoną komórkową tzw. 

zewnętrzny

     - szlak wewnętrzny zwany 

mitochondrialnym

     - szlak angażujący perforyny i granzym B, 

czyli pseudoreceptorowy 

   Apoptoza może również odbywać się z 

udziałem szlaku sfingomielinowo-

ceramidowego oraz indukowanego 

stresem 

 

 

Szlak zewnętrzny

- pobudzenie receptorów śmierci 

należących do nadrodziny receptorów 

TNF np. Fas/CD95/Apo1, TRAIL-R1 i 

R2/Apo2 

- receptory śmierci posiadają 

wewnątrzkomórkową domenę śmierci DD

- po związaniu się  odpowiedniego liganda 

z receptorem błonowym (TNF-α, FasL, 

TRAIL/Apo2L) dochodzi do oligomeryzacji 

receptora, a następnie powstaje 

kompleks DISC (death inducing 

signaling complex) 

 

 

- kompleks ten powstaje poprzez 

połączenie domen śmierci z 
białkiem adaptorowym FADD oraz 
z prokaspazą 8

- następuje aktywacja prokaspazy 

8, która jest bezpośrednim 
aktywatorem kaspazy 3 
(kaspazy wykonawczej) 

 

 

Szlak wewnętrzny

inicjowany jest poprzez:
• zmiany potencjału mitochondrialnego
• mutacje DNA
• inne zaburzenia metabolizmu 

komórkowego

Szlak ten może łączyć się ze ścieżką 

receptorową  zewnętrzną poprzez białko 

Bid, które ulega proteolizie - powstaje tBid 

(truncated Bid) – postać ta wpływa na 

uwalnianie cytochromu c - aktywacja sz. 

mitochondrialnego  

 

 

Szlak wewnętrzny

- istotnym etapem jest uwolnienie cytochromu c 

z przestrzeni międzybłonowej poprzez specjalne 
kanały

- kanały te tworzone są poprzez białka z rodziny 

Bcl-2 (bax, bak) z białkiem VDAC (Voltage 
Dependent Anion Channel)

 
- przez kanały z mitochondrium do cytoplazmy 

dostaje się cytochrom c

 

- wypływ cytochromu c jest sygnałem do 

tworzenia kompleksu zwanego apoptosomem 

 

 

- apoptosom składa się z cytochromu 

c, prokaspazy 9, białka Apaf-1 

(ATP)

- kompleks ten potrzebny jest do 

autoproteolizy kaspazy 9, która 

następnie aktywuje kaspazę 3

- podczas apoptozy z mitochondrium 

uwalniane są także białka 

Smac/Diablo i Omi/HTR A2 są one 

antagonistami inhibitorów apoptozy 

(IAP) 

 

 

Dwa zasadnicze szlaki indukcji 

apoptozy

Ligand 
śmierci

receptor

DD (domena 
śmierci)

(swoiste białko śmierci)

APOPTOZA

Bi

d

 

 

Szlak pseudoreceptorowy – indukowany 

przez cytotoksyczne limfocyty T oraz 

komórki NK

 Limfocyt w kontakcie z komórką 

docelową uwalnia perforyny

 Cząsteczki perforyny tworzą w błonie 

komórki docelowej kanały

 Przez kanały wnikają granzymy B do 

komórki docelowej aktywujące szlak 
kaspaz

 Wraz z granzymami uwalniają się jony 

Ca 2+  wpływające stymulująco na 
proces apoptozy

 

 

Właściwości kaspaz

Proteazy cysteinowe, substraty 

ich zawierają kwas 
asparaginowy w pozycji P1 
(proteoliza w miejscu reszty 
Asp)

Syntetyzowane są jako 

nieaktywne zymogeny

 

 

Dotychczas zidentyfikowano 14 

kaspaz

• Kaspazy inicjatorowe -8, -9; również -2, -10
• Kaspazy wykonawcze -3, -6, -7

Kaspazy inicjatorowe posiadają 

„ domeny śmierci” CARD i DED

Kaspazy wykonawcze aktywują 

enzymy prowadzące do destrukcji 
komórek

 

