Az állati (így az emberi) sejtek az anyagcsere-folyamataikhoz szükséges energiát a tápanyagok, leginkább zsírok és szénhidrátok lebontásából, az anyagok eloxidálásából felszabaduló energiából nyerik. A tápanyagok oxigén felhasználásával történő lebontása erre specializálódott sejtalkotóban a mitokondriumokban történik. A mitokondriális oxidációs energia legnagyobb részét ATP szintézisére fordítja. Az ATP-ben nagyenergiájú foszfátkötésekben raktározódik az energia. Oxidatív foszforilációnak nevezzük, ezt a légzéshez kapcsolt ATP-szintézis folyamatsorát, ami a mitokondriumok egyik fő, és közismert funkciója.^[1]

Kulcsszerepe van a mitokondriumoknak az apoptózis szabályozásában is, amit a sejtekben folytonosan jelenlévő speciális enzimrendszer hajt végre meghatározott program szerint. Innen ered a neve is, programozott sejthalál. A programozott sejthalált szabályozó mechanizmusok károsodásának számos súlyos következménye lehet. Több tumor esetében rámutattak, hogy valamelyik apoptózist indukáló gén hibája miatt az átalakult sejtek nem hajtják végre az önpusztító programot, és ezáltal nem gátolják a hibás sejtek elszaporodását.^[2]

A mitokondriumoknak mindemellett szerepük van bizonyos transzportfolyamatokban, az ionok, elsősorban a kalcium (Ca2+) eloszlásának szabályozásában, a szervezet -hőegyensúlyának – a hőtermelés és a hőleadás – fenntartásában és bioszintetikus folyamatokban.^[3]

Mitokondrium eredete

A mitokondriumok eredetét az endoszimbionta elmélet magyarázza, amely szerint a mitokondriumok, más sejtalkotókkal, például a színtestekkel együtt az ősi prokariota sejtek bekebelezéséből származnak. Az eukarióta sejt evolúciója során a bekebelezett baktérium és gazdasejt közötti szimbiózis evolúciós előnye az eukarióta sejt számára biztosított oxidatív foszforiláció, amely nagy mennyiségű ATP  szintézisét biztosítja. A szimbiózis lehetővé tette az anaerob sejt számára a túlélést, azt hogy oxigéndús környezetben is energiát állíthasson elő.

Mitokondrium felépítése

Az eukarióta sejtekben lévő mitokondriumok mérete, formája és száma igen változó. Számuk attól függ, hogy mi a sejt fő funkciója. Azokban a metabolikusan aktív sejtekben, amiknek a működése sok energiát igényel – például az izomsejtek, idegsejtek – sok, sok ezer mitokondrium található.

Érdekesség: petesejetben több ezer, míg a hímivarsejtben csupán néhány száz mitokondrium található. Vörösvérsejt, hámsejtekben nagyon kevés van, vagy egyáltalán nem is tartalmaz.

Az emberi test  10%-át mitokondrium alkotja. Millió billió mitokondrium van mindannyiunkban.

Mivel egykoron baktériumok voltak,  méretük és formájuk is a baktériumok többségéhez hasonló.  Aprók, 0,5-1 µm átmérőjűek. Méretüknek köszönhetően azonban már fénymikroszkópon is láthatóak, de szerkezetük sajátosságait az elektronmikroszkópos képek, működésüket pedig izolált mitokondriumok vizsgálata révén ismerhetjük meg. Formájuk is változó, de a legtöbbször baktériumokra emlékeztető pálcikaként, babszemként illusztrálják őket. Folyamatosan mozgásban vannak: helyüket a sejtben található sejtváz (citoszkeleton) segítségével változtatják.

A mitokondriumot kettős membránrendszer és az általuk határolt terek alkotják. A mitokondriumot egy feszes külső membrán határolja, belülről a belső membrán betüremkedései, krisztái jellegzetesen ujjszerűen rendeződött lapos lemezek, redők, rendezetlen csövek (tubuláris) formájában növelik a felületet. Ez a felület az energiatermelés fő helyszíne, így a megnövelt felszín maximalizálja az energiatermelést. A belső membránban foglalnak helyet az elektron transzport lánc tagjai, és számos enzim. A belső membrán által határolt rész a mátrix, ami a citromsavciklus fő helyszíne. A két membrán – külső és belső membrán – között a keskeny, 10 nm széles intermembrán rés található.

A kettős membránrendszer és az általuk határolt terek kémiai összetételükben és funkciójukban is eltérnek, mivel a különböző részekben különböző biokémiai folyamatok játszódnak le egymástól elkülönülve, de szorosan kapcsoltan.

