Теории старения - психиатрия позднего возраста
Как отмечалось выше, теории старения часто отражают прежде всего взгляд того или иного исследователя на эволюционное значение процессов старения, то есть они адаптивные или неадаптивные. На эти пристрастия накладываются также взгляды и традиции научной школы, в которой исследователь получил образование и работал. Так, генетики подчеркивают роль зависящих от возраста изменений в геноме, физиологи измеряют и оценивают ухудшение многих функций, обусловленное возрастом, иммунологи описывают изменения популяций Т- и В-лимфоцитов в старости и др. Некоторые из этого множества подходов к изучению процессов старения отражены в табл. 1.1. В ней же указаны отдельные признаки, обнаружившие положительные или отрицательные связи с долгожительством.
Уже с начала исследований стало очевидно, что вера в какую-то простую, единственную причину — «магическую пулю», вызывающую старение у сложных биологических особей, была ошибочной. Поскольку фенотип старения у разных представителей биологических видов чрезвычайно вариабелен, существует множество влияний, как генетических, так и негенетических, при взаимодействии которых и формируется этот фенотип.
Для обсуждения теорий старения лучше их разделить на несколько групп. Следует подчеркнуть, что в такого рода делении все же мало биологического смысла. Поэтому наблюдения и сделанные из них выводы необходимо рассматривать именно под таким углом зрения.
Теории, основанные на данных изучения изменений органов и систем
Создатели многих ранних теорий исходили из предположения, что начало и прогрессирование старения млекопитающих обусловлено снижением функций того или иного органа, возможно вследствие постепенного редуцирования какого-либо важного клеточного компонента или метаболита. Поскольку нет никаких сомнений в том, что возрастное ухудшение главных функций того или иного органа вносит вклад в процессы старения (которое ранее описывалось как «дегенерация вследствие изнашивания или старения» — «wear and tear»), вероятно, этот вклад отражает скорее результаты старения, чем его причины.
Изменения сердечно-сосудистой, иммунной и нейроэндокринной систем лежат в основе трех основных органных (системных) теорий, которые используют для объяснения процессов старения.
Изменения сердечно-сосудистой системы
Сердечно-сосудистые болезни являются главной причиной смерти пожилых. Эффективное функционирование жизненно важных органов, включая головной мозг и сердце, возможно только при оптимальном и ненарушенном их кровоснабжении. По мере старения снижается эластичность кровеносных сосудов вследствие изменений средней сосудистой оболочки, из-за чего может нарушиться функция сердца путем изменения сопротивления току крови, из него вытекающей (Lakatta, 1988). Поэтому возникло предположение, что старение развивается в результате уменьшения кровенаполнения основных органов, которое часто усугубляется развитием атеросклероза. Наиболее слабо согласуются с таким предположением, сконцентрированном на одном органе, факты, что признаки старения наблюдаются и у особей низших видов, у которых нет кровеносных сосудов, например у дрозофил, коловраток и нематод (Shock, 1981г.), и что атеросклероз у человека совсем не обязательно развивается в старости — симптомы изменений сосудов у некоторых индивидов появляются уже вскоре после достижения ими половой зрелости.
Изменения в иммунной системе
Иммунная система у млекопитающих является ответственной за защиту организма от вторжения условно-патогенных микроорганизмов, а также за подавление пролиферации измененных, злокачественных клеток самого организма.
Иммунитет у человека максимальный в подростковом периоде. Впоследствии способность иммунной системы вырабатывать антитела снижается. Одной из причин этого снижения являются изменения тимуса, которые, как правило, возникают вслед за достижением организмом половой зрелости. Они заключаются в инволюции и атрофии этого органа (Кау, 1979- Makinodan & Kay, 1980). С возрастом также усиливается аутоиммунный феномен (Pandey et al., 1979), ведущий к учащению хронических аутоиммунных болезней. Он расценивается как характерный признак старения. Контролирует и координирует функции иммунной системы главный комплекс гистосовместимости — ГКГ (Major histocompatibility complex — МНС), локализованный у человека в 6-й, а у мыши — в 17-й хромосоме. Полагают, что снижение функций ГКГ — и есть центральное звено в процессах старения. При этом ГКГ в сущности действует как «супергенная» система (Walford, 1981), а результаты исследований на инбредных мышах показали существенное влияние ГКГ на продолжительность их жизни.