 

Białka trawione przez kaspazy

Większość tych białek 

uczestniczy w procesach 
molekularnych związanych z 
cyklem komórkowym 

    i apoptozą

Do proteolizy białek dochodzi 

tylko przy udziale kaspaz -3, -6 
i -7

 

 

Trawione są między innymi 

białka

•      

Białko PARP- bierze udział w 

rozpoznaniu i naprawie DNA

•      Białko ICAD- (inhibitor of Caspase-

Activated DNA)

•      Białko Rb- kontroluje przechodzenie 

komórki przez kolejne fazy     cyklu 

komórkowego

•      Białko MDM2- wiąże się z białkiem 

p53 i je stabilizuje

•      Niektóre białka szkieletu komórki 

np.. Laminy, aktyna, fodryna

•      Inne cząsteczki kaspaz

 

 

Śmierć komórki niezależna od 

Kaspaz

Proteaza aktywowana wapniem 

kalpaina, prawdopodobnie pełni 
autonomiczną rolę w apoptozie

• Ostatnie doniesienia wskazują na jej 

rolę w procesie aktywacji i 
unieczynnienia kaspazy -3, -7, -9 i 
ostatnio -12

 

 

Proteazy serynowe: jedna z nich 

AP24 zaangażowana jest we 
fragmentację DNA

Katepsyna D, proteaza lizosomalna, 

zaangażowana w zewnątrzpochodną 
drogę aktywacji apoptozy

Także inne katepsyny mogą 

uczestniczyć w regulacji apoptozy

 

 

Białka pro-apoptotyczne np.Bax, 

Bad, Bak, Bik, Bid, Bcl-xs zmuszają 
komórkę do apoptozy

Białka anty-apoptotyczne np. Bcl-2, 

Bcl-Xl, Mcl-1 zwiększają 
prawdopodobieństwo przeżycia 
komórki

Rodzina białek Bcl-2

 

 

Rodzina białek Bcl-2

 Pełnią funkcję regulatorów apoptozy 

przez oddziaływanie na wiele istotnych 
procesów komórkowych, jak:

• Kontrola komórkowego poziomu jonów 

(Ca

2+

,H

+

,K

+

,Cl

-

) – tworzą kanały 

wbudowywane między innymi w błony 
mitochondrialne

• Nadzór nad stanem redoks
• Regulacja wypływu z mitochondriów 

cytochromu C i AIF (apoptotic inducing 
factor)

• Aktywacja enzymów kaspaz i DN-az

 

 

Tworzą homo- i heterodimery

• Stosunek homodimerów 

antyapoptotycznych do 
proapoptotycznych decyduje o śmierci 
bądź przeżyciu komórki

• Połączenie się białek w heterodimery o 

przeciwstawnym charakterze powoduje 
inhibicję biologicznej ich aktywności

Rodzina białek Bcl-2

 

 

Fizjologiczne znaczenie 

apoptozy

Apoptoza jest procesem 

przeciwstawnym do mitozy i 
wspólnie z nią decyduje o 
liczbie komórek w każdej 
populacji

Ma ogromne znaczenie w 

embriogenezie, wzroście i 
rozwoju

 

 

Przykłady apoptozy w rozwoju 

kręgowców

• Śmierć komórek ogona kijanki w procesie 

metamorfozy

• Śmierć blisko połowy neuronów 

powstających w trakcie embriogenezy w 

rozwoju układu nerwowego

• Śmierć komórek soczewki oka w czasie jej 

kształtowania

• Zanik błony pławnej między palcami u 

zarodka ludzkiego

• W życiu postnatalnym: apoptoza 

keratynocytów skóry, krypt jelitowych, 

komórek endometrium macicy itd.

 

 

Apoptoza w stanach 

patologicznych

Ograniczenie apoptozy prowadzi do 

powstania:

• Nowotworów
• Autoagresji komórek układu 

odpornościowego

Wzrost apoptozy jest 

charakterystyczny dla chorób 

zwyrodnieniowych: choroby 

Alzheimera, Parkinsona, AIDS, 

zawału serca czy udaru mózgu