Mitokondrium külső membránjának összetételére a gazdasejt sejthártyájához hasonlít. Összetételére jellemző, hogy fele-fele arányban építi lipid és fehérje, de fehérjében szegényebb, mint a belső membrán. Porin a jellegzetes fehérjealkotó molekulája, ami maga egy egy β-redőket formáló transzmembrán fehérje, ami a víz és az 5000 daltonnál kisebb molekulák számára átjárható csatornákat hoz létre a membránban.

Mitokondrium belső membránja a prokarióta sejthártyához áll közel, és szerkezetében, speciális funkciójában jelentősen eltér a külső membrántól. A komponenseinek közel 80%-a fehérje, amelynek többsége azon enzimkomplex része, ami alapvető funkciót tölt be az oxidatív foszforiláció biokémiai folyamatában. Transzportfehérjék, amik a mitokondrium és a citoplazma közötti anyagok transzportját végzik, az enzimkomplexhez hasonlóan a belső membrán elengedhetetlen alkotói. A speciális kardiolipin a membrán azon lipidje, amelynek köszönhetően az ionok számára a belső membrán kevésbé átjárható.

A mátrix a belső membrán által határolt tér plazmaszerű alapállománya, ami tartalmazza a mitokondrium saját gyűrű alakú DNS-ét (mtDNS), a riboszómákat, a transz(tRNS), és minden olyan enzimet, amelyek a DNS megkettőződését, a transzkripció és a transzláció folyamatát biztosítják. A mátrix tartalmazza a mitokondrium összes fehérjéjének, közel 70%-át, enzimek tömkelegét, köztük citromsav (Szentgyörgyi-Krebs ciklus), a piroszőlősav és zsírsavak oxidációjához szükséges enzimeket.

Mitokondrium működése

Energia nem vész el, csak átalakul

A sejtben zajló lebontó folyamatok célja, hogy a szerves anyagokból energiát szabadítsanak fel, amely más folyamatokban használódhat fel. A sejtben előállított ATP – az univerzális energiavaluta – 80%-a a mitokondriumban képződik, ezért a mitokondrium a sejt energetikai központja, atomerőműve. A lebontó biokémiai folyamatok összessége a biológiai oxidáció (sejtlégzés), amelynek sorban négy fő szakasza van és az utolsó három a mitokondriumban zajlik:

• a glikolízis,
• a piruvát (oxidatív) dekarboxilációja,
• a citromsavciklus, és az
• oxidatív foszforiláció

A mitokondrium egyik fő funkciója a sejtlégzésben betöltött szerepe – oxigénhez kapcsolt, aerob –  ATP-szintézis folyamata csak itt valósulhat meg.

A citoszolban történik a glikolízis, a szénhidrátok anaerob lebontása: a glükóz a piruvátig oxidálódik. Továbbalakulása, a piruvát dekarboxilációja a körülményektől függ: anaerob, oxigénszegény környezetben redukció zajlik le, laktátot eredményezve, vagy aerob, oxigéndús környezetben oxidáció, acetil-csoportot és szén-dioxidot eredményezve. A piruvátnak így kulcsszerepe van az aerob, anaerob metabolizmusban. Aerob környezetben a piruvátot transzportfehérjék szállítják a mitokondrium mátrixába, ahol a piruvát dekarboxilálódik és a citromsav ciklusba belépő acetil-koenzim-A (acetil-CoA) keletkezik belőlük. A citromsav ciklus során az acetil-CoA eloxidálódik, és széndioxid (CO2, amit kilélegzünk) és protonok és nagy energiájú elektronok keletkeznek. A protonokat és elektronokat felveszik az őket szállító elektronakceptor koenzim molekulák a NAD+ és FAD+, mely eredményeként NADH és FADH2 keletkezik. LEÍRNI az elsavasodást és a laktátot
Hasonló folyamat játszódik le a zsírsavak lebontásakor oxidációjakor is. LEÍRNI

A következő fázis az oxidatív foszforiláció.

