Биохимия старения

Канунго М. С.

_{63. Wodinsky J. Science, 198, 948–951 (1978).}

Глава 6. Образование поперечных сшивок, свободные радикалы и старческий пигмент

Введение

Клетка представляет собой чрезвычайно сложный и динамический химический организм, в котором с помощью ферментов, синтез которых регулируется генами, постоянно образуются различные метаболиты, гормоны и другие сопутствующие вещества. Хотя в основном эти сопутствующие вещества необходимы для клетки или для организма, некоторые из них, если они накапливаются в количестве, превышающем определенный уровень, оказывают вредное действие. Например, промежуточные продукты цикла Кребса имеют отрицательные заряды и могут образовывать поперечные сшивки молекул, обладающих положительными зарядами. Ряд альдегидов обладает высокой реакционной способностью и может вызывать сшивки биомолекул. Известно, что некоторые гормоны

оказывают вредное действие, если они накапливаются в количестве, превышающем определенный уровень. Некоторые соединения, например свободные радикалы, образуются в клетках при действии ионизирующей радиации, а также в реакциях окисления, постоянно в них протекающих. Они высоко реакционноспособны и могут инициировать образование поперечных сшивок биомолекул. Следовательно, их необходимо инактивировать или удалять из системы с такой же скоростью, с какой они образуются. Если опасные сопутствующие продукты не удалять, они могут вызывать инактивацию важных биомолекул и накопление поврежденных молекул. Некоторые исследователи полагают, что такие вредные вещества с возрастом накапливаются, так как клетки постепенно теряют способность удалять их с такой же скоростью, с какой они образуются. Подобные изменения могут нарушать функционирование клеток и вызывать старение организма.

Агенты, инициирующие образование поперечных сшивок

Бьёркстен в 1962 г. предположил, что накопление внутри и вне клеток агентов, вызывающих образование поперечных сшивок, приводит к необратимой инактивации функциональных молекул и вызывает нарушение функций организма. Сшивающие агенты могут возникать в процессе нормального метаболизма. К ним относятся альдегиды и молекулы, содержащие одну или несколько ионизированных групп. В молодом возрасте они расходуются в нормальных метаболических процессах, а в старческом накапливаются [4]. В случае если они связываются с биомолекулами, например с ДНК или ферментами, они уже не могут быть удалены и необратимо инактивируют эти молекулы. Верцар высказал предположение [52–54], что увеличение количества нерастворимого коллагена с возрастом происходит из-за образования поперечных сшивок в молекулах пептидов (гл. 4). Считают также, что уменьшение экетрагируемости белков хромосом из хроматина объясняется увеличением числа их сшивок с молекулами ДНК (гл. 2).

Свободные радикалы

Агентами, вызывающими поперечные сшивки, могут служить также свободные радикалы [20, 21]. Теория сшивок и свободно-радикальная теория старения, предложенные соответственно Бьёркстеном (1962) и Харманом (1962), близки, так как обе они включают инактивацию биомолекул в результате поперечных сшивок. Единственное различие между этими теориями заключается в том, что свободные радикалы, обладающие высокой реакционной способностью, кроме сшивок, могут вызывать и другие повреждения.

Свободными радикалами называют атомы или молекулы, имеющие неспаренный электрон. Они обладают высокой реакционной способностью и инициируют образование различных продуктов. В разных организмах найдено значительное количество радикалов [19, 35, 36]. Они могут возникать в клетке по многим механизмам, в основном в органеллах, генерирующих энергию, таких, как митохондрии и хлоропласты. Свободные радикалы образуются в ходе обычного окисления органических соединений молекулярным кислородом; их возникновение катализируется металлами, например медью и железом, согласно следующим схемам:

или

Fe²⁺ катализирует образование радикалов согласно реакции

Все свободные радикалы обладают рядом определенных свойств и высокой реакционной способностью. Они парамагнитны, так как имеют магнитный момент благодаря наличию неспаренного электрона. Их свободная энергия выше, чем у частиц, из которых они образовались, и они активно окисляют соседние молекулы. Радикалы инициируют перекисное окисление ненасыщенных жирных кислот. Это приводит к разрушению биологических мембран, содержащих фосфолипиды — эфиры глицерина и ненасыщенных жирных кислот.

