Введение

Клетка представляет собой чрезвычайно сложный и динамический химический организм, в котором с помощью ферментов, синтез которых регулируется генами, постоянно образуются различные метаболиты, гормоны и другие сопутствующие вещества. Хотя в основном эти сопутствующие вещества необходимы для клетки или для организма, некоторые из них, если они накапливаются в количестве, превышающем определенный уровень, оказывают вредное действие. Например, промежуточные продукты цикла Кребса имеют отрицательные заряды и могут образовывать поперечные сшивки молекул, обладающих положительными зарядами. Ряд альдегидов обладает высокой реакционной способностью и может вызывать сшивки биомолекул. Известно, что некоторые гормоны оказывают вредное действие, если они накапливаются в количестве, превышающем определенный уровень. Некоторые соединения, например свободные радикалы, образуются в клетках при действии ионизирующей радиации, а также в реакциях окисления, постоянно в них протекающих. Они высоко реакционноспособны и могут инициировать образование поперечных сшивок биомолекул. Следовательно, их необходимо инактивировать или удалять из системы с такой же скоростью, с какой они образуются. Если опасные сопутствующие продукты не удалять, они могут вызывать инактивацию важных биомолекул и накопление поврежденных молекул. Некоторые исследователи полагают, что такие вредные вещества с возрастом накапливаются, так как клетки постепенно теряют способность удалять их с такой же скоростью, с какой они образуются. Подобные изменения могут нарушать функционирование клеток и вызывать старение организма.

Агенты, инициирующие образование поперечных сшивок

Бьёркстен в 1962 г. предположил, что накопление внутри и вне клеток агентов, вызывающих образование поперечных сшивок, приводит к необратимой инактивации функциональных молекул и вызывает нарушение функций организма. Сшивающие агенты могут возникать в процессе нормального метаболизма. К ним относятся альдегиды и молекулы, содержащие одну или несколько ионизированных групп. В молодом возрасте они расходуются в нормальных метаболических процессах, а в старческом накапливаются [4]. В случае если они связываются с биомолекулами, например с ДНК или ферментами, они уже не могут быть удалены и необратимо инактивируют эти молекулы. Верцар высказал предположение [52–54], что увеличение количества нерастворимого коллагена с возрастом происходит из-за образования поперечных сшивок в молекулах пептидов (гл. 4). Считают также, что уменьшение экетрагируемости белков хромосом из хроматина объясняется увеличением числа их сшивок с молекулами ДНК (гл. 2).

Свободные радикалы

Агентами, вызывающими поперечные сшивки, могут служить также свободные радикалы [20, 21]. Теория сшивок и свободно-радикальная теория старения, предложенные соответственно Бьёркстеном (1962) и Харманом (1962), близки, так как обе они включают инактивацию биомолекул в результате поперечных сшивок. Единственное различие между этими теориями заключается в том, что свободные радикалы, обладающие высокой реакционной способностью, кроме сшивок, могут вызывать и другие повреждения.

Свободными радикалами называют атомы или молекулы, имеющие неспаренный электрон. Они обладают высокой реакционной способностью и инициируют образование различных продуктов. В разных организмах найдено значительное количество радикалов [19, 35, 36]. Они могут возникать в клетке по многим механизмам, в основном в органеллах, генерирующих энергию, таких, как митохондрии и хлоропласты. Свободные радикалы образуются в ходе обычного окисления органических соединений молекулярным кислородом; их возникновение катализируется металлами, например медью и железом, согласно следующим схемам:

или

Fe2+ катализирует образование радикалов согласно реакции

Все свободные радикалы обладают рядом определенных свойств и высокой реакционной способностью. Они парамагнитны, так как имеют магнитный момент благодаря наличию неспаренного электрона. Их свободная энергия выше, чем у частиц, из которых они образовались, и они активно окисляют соседние молекулы. Радикалы инициируют перекисное окисление ненасыщенных жирных кислот. Это приводит к разрушению биологических мембран, содержащих фосфолипиды — эфиры глицерина и ненасыщенных жирных кислот.