NADH és FADH2 az elektronokat a mitokondrium belső membránjában elhelyezkedő mitokondriális elektron-transzport lánchoz szállítják. Az elektronok végighaladnak az elektrontranszport lánc tagjain, miközben energiát adnak le. A leadott energia hatására a protonok (H+, hidrogénionok) felhalmozódnak a mátrixban, majd a mitokondrium intermembrán terébe pumpálódnak. A folyamat közben létrejön az úgynevezett elektrokémiai proton grádiens, – ami az intermembrán tér és a mátrix között felhalmozódott protonok feszültségkülönbségéből és pH különbségből adódik. Az így felhalmozott protonok arra törekszenek, hogy visszajussanak a mátrixba. A mátrixba való visszajutásukat segíti az ATP-szintáz enzim, melynek egyik alkotóeleme protoncsatorna, amin a protonok átjuthatnak. Ez a elektrokémiai proton grádiens, az áthaladó protonok meghajták az ATP-szintáz enzim, mátrix felé eső feji részét, ami az ATP-szintézisért felel, és végül a folyamat eredményeként ATP termelődik.

A ciklus további végterméke a széndioxid (CO2) és a víz (H2O) is.

Az energia átadása apró, kicsinyke lépésekben fokozatosan történik, ugyanis, ha ez az energia egyszerre szabadulna fel, akkor a sejten belül csernobilhoz hasonló katasztrófa történne: a sejt egyszerűen felrobbanna. Lényegében ez a kemiozmotikus elmélet, ami magyarázza az ATP-szintézis mechanizmusát.

A mitokondriális fehérjeszintézis

A mitokondriális fehérjék többsége a sejtmagban kódolt információ alapján nem a mitokondriumban, hanem a citoplazmában szintetizálódik, de a mitokondriumok mátrixában található riboszómákon is történik fehérjeszintézis. Ugyanis a mitokondriumnak van saját DNS-e (mitokondriális DNS), amelyről a mitokondriális mRNS-ek, tRNS-ek, és rRNS-ek transzkripciója folyik a mitokondriális RNS-polimerázzal. A keletkezett fehérjék többnyire az oxidatív foszforilációhoz kapcsolódó elektrontranszportlánc, és ATP szintézis enzimkomplexeinek alkotói. Köztük például a citokróm oxidáz, NADH dehidrogenáz és az ATP-szintáz alegységei. A mitokondriális fehérjeszintézisnek olyan jellegzetességei vannak, mint például az antibakteriális szerek iránti érzékenység. Így a fehérjeszintézis átírási folyamata például akridinnel,etidiummal, a transzláció kloramfenikollal, eritromicinnel, tetraciklinekkel, tehát azokkal az antibiotikumokkal gátolható, mint amelyekkel a baktériumokban zajló hasonló fehérjeszintetikus folyamatokat blokkolják. A mitokondrium RNS polimeráza hasonlít a prokarióta sejt polimerázára, és gátolható rifampicinnel. A rifampicint elsődlegesen a tuberkolózis kezelésére használják.

A mitokondriális lipidszintézis

A lipidek jelentős része nem a mitokondriumban képződik, hanem az endoplazmatikus retikulumban, ahonnan a mitokondrium külső membránjába szállítódik. A legfontosabb lipidszintézis, ami a mitokondriumban zajlik, az a kardiolipin szintézis, ami az importált fehérjék átalakítása során képződik. A kardiolipin, olyan membránban előforduló foszfolipid, amely megnehezíti a kis ionok számára az átjárást.

A mitokondriumok transzportfolyamatai

Számos folyamatban kiemelt szerepet játszik az elektrokémiai proton grádiens. Többek között nemcsak az ATP-szintézishez elengedhetetlen, de számos transzport folyamathoz is. A felszabaduló energia nagyobb hányada olyan transzportfolyamatokhoz használódik fel, amelyek biztosítják a mitokondrium működését. A mitokondrium külső membránjának szerkezetéből adódóan kisebb molekulák számára átjárható, azonban a belső membránt építő fő lipid, a kardiolipin megnehezíti az átjárást. Így a belső membránon keresztül történő szállítás, transzport az, ahol az elektrokémiai proton grádiensnek kiemelt szerepet játszik.

Azokat a hordozó, karrier fehérjéket, amelyek a piroszőlősav, zsírsavak és a szervetlen foszfát mitokondriális importját végzik a protonok egyenlőtlen megoszlásából adódó kémiai, pH különbség hajtja. Az ADP/ATP antiporter (azaz ADP-be/import és ATP-ki/export) transzport folyamatot a belső membrán közötti feszültségkülönbség hajtja.

