Definicja cytolizy
Cytoliza, znana również jako liza osmotyczna, występuje, gdy komórka pęka i uwalnia swoją zawartość do środowiska pozakomórkowego z powodu dużego napływu wody do komórki, znacznie przekraczającego zdolność błony komórkowej do zawarcia dodatkowej objętości. Jest to problem szczególnie dla komórek, które nie mają twardej ściany komórkowej, aby oprzeć się wewnętrznemu ciśnieniu wody.
Woda może powoli dyfundować przez warstwę lipidową błony komórkowej, ale szybki transport wymaga obecności selektywnych kanałów transmembranowych zwanych akwaporynami. Te integralne białka błonowe umożliwiają przemieszczanie się wody, jednocześnie uniemożliwiając dostęp do wielu rozpuszczalników i jonów.
Komórki mają zwykle wyższe stężenie soli i jonów niż ich bezpośrednie środowisko, zwłaszcza u organizmów jednokomórkowych, które żyją w zbiornikach słodkiej wody, co może prowadzić do napływu wody. Większość komórek posiada wewnętrzne mechanizmy radzenia sobie z konstytutywnym ruchem wody. Jednak w przypadku nagłej zmiany toniczności środowiska zewnątrzkomórkowego lub zmiany w strukturze błony, woda może zalać komórkę i spowodować jej rozerwanie.
Obraz przedstawia wpływ stężenia jonów zewnątrzkomórkowych na strukturę komórki. Cytoliza jest przyczyną śmierci komórek w organizmach wielokomórkowych, gdy ich płyny ustrojowe stają się hipotoniczne i jest postrzegana jako efekt uboczny doznania udaru mózgu. Liza osmotyczna jest również wykorzystywana przez niektóre zreplikowane cząstki wirusowe do wyjścia z komórki gospodarza i kontynuowania procesu infekcyjnego.
Jednakże cytoliza ma również rolę funkcjonalną i jest wykorzystywana przez układ odpornościowy do selektywnego niszczenia komórek nowotworowych lub zainfekowanych przez niektóre patogeny.
Typy cytolizy
Cytoliza może być spowodowana przez wiele czynników, od toniczności płynu zewnątrzkomórkowego do aktywności innych komórek wpływających na strukturę błony komórkowej.
Cytoliza przez środowisko hipotoniczne
Gdy komórki są umieszczone w środowisku czystej wody, woda zalewa komórkę i powoduje jej rozerwanie. Na przykład, czerwone krwinki będą ulegać hemolizie, gdy zostaną umieszczone w wodzie destylowanej i można to zmierzyć na podstawie wyglądu hemoglobiny w roztworze. Roztwór zawierający 0,9 grama chlorku sodu (NaCl, czyli soli kuchennej) w 100 ml wody jest uważany za izotoniczny, czyli zawierający takie samo stężenie soli jak wnętrze czerwonej krwinki. Roztwory o niższym stężeniu soli spowodują rozerwanie tych krwinek. Dlatego dożylne wstrzyknięcia czystej wody destylowanej mogą być bardzo szkodliwe, szczególnie dla delikatnych błon komórkowych erytrocytów lub krwinek czerwonych.
Cytoliza przez patogeny
Wirusy są bardzo specyficzne w wyborze gospodarza. Ponadto, większość z nich jest przystosowana do infekowania nie tylko konkretnego organizmu, ale także określonego typu komórek w obrębie gospodarza. Wirusy nie mogą funkcjonować poza swoim gospodarzem i muszą porwać maszynerię komórkową, aby przejść metabolizm i zainicjować reprodukcję. Jednak po wielu rundach powielania, obecność cząstek wirionów może przytłoczyć komórkę gospodarza. W tym momencie wirusy mogą naruszyć błonę komórkową w sposób, który prowadzi do wniknięcia wody i ostatecznej cytolizy. Kiedy komórka ulega lizie, wirusy zostają uwolnione, co pozwala im na powtórzenie cyklu infekcyjnego z nowymi komórkami gospodarza w tej samej tkance.