Хотя свидетельства центральной роли иммунной системы в процессах старения и очень убедительные, им можно противопоставить несколько аргументов. Как стареет сердечно-сосудистая система, так и стареют организмы млекопитающих, лишенные развитой иммунной системы (Hayflick,
Поскольку на иммунную систему в значительной степени влияют гормоны (Fabris, 1977), изменения иммунных функций с возрастом лишь отражают первичные сдвиги в эндокринной системе, регулирующей иммунитет. Можно полагать, что усиление аутоиммунных процессов с возрастом хотя бы в некоторой степени обусловлено старением мембран клеток-мишеней, которые в результате этого механизмы иммунной системы принимают за чужеродные. Наконец, необходимо принять во внимание взаимодействия иммунной системы и свободных радикалов, поскольку супер- оксидные и пероксидные анион-радикалы, продуцируемые нейтрофилами и макрофагами, могут участвовать в патогенезе наиболее распространенных инфекционных болезней, которые в старости нередко заканчиваются фатально. Факт восстановления иммунной функции у стареющих грызунов после приема антиоксиданта тиопролина (thiopro- line) — еще одно подкрепление теории о нарушении с возрастом целостности иммунной системы агрессивными свободными радикалами (De la Fuenteera/, 1993).
Очевидно, что функции иммунной системы, в особенности функция Т-хелперов, тесно связаны со многими проявлениями старения. Является ли эта корреляция первичной либо вторичной по отношению к основным возрастным изменениям нейроэндокринных контролирующих механизмов, или же она связана с ферментами, локализованными вместе с ГКГ в 6-й хромосоме, а значит, вовлеченными в защиту организма от свободных радикалов, — для получения ответа на этот вопрос требуются дальнейшие исследования.
Видео: Андрей Соловьев об основах социально-психологического климата семьи
Изменения нейроэндокринной системы
Общая жизненная активность всех млекопитающих тесно связана с эффективностью нейроэндокринных механизмов, которые регулируют функции органов и тканей. Исходя из такой центральной гомеостатической роли этих механизмов было высказано предположение, что сбои в работе нейроэндокринной системы и являются первичной причиной старения и смерти (Frolkis, 1968). Были показаны многие возрастные сдвиги в состоянии клеток, обусловленные изменениями нейрональной и гормональной функций, и рассчитаны индексы для определения их функционального возраста (Shock, 19816). По данным исследований объемов головного мозга и черепа с применением компьютерной томографии установлено специфическое уменьшение объема мозга при нормальном, непатологическом старении (Yamaura et al., 1980), но со значительными региональными различиями в особенностях утраты нейронов (см. обзор Goudsmit et al., 1990).
Гипоталамус был особенно интересен для изучения, потому что способен через гипофиз модулировать активность надпочечников, щитовидной железы, гонад и тем самым играть причинную роль в процессах старения. Поджелудочная железа также приемлемый объект исследования, поскольку она поддерживает уровень сахара в крови, который, как известно, возрастает с увеличением возраста (Davidson, 1979).
Еще раз отметим, что главное возражение против всеобъемлющей роли нейроэндокринной системы в процессах старения заключается в том, что эта концепция не универсальная. Так же как и в иммунных теориях, возрастные изменения нейроэндокринной системы, о которых сообщалось в литературе, по своей природе и действию могут быть скорее проявлением общих для многих клеток возрастных изменений, чем каких-то уникальных процессов, причинно связанных со старением. Несмотря на то, что важность трех названных выше систем для выживания и благополучия сложных многоклеточных организмов не вызывает сомнений, их главная роль в старении этих организмов гораздо менее очевидна.