Свободные радикалы легко разрушаются вследствие их активной природы и способны образовывать аддукты или инициировать сшивки биологических молекул. Поэтому они обычно инактивируются ферментами типа пероксид-дисмутазы (ПОД), под действием которой происходит дисмутация или перегруппировка двух молекул супероксида:

Каталаза затем катализирует дальнейшее превращение двух молекул перекиси водорода

Супероксид-ион и перекись водорода, образующиеся в клетке, взаимодействуют друг с другом согласно реакции

Радикал ȮH может присоединяться по двойной связи между 5-м и 6-м положениями в молекуле тимидина и нарушать активность ДНК. Радикалы ȮН и НȮ2 чрезвычайно реакционноспособны [40] и имеют очень короткое время полужизни. Радикалы ȮН образуются вместе с гидратированными электронами при действии ионизирующей радиации. Эти радикалы постоянно возникают в организме, и если бы не существовало механизмов, с помощью которых они разрушаются с той же скоростью, что и образуются, то они вызывали бы быструю инактивацию биологических молекул.

К биологическим молекулам, способным помимо ПОД удалять из клетки свободные радикалы, относится витамин Е. Это антиоксидант, защищающий ненасыщенные жирные кислоты от перекисного окисления и препятствующий "размножению" свободных радикалов в ходе перекисного окисления липидов [48]. Сообщается, что другой антиоксидант, этоксихин, увеличивает продолжительность жизни лабораторных мышей на 15–20 %. Когда в пищу мышей добавляли антиоксиданты 2,6-дитрет-бутил-4-метилфенол и меркаптоэтиламин, продолжительность жизни животных возрастала на 30–40 % [22]. Установлено, что антиоксиданты, которые замедляют реакции, протекающие с образованием радикалов как промежуточных продуктов, увеличивают длительность жизни Turbatrix [15]. Таким образом, свободные радикалы и другие агенты, вызывающие сшивки, по-видимому, нарушают функционирование биологических молекул. Однако предстоит еще выяснить, почему они не удаляются или не инактивируются в организме более старых животных так же эффективно, как в организме молодых. Данных о том, что в короткоживущих организмах радикалы генерируются или аккумулируются с большей скоростью, чем в долгоживущих, нет. Не показано также, что уровень радикалов в старых организмах выше, чем в молодых. Кроме того, радикалы являются вторичными продуктами метаболизма и, следовательно, вряд ли могут быть первичной причиной старения.

К потенциальным сшивающим агентам относятся различные альдегиды. Среди них — формальдегид (НСНО), который образуется по меньшей мере в восьми метаболических реакциях, известных до сих пор [4, 5]. Он способен сшивать основания ДНК и инактивировать ее.

Старческий пигмент

Старческий пигмент, называемый также липофусцином ("липо" — жир, "фусцин" — темный), впервые был обнаружен Ходжем в 1894 г. в цитоплазме нейронов старых организмов. Его образование относится к наиболее очевидным и легко наблюдаемым изменениям, возникающим в неделящихся клетках, таких, как нейроны и клетки скелетных мышц [1, 6, 8, 9, 12, 23, 29, 38, 45, 50]. Накопление старческого пигмента в коре и гиппокампе головного мозга человека [17], макака-резуса [11] и крысы [8, 10] является одним из постоянных морфологических признаков старения. Возможно, это накопление служит одной из причин потери нейронов [7, 10, 11]. Липофусцин образуется также и в делящихся клетках, например в клетках печени [16], коры надпочечников [47] и семенников [29]. Откладывание пигмента усиливается при введении кортизона, недостатке витамина Е, гипоксии [42, 46] и при некоторых патологических состояниях, возникающих в раннем возрасте [41]. Его накопление вызывает пропорционально усиливающееся разрушение цитоплазматических структур, например уменьшение массы цитоплазмы, числа митохондрий, шероховатого эндоплазматического ретикулума, упрощение аппарата Гольджи и образование в цитоплазме вакуолей [39] (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Изменение с возрастом доли объема клетки, занимаемой липофусцином, цитоплазмой и ядром в больших нервных клетках из nucleus deviatus мозжечка [51].

