Теории старения. Молекулярные теории старения

Видео: Современные теории старения

Молекулярные (коллоидно-химические, химические и физические) теории старения (кроме теорий первичного старения генома клеток)

Значительное развитие получили теории, считающие, что ведущими в процессах старения являются изменения, происходящие на молекулярном и межмолекулярном уровнях организации протоплазмы.

Одними из самых ранних явились теории, рассматривающие старение как следствие гистереза коллоидов организма (Lumiere, 1922- Ruzicka, 1928, 1924- Kotsovsky, 1933).

В известной степени коллоидную теорию смерти разделял Богомолец (1940), который видел в переливаниях крови средство вызвать «электроколлоидальные бури» в протоплазме клеток реципиента, что могло бы привести к флокуляции и дальнейшему самоперевариванию в клетках коагулировавших мицелл.

Основным возражением против коллоидно-химических теорий старения является то, что метаболизм приводит к быстрой смене одних белковых и нуклеиновых молекул другими- период полураспада многих из них не превышает 10—30 дней (Schonheimer, 1949- Hewesy, 1950).

Но Томпсон и Баллон (Thompson, Ballon, 1956) показали, что в тканях организма имеется немало так называемых долгоживущих макромолекул — белков и нуклеиновых кислот, с периодом полураспада более 70—180 дней, а стабильная фракция коллагена имеет период полураспада даже более 1000 дней. Поэтому нельзя отрицать возможности некоторого проявления начальных этапов гистереза коллоидов в тканях со сниженным самообновлением.

Первые подходы к химическим теориям возникли еще в 1916 г., когда Пиктэ (Pictet, 1916) выдвинул свою теорию старения как следствия нарастающей циклизации веществ протоплазмы, исходя из типичного для того периода представления о том, что циклические соединения более инертны в биохимической динамике организма, чем алифатические.

Эта теория косвенно была поддержана позднее Благовещенским (1950) применительно к филогенезу и онтогенезу растений. В его исследованиях речь шла о накоплении в растительном организме некоторых сложных, специфических соединений типа алкалоидов, терпенов и т. д.

Сам Благовещенский считал, что тенденция к циклизации является скорее одной из закономерностей филогенеза, чем ведущим фактором онтогенеза. Алпатов и Настюкова (1948) и Кюн (Kuhn, 1955) создали теорию старения как следствия накопления с возрастом неблагоприятных для метаболизма оптических изомеров белков. Еще одной из разновидностей физико-химических теорий старения является диффузионная теория Карпентера (Carpenter, 1965).

Эта теория допускает нарастающее с возрастом накопление в клетках (особенно в ядрах клеток) ассоциированных друг с другом, инактивированных при этом макромолекул. При увеличивающейся при старении трудности диффузии таких комплексных макромолекул из клеток они просто «переполняются» ими, что приводит к их гибели.

За последние годы был создан ряд теорий старения, исходящих из представления о нарастающем с возрастом сцеплении между макромолекулами.протоплазмы, в первую очередь между белками и нуклеиновыми кислотами, что приводит к пессимальной структуре их комплексов и инактивации их реактивных центров.

Эти представления входят существенной частью в теорию затухающего самообновления протоплазмы, развитую Нагорным (1935, 1936, 1940, 1954), Буланкиным (1939), Никитиным (1954, 1962, 1963). Позднее возникли теории нарастания с возрастом поперечных связей в белках и нуклеиновых кислотах (the cross-linking macromolecules), которые выдвинули Харман (Harman, 1956), Верцар (Verzar, 1957, 1968), Бьёркстен (Bjorksten, 1958, 1962), Гросс (Gross, 1962), Сайнекс (Sinex, 1957, 1961), Феллс (Fells, 1966), Зотин (1974) и др.

Подробнее всего развита эта теория по отношению к коллагену и в меньшей мере к эластину — превалирующим белкам соединительной ткани, имеющим очень длительный период полураспада (см. обзор: Никитин и др., 1977). Харман (Harman, 1956, 1975), Сайнекс (Sinex, 1961) и особенно Феллс (Fells, 1966) считают, что с возрастом в молекулах коллагена между их полипептидными цепями нарастают водородные и другие, более рыхлые связи, что приводит к уменьшению свободной энергии молекул и приближению всей коллоидной системы к наиболее вероятному термодинамическому состоянию.