A kálcium-ionok (Ca2+) mitokondriumba történő felvételéért is az elektrokémiai proton grádiens a felelős. A Ca2+-ionok jelenléte szükséges több mitokondriális enzim működéséhez, de szerepet játszik a citoszol Ca2+-ion szintjének szabályozásában is. A mitokondrium belső membránjában található Ca2+-ionpumpa, ami lecsökkenti a citoplazmatikus Ca2+ szintet. Ha az alacsony citoplazmatikus Ca2+ szint megnő bizonyos biokémiai folyamatok hatására, például jelátviteli folyamatok eredményeképpen, akkor normális esetben nem a mitokondrium, hanem a plazmamembránban és az edoplazmatikus membránban található Ca2+-ionpumpák optimalizálják, állítják nyugalmi szintre. Ha a sejt megsérül, sérült, és nem tudja megfelelő mértékben, hatékonyan csökkenteni a magas értéket, visszaállítani a nyugalmi szintre, akkor lép működésbe a mitokondrium Ca2+ ionpumája.

Mitokondriális fehérjeimport

A legtöbb mitokondriális fehérje a citoplazmában szintetizálódik és aktív transzportfolyamat eredményeként szállítódik a mitokondriumba. Ezeknek a fehérjéknek a jellemzője, hogy egy mitokondriális lokalizációs szignál peptiddel rendelkeznek, amely az egyedi jelölésüknek köszönhetően lehetővé teszi mitokondriumba történő szállításukat és felvételüket.

Először a mitokondrium külső membránjában található receptorokhoz kötődnek, ami felismeri az egyedi mitokondriális jelet. A külső és a belső membrán átmenetileg összekapcsolódik, létrejönnek a kontakt-helyek hogy a fehérje átjusson. A membránokon áthelyező fehérjék, más néven transzlokon molekulegységek foglalnak helyet. Az áthelyező komplex külső molekula eleme a TOM (translocon outer membrane), aminek része az említett külső membránreceptor, míg belső eleme a TIM (translocon inner membrane). A kettő között létrejött üreges kapcsolaton keresztül jutnak át a fehérjék. A folyamatot még a hősokk fehérjék, másnéven a csaperonok segítik azáltal, hogy a fehérjét kiegyenesített szerkezet formában tarják, hogy átjusson a mátrixba. Miután átjutott szignál-peptidáz lehasítja a jelet a fehérjéről. Ha a fehérje felhasználási helye nem a mátrixban, hanem membránokban vagy az intermembrán térben van, akkor a komplexek egymástól részben függetlenül működnek.

OXA (oxidase assembly) a harmadik áthelyező komplex, ami a mitokondrium belső membránjában található és a mitokondriumban képződött fehérjék beillesztését segíti a membránba.

Mitokondriális RNS import

A mitokondrium saját RNS szintézisén kívül importál RNS-t a citoplazmából, azonban keveset lehet tudni a mechanizmusról és jelentőségéről.

A mitokondriális genom, a mitokondriális DNS (mtDNS)

A mitokondrium mátrixában helyezkedik el a mitokondriális genom, a mtDNS, ami jellemzően kis méretű és gyűrű formájú. Jellemzője, hogy minden mitokondriumban több példányszámban is előfordul. Szerveződése inkább a baktériumok DNS szerveződésére hasonlít, mintsem az eukarióta sejtmagra jellemző kromatin állományra. Az emberi mtDNS jól ismert, és jellegzetes tulajdonságokkal bír. Vizsgálata a mai molekuláris genetika korában kiemelt szerepet játszik.

A mtDNS-t forró pontnak nevezik mutációs szempontból, mivel magas a mutációs rátája. Ennek több oka is van, amely mind hozzájárul ahhoz, hogy mutációs rátája tízszer nagyobb, mint a nukleáris genomban. Ilyen például azon jellegzetes tulajdonsága, hogy általában kevés szabályozó szekvenciát tartalmaz. Legjelentősebb része fehérjét vagy RNS-t kódoló régió. Továbbá például az oxidatív foszforiláció során keletkező szabadgyökök (reaktív oxigén gyökök), amelyek nemcsak a fehérjéket, de a mtDNS-t is károsíthatják. A hisztonok hiánya tovább növeli a károsodás mértékét. A mitokondriumban jelen vannak DNS hibajavító, DNS repair mechanizmusok, ennek ellenére is magas az arányszám. Ezt magyarázhatja, hogy mindezidáig csak olyan javító enzimeket találtak, amelyek elsősorban pontmutációkat, bázisok kieséséből származó hibákat javítják. Olyan enzimeket, amelyek bázispárok kiesését (deléció) javítják még nem mutattak ki.

A mtDNS anyai eredetű, öröklődése eltér a mendeli szabályoktól. Megtermékenyítéskor a zigóta a petesejt citoplazmáját és annak mitokondriumait örökli, mivel megtermékenyítéskor petesejtbe a hímivarsejtnek csak a feji része hatol be, ahol nem találhatóak mitokondriumok.