Ухудшение функций митохондрий
В этом разделе уместно будет обсудить возможную роль митохондрий в качестве «водителей ритма» старения — роль, которая в последнее десятилетие становится предметом все более детального изучения.
Митохондрии представляют собой субклеточные органеллы, основная функция которых — выработка аэробной энергии в организме человека, а также в организмах животных и насекомых всех классов. Митохондриальный геном млекопитающих характеризуется чрезвычайно компактной организацией фактически без интронов. Составляющие митохондриальный геном человека 16569 нуклеотидов кодируют 13 полипептидов, которые образуют дыхательную цепь: субъединицы I, II и III цитохромоксидазы с, субъединицы 6 и 8 АТФ-азы, цитохром субъединиц НАД- дегидрогеназы, а также две молекулы рРНК и молекулы тРНК, необходимые для синтеза полипептидов (Anderson et al., 1981- Chomyn et al, 1986- Tzagoloff & Myers, 1986).
Несмотря на очевидную важность митохондриальной ДНК (мтДНК) в размножении митохондрий и поддержании клеточного дыхания, подавляющее большинство протеинов, принимающих участие в регуляции транскрипции, трансляции и репликации мтДНК, в действительности закодированы в ядерном геноме, который также кодирует 70 субъединиц митохондриальной дыхательной цепи. Закодированные в ядре предшественники митохондриальных протеинов (препротеины) доставляются в органеллы посредством очень специфической энергозависимой системы, локализованной во внешней мембране митохондрий (Voos et al., 1994). Поэтому предполагается функционирование высококоординированного механизма экспрессии двух геномов. При этом оказываются очень чувствительными к повреждениям митохондриальные ферменты, в которые входят полипептиды субъединиц, полученных в результате транскрипции и трансляции как из ядерных, так и из митохондриальных локусов.
При сравнении особей различных биологических видов у более старых из них обнаруживают снижение числа и увеличение размеров митохондрий, а также учащение структурных аномалий (обзор Bittles, 1989). Если учесть центральную роль митохондрий в выработке энергии, эти изменения обязательно имеют существенное значение для метаболизма. Но основное внимание привлекает предполагаемая взаимосвязь между митохондриями и повреждениями клеток свободными радикалами. Это предположение будет обсуждено ниже при разборе негенетических теорий. Возможно, первичное повреждение клеткам, ведущее к старению митохондрий, наносят своими дезорганизующими свойствами свободные радикалы, которые образуются во внутренней мембране митохондрий в процессе обычного дыхания. Мишенями для них, вероятно, являются как мтДНК, так и сама мембрана (обзор Bittles, 1992).
Результаты контролируемых экспериментальных исследований роли митохондрий в процессах старения довольно неоднозначны. По-видимому, они отражают разные темпы устранения повреждений или мутаций в мтДНК путем митохондриальной репликации. Тем не менее по имеющейся информации достаточно оснований, чтобы связать снижение функций митохондрий со многими из признаков, которые выше рассматривались как основные в процессах старения.
Видео: Школа пожилого возраста
Теории, основывающиеся на изменениях в геноме
Как уже видно из названия, в этих теориях допускается, что старение первично связано с изменениями в генетической конституции организма и прежде всего с мутациями в ядерной ДНК. В последнее время значительный прогресс в изучении старения был достигнут именно в области генетики в результате использования технологических новинок для исследования структур генома в мельчайших деталях. Главные из таких теорий отличаются лишь тем, что сутью генетической природы старения считается либо преимущественно внешнее повреждение генома, либо преимущественно внутренние нарушения информационных потоков.
