אפופטוזה
מסלול מיטוכונדריאלי

המיטוכונדריה היא איבר חיוני בתא שתפקידה העיקרי הוא ייצור אנרגיה בצורת ATP מנוטריינטים, אשר יוצא לציטוזול ומשמש את התא לשלל תפקודיו. ייצור ה-ATP נעשה באמצעות תהליך הזרחון החמצוני: אלקטרונים הנפלטים ממעגל קרבס, השלב הקודם לזרחון החמצוני שמתרחש במטריקס של המיטוכונדריה, מועברים באמצעות מולקולות נשאי אלקטרונים אל הממברנה הפנימית שם הם עוברים דרך חלבונים נשאי אלקטרונים ובסופו של דבר נקלטים על ידי אטומי חמצן. המעבר של האלקטרונים דרך נשאי האלקטרונים גורם להעברה של פרוטונים (יוני +H) נגד מפל הריכוזים אל הצד החיצוני של הממברנה, מה שגורם להפרש ריכוזי פרוטונים גבוה בין שני עברי הממברנה הפנימית. הוספת קבוצת הזרחה ל-ADP נעשית על ידי האנזים ATP סינתאז המקובע לממברנה, המנצל לשם כך את מעבר הפרוטונים בין שני עברי הממברנה.
היכולת לייצר ATP קשורה בקשר ישיר לתכונות השונות של הממברנה החיצונית (OMM) והפנימית (IMM) של המיטוכונדריה. הממברנה החיצונית של המיטוכונדריה חדירה אך ורק למולקולות בעלות גודל של מעל 5 קילודלטון (kDa), דבר המאפשר מעבר של סובסטרטים ותוצרים משרשרת הנשימה בין המיטוכונדריה והציטוזול. הממברנה הפנימית של המיטוכונדריה, לעומת זאת, חדירות קטנה בהרבה מזו של הממברנה החיצונית; זוהי תכונה חיונית ליצירת הפוטנציאל האלקטרומגנטי הדרוש לזרחון החמצוני ובסופו של דבר לייצור ה-ATP.
למיטוכונדריה, ובייחוד לממברנה הפנימית, נודע תפקיד חשוב ברגולציה של האפופטוזה. אפופטוזה תלוית-מיטוכונדריה מערבת את תעלת שינוי חדירות מיטוכונדריאלית (MPTP), קומפלקס חלבוני הנוצר בתנאי עקה מסוימים ומגדיל את חדירות הממברנה הפנימית כך שנוצר שטף חופשי של מולקולות בגודל של עד 1.5 קילודלטון ובהם פרוטונים לתוך המטריקס של המיטוכונדריה, באופן הגורם לירידה בפוטנציאל האלקטרומגנטי ולפגיעה בשרשרת מעבר האלקטרונים של הזרחון החמצוני. יתירה מזאת, נוצרת נפיחות אוסמוטית של המטריקס ודחיסה של בועיות. אירועים אלו, יחד עם הגדלת החדירות של הממברנה החיצונית של המיטוכונדריה (MOMP), מובילים לשחרור של חלבונים פרו-אפופטוטיים לציטוזול, בהם למשל ציטוכרום c, ‏AIF (פקטור משרה אפופטוזה), אנדונוקלאז G ‏ (endoG) ודיאבלו. כאשר חלבונים אלו משתחררים לציטוזול, ציטוכרום c יוצר יחד עם Apaf1 ועם פרו-קספאז 9 קומפלקס הקרוי אפופטוזום. כתוצאה מכך מתרחשת אקטיבציה עצמית של קספאז 9, אשר בתורו מאקטב את הקספאזות ה"מוציאות לפועל" (executioner caspases)‏ - 3, 6 ו-7. בשלב זה, החלבון דיאבלו קושר את מעכבי האפופטוזה (IAP), שהם חלבונים מעכבי קספאזות, ובכך מונע מהם להוציא לפועל את תכונותיהם האנטי-אפופטוטיות. בנוסף, AIF ואנדונוקלאז G מועברים לתוך גרעין התא, ומשתתפים במסלול אפופטוזה שאינה תלויית קספאזות; AIF יכול להיקשר ישירות לדנ"א, אז הוא פועל כדנאז וגורם לדחיסה של הכרומטין ולפרגמנטציה של הדנ"א, ואילו תפקידו של endoG לא נתברר די צרכו עד כה.
