Биологические основы старения и долголетия

Виленчик Михаил Маркович

Особенно интересны данные, полученные на лимфоцитах периферической крови мышат в возрасте 7-10 недель и старых мышей в возрасте более 17 месяцев. Оказалось, что при старении происходит увеличение абсолютного и относительного содержания в препаратах ДНК кольцевых внехромосомных молекул с контурной длиной 0,4–0,8 мкм. Корреляция степени такого молекулярного изменения со старением организма обнаружена и при сравнении мышей одного возраста, но различающихся по скорости старения. Похоже, что это изменение является следствием перестроек ДНК, нестабильности генов, их локальной редупликации — амплификации и выщепления из генома. Но в любом случае этот молекулярный признак можно попытаться использовать

для количественной характеристики клеточного старения.

Одна из наиболее фундаментальных закономерностей старения генетического вещества (которому подчиняется и ядерная, и мтДНК, и половых и соматических клеток) состоит в том, что его повреждение не ограничивается одним каким-либо молекулярным событием. Это многоэтапный процесс, развитие которого приводит к образованию все более сложных и поэтому, вероятно, все медленнее и труднее поддающихся репарации повреждений.

Действительно образование тепловых спонтанных повреждений ДНК начинается с выщепления из ДНК пуринового или реже пиримидинового основания (см. рис. 1).

Но в апуриновых (апиримидиновых) участках резко ослабляются фосфордиэфирные связи остова спирали и в результате образуются разрывы цепей. При наличии такого типа повреждений (назовем их первичными) возрастает вероятность образования в ДНК двойных разрывов и сшивок полинуклеотидных цепей с белками (вторичные повреждения). А последние могут с большой вероятностью реализоваться в изменения структуры хромосом (Хромосомные аберрации — третичные Повреждения генетического вещества).

Теперь посмотрим, как меняется способность ДНК к репараций при повреждениях на различных уровнях. Известно, что апуриновые участки или однонитевые разрывы репарируются довольно быстро, относительно точно и полно; вторичные же — значительно медленнее, не всегда полно и, вероятно, менее точно; а хромосомные аберрации, если они возникли, обычно называются необратимыми.

Мы уделили уже много внимания возрастным изменениям структур, содержащих генетическую информацию или непосредственно участвующих в реализации этой информации. В одной из своих статей Ф. Крик заметил: молекула ДНК такова, что интересная информация о ней может быть практически неисчерпаемой. О механизмах повреждения ДНК при старении, наверное, можно сказать примерно то же.

Однако помимо процессов, происходящих в ДНК и РНК, существует множество иных интересных биологических явлений, связанных со старением. Сейчас мы рассмотрим ряд возрастных изменений негенетических структур.

Нарушение окислительных процессов клетки

Одна из основных функций клетки состоит в обеспечении энергией всех протекающих в ней биосинтетических процессов. Активный транспорт веществ, выполнение различного рода специализированных функций, например сокращение мышц, передача нервного импульса и т. д., обеспечиваются энергией при участии аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) — универсального донора энергии в клетки. Синтез же АТФ в клетке сопряжен с окислением кислородом различных метаболитов в митохондриях (этот процесс синтеза АТФ называется окислительным фосфорилированием) или в результате гликоза, протекающего вне митохондрий и без участия кислорода.

Исследованию изменений концентрации АТФ в процессе старения клетки было посвящено очень много работ. Результаты этих работ приводят к заключению, что при старении экспериментальных животных в ряде их органов может происходить значительное снижение содержания богатых энергией соединений. Хотя из этого правила есть исключения, но и при нагрузке организма выработка таких соединений, т. е. эффективность адаптации и регуляции энергообеспечения

функций, в старости также, как правило, снижается.

Таким образом, один из подходов к увеличению функциональной способности клеток и органов, к торможению преждевременного старения может состоять в увеличении содержания в клетке АТФ. Добиться этого, не нарушая регуляции тех или иных путей метаболизма, очень непросто. Кстати, не надо пытаться достигнуть этого, потребляя препараты АТФ, в частности, потому что молекулы АТФ поступают в клетку с очень и очень малой скоростью. Но увеличить содержание АТФ в клетке можно непрямым путем.

М. Н. Кондрашовой и ее сотрудникам (лаборатория функциональной биофизики митохондрий Института биофизики АН СССР) удалось найти средства (это одна из солей янтарной кислоты и адреналин в очень небольших концентрациях), с помощью которых они "нормализовали" содержание АТФ в печени старых крыс. Хотя возможности коррекции биохимических изменений при старении мы в этих главах специально не рассматриваем, я привел эти данные, потому что в названной работе наблюдали не только увеличение содержания АТФ, но и другие изменения параметров "энергетического статуса" клеток печени старых животных, приближающие их по этим параметрам к клеткам молодых животных.

Одновременно подобного рода исследования помогают в определении "критических" звеньев в метаболизме и механизмов возрастных изменений "энергетических станций" клетки-митохондрии. В изучение этих изменений внесли существенный вклад отечественные биологи, особенно М. Н. Кондрашова, Е. И. Маевский, Ю. Г. Каминский и Е. А. Косенко в Институте биологической физики АН СССР; А. И. Зотин с сотрудниками в Институте биологии развития АН СССР; Л. Н. Богацкая и А. Я. Литошенко с сотрудниками в Институте геронтологии АМН СССР; В. В. Лемешко в Харьковском государственном университете.

В клетках не только экспериментальных животных, но и человека обнаружены возрастные изменения митохондрий. Например, результаты электронно-микроскопического исследования лимфоцитов людей различного возраста свидетельствуют о существенном изменении митохондрий в процессе старения. Так, при сравнении митохондрий лимфоцитов людей в возрасте до 50 лет (1-я группа), 60–69 лет (2-я); 70–79 (3-я); 80–89 (4-я) и старше 90 лет (5-я) число лиц с поврежденными митохондриями составляло 9, 55, 66, 64 и 50 % соответственно. В течение 6-летнего (лонгитудинального) обследования людей первых из этих 4 возрастных групп наблюдали увеличение процента лиц, в препаратах лимфоцитов которых обнаруживали поврежденные митохондрии (это возрастание составляло 9, 15, 20, 9 % соответственно, в 1-4-й группах). Повреждение митохондрий состояло в их набухании, разрушении крист, образовании миелиноподобных структур и появлении гигантских митохондрий.

В 1985 году было обнаружено, что старение диплоидных фибробластов человека in vitro сопровождается увеличением продукции в них молочной кислоты, обусловленным активацией гликолиза. Причем такая активация предшествует другим биологическим, а также морфологическим изменениям при старении. Поэтому возможно, что усиление гликолиза и увеличение выработки молочной кислоты являются одними из существенных механизмов старения клеток.

Увеличение активности гликолиза, в процессе которого образуется молочная кислота, должно увеличить в цитоплазме или даже в ядре концентрацию водородных ионов. При этом снижение рН в старой клетке может иметь для нее несколько тяжелых последствий. Одним из них является уменьшение стабильности генома. Ведь как мы уже знаем, эта стабильность нарушается вследствие депуринизации ДНК — процесса, катализируемого водородными ионами (следовательно, его скорость резко возрастает с уменьшением рН).