Видео: Гурова Е.В. Из видеокурса "Геронтопсихология"
Теории запрограммированного старения
Начальный импульс для развития теорий запрограммированного старения был дан исследованиями продолжительности жизни, в которых отмечалось значительное постоянство ожидаемой продолжительности жизни особей разных биологических видов, в том числе и млекопитающих. Теории преимущественно генетической основы старения получили существенную поддержку, когда было показано, что у диплоидных клеток человека, культивируемых в лабораторных условиях, ограниченная продолжительность жизни (Hayflick & Moorhead, 1961- Hayflick, 1965). До этих сообщений бытовало мнение, что эксплантаты тканей млекопитающих и птиц in vitro способны к неограниченному росту. Впоследствии оказалось, что это заблуждение — результат несовершенных протоколов лабораторных испытаний, а также, возможно, загрязнения культур измененными гетероплоидными клетками, которые не проявляют признаков старения. Как уже уточнялось выше при обсуждении моделирования процессов старения на клеточных культурах, вполне обоснован постулат, что центральная система мониторинга процесса старения находится на клеточном уровне. Экспериментами по соединению нормальных диплоидных фибробластов с определенной продолжительностью жизни и потенциально «вечных» измененных клеток было показано, что фенотип клеточного старения доминантный (Pereira-Smith & Smith, 1983). Тогда как генетический контроль над развитием организма от зачатия до репродуктивного периода дает биологическим видам значительные эволюционные преимущества, о чем уже упоминалось во введении к этому разделу, доводы в пользу «стареющих» генов выглядят намного слабее. Эволюционным компромиссом может стать предположение, что с достижением особью зрелого возраста программа ее развития постепенно тормозится вследствие нарастающей хромосомной нестабильности.
Теория соматических мутаций
Поскольку ДНК отвечает за регулирование выработки наиболее важных для поддержания жизни пептидов и протеинов, возникло предположение, что связанное с возрастом характерное снижение функций обусловлено накоплением мутаций в ядерной ДНК (яДНК) соматических клеток (Szilard, 1959). Повреждение яДНК, вызванное, к примеру, ионизирующей радиацией в нелетальных дозах, должно снизить продолжительность жизни экспериментальных животных, причем пропорционально дозе радиации. Однако соответствие этого повреждения нормальному старению может быть незначительным, поскольку радиацией прежде всего поражаются активно делящиеся клетки, как, к примеру, стволовые клетки костного мозга, тогда как в пожилом возрасте наибольшее снижение функций обнаруживают у неделящихся клеток.
Как было показано в табл. 1.1, обнаружена обратная корреляция между продолжительностью жизни некоторых млекопитающих и частотой хромосомных аномалий у этих млекопитающих с увеличением их возраста (Curtis & Miller, 1971). Эти данные можно объяснить не столько причинно-следственной связью, сколько способностью живого существа переносить повреждение ДНК путем репарации поврежденных молекул (Hart & Setlow, 1974). Тогда как соматические мутации в яДНК, будь они спонтанные или вызванные радиацией, могут критическим образом повлиять на продолжительность жизни, их непосредственная роль в процессах старения, вероятно, куда более ограниченная. Более вероятно, что связь между яДНК и старением обусловлена той важнейшей ролью, которую она играет в поддержании структуры и функции митохондрий. К тому же высказывалось предположение, что зависящая от возраста дисфункция митохондрий у человека в основном связана с мутациями в яДНК, а не в мтДНК (Hayashi et al, 1994).
Теория передачи информации
Способность организма вырабатывать функциональные протеины зависит от точности генетической информации, закодированной в ДНК, ненарушенной транскрипции этой информации с ДНК на РНК и от последующей трансляции ее в пептиды и протеины. Транскрипция и трансляция — многоступенчатые процессы, в каждом из которых могут возникать ошибки. В течение всей жизни организма в определенной последовательности непрерывно передается информация. Возможность ошибок при передаче информации весьма велика, и с повышением возраста организма она, надо думать, экспоненциально возрастает. Кроме того, поскольку в число вырабатываемых протеинов могут входить и регуляторные ферменты, обеспечивающие точность этого процесса в целом, то механизмы обратной связи способны вызвать коллапс всей системы. Это способствует появлению феномена, первоначально названного «катастрофой ошибки» (error catastrophe) (Orgel, 1963, 1973). В подтверждение возможности такого сценария было показано, что продолжительность жизни млекопитающих находится в обратной связи с интенсивностью белкового обмена (Spector, 1974). Хотя вначале «теория ошибки» расценивалась как весьма правдоподобное объяснение многих аспектов старения, интерес к ней ослабел, и сегодня появление измененных ферментов в старых клетках обычно расценивается как признак посттрансляционной модификации (Rothstein, 1977).
