Биология старения

           Введение

       Когда известный учёный А. Вейсман  сформулировал свою  теорию  о   том, что смерть предков может быть способом  расчистить  путь  более  совершенным потомкам,   он   руководствовался   только    соображениями    биологической целесообразности. Действительно, любой новый  признак,  возникший  у  детей, неизбежно разбавился бы океаном старых признаков отцов,  дедов,  прадедов  и т.д. Таким образом, бессмертие особей того или  иного  вида  затормозило  бы прогрессивное развитие этого вида.

       Продолжение  вида  зависит   от  выживания  достаточного   числа   его

представителей  в течение времени, достаточном  для размножения  и  воспитания потомства  до  самостоятельного  состояния.  Это фундаментальное  положение ведёт к  представлению  о  том,  что  лучший  способ  реализовать  выживание состоит в том, чтобы  в  ходе  естественного  отбора  преимущества  получали животные, имеющие наиболее значительные физические резервы  жизненно  важных органов. Более высокий или избыточный уровень физиологических возможностей

повышает вероятность  дожития  животного  до  репродуктивного  успеха.  Если животное   достигло   половой   зрелости   и    воспитало    потомство    до самостоятельного состояния, то избыток  физиологического  резерва  позволяет каждому продолжать активное существование после достижения  жизненно  важной цели.  Более  длительная  жизнь  каждого  индивида   определяется   избытком резервов, которыми он располагает к тому сроку, когда цель  уже  достигнута.Таким  образом,  силы  естественного  отбора  ослабевают  после   достижения животным репродуктивного успеха, поскольку жизнь за пределами этого  события имеет  меньшее  значение  для  выживания  вида.  Энергия  наилучшим  образом используется на гарантирование репродуктивного успеха,  а  не  на  продлении индивидуальной жизни. Вот почему  после  достижения  репродуктивного  успеха силы естественного отбора не  способствуют  удлинению  жизни.  Однако  после достижения репродуктивного успеха животное имеет возможность жить в  течение периода,    длительность    которого    определяется     уровнем     избытка физиологического резерва, достигнутого на стадии полового созревания.

       У  разных  видов  скорость  старения  после  репродуктивного   успеха

различна. Например, смерть горбуши тотчас после нереста или гибель  бамбука, который десятками лет может размножаться вегетативно, но, зацвётши,  умирает в тот же сезон. У других же видов старение может  быть  растянуто  на  много большее время.

       Старение, растянутое во времени,  призванное  бороться  с  засорением

популяции  предками  долгожителями,  стимулируя  тем   самым   прогрессивную эволюцию,  работает  на  выполнение  той  же  задачи  ещё  одним   способом. Появление полезного признака позволяет компенсировать в известных  временных пределах  эффект  старения.  Крупный  олень,  даже   достигнув   преклонного возраста, может иметь больший шанс победить в  весеннем  бою  за  самку  или спастись от волчьей стаи, чем его молодой, но низкий сородич.

       На клеточном уровне запрограммированная смерть к  настоящему  времени точно  доказана  экспериментальным  путём.  Здесь   прежде   всего   следует упомянуть  доказательство  «лимита  Хейфлика»,  т.е. ограниченности   числа делений определённых соматических клеток организма.  Другим  ярким  примером такого рода служит апоптоз. В  клетке  заражённой  вирусом  включается,  как оказалось, специальный механизм самоубийства, когда клетка  расщепляет  свои биополимеры, прежде всего ДНК и определённые ферменты, и гибнет,  увлекая с собой  и  заразивший  её  вирус.  Показано  также,  что  подобный   механизм позволяет организму  освободиться  от  оказавшихся  вредными  или  ненужными клеток и даже органов. Например, исчезновение хвоста у головастика.

 

          История проблемы.

       Проблемами старения  живых организмов  с давних  времён  занимались

биогеронтологи. Но причины старения долгое время  были непонятны.

       Так, в начале этого века  Алексис Каррель –  известный   специалист  по

культуре клеток, хирург, лауреат Нобелевской премии  –  описал эксперимент, поставленный, чтобы показать возможность последовательного  и  неограниченно долгого  размножения  в  культуре  фибробластов  (фибробласт  –  клетка   из семейства соединительных клеток, она может при необходимости превратиться  в хрящевую, костную, жировую или гладкомышечную клетку), полученных из  сердца цыплёнка. Рост культуры был произвольно прекращён  экспериментаторами  через 34 года. Это открытие вызвало интерес во всём мире.