1 — липофусцин; 2 — цитоплазма; 3 — ядро

Источник образования старческого пигмента пока не выявлен. Ряд исследователей высказывается в пользу лизосом, так как с процессом его образования связаны некоторые гидролазы [2, 12, 14, 44, 50]. Другие [13, 18, 24] считают, что источником липофусцина являются митохондрии. Они предполагают, что он образуется при перекисном окислении полиненасыщенных липидов в этих клеточных органеллах [44, 48]. Липофусцин представляет собой весьма сложное, имеющее сопряженные связи и поперечные сшивки соединение, которое накапливается, как правило, в цитоплазме неделящихся клеток — нейронов, клеток сердечной и скелетной мышц. У крыс его накопление в аэробных тканях интенсивнее, чем в анаэробных [39]. При освещении ультрафиолетовым светом наблюдается его флуоресценция с масимумом между 430 и 490 нм. Липофусцин окрашивается Суданом черным, нильским голубым и ШИК-положителен.

Некоторые ферменты, например кислые и щелочные фосфатазы и глюкуронидаза, образуют с ним ассоциаты. В состав липофусцина входят металлы — цинк и кальций, углеводы, белки и в больших количествах нейтральные и кислые полимерные липиды. Пигмент хорошо растворяется в кислотах. В некоторых тканях его концентрация линейно увеличивается с возрастом, возможно, потому, что клетки утрачивают способность его удалять. Например, его количество линейно возрастает в семенниках мышей [29]. В основном его накопление происходит в клетках Сертоли и интерстициальных клетках, но не в сперматогонии. Высокая способность сперматогония препятствовать накоплению пигмента может быть интересной темой исследования. Накопление липофусцина в гиппокампе и зрительной коре старых крыс протекает быстрее, чем у молодых животных, причем с возрастом одновременно уменьшается количество клеток [10]. Все это должно воздействовать на функции мозга.

Появление в цитоплазме больших количеств неактивного пигмента должно, очевидно, инактивировать клетку. У старых мух Drosophila до 50 % объема клеток занято липофусцином [1]В дальнейшем для удобства мы будем называть возраст, соответствующий периоду развития, молодым, или незрелым; возраст, соответствующий репродуктивному периоду, — средним, или зрелым, и возраст, соответствующий периоду старения, — старым, или старческим. — Прим перев.
. Однако, если сравнить его содержание у диких дрозофил и у редкого мутанта, имеющего более короткую продолжительность жизни, никакой корреляции не наблюдается. В том и в другом случае пигмент накапливается с одинаковой скоростью. Таким образом, перекисное окисление липидов и накопление старческого пигмента не имеют явного отношения к уменьшению продолжительности жизни. Раннее накопление пигмента наблюдается у людей, страдающих наследственной болезнью- нейронным цероидлипофусцинозом (синдром Баттена — Фогта), а также у собак с ювенильной амавротической идиотией [55]. Значительное отложение пигмента наблюдается у людей, больных хореей Гентингтона и старческим слабоумием.