Из теории рестрикции кодона, в которой принята во внимание избыточная природа генетического кода с его множественными триплетами для кодирования специфических аминокислот, вытекает альтернативная гипотеза возрастных изменений способности клеток к обработке информации (Strehler et al, 1971). Появилось предположение, что по мере старения организмов изменяется доступность молекул тРНК и/или тРНК-синтетаз, а поэтому даже в случае функциональной интактности ДНК вследствие утраты ею способности к трансляции полностью инактивируются определенные кодоны. Как и с «теорией ошибки», внимание исследователей постепенно перемещается от рестрикции кодона к другим более перспективным исследованиям.
Теория эпигенетических механизмов
Вероятно, что причинными факторами старения выступают не дефекты в ДНК или протеинах, а эпигенетические ошибки — ошибки в контролировании экспрессии гена. Главная роль в контролировании активности генов при старении отводится основанию 5-метилцитозину. Предполагается, что нарушение метилирования, обусловленное 5тС, может привести к экспрессии генов, которые в соматических клетках при других условиях остаются «немыми». Если в каких-либо генах есть скопления оснований 5тС в прилегающих к промотору областях, то для их экспрессии потребуется последовательная утрата нескольких метальных групп.
Таким образом, в геноме может быть много «немых» эпигенетических дефектов, которые проявляют свой пагубный фенотип только через определенный период или после определенного числа клеточных делений (Holliday, 1987).
Преимущество этой теоретической модели старения перед другими генетическими теориями заключается в том, что она не требует эволюционного сохранения генов, которые в предшествующих поколениях редко могли бы проявлять себя. Из экспериментальных данных для поддержки этой теории используют уменьшение продолжительности жизни культивируемых диплоидных фибробластов человека после воздействия на них 5-азацитидином (5-azacytidine), который ингибирует метилирование цитозина в ДНК (Holliday, 1986), а также очевидную взаимосвязь между утратой 5mС и продолжительностью жизни диплоидных клеток в культуре (Catania & Fairweather, 1991). И все же весь процесс экспрессии генов у млекопитающих и механизмы его регулирования остаются недостаточно понятными.
Видео: Видео. Как подготовиться к старости? Лекторий помогает разобраться
Гипотеза утраты теломер
Вслед за обнаружением в культуре прогрессивной потери диплоидными фибробластами теломер — специализированных структур на конце каждой хромосомы, крайне важных для поддержания стабильности ДНК и ее репликации, было высказано предположение, что по длине теломер можно предсказать потенциальное число делений клетки (Harley et al., 1991). Эту гипотезу затем расширили суждением, что потеря последовательностей теломер действует как сигнал клеткам подвергаться старению (Harley, 1991).
Теломеры человека построены как простая последовательность (T2AG3) повторяющихся тандемов длиной примерно 10 kb в соматических тканях и 15 kb — в гаметах (Broccoli & Cooke, 1993). Появилось сообщение об уменьшении длины теломер с увеличением возраста организма in vivo (Hastie et al., 1990). Утратой терминальных повторяющихся участков теломер в процессах старения лимфоцитов человека in vivo и in vitro можно частично объяснить процессы старения иммунной системы у пожилых людей (Vaziri et al., 1993). Однако степень, в которой эти частные данные отражают феномен старения в целом, остается неясной.. Например, длина теломер у мышей, у которых жизнь относительно коротка, больше, чем у человека. Оказалось, что теломеры не укорачиваются в течение жизни животного (Kipling & Cooke, 1990). Кроме того, хотя с возрастом и усиливается перестройка хромосом в терминальных участках (Bender et al., 1989), величина уменьшения теломер человека, равная примерно 40-90 пар оснований за один год, свидетельствует о том, что вряд ли можно ожидать существенной потери кодирующих последовательностей яДНК в течение средней по продолжительности жизни человека (Broccoli & Cooke, 1993).