       Важность открытия о бессмертии культивируемых  клеток  цыплёнка  была ясна  для  биогеронтологов.  Если  считать  этот  факт   установленным,   он позволяет предполагать,  что  клетки,  выпущенные  из-под  управления  живым организмом,  имеют  потенциальную  способность  нормально   размножаться   и функционировать в  течении  периода,  превышающего  продолжительность  жизни вида ( максимальная зарегистрированная длительность жизни кур – 12 лет.)  Это означает,   что   старение   должно   быть    результатом    физиологических взаимодействий между клетками только  при  их  объединении  в  ткани  или  в органы. Результаты исследований Карреля и их интерпретация были  чрезвычайно важны для биогеронтологов,  так  как  явно  предполагали,  что  старение  не

является результатом  процессов, происходящих на клеточном уровне.

       В  течение  нескольких  лет   после  появления  данных   Карреля   его

интерпретация  этих   экспериментов   получила   подтверждение   в   работах

нескольких  лабораторий, где  обнаружили,  что  популяции  клеток,  взятых  у других  видов,  в  том  числе  и  у  человека,  также  имели  неограниченную

способность  к,  казалось  бы,  неограниченной   репликации.   Сообщения   о

спонтанном  возникновении иммортализованных  популяций клеток  большого  числа

тканей  человека  и  животных   поступили   из   десятков   лабораторий   за

двадцатилетний  период  с  начала  40-х  до  начала  60-х  годов  XX   века.

Иммортализованные популяции клеток и сейчас возникают  случайно  в  культурах нормальных клеток.

       Смерть клеток в культуре наблюдалась  с  тех  пор,  как  Р.  Харрисон

создал  первую  общепризнанную  культуру  клеток   в   1907   году.   Однако

распространилось  мнение, в основном базирующееся  на  работах  Карреля,  что все клетки в  культуре  являются  изначально  иммортализованными,  а  гибель происходит лишь из-за того, что точные условия роста культуры неизвестны.  В дальнейшем положение о  врождённом  бессмертии  клеток  стало  догмой  среди специалистов по культуре клеток. Это  уводило  внимание  биогеронтологов  от индивидуальной клетки как места возникновения возрастных изменений.

       Однако то, что в  50-х  годах   считалось  бесспорным  доказательством

бессмертия  клеток  в  культуре,  вскоре  уступило  место  новым  взглядам  и

противоположным результатам.  Так  в  1961  году  Л.  Хейфлик  и  П.  Мурхед показали ограниченность репликативной  способности  нормальных  фибробластов человека. Впервые они исключили артефакты или  незнание  адекватных  условий культуры как возможные причины смерти нормальных клеток в  культуре.  Учёные объяснили этот феномен как  следствие  старения  на  клеточном  уровне.  Они показали, что смерть нормальных клеток человека в культуре не  была  вызвана какими-либо  тривиальными  причинами,  а  была  внутренним  свойством  самих клеток. Учёные показали, что когда нормальные эмбриональные клетки  человека растут в  наиболее  благоприятных  условиях,  старение  и  смерть  неизбежно

наступают после ~50 удвоений популяции. Этот  эксперимент  был впоследствии успешно воспроизведено в сотнях других лабораторий.

 

          Молекулярные механизмы, обуславливающие старение клетки.

       В начале 60-х годов работы Хейфлика  были восприняты в штыки. Это  было понятно, так как получалось, что вся шестидесятилетняя  работа  учёных  была проделана не в том направлении. Хотя после признания  сенсационных  открытий Л. Хейфлика и П. Мурхеда больше внимание  стало  уделяться  старению  клетки как одного из главных факторов старения организма в целом.

       На данный момент  чётко   процесс  старения  клетки  не  изучен.  Так,

существует  несколько теорий. Одни считают, что  процесс  старения  связан  с укорочением  теломер.  Другие  считают,  что  сущность  процесса  состоит  в увеличении концентраций  активных  форм  кислорода  с  возрастом,  а  «лимит Хейфлика» является всего лишь барьером. Но  большинство  теорий  сходится  в том, что смерть клетки является её запрограммированной функцией.

       Естественно, что  число   факторов  и  механизмов,  вызывающих  смерть

клетки, велико, но всё же это число конечно. В  этом  реферате  я  бы  хотел

рассмотреть следующие  механизмы:

       . Индукция белков теплового шока.

       . Активные формы кислорода.

       . Укорочение теломер.

       Эти три фактора на данный  момент наиболее изучены. Наиболее  изученным

является механизм укорочения теломер.

 

                       Индукция белков теплового шока.

       В любой живой клетке есть  белки, ремонтирующие другие белки,  если  те приобрели неправильную  конформацию.  Если  нормальные  клетки  на  короткое время  подвергнуть  «тепловому  шоку»,  повышая  температуру,  они  начинают синтезировать  в  большом  количестве   белки-ремонтники.   Белки-ремонтники получили название белков  теплового  шока,  поскольку  их  количество  резко возрастает в ответ на  повышение  окружающей  температуры,  сопровождающееся денатурацией белковых молекул. Подобный эффект вызывает  не  только  высокая температура, но и любые другие  воздействия,  которые  вызывают  денатурацию белков клетки, в частности окислительный  стресс.  Предполагают,  что белки теплового  шока  помогают  переводить  в   раствор   и   вновь   сворачивать

денатурированные  или неправильно свёрнутые белки.

