Старение клетки организма. Функция клеток в процессе старения

Функция клеток в процессе старения

Гетерохронность и гетеротопность изменений функций — типичны для процесса старения.

В условиях гибели, деструкции одних клеточных элементов на другие падает повышенная нагрузка, и это приводит к их гиперфункции.

В митотически активных клетках эта повышенная нагрузка стимулирует клеточное деление.

Уменьшение числа клеток неодинаково сказывается на уровне деятельности различных органов в старости.

Известно, что при обычной, ненапряженной деятельности органа часть его клеток может быть выключена из работы («дежурные» капилляры, легочные альвеолы, нейромоторные единицы в мышцах, нефроны в почках и др.). В старости в связи с гибелью многих клеток резерв усиления работы органа ограничен.

Более того, в связи со снижением функции отдельных клеток одна и та же работа органа выполняется в различные возрастные периоды неодинаковым числом клеточных элементов. Например, по данным Янковской (1971), при выполнении одной и той же работы у старого человека активировано большее количество мышечных волокон, нейромоторных единиц, чем у взрослого.

Определенный уровень образования антител поддерживается в старости при участии большего количества иммунокомпетентных клеток, а у молодых животных за счет большей активности каждой иммунокомпетентной клетки в отдельности, за счет больших возможностей синтеза белка в них (Ехнева, 1976). Уменьшение числа клеток в неодинаковой степени влияет на деятельность разных органов.

Уменьшение относительно небольшого количества нервных клеток может существенно сказаться на деятельности того или иного нервного центра и тех тканей на периферии, которые этим центром регулируются. Вот почему структурные изменения, гибель нервных клеток так значимо и существенно влияют на старение целостного организма.

Судьба клетки, нарушение ее функции, гибель определяются не только темпом старения, но и процессами витаукта, направленными на поддержание длительной жизнеспособности клеточных структур. К ним можно отнести: гиперфункцию и гипертрофию многих клеток при старении- феномен многоядерности и полиплоидии- увеличение площади клеточной и ядерной мембраны, поддерживающей оптимальные ядерно-цитоплазматические и клеточно-средовые взаимоотношения- гипертрофию саркоплазматического ретикулума во многих клетках- сохранение величины мембранного потенциала в ряде клеточных популяций- повышение чувствительности к ряду гормонов- активацию клеточного деления (селезенка) в условиях ослабления клеточного ответа и др.

Решающее значение в механизме возрастных изменений функции клеток имеют сдвиги в состоянии клеточных мембран, изменение их регуляторного влияния на метаболизм клетки. Мембранный потенциал (МП) клеток является своеобразной сигнальной системой клетки, определяющей способность клетки реагировать на приходящие воздействия. От уровня поляризации клеточной мембраны зависит транспорт веществ, секреция и многие другие проявления деятельности клетки.

Величина МП неоднозначно изменяется в различных клеточных популяциях в старости. Она практически не изменяется в мышечных волокнах, гепатоцитах, мотонейронах спинного мозга, нейронах сенсомоторной области коры- несколько растет у кардиоцитов, гладкомышечных клеток сосудов, ацинарных клеток слюнной железы и др. (Мартыненко, 1967- Танин, 1976- Файзулин, 1977- Фролькис, 1978- ТураеваА 1979). Эти данные получены в опытах на крысах, среди которых старыми обычно считаются животные в возрасте 24—26 мес.

Вместе с тем у очень старых крыс (36—38 мес) величина мембранного потенциала значительно падает. В пределах одной и той же клеточной популяции величина МП изменяется неодинаково. У старых животных относительно чаще встречаются клетки с низкой величиной мембранного потенциала. Эти клетки оказываются структурно измененными. Измерение порогов электровозбудимости отдельных мышечных волокон показало определенные отличия этих величин у взрослых и старых животных. У взрослых крыс средняя величина порогового раздражающего тока составляла (6.3+0.14)*10 -8 А.

У старых животных пороговый ответ мышечного волокна на электрическое раздражение чаще всего возникал при силах раздражающего тока (8.9+0.14)*10 -8 А (Мартыненко, 1975). Проведенные исследования показали, что потенциал действия (ПД) возникал у взрослых крыс при критическом уровне деполяризации 49.3 мВ, а у старых — 33.4 мВ. Чем выше критический уровень деполяризации, тем меньшую силу должен иметь раздражающий ток для вызова необходимого сдвига порогового потенциала AV, тем выше возбудимость.

Сдвиг порогового потенциала у взрослых животных составлял 30.9 + 1.0 мВ, а у старых крыс — 46.7 + 0.6 мВ. Повышение порога критической деполяризации у старых крыс также свидетельствует о том, что у 24—26-месячных крыс надо на большую величину деполяризовать мембрану, чтобы возник распространяющийся ПД. Следует отметить, что подобная направленность изменения возбудимости свойственна не всем клеткам. По данным Танина (1976), электровозбудимость вставочных и мотонейронов спинного мозга в старости растет.

