Биологические основы старения и долголетия

Виленчик Михаил Маркович

Когда сравнили белки мембранных структур синаптосом коры головного мозга крыс в возрасте 2, 12 и 24 месяцев, то оказалось, что отношение общего количества белка с молекулярной массой, превышающей 5-10⁵, к белкам с массой, меньшей этой величины, у молодых животных составляет 1:3, у взрослых — 1:2,1, у старых — 1:1,3. Относительное увеличение высокомолекулярных фракций белков с возрастом, вероятно, имело существенное значение в снижении функциональных способностей головного мозга, так как центрофеноксин, который по некоторым параметрам тормозит старение мозга и улучшает его функцию у старых животных, будучи введенным старым крысам, "омолаживал" белковый состав мембран синаптосом их головного мозга.

То, что мы

сейчас обсуждали, касалось цитоплазматических мембран, отделяющих клетку от окружающей ее внешней среды. Но ведь для нормального функционирования клетки не меньшее значение имеют и мембраны, "пронизывающие" клетку, разделяющие ее на отдельные органеллы, "отсеки" и т. д. Это, в частности, мембраны эндоплазматической сети, на которых происходит синтез многих белков и которые служат стенками каналов, пронизывающих клетку.

С недостаточно активной функцией лизосом связано и накопление в клетках "шлаков", метаболически стабильных комплексов — об их природе и роли в старении будет рассказано позднее.

Теперь рассмотрим физико-химические механизмы старения мембран, знание которых позволит нам глубже понять и биологическую роль самого феномена старения этих структур. Такие механизмы исследовали в основном двумя путями. Один из них состоял в сравнении химического состава высокоочищенных препаратов определенных мембран, выделенных из клеток животных различного возраста.

Таким образом было обнаружено, в частности, что процесс старения изменяет липидный состав митохондриальных мембран. В качестве примера рассмотрим сравнительные данные о жирокислотном составе, содержании холестерина и фосфолипидов в мембранах митохондрий сердца молодых (4 месяца) и старых (33 месяца) крыс-самцов. Оказывается, что в мембранах старых животных значительно увеличено содержание холестерина и процент сфингомиелина и кардиолипина. Среди жирных кислот при этом увеличивалась доля пальмитиновой кислоты, а в кардиолипине — доля длинноцепочечных жирных кислот. При старении у большинства фосфолипидов индекс ненасыщенности уменьшался (у кардиолипина он повышался). Такие изменения мембран должны приводить к изменению их вязкости (точнее, микровязкости), "текучести" митохондриальных мембран, что, в свою очередь, может нарушить способность митохондрий сердца обеспечивать его энергией, а это в конечном счете может приводить к нарушениям сердечной деятельности, наблюдаемым в старческом возрасте.

Понятия "микровязкость" или "текучесть" мембран введены биофизиками, использующими "метки или зонды" — органические молекулы, во-первых, способные флуоресцировать или обладающие парамагнитными свойствами и, во-вторых, способные связываться с липидной или белковой компонентой мембран. В этом случае флуоресцентным методом или методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) можно определить подвижность метки (зонда) при различных температурах, а эта подвижность и ее изменение с изменением температуры по очевидным физическим причинам как раз и определяется подвижностью или микровязкостью тех молекул, к которым пришиты метки (зонды).

С помощью таких методов и было определено, что подвижность ацильных цепей (текучесть липидов) мембран уменьшается при старении клеток. Такие данные были получены, в частности, советскими биофизиками А. Б. Капитановым и В. Г. Ладыгиной во 2-м Медицинском институте. К сходному выводу пришли известные зарубежные исследователи мембран М. Шиницкий и Я. Скорник. Они заключили на основании анализа имеющейся информации по изменению физико-химических свойств мембран при старении, что начальная фаза старения мембран характеризуется существенным изменением состава и физических свойств липидного бислоя, в частности увеличением микровязкости.

В совместной работе В. К. Кольтовер из Института химической физики АН СССР, Р. А. Гуськова из МГУ и автор этих строк методом ЭПР и с помощью спинового зонда, вводимого в липидный бислой мембран микросом, сравнивали физические свойства мембран, выделенных из печени молодых (2–5 месяцев)

крыс и старых (22-месячных). Резких возрастных изменений мембран, исследованных при 37 °C, мы не обнаружили. Однако сравнение температурных зависимостей "параметра упорядоченности" спинового зонда в них показывает, что структура мембран в процессе старения все же нарушается. Это нарушение может быть связано с изменением степени метилирования их фосфолипидов. Данные, свидетельствующие об этом, интересны и тем, что они показывают возможность обратить вспять определенные (хотя и не все) процессы старения на молекулярном уровне с помощью физиологически активных веществ.

Так, в стриатуме — одном из участков головного мозга крыс — обнаружено увеличение микровязкости липидов мембран при старении, сопровождаемое снижением включения метальных групп в фосфатидилхолин. Длительное же введение старым крысам S-аденозилметионина, являющегося донором метальных групп, снижало микровязкость мембран стриатума до значений, характерных для мембран молодых животных. Количество -адренергических специфических участков связывания (рецепторов, количество которых при старении в стриатуме уменьшается) после кормления S-аденозилметионином также возвращалось к норме. Однако активность аденилатциалазы при этом оставалась по-прежнему сниженной.

Приведенные данные позволяют связать только что нами рассмотренные данные об изменении с возрастом физических и химических свойств липидного бислоя мембран с заключением о нарушении в процессе старения рецепторной функции мембран. Ведь молекулы белков-рецепторов встраиваются в липидный бислой и функционируют в его окружении или, может быть, точнее — при его участии. Следовательно, если его химический состав и физические свойства становятся не оптимальными, будут затруднены и включение рецепторов в мембрану (и следовательно, уменьшение их количества, действительно наблюдаемого при старении), и нарушение их функции, особенно регуляции их функции, например, при функциональных нагрузках. Это заключение согласуется с интересными данными об изменении липидного состава плазматических мембран клеток мозга и сердца и активности ферментов, входящих в состав этих мембран, полученными Л. Н. Богацкой с соавторами (Институт геронтологии АМН СССР).

Накопление в клетках и в межклеточном веществе метаболически стабильных комплексов макромолекул

К числу молекулярно-клеточных наиболее четких и хорошо изученных изменений, характеризующих процесс старения, можно отнести накопление в клетках особого пигмента — липофусцина. Увеличение его содержания в клетках различных органов столь симптоматично для старения, что он получил даже название пигмента старения. Точнее, нужно говорить о пигментах-липофусцинах, так как в клетках различных органов (даже в клетках одного типа, но разного возраста) этот пигмент по некоторым свойствам неидентичен. Однако во всех исследованных случаях липофусцины содержат различные (модифицированные) продукты переокисления и полимеризации липидов и липопротеидов.

Можно полагать, что накопление липофусцина при старении снижает функциональный потенциал нервных клеток, а также их способность противостоять вредным воздействиям окружающей среды (таким, как токсины, вирусы, соединения алюминия, попадающие в мозг). Такие внешние воздействия усугубляют "спонтанные" внутриклеточные и сосудистые изменения мозга при старении.

Кроме липофусцина, с возрастом в клетках могут накапливаться и другие молекулы и их комплексы. Результаты исследований, проведенных с использованием предшественников белков и липидов, меченных радиоактивными атомами, приводят к заключению, что часть этих молекул сохраняется в организме в течение промежутков времени, сравнимых с продолжительностью жизни животных. Особенно велика функция медленно обменивающихся белков в мозге, сердце и скелетных мышцах, т. е. в тех органах, специализированные клетки которых не делятся во взрослом организме.