Биологические основы старения и долголетия

Виленчик Михаил Маркович

Но ведь условия, существующие даже в нормально метаболизирующих клетках, неизбежно должны приводить к физическому и химическому изменению этих белков: их частичному разрушению теплом, перекисями липидов и т. д., следствием чего должно быть образование ковалентных сшивок между этими белками и другими молекулами клетки. Такие комплексы, подобно липофусцину, очевидно, не могут быть легко удалены из клетки или полностью разрушены, они становятся "шлаками" и постепенно засоряют клетку.

Кроме этого пути образования инертных и в функциональном, и химическом, и термодинамическом отношениях комплексов макромолекул, последние возникают еще и в клетке, а также в результате реакций стабильных и обменивающихся макромолекул с низкомолекулярными веществами, образующими перекрестные связи. Такие агенты обладают несколькими реакционноспособными центрами и поэтому

могут реагировать с несколькими макромолекулами. В результате между ними образуются сшивки. Этот процесс аналогичен вулканизации каучука, когда добавление к нему соединений, содержащих серу, приводит к сшиванию молекул каучука между собой и его затвердению. Вещества же, которые могут осуществлять перекрестное связывание макромолекул, возникают в клетке постоянно: это и промежуточные продукты окисления, и металлы и т. д.

Последствия образования инертных комплексов в клетке отнюдь не исчерпываются тем, что такие комплексы мешают распределению веществ в клетке, засоряют ее. Если эти комплексы возникнут в геноме, если образуются перекрестные связи между геном и белком, то функция гена будет частично или полностью нарушена. И может быть, часть сшивок необратима, поскольку сшивки ДНК — белок являются труднорепарируемыми генетическими изменениями. Но известно, что образование даже одной ковалентной связи между белком и уникальным геном может существенно нарушить жизнедеятельность клетки. Следовательно, такие повреждения могут быть по крайней мере одним из важных звеньев молекулярного механизма или, точнее, механизмов старения.

Уже есть основания и для более точной характеристики этих повреждений. В частности, факты и теоретические соображения позволяют считать, что в образовании сшивок с ДНК принимают участие медленно обменивающиеся основные ядерные белки — гистоны, прежде всего те, которые содержат большое количество лизина (аминогруппы этой аминокислоты относительно легко образуют перекрестные связи). До сих пор мы рассматривали механизмы образования и роль в старении и гибели клеток накопления в них относительно стабильных комплексов макромолекул. Но в состав тканей, кроме клеток, входит и межклеточное вещество, роль которого не только механическая. Оно участвует в транспорте различных веществ между клетками, а также между ними и кровью или другими тканевыми жидкостями. Основной компонент межклеточного вещества — коллаген, количество которого с возрастом увеличивается. Таким образом, в процессе старения в организме становится относительно меньше клеток и больше межклеточного вещества. При этом коллаген со временем подвергается и качественным изменениям. Их возникновение определяется и тем, что коллаген — еще одна (кроме ДНК) макромолекула, практически полностью не обновляющаяся после завершения синтеза. И именно эти макромолекулы (и только они!) состоят из цепей, спирально закрученных друг на друга. Правда, ДНК — это двуцепочечная спираль, коллаген — трицепочечная.

Коллаген, выделенный из различных органов старых животных, существенно отличается от выделенного из тех же органов молодых. Эти возрастные изменения разнообразны, однако большинство из них являются следствием одних и тех же молекулярных событий — образования между цепями коллагена ковалентных сшивок, например, между их аминокислотами — лизином и тирозином. Из биохимических изменений коллагена при старении наиболее общими для всех млекопитающих теперь считают следующие: увеличение в нем содержания оксипролина и оксилизина (и соответственно уменьшение содержания пролина и лизина); увеличение скорости неэнзиматического гликозилирования, несмотря на уменьшение скорости общего метаболизма молекул коллагена.

С такими изменениями, вероятно, связаны и функциональные, и структурные изменения коллагена, в частности понижение эластичности его волокон при старении. Первичные молекулярные механизмы этих изменений могут быть различными и включают как процессы, протекающие в межклеточном веществе (уменьшение в нем содержания Н₂О, изменение содержания в коллагене других молекул, определяющих правильное расположение молекул коллагена), так и изменения на уровне клеток соединительной ткани (уменьшение их количества, изменение иммунологического статуса при старении).