Подсчет входного сопротивления мышечного волокна, удельного сопротивления мембраны и сопротивления мембраны на единицу длины волокна у белых крыс показал определенные различия этих величин в зависимости от возраста животного. Так, входное сопротивление мышечных волокон взрослых крыс в среднем составляло 390 + 8 кОм, а старых крыс — 270 + 17 кОм.

Удельное сопротивление мембраны у старых крыс почти в 2 раза ниже, чем у взрослых. Значительно снижается у старых животных и сопротивление мембраны на единицу длины волокна. При старении изменяются потенциалы действия клеток. Амплитуда ПД мышечных волокон падает, длительность нарастает (Соломатин, 1970- Фролькис и др., 1976). Так, у взрослых собак амплитуда потенциала действия мышечных волокон равна 116.9 + 1.8 мВ, а у старых — 72.5 + 3.2 мВ- у взрослых крыс — 113.6 + 2.4 мВ, а у старых — 91.2 + 2.3 мВ.



Длительность потенциала действия в основном определяется скоростью реполяризации клеточной мембраны. Об изменении продолжительности процесса возбуждения в старости свидетельствуют сдвиги в длительности абсолютной и относительной рефрактерных фаз. В период абсолютной рефрактерной фазы, совпадающей с процессом возбуждения, клетка полностью невозбудима.

В период относительной рефрактерной фазы, совпадающей с реполяризацией клеточной мембраны, происходит восстановление возбудимости клетки. У старых животных значительно увеличивается продолжительность абсолютной и относительной рефрактерных фаз. Так, у 2—6-месячных крыс относительная рефрактерная фаза мышечных волокон составляет 5— 5.6 мс, а у 30—36-месячных — 7.5—10 мс.

Для нервных клеток с длинными аксонами существенное значение имеет скорость распространения возбуждения. Большинство исследователей отмечают замедление скорости распространения возбуждения по периферическим нервам у пожилых людей. Изменение это неодинаково в различных нервных стволах. Так, в локтевом нерве у молодых людей она равна 57.94 + 0.76 м/с, у старых — 50.38 + 0.84 м/с- в малоберцовом — 53.92 + 0.99 и 42.9 + 0.9 м/с, в большеберцовом — 47.7 + 0.67 и 37.56 + 1.03 м/с соответственно (Тимко, 1970).

Изменение электрических свойств отдельных клеток, сдвиги в их функциональной активности приводят к тому, что в старости изменяется электрическая активность различных групп клеток скелетных мышц, сердца, мозга. У людей пожилого возраста удлиняется скрытый период произвольного включения моторной единицы (группы мышечных волокон, иннервируемых одним нервным волокном) в деятельность (у молодых людей он равен 0.1 — 0.5 с, а у пожилых — 0.6—3 с) (Янковская, Князева, 1962- Фудель-Осипова, 1968).

Электромиограмма (ЭМГ) у старых людей характеризуется содержанием большого числа потенциалов малой амплитуды (меньше 400 мкВ), а у молодых людей амплитуда соответствует 900—1200 мкВ. У молодых людей частота токов действия моторной единицы двуглавой мышцы составляет 11 — 13 Гц, у пожилых — 6—8 Гц. У пожилых людей чаще встречаются полифазные токи большей продолжительности, чем у молодых. Изменения электрических свойств клеток приводят к сдвигам электрокардиограммы (ЭКГ) и электроэнцефалограммы (ЭЭГ).

Для понимания возрастных изменений функции клеток важное значение имеет изучение активного и пассивного транспорта ионов через клеточную мембрану. Известно, что этот процесс не только определяет уровень поляризации мембраны, но и оказывает регуляторное влияние на активность многих внутриклеточных ферментов, интенсивность биосинтеза белка (Маленков, 1976).

По данным Купраш (1975), внутриклеточное содержание ионов К+ в волокнах миокарда, печени, почках, в скелетных мышцах старой крысы значительно снижается. Концентрация ионов Na+ и С1- в этих тканях существенно не изменяется. По данным Новиковой (1964), внутриклеточная концентрация ионов К+ в мышцах крыс поддерживается на одном уровне со дня рождения до 3-месячного возраста и значительно уменьшается у 12- и 24-месячных крыс. Концентрация ионов Na+ остается относительно неизменной от 1 до 12 мес и увеличивается у 24-месячных крыс.



Содержание внутриклеточных ионов К+ снижается к старости, а количество ионов С1~ увеличивается в позднем онтогенезе. Новикова (1978) и Тураева (1979) отмечали накопление внутриклеточных ионов Na+ и уменьшение содержания ионов К+ в гепатоцитах.

К противоположному выводу приходит Надь (Nady, 1979). Он определял активность ионов К+ внутри клеток и пришел к выводу о накоплении этого иона внутри клетки в старости. По его мнению, накопление внутриклеточных ионов К+ в больших количествах — одна из ведущих причин нарушения биосинтеза белка в старости.

