Биологические основы старения и долголетия

Виленчик Михаил Маркович

Уменьшение способности мышц старых животных поддерживать энергетический баланс, вероятно, определяется комплексом механизмов как внутриклеточных (уменьшение в мышцах количества митохондрий, интенсивности аэробного ресинтеза АТФ и внемитохондриального фосфорилирования), так и внеклеточных (уменьшение функциональных способностей системы кровоснабжения мышцы). Увеличение содержания лактата в "старых" мышцах обычно объясняют относительным увеличением анаэробного энергообеспечения при нагрузке. Возможно, однако, что в старости лактат и выводится из тканей менее эффективно.

Таким образом, нарушения биоэнергетических процессов при старении, которые мы кратко рассмотрели, связаны не только с изменением энергообеспечения клеток. Они могут приводить, в частности, к нарушению стабильности генома. Но это с одной

стороны. С другой — снижение этой стабильности может нарушить регуляцию окислительных процессов.

В своей книге "Радиобиологические эффекты и окружающая среда" (Москва, 1983) автор этих строк описал гипотетическую программу гибели клеток, включаемую по крайней мере в лимфоцитах, если в них равновесие между процессами повреждения и репарации ДНК резко нарушено (например, под влиянием облучения или ингибиторов репарации ДНК). Тогда в клетке резко снизится концентрация никотин-амидадениндинуклеотида (НАД), который используется в процессе синтеза поли(АДФ-рибозы), активируемом в случае образования в ДНК значительного числа повреждений. Но ряд ферментов — НАД-зависимые, поэтому нарушение целостности ДНК, даже вне связи с нарушением ее способности контролировать синтез белков, может приводить к нарушению метаболизма, в том числе биоэнергетических процессов, и в связи с этим — к снижению содержания АТФ в клетке.

В последние годы получены факты, подтверждающие это теоретическое предсказание. Есть также основание полагать, что описанный механизм саморазрушения клеток встроен не только в лимфоцитах, но и в других клетках (например, в нервных), ошибки в работе генетического аппарата которых (а они неизбежны, если ДНК этих клеток сильно повреждена) могут иметь тяжелые последствия для организма (иммунологические нарушения в результате потери лимфоцитами способности различать "свои" и "чужие" белки или нарушение нервной регуляции функций). Поскольку повреждение ДНК клетки увеличивает вероятность ее злокачественной трансформации, то включение рассмотренного механизма клеточной гибели эквивалентно защите организма от потенциально трансформированных делящихся клеток. Таким образом, малигнизация может быть связана с мутацией клетки, приводящей к таким изменениям метаболизма НАД и поли(АДФ-рибозы) или стабильности генома, при которых выключается предполагаемая программа гибели клетки.

Начальные (пусковые) механизмы возрастных изменений биоэнергетических процессов в клетке многообразны. Однако в основном они связаны с нарушением регуляции синтеза и функции ДНК и ферментов, катализирующих эти процессы. Но значение имеют и возрастные изменения мембран, "упорядочивающих" метаболизм. Ведь и окислительное фосфорилирование, и гликолитический путь метаболизма протекают при участии мембранных структур: в первом случае — митохондрий, во втором — эндоплазматического ретикулума.

Роль изменения структуры и функции мембран клетки

Проводимый в настоящей главе даже краткий анализ данных об изменении мембран при старении показывает, сколь быстро устанавливалась связь между фундаментальными биологическими исследованиями и изучением механизмов старения в течение последнего десятилетия. Действительно лишь в эти годы были получены основные результаты о свойствах специальных белков-рецепторов, многие из которых встроены в цитоплазматические мембраны. Одни из этих белков воспринимают ("рецептируют") определенные гормоны, другие — белковые факторы роста, а третьи — вещества, участвующие в передаче нервного импульса (нейропередатчики или нейротрансмиттеры, т. е. соединения, благодаря которым возбуждение от одного нейрона передается к другому). Это значит, что регуляция различных функций организма эндокринной и нервной системой осуществляется с участием рецепторов.