Липофусцин, очевидно, является побочным продуктом метаболизма и сам не метаболизируется, однако такие лекарственные препараты, как центрофеноксин (β-хлорфеноксиацетиловый эфир диметиламиноэтанола) и диметиламиноэтанол, уменьшают его отложение в нейронах морских свинок и мышей. Введение центрофеноксина в течение 12 нед или более приводит к заметному уменьшению количества старческого пигмента в мозгу морских свинок, крыс и мышей [25, 26, 28, 32, 37, 43]. В нейронах коры головного мозга мышей в возрасте одного месяца старческого пигмента не обнаружено. Он появляется в возрасте 2–3 мес, и затем его количество постепенно возрастает. В гиппокампе обнаружено больше старческого пигмента, чем в коре головного мозга. Если мышам-самкам ежедневно вводить внутрибрюшинно центрофеноксин (80 мг·кг-1 веса) начиная с месячного возраста в течение 2-11 мес, накопление липофусцина в нейронах коры головного мозга и гиппокампа заметно уменьшается (рис. 6.2 и 6.3) [33, 34]. После введения препарата в течение 3 мес улучшаются обучаемость и память 11-12-месячных мышей. Было сделано заключение, что центрофеноксин вызывает разрушение старческого пигмента и тем самым препятствует его накоплению [25, 43]. Хотя несколько исследователей показали, что этот препарат уменьшает накопление липофусцина, остается неясным, происходит ли это из-за предотвращения его отложения или из-за удаления уже отложившегося пигмента. Кроме того, необходимо учесть и оценить побочные эффекты от употребления высоких доз препарата.

Рис. 6.2. Окрашивание липофусцина нильским голубым в нейронах коры головного мозга мышей в возрасте 6 мес; ×600 [33, 34].

  А . Контроль. Б . После введения центрофеноксина в течение 5 мес

Рис. 6.3. Окрашивание липофусцина нильским голубым в нейронах коры головного мозга мышей в возрасте 12 мес; ×600 [33, 34].

А . Контроль. Б . После введения центрофеноксина в течение 11 мес

Старческий пигмент начинает накапливаться по мере старения в цитоплазме Neurospora crassa. При введении нордигидрогваяретовой кислоты (НДГ), обладающей свойствами антиоксиданта, не только уменьшается его накопление, но и увеличивается продолжительность жизни [30]. НДГ и глутатион оказывают такое же действие на Podospora anserina [31].

Причины накопления старческого пигмента еще предстоит выяснить. Если это происходит из-за нарушений метаболизма, необходимо установить, какие факторы ответственны за эти нарушения. Очевидно, однако, что накопление липофусцина является лишь вторичной причиной старения.

Литература

1. Biscardi H. M., Webster G. C . Expl. Gerontol., 12, 201–205 (1977)

2. Bjorkerud S . Adv. Gerontol. Res., 1, 257–288 (1964).

3. Bjorksten J. J . Am. Geriat. Soc., 10, 125–139 (1962).

4. Bjorksten J . Theoretical Aspects of Aging (M. Rockstein, Ed.), 43–59, Academic Press, New York and London (1974).

5. Bjorksten J . In: Protein crosslinking: nutritional and medical consequences (M. Friedman, Ed.), 579–602 (1977).

6. Bourne G. H . Neurobiological Aspects of Maturation and Aging. In: Process in Brain Research (D. H. Ford, Ed.), 187–202, Elsevier, New York (1973).

7. Brizzee K. R . In: Neurobiology of Aging (J. M. Ordy and K. R. Brizzee, Eds.), 401–424, Plenum Press, New York (1975).

8. Brizzee K. R., Cancllla P. A., Sherwood N., Timiras P. S . J. Gerontol., 24, 197–135 (1969)

9. Brizzee K. R., Harkin J. C., Ordy J. M., Kaack B . Aging, 1, 39–78 (1975). 10. Brizzee K. R., Ordy J. M. Mech. Age. Dev., 9, 143–162 (1979).

11. Brizzee K. R., Ordy J. M., Kaack B . J. Gerontol., 29, 366–381 (1974).

12. Brodu H., Vijayashankar N . In: The Handbook of the Biology of Aging (C E Finch and L. Hayflick, Eds.), 248–254, Reinhold, New York (1977).