       Механизм  этого  явления   состоит  в  том,  что   на   денатурирующее

воздействие клетка стимулирует тримеризацию (образование комплекса  из  трёх молекул) особого белка фактора I теплового шока (ФТШ I), который  в  обычных условиях находится в  цитозоле  (цитозоль  –  часть  цитоплазмы,  занимающая пространство между мембранными органеллами) в своей мономерной форме.  Этот белок отправляется  в  ядро,  находит  там  гены  белков  теплового  шока  и активирует их работу.

       Оказалось, что степень индукции  белков теплового шока  и   способность

мономеров ФТШ I тримеризоваться в ответ на  стрессовые  воздействия  обратно пропорциональны числу  делений  культуры  фибробластов  in  vitro.  Индукция теплового шока и индуцирующая активность ФТШ I в клетках,  взятых  у  старых животных, всегда гораздо ниже, чем в клетках из молодых,  а  активность  (но не количество) ФТШ I падает с возрастом. Эффект старения in vivo  обращается при ограничении калорийности питания. Это навело  учёных  на  мысль,  что  в деле как-то замешаны активные формы кислорода, образование  которых  зависит

от количества окисляемых в организме пищевых продуктов.

 

                          Активные формы кислорода.

       К  активным  формам  кислорода  (АФК)  относятся  супероксид   (O2—),

синглетный  кислород, H2O2 и радикал гидроксида (OH ). В  организме  человека и животных первичной АФК служит супероксид, возникающий при  одноэлектронном восстановлении молекулярного кислорода. Супероксид превращается  в  H2O2,  а

H2O2 в OH в присутствии  ионов железа или меди. OH –   сильнейший  окислитель, способный разрушить практически любое органическое  вещество  биологического происхождения.

       Одноэлектронное  восстановление кислорода в принципе  возможно за  счёт окисления всех веществ  с  окислительно-восстановительным  потенциалом  ниже или  равным   –0,15   В   (окислительно-восстановительный   потенциал   пары O2/супероксид).

       В ходе  эволюции в клетке был создан  ряд  мер,  позволяющий  свести  к

минимуму паразитные реакции  образования  супероксида  и  не  допустить  его превращение в очень опасный OH. .Существуют  многоуровневые  системы  защиты от  АФК.   Например,   вещества-антиоксиданты,   механизмы,   препятствующие накоплению  веществ-восстановителей,  ферменты,  снижающие   внутриклеточную концентрацию кислорода и  тем  самым  замедляющие  образование  супероксида; системы выбраковывающие митохондрии и клетки, в которых  образуется  в  силу тех или  иных  обстоятельств  очень  много  супероксида,  и  т.д.  У  высших животных   эти   внутриклеточных   механизмы   дополнены    физиологическими

надклеточными системами, такими как уменьшение вентиляции лёгких  и  сужении капилляров при переходе от работы к покою,  когда  потребность  в  кислороде резко падает.

       И, тем  не менее, в среднем 2% кислорода  клетка  животного  потребляет

не за счёт безопасной реакции  четырёхэлектронного  восстановления  кислорода до воды, а путём энергетически бессмысленной и опасной реакции O2 >O2—  .  В результате  клетка  оказывается  не  в  состоянии  полностью  защитится   от повреждающего  действия  АФК.  Так,  количество  окислительных   повреждений ядерной ДНК в клетке человека в среднем  оценивается  величиной  порядка  10000 повреждений в день, а в клетке крысы,  имеющей  более  высокую  скорость дыхания,  --  100  000  в  день.  На  порядок   выше   чистота   повреждений митохондриальной  ДНК,  расположенной   в   непосредственной   близости   от дыхательной цепи – главного генератора супероксида.

       На  первый  взгляд,  такую  ситуацию  можно   было   бы   списать   на

несовершенство живой  системы.  Однако  известно,  что  в  клетке  существует фермент ксантиноксидаза — фермент,  который окисляет  ксантин молекулярным кислородом. Такой процесс, например, обеспечивает стерильность  молока,  так как  АФК  —  мощный  бактерицид.  Однако,   как   быть   с   внутриклеточной ксантиноксидазой, обнаруженной в целом ряде  тканей?  АФК слишком опасны, чтобы доверять им какие либо внутриклеточные функции, кроме одной —  функции самоубийства живой системы, будь то митохондрия, клетка или организм.