Негенетические (стохастические) теории
Теории этой подгруппы основаны на предположении, что со временем в организме происходят случайные неблагоприятные изменения, которые хотя и незначительные по отдельности, но накапливаются и, в конце концов, уже не компенсируются способностью организма к выживанию. Согласно этой гипотезе, старением продолжается предшествующее снижение жизнеспособности организма.
Теория темпа жизнедеятельности
Первоначальные доказательства этой теории получены из результатов наблюдений за пойкилотермными разных видов, включая дрозофил и коловраток: оптимальная продолжительность их жизни достигалась тогда, когда организмы содержались при субоптимальных температурах. Поскольку существует общая взаимосвязь между температурой и скоростью протекающих в организме реакций, возможно, уменьшение продолжительности жизни этих насекомых при более высоких температурах отражает неблагоприятное влияние на них ускоренных процессов жизнедеятельности, связанных, вероятно, с расходом энергии. Четкая обратная связь между интенсивностью основного обмена и долгожительством была определена у млекопитающих (Sacher, 1976). Она также использована в качестве подкрепляющего аргумента предположения, что продолжительность жизни особей некоторых биологических видов определяется скоростью жизнедеятельности.
К сожалению, по теориям этого типа весьма неточно и неполно устанавливают особенности скрытого, «молчащего» фактора или факторов, влияющих на продолжительность жизни и старение, хотя и высказано мнение, что теорию темпа жизнедеятельности можно с полным основанием назвать стрессовой теорией старения. Согласно этой модифицированной теории, устойчивость к стрессам является основной наследуемой особенностью организма, определяющей его продолжительность жизни. Поэтому продолжительность жизни организмов, у которых со временем сформировался более устойчивый к стрессу генотип, будет наибольшей (Parsons, 1995).
Аккумуляционные теории
Согласно этим теориям, старение — это накопление внутри клеток отходов, образовавшихся в результате обмена веществ. Такие продукты отходов вмешиваются в нормальный клеточный метаболизм и действуют на организм преимущественно не специфическим путем. В итоге они приводят к дисфункции и смерти как на клеточном, так и на органном уровне.
Молекула, которой в аккумуляционных теориях отводится основная роль, — липофусцин. Это в высокой степени нерастворимое пигментное вещество появляется в клетках многих тканей млекопитающих, включая нейроны, волокна сердечной мышцы и клетки коры надпочечников, по мере их старения. Считают, что липофусцин образуется при аутооксидации из неполностью распавшихся клеточных материалов, в том числе из липидного компонента мембран митохондрий (Fleming et al., 1985). Поскольку было показано, что само по себе накопление липофусцина, по всей вероятности, не оказывает какого-либо критического действия на функции клетки, возможно, что оно вторично по отношению к другим обусловленным возрастом негативным сдвигам в катаболических процессах в клетке.
Теории перекрестных связей и постсинтетической модификации метаболизма
С увеличением возраста организма у многих важных в биологическом плане макромолекул постепенно развиваются перекрестные связи, по своей природе ковалентные либо опосредованные молекулами водорода. Вследствие возникновения перекрестных связей изменяются химические и физические свойства молекул. Например, при образовании перекрестных связей у внеклеточного протеина коллагена с возрастом утрачивается эластичность кровеносных сосудов и кожи млекопитающих (Bjorksten, 1968- Kohn, 1982b). Считается, что ДНК и РНК также могут быть потенциальными внутриклеточными мишенями для агентов, вызывающих перекрестное связывание. Это может иметь самые серьезные последствия для информационного обмена в клетке. Существование перекрестных связей у пожилых организмов бесспорно, и наступающие в результате этого агрегация и иммобилизация молекул теоретически способны нарушать клеточный метаболизм и функционирование клетки. Сходные конечные эффекты могут возникать вследствие постсинтетической модификации протеинов. Гликозилирование без участия ферментов представляет собой важный пример постсинтетической модификации, связанной с возрастом. Гликозилирование начинается в результате взаимодействия глюкозы с аминогруппой остатков лизина и затем продолжает формировать основания Шиффа и далее — все более сложные соединения, которые называются продуктами продвинутого окончания гликозилирования (advanced glycosilation end — AGE) (Martin et al, 1993).