13. Colocolough H. L., Hack M. M., Helmy F. M., Vaughan G. E., Veath D. C . Acta Histochem., 43, 89-109 (1972).

14. DeDuve C . Symp. Soc. exp. Biol., 10, 50–67 (1957).

15. Epstein J., Gershort D . Mech. Age. Dev., 1, 257–264 (1972).

16. Essner E., Novikoff A . J. Ultra Res., 3, 374–391 (1960).

17. Friede R. L . Topographic Brain Chemistry, Academic Press, New York and London (1966).

18. Glees P., Hasan M., Spoerri P. E . J. Physiol., 239, 87 (1974).

19. Gordon P . In: Theoretical Aspects of Aging (M. Rockstein, Ed.), 61–81, Academic Press, New York and London (1974).

20. Harman D . J. Gerontol., 1, 298–300 (1956).

21. Harman D . Radiat. Res., 16, 753–763 (1962).

22. Harman D . J. Gerontol., 23, 476–482 (1968).

23. Hasan M., Glees P . Expl. Gerontol., 7, 345–351 (1972).

24. Hasan M., Glees P . Expl. Gerontol., 8, 78–83 (1973).

25. Hasan M., Glees P., Spoerri P. E . Cell Tiss. Res., 150, 369–375 (1974).

26. Hochschild R . Expl. Gerontol., 8, 117–183 (1973).

27. Hodge C. F . J. Physiol., 17, 129–134 (1894).

28. Kormendy C. G., Bender A. D . Gerontologia, 77, 52–64 (1971).

29. Miquel J., Lundgren P. R., Johnson J. E . J. Gerontol., 33, 5-19 (1978).

30. Munkres K. D., Rana R. S . Mech. Age. Dev., 7, 399–406 (1978).

31. Munkres K. D., Rana R. S . Mech. Age. Dev., 7, 407–415 (1978).

32. Nandy K., Bourne G. H . Nature, 210, 313–314 (1966).

33. Nandy K . Mech. Age. Dev., 8, 131–138 (1978).

34. Nandy K. J . Am. Gerontol. Soc, 26, 74–81 (1978).

35. Pryor W. A . Sci. Amer, 23, 70–83 (1970).

36. Pryor W. A . Fed. Proc, 32, 1862–1869 (1973).

37. Riga S., Riga D . Brain Res., 72, 265–275 (1974).

38. Samorajski T., Keefe J. R., Ordy J. M . J. Gerontol., 19, 262–276 (1964).

39. Shimasaki H., Nozawa T., Privett O. S., Anderson W. R . Arch. Biochem. Biophys., 183, 443–451 (1977).

40. Sinex F. M . In: The Handbook of the Biology of Aging (C. E. Finch and L. Hayflick, Eds.), 43–46, Reinhold, New York (1977).

41. Spence A. M., Herman N. M . Mech. Age. Dev., 2, 211–227 (1973).

42. Spoerri P. E., Glees P . Expl. Gerontol., 8, 259–263 (1973).

43. Spoerri P. E., Glees P . Mech. Age. Dev., 3, 131–155 (1974).

44. Strehler B. L . Adv. Gerontol. Res., 1, 343–384 (1964).

45. Strehler B. L., Mark D. D., Mildvan A. S., Gee M. V . J. Gerontol., 14, 430–439 (1951).

46. Sulkin N. M., Srivanji P. J . Gerontol, 15, 2–9 (1960).

47. Szabo D., Desinick C., Okros L., Stack E . Expl. Gerontol., 5, 335–337 (1970).

48. Tappet A. L . Ann. N. Y. Acad. Sci., 203, 12–28 (1972).

49. Tonna E. A . Expl. Gerontol., 8, 9-16 (1973).

50. Tonna E. A . J. Gerontol., 30, 3–8 (1975).

51. Treff W. M . Altern, 37–54, Schattauer, Stuttgart (1974).

52. Verzar F . Gerontologia, 4, 104–111 (1960).

53. Verzar F . Sci. Amer., 208, 104–114 (1963).

54. Verzar F . Intern. Rev. Connect. Tissue Res., 2, 243–299 (1964).

55. Zeman W . Adv. Gerontol. Res., 3, 147–170 (1971).