Сайнекс (Sinex, 1961) предполагал, что процесс перекрестной «сшивки» макромолекул коллагена происходит спонтанно, по законам термодинамики биологических систем. Однако исследования последних лет показали (см. сводку: Никитин и др., 1977), что превалирующую роль в образовании и разрыве межмолекулярных связей в коллагене играют активные ферментные системы, регулируемые самими клетками и нейрогуморальными влияниями.

Такие же «сшивки» Сайнекс (Sinex, 1961) предположил для комплексов эластина и нуклеиновых кислот. По Верцару (Verzar, 1957), при старении происходит своеобразное «сдавливание» паренхиматозной ткани коллоидально-сморщивающимися нитями коллагена.

Это в значительной степени обусловлено тепловым сжатием коллагена, для некоторых его видов начинающимся уже в пределах колебаний температуры тела человека. Пархон (Parhon, 1959), Оэриу (Oeriu, 1962) придают большое значение в старении постулируемому ими накоплению с возрастом в белках протоплазмы дисульфидных связей, что инактивирует белковые молекулы.

С иных позиций подошел к механизму возникновения поперечных сшивок в макромолекулах протоплазмы Бьёркстен (Bjorksten, 1958, 1962). Он допускает преимущественное значение «сшивания» (дубления) молекул белков с помощью микромолекул — ряда веществ, присущих тканям и возникающих в процессе метаболизма.

Особенно активными «сшивателями» Бьёркстен считает хиноны, дикарбоновые кислоты цикла Кребса, ненасыщенные жирные кислоты и продукты их распада, а также ионы тяжелых металлов. Автор предполагает, что этим факторам сцепления белковых молекул противодействуют в организме специфические вещества «разобщения» (деполимеризации), наиболее активным из которых он считает дисульфит натрия.



Существенное значение ионов тяжелых металлов для «сшивки» нуклеиновых и белковых молекул подчеркивают также в своих теориях старения Гольдштейн (1968), Дубина и Леонов (1968).

Теории старения как следствия пессимальных изменений генетического аппарата клеток

Особое значение во многих современных теориях молекулярных основ старения придается изменениям с возрастом генетического аппарата клеток. Нарастающий в онтогенезе процесс инактивации и дегенерации белково-нуклеиновых комплексов протоплазмы, определяющий собою синтез и самообновление макромолекул клеток, впервые стал рассматривать как одну из решающих цитобиохимических основ теории затухающего самообновления протоплазмы Никитин (1954).

По его представлениям, «в онтогенезе должны происходить, и действительно происходят, качественные и количественные изменения нуклеопротеидных комплексов, снижающие полноценность их участия в синтезе белковых молекул и приводящие к измерениям в самом типе синтеза белков и в сложных связях нуклеопротеидов с липидами и другими компонентами протоплазмы...

С возрастом синтезирующие системы протоплазмы деградируют не только количественно, но и качественно. Они еще обладают достаточной способностью образовывать ферментативные системы, могут пополнять убыль функционально-структурных белков, но все хуже могут самообновляться и образовывать нуклеопротеидные комплексы, лежащие в основе этих синтезирующих систем» (Никитин, 1954, с. 51).

Этим по существу Никитин положил основание всем современным представлениям о ведущей в онтогенезе роли изменений в геноме и во всем белоксинтезирующем аппарате клеток. Вместе с тем Никитин предположил наличие в протоплазме специфических факторов, под действием которых при оплодотворении и делении клеток и в меньшей степени в период прогрессивного роста постмитотических тканей регенерируют нуклеопротеидные системы- протеосинтеза, что оказывает на клетки «омолаживающее» действие.

Позднее одним из таких факторов оказались репарирующие ДНК ферменты (Ивенс, 1965- Виленчик, 1970). Сайнекс (Sinex, 1957, 1961) считает, что в постмитотических тканях нити ДНК, практически не обновляясь в онтогенезе, постепенно связываются друг с другом все плотнее.

Стрелер (Strehler, 1958, 1961) выдвинул теорию термальной денатурации («микротермальные повреждения»), возникающей преимущественно в ДНК и дезоксирибонуклеопротеидах (ДНП) постмитотических клеток и тканей и неизбежно приводящей к инактивации ряда участков нитей хромосомальной ДНК. Именно эта «микротермальная» денатурация лежит в основе старческой дегенерации генного аппарата клеток.