A mitokondriumok osztódása

Mitokondriumok nem születnek újonnan, hanem a sejtben már jelenlévő mitokondriumok növekedésével, majd osztódásával keletkeznek. A nagyfokú növekedést a fokozott fehérje, lipid import, sejtmagtól független mtDNS többszöröződés teszi lehetővé. A belső membrán betüremkedéseket hoz létre, melynek hatására két részre szakad a mátrix, mindeközben a külső membrán is követi, majd a folyamat eredményeképpen a mitokondrium kettéosztódik. A baktériumokra jellemző osztódási formára, a hasadásra hasonlít a mitokondriumok osztódási folyamata is, amely nem áll szinkronban a sejt osztódáséval. Abban is eltér a nukleáris DNS-re jellemző folyamattól, hogy véletlenszerűen kettőződnek meg a DNS molekulák, és akár többször is bekövetkezhet egy DNS kópiával. Látszólagos függetlensége ellenére a sejt ellenőrzi a mitokondriumok osztódását, mivel a mtDNS replikációjához szükséges enzimek citoplazmatikus eredetűek, és a nagymértékű növekedéshez szükséges anyagokat is a citoplazmából importálja a mitokondrium.

Sejtek halála

Az energiatermelésen túl, a mitokondriumok másik kritikus funkciója a sejtek halálának szabályozása, a sejtek halála vagy túlélése feletti kontroll. Ahhoz, hogy a mitokondrium szerepét a folyamatban megértsük, nélkülözhetetlen áttekinteni a sejtek halálát és jelentőségét.

A szervezetek életében a sejthalál jelensége kiemelten fontos, bár elsőre furcsának tűnhet. Természetes azonban, hogy a sejtek nemcsak keletkeznek, hanem pusztulnak is. Számos formát ölthet, és a halálnemek többnyire eltérnek egymástól. Sejthalál bekövetkezhet apoptózis, programozott sejthalál, nekrózis, és autofagocitózissal járó sejthalál következtében is.

Érdekesség: Az apoptózist a programozott sejthalál szinonimájaként is ismerik és használják is. Azonban a két kifejezés egymástól kicsit eltérő jelentéssel bír. Az embrionális fejlődés során a sejtek differenciálódásuk végén elhalnak, eleve programozott módon- ekkor beszélünk programozott sejthalálról. Az apoptózis a felnőtt szervezetben olyan morfológiai változások sokasága, amely a sejt halálához vezetnek, azonban ezt nemcsak eleve természetes ingerek, hanem mesterséges behatások is kiválthatják.

Az utóbbi évek tudományos fókusza az apoptózis központi szerepére mutat. Nemcsak az egyedfejlődésben, a metamorfózisban, de sok megbetegedésben, mint az autoimmunitás, cukorbetegség, szív-és érrendszeri megbetegedések, daganatos megbetegedésben játszik központi szerepet.

Mi a különbség a halálnemek között?

A nekrózis a sejtek halálának kóros, passzív formája. Sejtek nekrózis általi pusztulása általában akkor következik be, amikor a sejtet váratlan fizikai, kémiai behatás, sérülés éri, amire nem készült fel. Szerkezetüket, ion-és víz-háztartásuk egyensúlyát képtelenek fenntartani. Folyamat eredményeként a sejtalkotók, sejtek megduzzadnak, lizálódnak, a környezetükben gyulladás alakul ki. Jellemzően több egymás mellett lévő sejtet is érint, ezért kialakul egy úgynevezett nekrotikus zóna, amelyben minden érintett sejt elpusztul.  Amikor a szívizom vérellátása, oxigénellátása megszűnik, a szívizomsejtek nekrózissal elhalnak – a szívinfarktus a klasszikus példa.

Az apoptózist leggyakrabban valamilyen jel, szignál váltja ki, amely lehet külső és belső is. A külső környezetből érkező jel a sejthalálreceptorokonon keresztül, míg a belső jel többek között a sejtmagból, mitokondriumból indítja az apoptózist. A komplex folyamat meghatározott lépésekből áll – a sejt felkészül a halálra.

A nekrózis sejtgyilkosságot, míg az apoptózis sejt öngyilkosságot jelent.