Фактически перекрестные связи или любые модификации протеинов, снижающие протеолиз, можно расценить как специфическую разновидность аккумуляции. Однако, как и в общих аккумуляционных теориях, вопрос, до какой степени могут накапливаться аномальные протеины, остается неясным. Такое связанное с возрастом прогрессирующее повышение содержания белка отмечено в отношении коллагена, который на протяжении жизни находится в постоянном обменном цикле (Schnider & Kohn, 1981). Напротив, малые сдвиги гликозилирования были обнаружены в протеинах хрусталика у людей от 10 до 80 лет (Patrick et al, 1990). Предполагается, что замедление старения, вызываемое дипептидом карнозином в культуре диплоидных фибробластов человека, связано с противодействием гликозилированию (McFarland & Holliday, 1994). Однако, как и во всех теориях старения, перекрестные связи и постсинтетические механизмы и в этой теории — еще один пример дебатов о причинах и следствиях.
Теория свободных радикалов
Гипотеза о роли повреждающего влияния свободных радикалов как существенного фактора в процессе старения была впервые выдвинута Harman (1956). Свободные радикалы представляют соединения с непарным электроном на внешней орбите, который значительно повышает их способность реагировать с другими веществами. Поэтому для них характерна тенденция аутокаталитически атаковать соседние с ними соединения. Свободные радикалы возникают в результате воздействия на клетки или органеллы ионизирующего излучения. Однако в теории, связывающей старение с действием свободных радикалов, подчеркивается роль повреждения ткани радикалами кислорода. При обмене из молекул кислорода образуется много соединений, обладающих высокой реактивностью, в том числе супероксидные и гидропероксильные радикалы, пероксид водорода, гидроксильный радикал, а также атомарный кислород.
Боковые цепи полиненасыщенных жирных кислот в мембранах клеток и органелл становятся высокочувствительными мишенями для радикалов кислорода. При этом липиды подвергаются цепной реакции, известной как перекисное окисление липидов, которое может сильно повредить, а в конечном счете — погубить клетку (Gutteridge et al., 1986). Другие исследователи полагают, что из молекул главной мишенью для свободных радикалов может быть ДНК, при этом мтДНК особенно чувствительна к такому повреждению вследствие своей близости к месту выработки свободных радикалов во внутренней мембране митохондрий (обзор Bittles, 1992).
В дополнение к свободным радикалам, образующимся при ферментных реакциях дыхательной цепи, радикалы в более низких концентрациях появляются в процессах фагоцитоза, синтеза простагландинов и в системе цитохрома Р-450. Еще немного свободных радикалов образуется при неферментных реакциях кислорода с органическими соединениями (Harman, 1986). Тем не менее предполагают, что свободными радикалами сильно поражаются только высокодифференцированные клетки, такие как клетки мозга, сердца, мышц, тогда как в быстро репродуцирующихся клетках путем митохондриального деления и митоза возможно быстрое обновление макромолекул (Miquel, 1991).
О правильности этой мысли свидетельствует отчетливое повышение оксидантного повреждения мтДНК и в меньшей степени — нДНК в мозге человека в зависимости от возраста (Mecocci et al, 1993). Кроме того, обнаружено ухудшение функций дыхательной цепи в скелетной мышце, связанное с ее возрастом (Trounce et al, 1989- Boffoli et al, 1994- Hsieh etal, 1994).
