Биохимия старения
Шрифт:
В приведенных исследованиях было показано также, что индукция одного и того же фермента по-разному меняется в разных органах. Например, индукция пируваткиназы в сердце старой крысы выше, чем у животного в среднем возрасте, в то время как в мозгу старой крысы она ниже по сравнению с животным в среднем возрасте [21–23].
Индукция многих ферментов в старческом возрасте уменьшается, и поэтому ослабевает адаптивность организма или его способность к ответу на соответствующий стимул. Эти ответы на основании времени, затрачиваемого на индукцию, и величины индукции (рис. 3.7) подразделяют на четыре главных типа [5]. У типа 1 лаг-период индукции в старости больше, но ее величина не меняется, если индуктор применяется в течение достаточного времени. Примерами этого типа ферментов являются глюкокиназа [1] (рис. 3.8), ДНК-полимераза [3] (рис. 3.9), тирозинаминотрансфераза [2] и сериндегидратаза [88] печени крыс при ответе на действие глюкозы, АКТГ и кортизона соответственно [5]. Лаг-период индукции тирозинаминотрансферазы после выдерживания при низкой температуре у старой мыши также увеличен [33].
Рис. 3.7. Зависимость
Сплошная линия — молодые животные, штриховая — среднего возраста, пунктирная — старые
Рис. 3.8. Зависимость лаг-периода индукции глюкокиназы от возраста крысы [4]
Рис. 3.9. Возрастные различия начала и максимума скорости синтеза ДНК в подчелюстной железе крысы после инъекции изопротеренола [3].
1 — возраст 2 мес; 2 — возраст 12 мес
У ферментов типа 2 степень индукции при одинаковой дозе индуктора в старческом возрасте или больше, или меньше. Индукция орнитин-оксокислота — аминотрансферазы кортизоном, глюкозо-6-фосфатазы в печени высокобелковым рационом [88], цитоплазматической малатдегидрогеназы адреналэктомированных крыс кортизоном [53] и орнитиндекарбоксилазы дексаметазоном [30] в старости значительно понижается. Экстремальные случаи такого понижения наблюдаются для митохондриальной малатдегидрогеназы [53] и аргиназы [90] печени после удаления надпочечника и введения кортизона и для ацетилхолинэстеразы мозга крысы [81] после овариэктомии и введения эстрадиола. Во всех этих случаях у старых животных наблюдается полное отсутствие индукции. Вместе с тем индукция глутаминсинтетазы кортизоном у старых крыс больше и в норме, и после удаления надпочечника [89]. Индукция в этих случаях исследовалась только одномоментно, и лаг-период ни для старых крыс, ни для крыс в среднем возрасте неизвестен.
У ферментов типа 3 в старости происходят изменения и величины индукции, и времени, необходимого для индукции. К этому типу относятся замедленное и более слабое повышение активности тимидинкиназы и дезокситимидилатсинтетазы из слюнных желез у крысы после введения изопротеринола [96] или у дрозофилы после обработки аминотриазолом [82].
Для ферментов типа 4 ответ на действие индуктора в среднем возрасте и в старости одинаков. К этому типу относится индукция глюкокиназы, тирозинаминотрансферазы [6] и митохондриальной глицерол-3-фосфат — дегидрогеназы [17] инсулином, кортизоном и тироксином соответственно.
Как и в случае содержания ферментов у нормальных животных, способность различных ферментов к индукции разными индукторами зависит, по-видимому, от линии и пола животных, времени измерения активности фермента, условий, в которых содержались животные, и их физиологического состояния. Однако очевидно, что в одной и той же популяции индукция некоторых ферментов может меняться. При этом может происходить изменение или величины, или лаг-периода, или того и другого вместе. Последовательность событий, начинающаяся с момента проникновения стероидного гормона в клетку-мишень и завершающаяся синтезом специфического белка, более или менее установлена. Гормон проникает в клетку-мишень и связывается со специфическим белковым рецептором в цитозоле, образуя комплекс гормон — рецептор (Г-Р). Этот комплекс проникает в ядро, где связывается со специфическими акцепторными центрами хроматина и стимулирует транскрипцию, после чего происходит синтез специфического белка (рис. 5.2). Необходимо точно определить то место (места) в этой последовательности событий, на котором в старческом возрасте происходит нарушение индукции стероидными гормонами.