Az apoptózis során elhaló sejtek elszórtan, egymástól függetlenül helyezkednek el. Vízvesztéssel kezdődik legtöbbször, melynek következtében a sejtek zsugorodnak, alakjuk hosszúkásabb, méretük kisebb lesz. A plazmamembrán fodrozódik, ez az úgynevezett blebbing, de nem szakad fel, így nem jut ki a sejten kívüli, extracelluláris térbe a tartalmuk. Ennek következtében gyulladásos reakciók sem alakulnak ki. A sejtek tartalmából membránnal körülhatárolt apoptotikus testek keletkeznek. Megváltozik a plazmamembrán összetétele is: jellemző alkotója a sziálsav eltűnik, a foszfolipid asszimmetria megszűnik – a foszfatidil-szerin a külső rétegbe kerül, a vitronektin megjelenik. A foszfatidil-szerin jelzőmolekula megjelenését felismerik az arra érzékeny receptorral rendelkező makrofágok, a külső jelet belső jellé alakítják, és a jelátvitel (szignál transzdukció) útján megtörténik a fagocitózis. A környezetbe így nem kerülnek a gyulladást kiváltó vegyületek, a sejt környezete, a szöveti szerkezet ép marad. A sejtek magjában a kromatinállomány összezsugorodik, sűrűsödik (kondenzálódik) és a sejtmagmembránhoz tapad, majd feldarabolódik, részekre bomlik (fragmentálódás). Az apoptózis morfológiai változásai régóta ismeretesek, azonban a molekuláris és genetikai vizsgálatok egyre több információt biztosítanak. A morfológiai változásokat három enzimcsalád katalizálja: az endonukleázok, a transzglutaminázok,  és a legfontosabbak, a kaszpázok.

Külső (exogén) és belső (endogén) faktorok is közreműködnek az apoptózis komplex folyamatában. A tényezők közül vannak amelyek serkentik, vannak amelyek gátolják.

Ezt a komplex folyamatot sejthalálgének és sejthalál fehérjék, sejthalált gátló molekulák irányítják, ellenőrzik, biztosítva az élő szervezetek elengedhetetlen feltételét az egyensúlyt.

Apoptózis gátlása

Számos kaszpáz gátlót, inhibitort is felfedeztek már, amik főként az enzimekhez való kötődéssel gátolják az apoptózis folyamatát. IAP, azaz inhibitor of apoptosis elnevezésüket is az apoptózist gátló hatásukról kapták. Az IAP-okat először vírusokban fedezték fel, ahol a vírusok örökítőanyagába magasabb rendűek (LEÍRNI A RÉSZLETEKET) örökítőanyagából kerülhettek át az IAP-okat kódoló szekvenciák. Ez az esemény segítette a vírusok túlélését. Fertőzés esetén az IAP-ok segítségével a vírus megakadályozza, hogy a sejt végrehajtsa az önmegsemmisítést, amely által megszűnne a vírus élettere. Az egyik legismertebb és leghatékonyabb kaszpáz gátló a X-IAP, azaz az X-hez kötött IAP. Ez a kaszpáz gátló az apoptózist indító (iniciátor) és a végrehajtó (effektor) kaszpázokat is blokkolja.

A végrehajtó kaszpázok, az effektor kaszpázok kulcstagja a kaszpáz-3. A végrehajtó kaszpázoknak szubsztrátjai közé tartozhatnak az endonukleázok, nukleáris laminok, és a DNS hibáinak kijavításában szerepet játszó poly-ADP-ribóz polimeráz és a DNS-dependens protein kináz, gelozin, fodrin.

Apoptózis indukciója

Sok külső tényező, – mint a növekedési faktorok, citokinek, hormonok, nitrogén-monoxid – kiválthatja vagy éppen ellenkezőleg megakadályozhatja az apoptózis folyamatát – ez mind sejttől és szignáltól függ. A külső faktorok által elindított apoptózist, extrinsic apoptózisnak hívják.

Apoptózis kiváltásában, indukálásában a tumor nekrózis faktor (TNF) citokin család, a halál ligandok központi szerepet játszanak. A halál ligandok olyan ligandok, amelyeknek szerkezete hasonló, és receptoraik is a ugyanazon receptor családba a halál receptorok családjába tartoznak. Ez a receptorcsalád a tumor nekrózis faktor receptor család, amelybe az egyes számú TNF receptor (TNFR1), a TNF-hez hasonló indukáló ligand receptorok (TRAIL/Apo-2L) és a Fas/Apo/CD95 receptorok is tartoznak. Utóbbi érdekessége, hogy egyazon receptor három különböző néven is ismert, innen az elnevezése.

Az immunrendszer sejtjei közötti kommunikációban kulcsszerepet játszó citokiniek a TNF-α és TNF-β a TNF receptorokhoz kötődnek. A Fas-ligand a citotoxikus T-limfociták felszínén elhelyezkedő molekula, a Fas/Apo/CD95 receptorhoz ködődve, kiváltja a célsejt apoptózisát. Nevük is innen ered, ezeket a limfocitákat citotoxikus limfocitának hívják.

