Старіння клітини організму. Функція клітин в процесі старіння

Функція клітин в процесі старіння

Гетерохронность і гетеротопних змін функцій - типові для процесу старіння.

В умовах загибелі, деструкції одних клітинних елементів на інші падає підвищене навантаження, і це призводить до їх гіперфункції.

У мітотично активних клітинах ця підвищене навантаження стимулює клітинний розподіл.

Зменшення числа клітин неоднаково позначається на рівні діяльності різних органів в старості.

Відомо, що при звичайній, ненапряженной діяльності органу частина його клітин може бути виключена з роботи ( «чергові» капіляри, легеневі альвеоли, нейромоторние одиниці в м`язах, нефрони в нирках та ін.). У старості в зв`язку з загибеллю багатьох клітин резерв посилення роботи органу обмежено.

Більш того, у зв`язку зі зниженням функції окремих клітин одна і та ж робота органу виконується в різні вікові періоди неоднаковим числом клітинних елементів. Наприклад, за даними Янковської (1971), при виконанні однієї і тієї ж роботи у старої людини активовано більша кількість м`язових волокон, нейромоторную одиниць, ніж у дорослого.

Певний рівень освіти антитіл підтримується в старості за участю більшої кількості імунокомпетентних клітин, а у молодих тварин за рахунок більшої активності кожної иммунокомпетентной клітини окремо, за рахунок великих можливостей синтезу білка в них (Ехнева, 1976). Зменшення числа клітин не однаковою мірою впливає на діяльність різних органів.

Зменшення відносно невеликої кількості нервових клітин може істотно позначитися на діяльності того чи іншого нервового центру і тих тканин на периферії, які цим центром регулюються. Ось чому структурні зміни, загибель нервових клітин має таке значення і суттєво впливають на старіння цілісного організму.

Доля клітини, порушення її функції, загибель визначаються не тільки темпом старіння, а й процесами вітаукту, спрямованими на підтримку тривалої життєздатності клітинних структур. До них можна віднести: гіперфункцію і гіпертрофію багатьох клітин при стареніі- феномен багатоядерності і поліплоідіі- збільшення площі клітинної та ядерної мембрани, що підтримує оптимальні ядерно-цитоплазматичні і клітинно-середовищні Взаимоотношения- гіпертрофію саркоплазматичного ретикулуму в багатьох клітинах-збереження величини мембранного потенціалу в ряді клітинних популяцій- підвищення чутливості до ряду гормонів- активацію клітинного ділення (селезінка) в умовах ослаблення клітинного відповіді та ін.

Вирішальне значення в механізмі вікових змін функції клітин мають зрушення в стані клітинних мембран, зміна їх регуляторного впливу на метаболізм клітини. Мембранний потенціал (МП) клітин є своєрідною сигнальною системою клітини, що визначає здатність клітини реагувати на що приходять впливу. Від рівня поляризації клітинної мембрани залежить транспорт речовин, секреція і багато інші прояви діяльності клітини.

Величина МП неоднозначно змінюється в різних клітинних популяціях в старості. Вона практично не змінюється в м`язових волокнах, гепатоцитах, мотонейронах спинного мозку, нейронах сенсомоторної області кори- кілька зростає у кардіоцітов, гладких м`язів судин, ацинарних клітин слинної залози і ін. (Мартиненко, 1967- Танін, 1976- Файзулін, 1977- Фролькіс, 1978- ТураеваА 1979). Ці дані отримані в дослідах на щурах, серед яких старими зазвичай вважаються тварини у віці 24-26 міс.

Разом з тим у дуже старих щурів (36-38 міс) величина мембранного потенціалу значно падає. У межах однієї і тієї ж клітинної популяції величина МП змінюється неоднаково. У старих тварин відносно частіше зустрічаються клітини з низькою величиною мембранного потенціалу. Ці клітини виявляються структурно зміненими. Вимірювання порогів електровозбудімості окремих м`язових волокон показало певні відмінності цих величин у дорослих і старих тварин. У дорослих щурів середня величина порогового дратівної струму становила (6.3 + 0.14) * 10 -8 А.

У старих тварин пороговий відповідь м`язового волокна на електричне подразнення найчастіше виникав при силах дратівної струму (8.9 + 0.14) * 10 -8 А (Мартиненко, 1975). Проведені дослідження показали, що потенціал дії (ПД) виникав у дорослих щурів при критичному рівні деполяризації 49.3 мВ, а у старих - 33.4 мВ. Чим вище критичний рівень деполяризації, тим меншу силу повинен мати дратівливий струм для виклику необхідного зсуву порогового потенціалу AV, тим вище збудливість.

Зрушення порогового потенціалу у дорослих тварин становив 30.9 + 1.0 мВ, а у старих щурів - 46.7 + 0.6 мВ. Підвищення порога критичної деполяризації у старих щурів також свідчить про те, що у 24-26-місячних щурів треба на велику величину деполярізовать мембрану, щоб виник ПД, що поширюється. Слід зазначити, що подібна спрямованість зміни збудливості властива не всім клітинам. За даними Таніна (1976), електровозбудімость вставних і мотонейронів спинного мозку в старості зростає.