Такая попытка была предпринята Канунго и его сотрудниками [54], которые показали, что эстрадиол накапливается в мозгу крысы. Введение эстрадиола (10 мкг/100 г) индуцирует ацетилхолинэстеразу в полушариях головного мозга незрелых и зрелых крыс после овариэктомии, но не влияет на синтез этого фермента у старых крыс [81]. Одной из возможных причин ухудшения индукции ацетилхолинэстеразы эстрадиолом в мозгу старой крысы может быть понижение содержания эстрадиол-связывающих рецепторных белков. Чтобы проверить это предположение, гомогенаты, полученные из полушария головного мозга 7-, 44- и 108-недельных крыс с удаленными яичниками, инкубировали с 3Н-эстрадиолом и количественно определяли эстрадиол-специфичный белок. Оказалось, что самое большое сродство этого белка к 17-эстрадиолу характерно для головного мозга незрелых крыс, у которых наблюдается и самая сильная индукция ацетилхолинэстеразы (рис. 5.6) [56]. Сродство белка к эстрадиолу
Попытки повысить уровень определенных ферментов в мозгу старых крыс путем введения стероидных гормонов дали обнадеживающие результаты. Кастрация старых мужских и женских особей крыс понижает содержание в полушариях мозга двух жизненно важных ферментов, ответственных за проводимость нервов, — ацетилхолинэстеразы и холин-ацетилтрансферазы. Ацетилхолинэстераза катализирует гидролиз ацетилхолина, а холин-ацетилтрансфераза — его синтез. Введение 10 мкг тестостерона на 100 г веса повышает содержание того и другого фермента у старых крыс обоих полов приблизительно до уровня репродуктивного периода. В отношении индукции холин-ацетилтрансферазы тестостерон более эффективен, чем эстрадиол (рис. 5.9) [50]. Такие же результаты были получены для пируваткиназы мозга и сердца (рис. 5.8) [22, 23]. Поскольку в клетке есть ферменты, переводящие тестостерон в эстрадиол, неясно, происходит ли индукция благодаря тестостерону или эстрадиолу. Однако полученные результаты указывают путь управления уровнем специфических ферментов с помощью введения соответствующих количеств их индукторов.
Другим методом, который попытались применить для восстановления индукции ферментов у старых животных, был метод стимулирования регенерации ткани. Было показано, что активность митохондриальной малатдегидрогеназы понижается в печени молодых крыс после удаления надпочечника, но не меняется при этой же операции у старых животных [53]. Введение кортизона вызывает индукцию фермента у молодых крыс и не вызывает у старых. Однако если у старых крыс провести частичную гепатэктомию, дать печени возможность регенерировать в течение трех дней и затем ввести кортизон, то количество фермента увеличится. Таким образом, в отношении индукции митохондриальной малатдегидрогеназы регенерирующая печень старых крыс функционирует так же, как печень молодых. По-видимому, это нарушение индукции, связанное со старением, может быть ликвидировано. Наиболее значительным результатом этой работы является вывод о том, что молекулярные изменения, которые происходят в организме в процессе старения животного, могут быть обращены вспять. Однако клетки печени делятся на протяжении всей жизни, так как эти клетки являются премитотическими. Поэтому печень и способна к регенерации. Многие другие органы, такие, как мозг, сердце, скелетные мышцы, не могут регенерировать, так как их клетки теряют способность делиться на очень ранней стадии развития и становятся постмитотическими. Обратимы ли изменения, происходящие в старческом возрасте в этих органах?
В связи с упомянутыми исследованиями возникает еще один вопрос — обусловлено ли нарушение индукции малатдегидрогеназы в печени старых крыс уменьшением содержания специфических рецепторов кортизона или оно обусловлено репрессией гена малатдегидрогеназы? Поскольку активность малатдегидрогеназы в печени нормальных старых крыс высокая, появление репрессора в старческом возрасте, по-видимому, маловероятно. Чтобы ответить на поставленные вопросы, очевидно, важно измерить количество кортизон-специфического рецептора в печени старых крыс.
Описанные выше исследования показывают, что такие факторы, как гормоны и их рецепторы, важны для поддержания уровня и адаптивного ответа ферментов в различных возрастах. Изменения содержания этих факторов в старости могут вызывать изменения в транскрипции и трансляции и, таким образом, влиять на содержание ферментов. Это может в свою очередь приводить к функциональным сдвигам в органах и в организме в целом.
Измерения Км, Ki, молекулярной массы, электрофоретической подвижности, антигенности и тепловой инактивации ферментов дают ценную информацию об их молекулярных свойствах. При исследовании ферментов, выделенных из органов молодых и старых животных, подобные измерения полезны при решении вопроса о том, одинакова ли структура ферментов, синтезированных в старых и молодых организмах. Если структурные различия не наблюдаются, то, по-видимому, в течение всей жизни фермент кодируется одним и тем же геном, не претерпевающим структурных изменений. Если же различия есть, то это означает, что на различных стадиях жизни функционируют разные гены или же происходят изменения в нуклеотидах, вызывающие изменения кодонов. Вместе с тем такие ошибки в строении молекул белка, как замена аминокислот, могут вноситься в ходе синтеза белка. Для соответствующих исследований требуются в высокой степени очищенные ферменты. Трудность этих исследований заключается в том, что если изучаемый фермент имеет изоферменты и доминирующей формой в одном возрасте является один изофермент, а в другом — другой, то кинетические параметры фермента могут быть различны. Поэтому прежде всего нужно установить, имеет ли изучаемый фермент изоферменты. Если суметь преодолеть трудности, в подобных исследованиях можно получить полезную информацию.