Активный транспорт ионов Na+ и К+ через мембрану против градиента концентрации требует затрат энергии, получаемой при распаде АТФ с участием мембранной Na+, К+ - АТФ-азы. При старении страдают процессы активного транспорта ионов — падает активность мембранной Na+, К+ - АТФ-азы (Новикова, Малышева, 1975- Sousa, Baskin, 1977), снижаются содержание АТФ и креатин-фосфата, интенсивность тканевого дыхания, изменяется сопряжение окисления и фосфорилирования, неравномерно изменяется активность ферментов дыхательной цепи в скелетной мышце, сердце, мозге (Богацкая, 1972- Потапенко, 1974- Фролькис и др., 1976). В этих условиях адаптивное значение имеет рост интенсивности гликолиза в ряде тканей.

Известно, что активность мембранной Na+, К+ - АТФ-азы активируется ионами К+ с наружной поверхности клетки, а ионами Na+ — с внутренней. Если через микроэлектрод внутрь клетки ввести значительное количество ионов Na+, то клетка деполяризуется. Однако одновременно возникающая активация Na+, К+ - АТФ-азы приводит к реполяризации клетки, к увеличению ее мембранного потенциала.

Оказалось, что в клетках старых животных после внутриклеточного введения ионов Na+ темп реполяризации замедлен, и это свидетельствует об ослаблении процессов активного транспорта ионов. Такой же вывод был сделан и на основании изучения так называемой тепловой гиперполяризации (Горбань, 1978, 1979).

При охлаждении клетки (0°) в связи с инактивацией калий-натриевого насоса большое количество ионов Na+ поступает внутрь клетки и вызывает ее деполяризацию. При перенесении клетки в среду с высокой температурой (+10°, +20 °С) насос активируется, и клетка гиперполяризуется.

Как видно на рис. 19, в старых клетках замедлен процесс гиперполяризации, и это является выражением снижения интенсивности активного транспорта ионов. Таким образом, при старении снижается интенсивность восстановительных процессов, направленных на поддержание исходного функционального состояния клетки.


В процессе старения изменяется проницаемость мембраны, что связано и с изменением состояния ионных каналов. Мартыненко (1967) определяла транспорт иона 42К в мышечные волокна и кардиоциты животных разного возраста (рис. 20).


Транспорт и обмен иона К+ имеют фазный характер. В первую фазу более выражены возрастные различия транспорта иона К+ в кардиоцитах, во вторую — в мышечные волокна. В первую фазу большее значение имеет пассивный, а во вторую активный транспорт ионов через мембрану.

Изменение транспорта ионов К+ и Na+ влияет на поступление ионов Са2+, регулирующих сократительную способность мышечных волокон, кардиоцитов, нервных клеток. Изменение транспорта ионов К + и Na + может оказать влияние на состояние кальций-натриевой проводимости и привести к снижению сократительной способности клеток.

Реакция клеток, межклеточные взаимоотношения определяются не только электровозбудимостью их, но и хемочувствительностью. Передача межклеточной информации осуществляется при участии химических посредников. На мембране клеток локализованы белковые структуры, обладающие сродством ко многим физиологически активным веществам, — рецепторы (адрено-, холино-, инсулинорецепторы и др.).

Один из ведущих механизмов старения клетки, возрастных нарушений межклеточных связей, благодаря сдвигам мембранного микроокружения (свободнорадикальные реакции и др.) может настолько изменяться конформация рецепторов, что они перестают «узнавать» субстрат. Падение числа рецепторов, изменение их состояния в какой-то мере отключают клетку от регуляторных влияний и способствуют ее атрофии, деструкции.

К настоящему времени открыт важнейший контур внутриклеточной регуляции, ведущий к реакции клеток при воздействии на них физиологически активных веществ. Речь идет о системе синтеза второго медиатора, опосредующего влияния с мембраны на внутриклеточные процессы, — циклических аденилнуклеотидов.

Более того, предполагается, что аденилатциклаза является катаболической частью ряда рецепторов, расположенной на внутренней стороне мембраны. По данным Костиковой и сотр. (1976), Гацко и сотр. (1977), Фролькиса (1977), содержание циклического аденозинмонофосфата (цАМФ) в старости не изменяется. Кульчицкий (1978) показал, что при неизменном исходном уровне цАМФ и циклического гуанозинмонофосфата (цГМФ) у старых животных меньшие дозы катехоламинов, ацетилхолина изменяют содержание их в сердце, печени. Можно предполагать, что в этом состоит один из механизмов повышения чувствительности клетки в старости к действию этих веществ.

При старении изменяется реакция клеток и органов на поступающую информацию, опосредованную через систему физиологически активных веществ. Показано, что при старении может расти чувствительность клеток к ряду гуморальных факторов. Это выражается в том, что меньшие дозы гормонов, медиаторов вызывают изменения состояния клеток в старости. Как видно на рис. 21, ряд гормонов (инсулин, норадреналин, эстрадиола дипропионат) вызывают гиперполяризацию клеток у старых животных в дозах, допороговых для взрослых животных.


Вместе с тем реакционная способность, оцениваемая по максимальной реакции, по мере увеличения дозы гормонов и медиаторов с возрастом падает. Этот феномен еще в большей степени выявляется при изучении реакции органов. Здесь к ослаблению реакционной способности клеток присоединяется и уменьшение количества клеток в старости.