המסלול המיטוכונדריאלי של האפופטוזה, ובעיקר הגדלת החדירות של הממברנה החיצונית של המיטוכונדריה (MOMP), עובר רגולציה על ידי חלבונים ממשפחת ה-Bcl-2. חלבונים אלו מכילים אחד או יותר (עד ארבע) דומיינים שמורים גנטית והומולוגים החיוניים לתפקודם, הנקראים דומייני BH‏ (Bcl-2 homology), ומורכבים מ-BH3, BH2, BH1 ו-BH4. דומיין BH3 מתפקד כדומיין מוות. משפחת Bcl-2 נחלקת ל-2 קבוצות: חלבוני הישרדות אנטי-אפופטוטיים וחלבונים פרו-אפופטוטיים. 6 החלבונים האנטי-אפופטוטיים המשתייכים למשפחה זו הם Bcl-2, Bcl-xL, Bcl-w, BCL-B, A1 ו-MCL-1, ולכל אחד מהם שלושה או ארבעה דומייני BH. החלבונים הפרו-אפופטוטיים Bax, Bak ו-Bok מורכבים משניים או משלושה דומייני BH, וחלבונים פרו-אפופטוטיים נוספים ממשפחה זו כוללים את החלבונים
Bad, ‏Bik, ‏Bmf, ‏Hrk, ‏SOUL, ‏Bid, ‏Bim ו-Noxa, המורכבים מדומיין BH3 בלבד. רוב התאים מכילים מגוון של חלבונים פרו-ואנטי-אפופטוטיים ממשפחת Bcl-2. הבקרה על האיזון של חלבונים אלו בתא היא בעלת חשיבות מכרעת לקביעת גורל התא - האם להוביל למסלול הישרדות או לאפופטוזה.
בתנאים נורמליים, רוב החלבונים הפרו-אפופטוטיים ממשפחת Bcl-2 ממוקמים בציטוזול, ולעומת זאת, החלבונים האנטי-אפופטוטיים Bcl-2 ו-Bcl-xL ממוקמים בעיקר בממברנה החיצונית של המיטוכונדריה, שם הם יוצרים הטרודימרים עם Bak, Bim, Bax ו-Bad, ובכך חל עיכוב של תכונותיהם הפרו-אפופטוטיות. תפקידו של Bok לא נתברר די צרכו עד עתה. במצב של עקה, מנגד, הביטוי היחסי של החלבונים האנטי והפרו-אפופטוטיים משתנה, וקיימת עלייה בביטוי של חלבונים פרו-אפופטוטיים ביחס לחלבונים האנטי-אפופטוטיים, וכך לשבירת שיווי המשקל לכיוון אפופטוזה; החלבונים הפרו-אפופטוטיים ממשפחת Bcl-2 להם דומיין BH3 בלבד מאוקטבים לתחילת אפופטוזה. רוב החלבונים הפרו-אפופטוטיים מאוקטבים בתנאי עקה: Bid מתבקע ויוצר את t-Bid על ידי מספר רב של פרוטאזות בהן קספאזות 2, 8 ו-10 וכן קלפאין; ו-Bax ו-Bak יוצרים הומו-אוליגומרים. לאחר מכן, החלבונים הפרו-אפופטוטיים ממשפחת Bcl-2 נעים לכיוון הממברנה החיצונית של המיטוכונדריה. חלק מהחלבונים בעלי דומיין BH3 בלבד, בהם Bad, Bik, Bmf, Hrk ו-SOUL, יוצרים הטרודימרים עם חלבונים אנטי-אפופטוטיים כמו Bcl-2, Bcl-w ו-Bcl-xL, אך לא עם A1 או עם MCL-1; לעומתם, חלבונים פרו-אפופטוטיים אחרים כגון Bim, Puma ו-t-Bid, נקשרים באפיניות גבוהה ומעכבים את כל החלבונים האנטי-אפופטוטיים ממשפחת Bcl-2. החיבור של חלבונים אלו (בעלי דומיין BH3 בלבד) עם חלבונים אנטי-אפופטוטיים משחרר את כל יתר החלבונים הפרו-אפופטוטיים כך שהם יכולים לאקטב את Bax ואת Bak.
בשלב זה החלבונים Bax ו-Bak הופכים ממונומרים בלתי פעילים להומו-אוליגומרים בעלי משקל מולקולרי גבוה, ותהליך זה מסייע להגברת החדירות של הממברנה החיצונית של המיטוכונדריה, כך שחלבונים פרו-אפופטוטיים כמו ציטוכרום c יוכלו לדלוף לציטוזול.