Swoistość wirusów dla ich gospodarza może być potencjalnie wykorzystana w terapii przeciwnowotworowej. Zjawisko wywoływania przez wirusy remisji nowotworu jest obserwowane od lat 1800. Wiele wirusów preferencyjnie zakaża komórki nowotworowe, pozostawiając normalne komórki nietknięte, ponieważ złośliwość tłumi odpowiedź antywirusową komórki. Wirusy te mogą indukować cytolizę w komórkach nowotworowych i w ten sposób przyczyniać się do leczenia. W 2011 roku zgłoszono, że cząsteczka wirusa indukuje cytolizę w liniach komórek nowotworowych, komórkach inicjujących nowotwory, jak również w pierwotnej tkance nowotworowej od pacjentów. W 2015 roku amerykańska FDA zatwierdziła pierwszą wirusową terapię czerniaka.
Cytoliza bakteryjna została zaobserwowana z powodu nadmiernego wzrostu bakterii lactobacillus w pochwie. Pochwa dorosłych kobiet jest normalnie zasiedlona przez bakterie z rodzaju Lactobacillus, które w niewielkiej ilości chronią przed zakażeniami grzybiczymi. Jednak niektóre kobiety prezentują objawy infekcji grzybiczej, która jest oporna na leczenie lekami przeciwgrzybiczymi. W takich przypadkach u kobiet, u których występują obfite upławy, świąd, a w rozmazie mokrym nie stwierdza się patogennych bakterii ani grzybów, stwierdza się również zwiększoną liczebność bakterii z rodzaju Lactobacillus. Upławy są spowodowane cytolizą komórek nabłonka pochwy w wyniku zakażenia bakteryjnego przez lactobacillus.
Cytoliza przez układ odpornościowy
Układ odpornościowy wykorzystuje wiele metod, aby wywołać cytolizę – w patogenach, jak również w zakażonych lub nowotworowych komórkach organizmu. Do najsilniejszych mediatorów cytolizy w układzie odpornościowym należą limfocyty T i komórki NK (Natural Killer). Obie te komórki mogą albo pobudzić komórkę do apoptozy, albo uwolnić białka zwane perforinami, które tworzą kanały na błonie komórkowej. Gdy przez te kanały do komórki dostanie się woda, ulega ona lizie osmotycznej. Ponadto komórki NK mogą również działać poprzez adaptacyjny układ odpornościowy, współdziałając z limfocytami T oraz przeciwciałami uwalnianymi z komórek B. Poprzez system przeciwciał i dopełniacza, komórki patogenne mogą być lizowane poprzez tworzenie pierścieniopodobnej struktury transmembranowej na błonie komórkowej przez białka dopełniacza.
Ta metoda cytolizy może prowadzić do poważnych komplikacji, gdy istnieje histoincompatibility między matką a płodem. Kiedy jeden szczególny rodzaj przeciwciał (IgG) przechodzi przez łożysko i rozpoznaje antygeny na krwi płodu, może aktywować układ dopełniacza, jak również wrodzoną odporność powodując, że te czerwone krwinki ulegają hemolizie. Dziecko rodzi się z objawami żółtaczki.
Natural Killer Cells są również kluczowe dla mechanizmu obronnego organizmu przed tworzeniem się guzów. Kiedy komórki nowotworowe obniżają ekspresję antygenów powierzchniowych, potężne komórki adaptacyjnego układu odpornościowego nie mogą rozpoznać tych komórek ani zamontować przeciwko nim odpowiedzi immunologicznej. Komórki NK mogą aktywować odpowiedź zapalną, przyciągać inne komórki cytotoksyczne i razem indukować osmotyczną lizę lub apoptozę na komórkach prekursorowych guza.
Funkcje cytolizy
Cytoliza jest często używana jako narzędzie przetrwania przez różne komórki. Podczas gdy organizmy jednokomórkowe i patogeny używają jej do odparcia ataku lub uzyskania dostępu do nowych gospodarzy, organizmy wielokomórkowe stosują cytolizę podczas odpowiedzi immunologicznej lub w celu usunięcia uszkodzonych i niebezpiecznych komórek z ich ciała.