Свободные радикалы легко разрушаются вследствие их активной природы и способны образовывать аддукты или инициировать сшивки биологических молекул. Поэтому они обычно инактивируются ферментами типа пероксид-дисмутазы (ПОД), под действием которой происходит дисмутация или перегруппировка двух молекул супероксида:

Каталаза затем катализирует дальнейшее превращение двух молекул перекиси водорода

Супероксид-ион

и перекись водорода, образующиеся в клетке, взаимодействуют друг с другом согласно реакции

Радикал H может присоединяться по двойной связи между 5-м и 6-м положениями в молекуле тимидина и нарушать активность ДНК. Радикалы Н и Н₂ чрезвычайно реакционноспособны [40] и имеют очень короткое время полужизни. Радикалы Н образуются вместе с гидратированными электронами при действии ионизирующей радиации. Эти радикалы постоянно возникают в организме, и если бы не существовало механизмов, с помощью которых они разрушаются с той же скоростью, что и образуются, то они вызывали бы быструю инактивацию биологических молекул.

К биологическим молекулам, способным помимо ПОД удалять из клетки свободные радикалы, относится витамин Е. Это антиоксидант, защищающий ненасыщенные жирные кислоты от перекисного окисления и препятствующий "размножению" свободных радикалов в ходе перекисного окисления липидов [48]. Сообщается, что другой антиоксидант, этоксихин, увеличивает продолжительность жизни лабораторных мышей на 15–20 %. Когда в пищу мышей добавляли антиоксиданты 2,6-дитрет-бутил-4-метилфенол и меркаптоэтиламин, продолжительность жизни животных возрастала на 30–40 % [22]. Установлено, что антиоксиданты, которые замедляют реакции, протекающие с образованием радикалов как промежуточных продуктов, увеличивают длительность жизни Turbatrix [15]. Таким образом, свободные радикалы и другие агенты, вызывающие сшивки, по-видимому, нарушают функционирование биологических молекул. Однако предстоит еще выяснить, почему они не удаляются или не инактивируются в организме более старых животных так же эффективно, как в организме молодых. Данных о том, что в короткоживущих организмах радикалы генерируются или аккумулируются с большей скоростью, чем в долгоживущих, нет. Не показано также, что уровень радикалов в старых организмах выше, чем в молодых. Кроме того, радикалы являются вторичными продуктами метаболизма и, следовательно, вряд ли могут быть первичной причиной старения.

К потенциальным сшивающим агентам относятся различные альдегиды. Среди них — формальдегид (НСНО), который образуется по меньшей мере в восьми метаболических реакциях, известных до сих пор [4, 5]. Он способен сшивать основания ДНК и инактивировать ее.

Старческий пигмент

Старческий пигмент, называемый также липофусцином ("липо" — жир, "фусцин" — темный), впервые был обнаружен Ходжем в 1894 г. в цитоплазме нейронов старых организмов. Его образование относится к наиболее очевидным и легко наблюдаемым изменениям, возникающим в неделящихся клетках, таких, как нейроны и клетки скелетных мышц [1, 6, 8, 9, 12, 23, 29, 38, 45, 50]. Накопление старческого пигмента в коре и гиппокампе головного мозга человека [17], макака-резуса [11] и крысы [8, 10] является одним из постоянных морфологических признаков старения. Возможно, это накопление служит одной из причин потери нейронов [7, 10, 11]. Липофусцин образуется также и в делящихся клетках, например в клетках печени [16], коры надпочечников [47] и семенников [29]. Откладывание пигмента усиливается при введении кортизона, недостатке витамина Е, гипоксии [42, 46] и при некоторых патологических состояниях, возникающих в раннем возрасте [41]. Его накопление вызывает пропорционально усиливающееся разрушение цитоплазматических структур, например уменьшение массы цитоплазмы, числа митохондрий, шероховатого эндоплазматического ретикулума, упрощение аппарата Гольджи и образование в цитоплазме вакуолей [39] (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Изменение с возрастом доли объема клетки, занимаемой липофусцином, цитоплазмой и ядром в больших нервных клетках из nucleus deviatus мозжечка [51].

_{1 — липофусцин; 2 — цитоплазма; 3 — ядро}

Источник образования старческого пигмента пока не выявлен. Ряд исследователей высказывается в пользу лизосом, так как с процессом его образования связаны некоторые гидролазы [2, 12, 14, 44, 50]. Другие [13, 18, 24] считают, что источником липофусцина являются митохондрии. Они предполагают, что он образуется при перекисном окислении полиненасыщенных липидов в этих клеточных органеллах [44, 48]. Липофусцин представляет собой весьма сложное, имеющее сопряженные связи и поперечные сшивки соединение, которое накапливается, как правило, в цитоплазме неделящихся клеток — нейронов, клеток сердечной и скелетной мышц. У крыс его накопление в аэробных тканях интенсивнее, чем в анаэробных [39]. При освещении ультрафиолетовым светом наблюдается его флуоресценция с масимумом между 430 и 490 нм. Липофусцин окрашивается Суданом черным, нильским голубым и ШИК-положителен.