Ezen receptor családok tagjai transzmembrán receptorok, azaz a plazmamembránt átérik, az intracelluláris molekularészük halál domént (death domain, DD) tartalmaz. A megfelelő ligand megkötését követően a receptorok képesek kapcsolatot kialakítani önmagukkal, oligomerizálódni. A halál domén több citoplazmatikus fehérjében is megtalálható (például Fas associated death domain, FADD; TNF receptor  associated death domain, TRADD). A citoplazmatikus fehérjék a halál doménjükkel kapcsolódnak a megfelelő receptor halál doménjéhez. A kialakult komplexhez az iniciátor kaszpáz-8 is kapcsolódik. A sorkapcsolás aktiválja, beindítja a kaszkádot, végül bekövetkezik az apoptózis.
Nemcsak a faktorok jelenléte, de hiánya is beindíthat az előzőekhez hasonló folyamatot.

A citotoxikus T-limfociták a célsejt apoptózisát kiválthatják azáltal is, hogy lítikus granulumjaikat a különböző enzimekkel (perforin, granzimek) kapcsolódásuk után kibocsájtják a célsejtbe, ahol aktiválják a kaszpázokat.

LEÍRNI, hogy a rákos sejtek hogyan bújnak ki ezalól.

Mitokondrium kiemelkedő szerepe az apoptózisban

Az apoptózisban, a mitokondrium szerepe sorsdöntő, ugyanis, nemcsak a halál receptorokon keresztül, hanem a mitokondrium közreműködésével is megvalósul az apoptózis. Ez a belső faktorok által elindított, intrinsic apoptózis. Elsődlegesen magát a sejtet és a mitokondriumot ért stresszre – sugárzás, toxinok, mérgek, gyógyszerek, tápanyag hiány, vírusfertőzés, reaktív oxidatív gyökök (ROS), Ca2+ beáramlás hatására – mint belső jelekre következik be. A Ca2+ a sejten kívülről is érkezhet, de a sejten belülről a SER-ből (endoplazmatikus retikulum) is származhat, például a SER-t érintő sérülés is kiválthatja. Ha a stressz összessége arra mutat, hogy a sejt többé nem képes funkcióját ellátni, nem megfelelően, hibásan működik, a mitokondrium beindítja az apoptózis folyamatát.

A mitokondriális sejthalál kaszpáz-függő és kaszpáz-független útvonala

A bekövetkező stressz – a jel hatására a mitokondrium membránon apoptózis indukált csatornák (MAC) nyílnak, amelyeken keresztül  intermembrán teréből sejthalál szignált közvetítő faktorok jutnak ki a citoplazmába, amik közül a legfontosabb a citokróm-c. A citokróm-c kapcsolódik a citoszol egyik fehérjéjéhez, az Apaf-1-hez- a kialakult komplex az apoptoszóma-, ami oligomerizálódást követően a kaszpáz-9-et beindítja, ami végül a legfőbb kaszpáz effektort, a kaszpáz-3-at serkenti, ezáltal bekövetkezik a sejthalál.

Bizonyos esetekben a kaszpáz-9 aktiválásához egy másik kiszabadult fehérje a Smac/DIABLO is hozzájárulhat azáltal, hogy a kaszpáz inhibitorokat, az IAP-okat legátolja. A gátlás gátlása aktiválódást eredményez.

In vitro körülmények között felfedezték, hogy kaszpázoktól függetlenül is kiválthatja a DNS kondenzációját és fragmentálódását a funkciója alapján apoptózis indukáló faktornak (AIF) elnevezett mitokondriumból kiszabaduló flavoprotein oxidoreduktáz enzim.

A mitokondriumból kiszabaduló apoptózist indukáló molekulák szabályozását különböző fehérjék regulálják. Az anti-apoptotikus, azaz a gátló hatású fehérjék (például Bcl-2, Bcl-xL, Bcl-w) a mitokondrium külső membránjában találhatóak. A pro-apoptotikus hatású fehérjék (például Bax, Bak, Bid, Bad) amelyek egyrészt a mitokondrium membránjában, másrészt a citoszolban, az ER vagy a sejtmag membránjában lokalizálódnak és aktiválódásukkor helyeződnek át a mitokondrium membránjába. Azoknak a fehérjéknek a szerkezetében, amelyek eredetileg is a mitokondriumban helyezkedtek el, olyan szerkezeti változások következnek be, amik a membránt áteresztővé teszik. Ennek következtében kiszabadulnak a fehérjék, amelyek beindítják az apoptózist az előzőekhez hasonló módon.