Zapobieganie cytolizie
Pomimo wielu zastosowań, ważne jest, aby organizm kontrolował, kiedy i jak zachodzi cytoliza. Rośliny mają naturalny mechanizm obronny przed cytolizą, ponieważ zawierają wytrzymałą ścianę komórkową. Kiedy komórka roślinna znajduje się w środowisku hipotonicznym i woda napływa do środka, ściana komórkowa wywiera przeciwstawny nacisk na błonę komórkową, zapobiegając jej rozszerzeniu lub pęknięciu. W środowisku hipertonicznym komórka traci wodę, co nazywane jest plazmolizą. W roztworze izotonicznym ilość wody wpływającej i wypływającej z komórki jest równa, co sprawia, że jej całkowita objętość pozostaje nienaruszona. W roztworach hipotonicznych, gdy woda wchodzi do komórki, wakuola pochłania znaczną część nadmiaru wody, chroniąc cytoplazmę przed rozcieńczeniem.
Ściana komórkowa wytwarza również ciśnienie odwrotne, powodujące opuszczenie komórki przez wodę, przy jednoczesnym zachowaniu optymalnej turgoru. Ta jędrność pozwala roślinom pozostać w pozycji pionowej przy braku wewnętrznego układu kostnego.
Protisty jednokomórkowe, takie jak ameba i paramecium, zawierają organelle zwane wakuolą kurczliwą, która jest zaangażowana w zapobieganie cytolizie. Jest to struktura pulsuj±ca, która przechodzi powtarzaj±ce się cykle rozkurczu (woda wchodzi do wakuoli) i skurczu (woda jest wypompowywana z komórki). Dokładny mechanizm tych skurczów nie jest znany, ale organelle te wydają się funkcjonować nawet wtedy, gdy komórki są umieszczone w roztworze o wysokim stężeniu soli.
Organizmy wielokomórkowe zwykle mają wyrafinowany mechanizm zapewniający, że wszystkie ich komórki są kąpane w roztworze izotonicznym. U ludzi i innych ssaków jest to układ narządów wydalniczych utworzony przez jednostki funkcjonalne nefronów w nerce. Podczas filtrowania krwi w nerkach, sole, jony, produkty odpadowe, amoniak i nadmiar wody są usuwane i wydalane w regularnych odstępach czasu, co pozwala organizmowi utrzymać homeostazę. Przy zwiększonym spożyciu wody następuje równoczesny wzrost jej usuwania przez układ wydalniczy. System ten jest regulowany przez rozbudowaną sieć hormonów i innych reakcji fizjologicznych i zapewnia, że wszystkie komórki w organizmie są przede wszystkim narażone na izotoniczny płyn zewnątrzkomórkowy. Komórki obecne na interfejsie ze światem zewnętrznym – czy na skórze lub wyściełające układ pokarmowy – są chronione przed cytolizą przez hydrofobową warstwę wykonaną z olejów lub wosków.
Okazjonalnie, system wydalniczy jest przytłoczony, gdy organizm nagle imbibes dużej ilości wody w stosunku do rezerw soli ciała. Nazywa się to zatruciem wodnym, a objawy wynikają z efektu cytolizy w komórkach mózgu.
- Adaptacyjny układ odpornościowy – podzbiór układu odpornościowego u kręgowców, który jest zdolny do pamięci immunologicznej. Druga i kolejne ekspozycje na dany patogen wywołują szybkie, wyspecjalizowane odpowiedzi.
- Krenacja – skurcz komórki po ekspozycji na roztwór hipertoniczny.
- Toniczność – miara względnego stężenia solutów w dwóch roztworach oddzielonych półprzepuszczalną błoną. Toniczność określa kierunek i zakres dyfuzji przez błonę.
- Ciśnienie turgoryczne – Ciśnienie wody dociskającej błonę komórkową do ściany komórkowej komórki roślinnej.
Quiz
1. Który z wymienionych roztworów spowoduje cytolizę w krwinkach czerwonych?
A. 0,9% NaCl
B. 1,5% NaCl
C. 0,4% NaCl
D. Woda morska
2. Które z wymienionych NIE indukuje cytolizy?
A. Umieszczenie komórek w środowisku hipertonicznym
B. Działanie perforyn na błony komórkowe
C. Działanie kompleksu ataku błonowego przez białka dopełniacza
D. Zaburzenie struktury błony przez wirusy
3. Która z tych metod jest stosowana przez ameby, aby zapobiec cytolizie?
A. Ściana komórkowa
B. Układ narządów wydalniczych
C. Wakuola kurczliwa
D. Wszystkie z powyższych
.
