Биохимия старения
Шрифт:
Происходят ли такая последовательная активация и репрессия генов и последовательные изменения в формах изоферментов только на ранней стадии жизненного периода или они распространяются также на старческий возраст? Некоторые исследования показывают, что подобные изменения происходят не только в раннем периоде, но и на протяжении всей жизни. Формы изоферментов некоторых ферментов как функция возраста были исследованы на Drosophila. Электрофорез в крахмальном геле гексозофосфат-изомеразы мужских и женских особей D. melanogaster показал, что из пяти изоферментов относительное содержание трех, медленно движущихся, в старости (67 дней) значительно выше. У женских особей два быстро движущихся изофермента, имеющиеся в молодости, в старости исчезают [45]. Таким образом, количество изоферментов зависит также от пола.
Содержание изоферментов эстеразы Drosophila также меняется с возрастом. Три медленно
В исследованиях цитоплазматической аланинаминотрансферазы (цААТ) из печени крысы четко показано, что явление последовательной смены форм изоферментов распространяется и на старческий возраст [56, 87]. цААТ является димером, состоящим из субъединиц двух типов — А и В. Существуют два активных изофермента: цААТ-А и цААТ-В. Электрофорез очищенной цААТ из печени 5-, 52- и 100-недельных самок крыс в полиакриламидном геле показывает, что печень незрелых крыс содержит только цААТ-А, а старых — только цААТ-В. В печени зрелых крыс присутствуют оба изофермента, но уровень цААТ-А ниже (рис. 3.6). Две субъединицы, А и В, детерминируются двумя отдельными генами [24]. Очевидно, последовательное появление и исчезновение двух изоферментов цААТ на протяжении жизни указывает на последовательное активирование и репрессию генов, ответственных за их синтез. Какие факторы определяют активность этих генов — неизвестно, но возможно, что, как и в случае гемоглобина, активируют или репрессируют гены эндогенные факторы, возникающие в различные периоды жизни, и это приводит к появлению или исчезновению соответствующих полипептидных цепей.
Рис. 3.6. Электрофорез кристаллической растворимой аланинаминотрансферазы незрелых (5 нед), среднего возраста (52 нед) и старых (100 нед) крыс в 7,5 %-ном полиакриламидном геле (0,082 М трис-боратный буфер, рН 8,9). В каждом случае наносили 50 мг белка.
А — аланинаминотрансфераза А; В — аланинаминотрансфераза В [56]
Несмотря на то что к настоящему моменту накоплено еще мало информации, очевидно, исследования изоферментов имеют большое значение для понимания возрастных изменений, происходящих на генетическом уровне. Изоферменты различаются по Км для определенного субстрата, и тонкий контроль метаболических механизмов может осуществляться благодаря изменению соотношения изоферментов. В результате происходящих в различные периоды жизни изменений эндогенных и экзогенных факторов путем модуляции активности соответствующих генов может меняться их относительное содержание. Это в свою очередь может влиять на скорости метаболических реакций и, следовательно, на функциональные возможности организма.
Как было показано выше, с возрастом меняется не только активность ферментов — в определенные периоды жизни меняется также набор изоферментов. Отсюда возникают следующие вопросы:
1) Являются ли эти изменения необратимыми?
2) Возможно ли эти изменения направить вспять и можем ли мы регулировать их уровни в различные периоды жизни?
3) Какие факторы ответственны за эти изменения?
4) Какое значение эти изменения имеют
Получен ряд данных, позволяющих ответить на часть этих вопросов. Известно, что вторичные клетки флоэмы моркови, культивируемые in vitro, дают начало целому растению [107]. Следовательно, высокодифференцированные клетки флоэмы подвергаются дополнительной дифференциации, давая начало клеткам новых типов. На животных клетках подобные эксперименты пока не проводились. Митохондриальная малатдегидрогеназа (мМДГ) индуцируется кортизоном в печени молодых крыс, у которых удален надпочечник, и не индуцируется у старых [53]. Однако, если печень старой крысы регенерирует в результате гепатэктомии, то кортизон вызывает индукцию мМДГ. Таким образом, в этом случае способность к индукции восстанавливается и печень старой крысы функционирует так же, как печень молодой. Из данных экспериментов следует, что изменения макромолекул, происходящие при старении, не являются необратимыми. Содержание ферментов, понизившееся в старости, может быть увеличено путем индукции, и повреждения таким образом могут быть устранены.
Известно, что индукция, или повышение содержания ферментов, вызывается несколькими индукторами, или эффекторами. Индукция является специфическим ответом на специфический стимул, или индуктор, которым может быть субстрат, гормон, метаболит или даже экзогенный фактор — например температура, т. е. индукция — это адаптивный процесс. Как известно, адаптивность организма к условиям окружающей среды в старости снижается. Поэтому представляется интересным исследовать изменения адаптивности или индуцибельности ферментов с возрастом. Поскольку каждый фермент кодируется специфическим геном, подобные исследования могут помочь в выяснении таких функций специфических генов, как транскрипция специфических мРНК и регуляция этой транскрипции. Проводя их, можно также решить вопрос о том, происходят или не происходят изменения в экспрессии генов в старости.
В работах по индукции синтеза ферментов в тканях крысы путем введения различных гормонов было показано, что при одинаковых условиях эксперимента индукция у старых крыс в общем ниже, чем у животных в зрелом возрасте. Такие результаты были получены для глюкозо-6-фосфатазы и фруктозобисфосфат-альдолазы [101], фосфофруктокиназы [102, 103] и гексозофосфат-изомеразы [103], пируваткиназы [21], малатдегидрогеназы [53] и ацетилхолинэстеразы [81]. Для нескольких ферментов в зрелом возрасте и в старости получены одинаковые значения индукции — это триптофанпирролаза [42], аланинаминотрансфераза (ААТ) [87] и тирозинаминотрансфераза (ТАТ) [91], а индукция аргиназы [90] у старых животных оказалась выше (табл. 3.4), чем у животных в среднем возрасте.
Таблица 3.4. Индукция ферментов
Обозначения в Таблице: V уменьшение; ^ увеличение; "-" нет эффекта; Н — норма; К — кортизон; ГК — гидрокортизон; а — удаление надпочечника; б — удаление семенников; в — удаление яичников; Э50-Э100 — введение эстрадиола в количестве 50 и 100 мг·г– 1 веса тела; Т50 и Т100 — введение тестостерона в количестве 50 и 100 мг·г– 1 веса тела; П — полушария головного мозга; М — мозжечок.
Некоторые ферменты, например глюкокиназа и тирозинаминотрансфераза из печени мыши, индуцируются при голодании [2]. Было показано также, что тирозинаминотрансфераза печени индуцируется при низкой температуре [33]. В этих исследованиях установлено, что индукция у старых и молодых животных одинакова, но у первых время, необходимое для индукции, больше (табл. 3.4).
В общем, индукция оксидоредуктаз в старости понижается, а трансфераз — повышается или не изменяется. Индукция гидролаз и лиаз печени млекопитающих в старческом возрасте понижается, так же как и индукция трансфераз и гидролаз мозга. Однако пока число исследованных ферментов невелико, нельзя с уверенностью сделать заключение о закономерностях индукции определенных ферментов.