В табл. 1.1 была показана обратная связь между долгожительством млекопитающих разных видов и интенсивностью перекисного окисления, по меньшей мере, хотя бы частично определяемой механизмами антиоксидантной защиты организмов каждого биологического вида.
У человека выявлено много соединений-антиоксидантов, в том числе аскорбиновая кислота, альфа-токоферол, бета-каротин, глютатион и ферменты — супероксид-дисмутаза, пероксидаза и каталаза. Хотя и было установлено, что различные антиоксиданты повышают ожидаемую среднюю продолжительность жизни экспериментальных животных, до сих пор мало свидетельств хоть какого-либо увеличения максимальной продолжительности жизни.
Между многочисленными теориями, авторы которых претендуют на объяснение процессов старения, много общего. Теории, базирующиеся на данных изучения органов и систем органов, по сути, отражают связанные с возрастом изменения в клетках, которые и лежат, в соответствии с этими теориями, в основе старения. Более ранние, негеномные, теории, такие как теории изнашивания, темпа жизнедеятельности, аккумуляции, перекрестных связей, в значительной степени феноменологические, и результаты наблюдений, на которых они основываются, вероятно, было бы более убедительно обсуждать в рамках теории повреждения клеток свободными радикалами. Тем не менее трудно представить себе, как стохастическую по своей сути теорию свободных радикалов можно привлечь для объяснения всех процессов старения. Так, в частности, следует ожидать, что свободные радикалы не должны существенно влиять на легко воспроизводимые in vitro процессы старения диплоидных клеток человека, поскольку есть все основания полагать, что эти митотические клетки способны к митохондриальному макромо-лекулярному обновлению. Этот факт был подтвержден во многих исследованиях, и даже в самом конце жизни in vitro митохондрии диплоидных фибробластов человека способны функционировать (Bittles et al, 1988- Flannery et al, 1989). Следовательно, утверждение Hartman (1986), что старение организма — результат только его повреждения свободными радикалами, выглядит явно преувеличенным.
Все чаще предметом обсуждения, который имеет теоретическое и практическое значение для понимания процессов старения на клеточном уровне, является апоптоз — активация управляемой генами программы саморазрушения. Результаты проведенных на дрозофилах экспериментов показали, что апоптоз находится под эпигенетическим контролем (Steller, 1995). У млекопитающих эта форма гибели клеток, вероятно, инициируется цистеинпротеазами с последующей конденсацией и сегрегацией ядер, конденсацией и фрагментацией цитоплазмы и ферментативным расщеплением эндонуклеазами хромосомальной ДНК на нуклеосомы. Поскольку апоптоз может возникнуть без синтеза белка de novo, вероятно, клеточные компоненты, участвующие в связанных с ним специфических морфологических изменениях, постоянно присутствуют в клетках млекопитающих, хотя в норме они находятся в ингибированном состоянии (Steller, 1995).
Из отдельных аспектов процессов старения апоптоз представляет наибольший интерес, так как он ассоциируется с болезнями, которые обычно развиваются в старости. Например, возрастание аккумуляции клеток у больных раком и с аутоиммунными нарушениями можно объяснить ингибированием апоптоза, тогда как нейродегенеративные болезни, такие как болезнь Альцгеймера и ишемические повреждения, приводящие к инфаркту миокарда и инсульту, — его усилением (Thompson, 1995). Кроме того, при апоптозе отмечается утрата митохондриями функций. Поскольку находящийся внутри митохондрий протеин Вс1-2 участвует в процессах предупреждения апоптоза в измененных клетках (Hockenbery et al, 1990), возможно, митохондрии играют существенную роль в регуляции апоптоза.
Еще одна гипотеза заключается в том, что апоптоз можно вызвать окислительным повреждением клеток, например, перекисью водорода (Cotman & Anderson, 1995).
Таким образом, хотя пока не определена прямая взаимосвязь апоптоза и старения, есть основания считать, что в основе своей эти два процесса имеют очень много общего.