Виленчик (1976) придавал особое значение в микроповреждениях структуры ДНК генного аппарата клетки ударам молекул воды, находящихся в тепловом движении. Увеличивающуюся с возрастом фрагментацию ДНК, связанную с повышением в ней содержания железа, выдвинул в качестве одной из важных предпосылок старения Гольштейн (1968). Бердышев и соавт. (1967), Ванюшин (1968) предположили, что старение генетического аппарата клеток ускоряется деметилированием ДНК.



Широкое распространение получила группа теорий старения как следствия накопления соматических мутаций (Danielli, 1956- Sacher, 1966- Failla, 1958- Curtis, Herhardt, 1958- Curtis, 1963, 1966- Szillard, 1959). По теории Сцилларда (Szillard, 1959), старение возникает как результат «возрастных ударов» (ageing hits), возникающих в генном аппарате как делящихся, так и постмитотических клеток.

Эти удары выводят из строя ту или иную хромосому или тот или иной ее локус, существенные для синтеза жизненно важных белков и нуклеиновых кислот. Особыми факторами, способствующими появлению соматических мутаций, могли бы быть ионизирующее излучение (Curtis, 1966) или действие свободных радикалов (CP) (Harman, 1956, 1957, 1968).

Однако в самих исследованиях Хармана нет данных, подтверждающих его основное утверждение о нарастании с возрастом концентрации CP в большинстве тканей. Пролонгирующее влияние на жизнь лабораторных животных веществ, связывающих свободные радикалы, и прежде всего антиоксидантов было найдено Эмануэлем (1972). CP, канцерогенные вещества, ионизирующая радиация могут действовать на мембрану лизосом, увеличивая ее проницаемость, в особенности для ДНК-деполимеразы.

Последняя, проникая через поры клеточной и ядерной мембраны, может вызвать распад -лизосом и генного аппарата клетки. Именно к этому сводится выдвинутая Алисоном (Allison, 1962) и Хохшилдом (Hochschild, 1971) лизосомальная теория старения. Хохшилд (Hochschild, 1971) рекомендует применять поэтому как средства блокирования переоксидации жирных кислот и других генерирующих CP реакций и сохранения целости лизосомных мембран метионин, витамин Е, цистеин и др. реагенты. Строгой экспериментальной проверки эта теория не имеет.

Теория соматических мутаций пока практически почти не имеет экспериментальных обоснований. По существу единственное из них — исследование Кроулея и Куртиса (Crowley, Curtis, 1963), нашедших, что у двух линий инбредных мышей количество поврежденных наборов хромосом с возрастом увеличивается, причем в большей степени у короткоживущей линии.

Наиболее существенными возражениями против теории соматических мутаций как основы старения являются положения Комфорта (Comfort, 1967) и Стрелера (Strehler, 1964) о том, что в этом случае темпы старения у всех тканей были бы весьма близкими, и Верцара (Verzar, 1968), указавшего на то, что мутации возникают главным образом при делении клеток.

Отсюда наибольшая частота мутаций и наибольшая вероятность старения должны быть у клеток с наиболее частыми митозами, как при радиационном повреждении. В действительности же наблюдается обратное: клетки с частыми митозами мало стареют. С последним положением, однако, трудно согласиться. Стареют как неделящиеся (постмитотические), так и делящиеся ткани. Нестареющих тканей в организме нет.

Большое значение в процессах старения придавал Катлер (Cutler, 1973, 1975) мутационным повреждениям повторяющихся повторностей. Еще одним из возражений против теории соматических мутаций является то, что организм обладает способностью устранять как дефектные клетки, так и самые микроповреждения в генном аппарате.

Так, Окберг и Кларк (Oakberg, Clark, 1961) показали, что мыши обладают способностью устранять возникающие в генеративной ткани дефектные клетки (ооциты и сперматогонии). Репарация хромосомальных дефектов, развитая в различной степени в отдельных тканях, по-видимому, недостаточно компенсирует эти дефекты за длительный период, что, возможно, имеет значение для долголетия животных (Виленчик, 1970, 1976).

За последние годы весьма интенсивной дискуссии и экспериментальной проверке была подвергнута разновидность теории мутации, выдвинутая еще Оргелом (Orgel, 1963). В этой теории «ошибок» допускается также постсинтетическая «порча» стареющих молекул белков. Свои исследования он сосредоточил на дезактивации молекул ферментов при старении.