Но среди многих биологов и физиологов, изучавших природу старения, уже давно укрепилось мнение о важной роли нейроэндокринных возрастных изменений в старении целостного организма. Вероятно, поэтому почти одновременно с открытием тех или иных рецепторов, как правило, начинали изучать и возрастные изменения этих рецепторов. За прошедшее десятилетие результатов таких исследований опубликовано много не только в биогеронтологической, но и в другой специальной литературе: по мембранологии, нейроэндокринологии,

фармакологии, молекулярной кардиологии и т. д. О ряде этих исследований будет рассказано в настоящем разделе главы.

А сейчас одно небольшое пояснение. Дело в том, что, кроме рецепторов, расположенных на поверхности клетки и связывающих нейротрансмиттеры или гормоны, существуют и более глубоко расположенные (цитоплазматические) рецепторы, которые реагируют с относительно легко проникающими через мембрану, например, стероидными половыми гормонами. Затем комплекс рецептор — гормон транспортируется в ядро, где он вызывает активацию определенных генов, следствием чего является индукция синтеза определенных белков, а следовательно, и специфическое изменение метаболизма в определенной ткани — "мишени гормона", имеющей соответствующие рецепторы.

Связывание определенной молекулы (лиганда) с мембранными рецепторами также приводит к "запрограммированным" изменениям: проницаемости мембраны, концентрации циклической аденозинмонофосфорной кислоты (цАМФ) или ионов Са²⁺ и т. д. Происходит это закономерно, потому что рецепторы встроены в мембрану таким образом, что они находятся в контакте с другими определенными макромолекулами, и в случае связывания рецептора "со своим" лигандом изменяется структура не только рецепторa, но и структура и активность других (но определенных) макромолекул, "чувствительных" к рецептору или к изменению концентрации цАМФ или Са²⁺. После такого введения продолжим рассказ о роли мембран в старении.

Функция мембран не ограничена лишь их очевидным свойством — регуляцией путем переноса ионов и других низкомолекулярных веществ. В регуляции биосинтеза ДНК и РНК, переносе последней из ядра в цитоплазму существенное значение имеет ядерная мембрана; биосинтез многих белков протекает на полисомах, "организуемых" мембранами эндоплазматической сети; биосинтез липидов регулируется ферментами, упорядоченными на митохондриальных мембранах. Распад же различных биомакромолекул, их гидролиз осуществляются также в определенных мембранных структурах — лизосомах. Именно благодаря тому, что многие гидролазы ограничены, "упрятаны" в этих структурах, обеспечивается относительная надежность функционирования макромолекул в клетке. Таким образом, все основные биохимические процессы в клетке регулируются мембранами, а функции мембран основаны на их способности контролировать и координировать диффузию и активный перенос субстратов (т. е. перенос вещества против градиента концентрации) в клетку и из нее, от одной органеллы к другой, служить площадкой, на которой происходит специфическая ориентация макромолекул и образование между ними специфических комплексов и формирование органелл (например, полисом), воспринимать внеклеточные сигналы с помощью встроенных в мембраны рецепторов, специфически взаимодействующих с определенными (сигнальными) молекулами, благодаря перечисленным свойствам поддерживать и регулировать определенную форму клеток, рост и состояние их митотической активности. Ядерная мембрана "старых" клеток имеет значительно измененную структуру, что хорошо видно в электронном микроскопе: она образует складки и впячивания внутрь ядра, иногда наблюдается нарушение целостности ее структуры. Эти изменения должны нарушить специфичность взаимодействия ядра с цитоплазмой, уменьшить селективность процессов переноса вещества из ядра в цитоплазму и наоборот. Нарушение переноса должно касаться не только низкомолекулярных веществ, но и передвижения (транслокации) в обоих направлениях биомакромолекул (главным образом РНК из ядра в цитоплазму и ядерных белков из цитоплазмы в ядро).

При старении клеток печени изменяется химический состав цитоплазматических мембран, а точнее, изменяется соотношение различных белков и активность ферментов, входящих в их состав.

Мы уже знаем, что нарушение способности к делению — один из важных признаков старения клеток. Молекулярные механизмы этого нарушения могут быть многообразны и, вероятно, так или иначе связаны с изменением структуры и функции генетического аппарата. На основании только что сказанного можно предположить, что другой клеточной структурой, изменение которой может быть критическим для нарушения в процессе старения способности клетки к делению, является цитоплазматическая мембрана.