Наряду со специфическими существуют общие молекулярные механизмы старения клеток и межклеточного вещества, т. е. механизмы, осуществляющие деструкцию организма на различных его уровнях. К числу таких механизмов в первую очередь нужно отнести образование свободных радикалов, Н₂О₂

и перекисей органических соединений.

Следовательно, известные факты ускорения старения коллагена кожи у экспериментальных животных, облученных ионизирующей радиацией, также, скорее всего, связаны с действием на него активных форм кислорода и перекисей липидов или со снижением антиоксидантной системы защиты от них. Ведь такие изменения действительно наблюдают в облученных клетках тканей, и они ответственны за многие радиобиологические эффекты.

Таким образом, основные принципы старения клеток и межклеточного вещества оказываются одинаковыми. В обоих случаях они обусловлены образованием сшивок между макромолекулами, как правило, не подверженных метаболизму. Причем механизмы сшивания макромолекул также аналогичны. Процесс обычно начинается (инициируется) истинно спонтанным, тепловым разрушением макромолекул или окислением их низкомолекулярными метаболитами (в основном активными формами кислорода и перекисями). Вероятно, в механизм сшивки различных макромолекул (ДНК и гистонов; молекул коллагена, макромолекул, входящих в состав эластина) существенный вклад вносят реакции с участием аминогрупп аминокислоты лизина.

Глава IV

Молекуляpнo-клеточные системы поддержания жизнеспособности

Механизмы молекулярной самозащиты клетки. Системы репарации ДНК

Биохимики и молекулярные биологи, изучающие структуры клетки или процессы, происходящие в ней, нередко сравнивают клетку с биохимической фабрикой. Однако фабрика эта очень необычна. Действительно сопоставим, например, генетическую информацию ДНК с программой технологических процессов, заложенной в системе управления фабрикой (будем считать, что это программа вычислительного комплекса). Но мы теперь знаем, что в ДНК спонтанно с большой частотой возникают различные повреждения, причем многие из них вызываются продуктами нормального метаболизма — веществами, необходимыми для жизнедеятельности клетки.

Таким образом, если продолжать аналогию клетки с биохимической фабрикой, то нельзя не увидеть одну существенную отличительную особенность: программа работы этой фабрики постоянно разрушается продуктами ее собственного производства. И нормально функционировать такая фабрика (например, в течение сроков, сопоставимых со временем, затрачиваемым на ее создание) может лишь в том случае, если в ней имеются "сверхпрограмма" и средства восстановления всех программ работы фабрики.

В клетке действительно имеются механизмы и даже системы механизмов для ремонта поврежденных генетических структур. Схема работы наиболее изученного — эксцизионного механизма репарации представлена на рис. 6. Один из интереснейших механизмов репарации ДНК, открытых в последние годы, — устранение из ДНК гуанинов, алкилированных по 6-му кислородному атому. Особенность этой системы репарации ДНК состоит в ее адаптивности, т. е. ее активность во многих клетках увеличивается в условиях, когда возрастает число повреждений, устраняемых ею. Поскольку такие повреждения с относительно большой частотой приводят к мутации и трансформации клеток, то рассматриваемую систему репарации ДНК считают антимутагенной и антиканцерогенной. В процессе такой репарации "лишняя" метильная группа гуанина двойной спирали ДНК переносится на цистеиновый остаток фермента — акцепторного белка. Происходит полное восстановление исходной структуры остатка гуанина в ДНК, но сам фермент инактивируется (см. также с. 203).

В начале 80-х годов автор этих строк теоретически предсказал, что образование О⁶– метилгуанина в ДНК может происходить вследствие реакции ДНК с нормальным метаболитом, необходимым всем клеткам для осуществления различных физиологических функций — S-аденозилметионином. Иными словами, определенное количество повреждений ДНК рассматриваемого типа неизбежно образуется и при физиологических условиях. С этим обстоятельством, вероятно, и связана способность клеток развивать реакцию, так сказать, самоадаптации (т. е. реакцию защиты ДНК от спонтанного физиологического повреждения ДНК "своими" необходимыми клетке метаболитами).