Оргел предположил, что если сравнить определяемое иммунологически количество данного фермента с тем его количеством, которое проявляет каталитические свойства (ферментативную активность), то вторая величина, эквивалентная количеству «неиспорченного» фермента, по мере старения будет все падать. Сам Оргел и ряд его сторонников представили подобные данные для ряда ферментов (Lewis, 1972- Gershon, Gershon, 1973, 1975, 1976- Holliday, 1975). Вместе с тем другие исследователи (Baird et al., 1975- Weber et al., 1976) в своих экспериментах не смогли установить накопления в старости «порченых» форм ферментов.

Одну из разновидностей теории нарастающей с возрастом неполноценности генного аппарата клетки, объединяющую многие предыдущие, развил Виленчик (1970).

Виленчик предположил такие этапы и механизмы старения генного аппарата клетки:

1) обусловленное действием внутриклеточных метаболитов алкилирование, окисление и, возможно, химическая модификация ДНК другого типа (например, димеризация тиминов);
2) депуринизация и образование разрывов полинуклеотидной цепи (образование разрывов в ДНК происходит и в результате действия на нее внутриклеточных ДНК-аз);
3) ковалентное связывание (по месту разрыва и другим активным группам модифицированной ДНК) с «близкорасположенными» макромолекулами и возникновением труднорепарируемых повреждений (или вообще нерепарируемых в случае отсутствия в данной клетке репарирующей системы);
4) нарушение матричной функции поврежденного участка ДНК.

Оловников (1972) выдвинул новый принцип — маргинотомии («краевого укорочения») при действии моноблочных ДНК-полимеров на репликацию ДНК. Суть маргинотомии состоит в том, что моноблочная ДНК-полимераза, по его предположению, имеет активный центр, расположенный не на краю молекулы, а в ее центре.

Поэтому на крае ДНК-полимеразы, «прикладывающемся» к краю 3` или 5` ДНК, остается каталитически неактивная «мертвая зона». Именно на эту зону при каждой репликации укорачивается новообразованная молекула ДНК. Как результат — при последовательных актах репликации новообразованные молекулы ДНК становятся все короче из-за нарастающей недостройки их по краям.

Принцип Оловникова может быть использован при объяснении ограниченности делений клонов клеток, найденном для ряда митотических тканей Хэйфликом (Hayfiick, 1965, 1972). Для половых клеток эта гипотеза по очевидным причинам непригодна так же, как и для неограниченно делящихся соматических клеток.

На основе своих обширных исследований по индуктивному синтезу ферментов и его возрастному затуханию Фролькис (1970, 1972, 1975) выдвинул для молекулярного уровня организации протоплазмы свою гено-регуляторную концепцию старения. По его мнению, первичные изменения при старении возникают в регуляторных генах. Это связано с тем, что ген-регулятор — наиболее активно работающее, наименее защищенное звено генетического механизма.

Его активность, естественно, сопровождается сменой реакционной способности его отдельных группировок, химической подвижностью и в связи с этим большей возможностью нарушения этого аппарата. Возрастные изменения в регуляторных генах могут вести в одних случаях к нарастающему подавлению транскрипции отдельных оперонов при старении, в других — к временному усилению биосинтеза некоторых белков. В последующем изменения наступают и в структурных генах. Они должны приводить к определенным сдвигам в синтезируемых белковых молекулах.

Непосредственных доказательств возрастных изменений состава генома клеток до недавнего времени не было. Только в последнее время появились исследования Никитина (1971), Мартыненко и соавт. (1972), Бердышева и Желябовской (1972), установивших некоторые сдвиги в соотношении ДНК, РНК, гистонов и негистоновых белков в хроматине стареющих тканей.

Давая общую оценку современных теорий онтогенеза, базирующихся на макромолекулярном уровне организации протоплазмы, следует отметить, что многие из них, после соответствующего экспериментального подтверждения, смогут войти весьма существенными компонентами в будущую полноценную, целостную теорию онтогенеза.

К сожалению, пока еще очень мало известно о «печати возраста» даже на таких долгоживущих макромолекулах, как коллаген межклеточного вещества соединительной ткани и ДНК ядер клеток постмитотических тканей. Вместе с тем следует иметь в виду, что сложнейшие закономерности возрастного развития организма животных не могут быть механическим производным из меняющихся с возрастом свойств отдельных видов макромолекул или их комплексов.

На каждом новом уровне организации протоплазмы в организме, на базе молекулярных отношений, развиваются все более сложные отношения и закономерности, в свою очередь влияющие на макромолекулярные комплексы. Ни одна из групп веществ, как бы сложны и важны для жизненного процесса клетки они не были, не определяет изолированно всей необычно сложной и во многом еще не разгаданной жизнедеятельности организма.