Mindezen hatások jelentős része a DNS molekulát is károsítja. A DNS-t ért sérülés is, amennyiben a sérülést nem sikerül tökéletesen kijavítania a mitokondriumon keresztül indítja el az apoptózist. A p53 a p21-en kívül többek között az olyan gének átírását is befolyásolja, amelyek az apoptózist szabályozzák. Az anti-apoptotikus Bcl-2 gének átírását csökkenti, míg a pro-apoptotikus gének, mint az Apaf-1, Bix, Bad gének átírását növeli, így serkenti az apoptózist.

Tehát a legfontosabb tumorszupresszor gén, a p53 kulcsszerepet játszik a sejtciklusban, a sejtöregedésben, a sejtek halálában.

Rengeteg különböző tényezőtől függ, hogy a három folyamat közül melyik következik be.

Az apoptózis szerepe néhány betegség kialakulásában

A programozott sejthalál az egyedfejlődés során nélkülözhetetlen és szükséges, természetes folyamat. A testformák, például az ujjak, valamint szervek üregei is sejtek elhalásával alakulnak ki. Az evolúciósan nem szükséges korai embrionális szervek eltüntetését is szolgálja, programozott sejthalál révén például a Müller-cső és a Wolf-cső tűnik el. A programozott sejthalált a kétéltűek metamorfózisa is jól mutatja. Olyan természetes folyamatokban, mint felnőtteknél a szoptatási időszak végén, valamint a menstruációs ciklusban a méhnyálkahártya leválásában is szerepet játszik. Sok szerv fejlődésére jellemző, hogy kezdetben a sejtek túltermelődnek, több keletkezik a szükségesnél, majd ezeket el kell távolítani. Így fejlődik az emberi idegrendszer is – a keletkezett neuronok közel fele elpusztul. Szerepe van a hibás, funkcionálisan zavart sejtek eliminálásában is, például az immunrendszer fejlődése során, azoknak a T és B limfocitáknak is meg kell halniuk, amelyek a szervezet saját fehérjéit idegenként ismerik fel. Az autoimmunitás kialakulásának elkerülése érdekében ezeknek a hibás sejteknek meg kell halniuk.

Az egészséges szervezet működéséhez az is szükséges, hogy a sejtekből se több, se kevesebb ne legyen az optimálisan szükségesnél. Mindez csak a szigorúan és pontosan szabályzott környezetben valósulhat meg, ahol a sejtosztódás és a sejthalál egyensúlyban van.

Degeneratív betegségek hátterében sok esetben a fokozott mértékű apoptózis áll, ahol az apoptózist serkentő gének működése fokozott vagy az apoptózist gátlók hatása csökkent. A spinal muscular atrophy kórkép a gerincvelő mozgató neuronjainak elhalásával járó kórkép.  Az IAP-ok hiánya vagy csökkent működése okozza. Vélhetően a legismertebb neurodegeneratív, idegrendszeri betegségekért, leépülésekért az Alzheimer és Parkinson kórért is a rosszul szabályozott apoptózis a felelős.

Az immunrendszer CD4 és CD8 sejtjei, amelyek a HIV gazdasejtei is apoptózis útján halnak el HIV-fertőzésben.

Csökkent mértékű apoptózis következtében kialakuló betegségek is a gátló és serkentő faktorok szabályozási zavarára vezethetőek vissza. A szisztémás lupus erythematosusban csökken a Fas által kiváltott apoptózis, melynek következtében megmaradnak azok a hibás limfociták is, amelyek a szervezet saját fehérjéit ismerik fel idegenként és termelnek ellenük ellenanyagot.

További vírusfertőzések, mint a herpes, himlő, adenovírus hátterében is a csökkent mértékű apoptózis áll, mivel a vírus genomja tartalmazza az anti-apoptotikus géneket.

Tumorok esetében felborul a sejtosztódás és az apoptózis szabályozásának egyensúlya. A tumorok felében már kimutatták, hogy vagy hiányzik, vagy zavartan működik a p53 fehérje, amely az egyik kulcselem a szabályozásban. A prosztata- és vastagbélrák, a neuroblasztóma és a follikuláris limfómák (bcl-2 transzlokáció; PÉLDAMONDATOKAT ÍRNI!)
Az apoptózis megismerése lehetővé teszi, hogy új gyógyítási út nyíljon. A sejtosztódás megakadályozása mellett az egyensúlyért felelős másik kulcselem, az apoptózis kiváltásával és fokozásával a tumorok növekedése gátolható.