Підрахунок вхідного опору м`язового волокна, питомого опору мембрани і опору мембрани на одиницю довжини волокна у білих щурів показав певні відмінності цих величин в залежності від віку тварини. Так, вхідний опір м`язових волокон дорослих щурів в середньому становило 390 + 8 кОм, а старих щурів - 270 + 17 кОм.

Питомий опір мембрани у старих щурів майже в 2 рази нижче, ніж у дорослих. Значно знижується у старих тварин і опір мембрани на одиницю довжини волокна. При старінні змінюються потенціали дії клітин. Амплітуда ПД м`язових волокон падає, тривалість наростає (Соломатін, 1970 Фролькіс та ін., 1976). Так, у дорослих собак амплітуда потенціалу дії м`язових волокон дорівнює 116,9 + 1.8 мВ, а у старих - 72.5 + 3.2 МВ- у дорослих щурів - 113.6 + 2.4 мВ, а у старих - 91.2 + 2.3 мВ.

Тривалість потенціалу дії в основному визначається швидкістю реполяризації клітинної мембрани. Про зміну тривалості процесу збудження в старості свідчать зрушення в тривалості абсолютної і відносної рефрактерних фаз. У період абсолютної рефрактерної фази, що збігається з процесом порушення, клітина повністю невозбудімості.

У період відносної рефрактерній фази, що збігається з реполяризацією клітинної мембрани, відбувається відновлення збудливості клітини. У старих тварин значно збільшується тривалість абсолютної і відносної рефрактерних фаз. Так, у 2-6-місячних щурів відносна рефрактерная фаза м`язових волокон становить 5 5.6 мс, а у 30-36-місячних - 7.5-10 мс.

Для нервових клітин з довгими аксонами істотне значення має швидкість поширення збудження. Більшість дослідників відзначають уповільнення швидкості поширення збудження по периферичних нервах у літніх людей. Зміна це неоднаково в різних нервових стовбурах. Так, в ліктьовому нерві у молодих людей вона дорівнює 57.94 + 0.76 м / с, у старих - 50.38 + 0.84 м / с- в малогомілкової - 53.92 + 0.99 і 42.9 + 0.9 м / с, в великогомілкової - 47.7 + 0.67 і 37.56 + 1.03 м / с відповідно (Тимко, 1970).

Зміна електричних властивостей окремих клітин, зрушення в їх функціональної активності призводять до того, що в старості змінюється електрична активність різних груп клітин скелетних м`язів, серця, мозку. У людей похилого віку подовжується прихований період довільного включення моторної одиниці (групи м`язових волокон, що іннервуються одним нервовим волокном) в діяльність (у молодих людей він дорівнює 0.1 - 0.5 с, а у літніх - 0.6-3 с) (Янковська, Князєва, 1962- Фудель-Осипова, 1968).

Електроміограма (ЕМГ) у старих людей характеризується вмістом великої кількості потенціалів малої амплітуди (менше 400 мкВ), а у молодих людей амплітуда відповідає 900-1200 мкВ. У молодих людей частота струмів дії моторної одиниці двоголового м`яза становить 11 - 13 Гц, у літніх - 6-8 Гц. У літніх людей частіше зустрічаються поліфазний струми більшої тривалості, ніж у молодих. Зміни електричних властивостей клітин призводять до зрушень електрокардіограми (ЕКГ) і електроенцефалограми (ЕЕГ).

Для розуміння вікових змін функції клітин важливе значення має вивчення активного і пасивного транспорту іонів через клітинну мембрану. Відомо, що цей процес не тільки визначає рівень поляризації мембрани, а й надає регуляторний вплив на активність багатьох внутрішньоклітинних ферментів, інтенсивність біосинтезу білка (Маленков, 1976).

За даними Купраш (1975), внутрішньоклітинний вміст іонів К + в волокнах міокарда, печінки, нирках, в скелетних м`язах старої щури значно знижується. Концентрація іонів Na + і С1 в цих тканинах не зазнають суттєвих змін. За даними Новікової (1964), внутрішньоклітинна концентрація іонів К + в м`язах щурів підтримується на одному рівні з дня народження до 3-місячного віку і значно зменшується у 12- і 24-місячних щурів. Концентрація іонів Na + залишається відносно незмінною від 1 до 12 міс і збільшується у 24-місячних щурів.

Зміст внутрішньоклітинних іонів К + знижується до старості, а кількість іонів С1 ~ збільшується в пізньому онтогенезі. Новикова (1978) і Тураєва (1979) відзначали накопичення внутрішньоклітинних іонів Na + і зменшення вмісту іонів К + в гепатоцитах.

До протилежного висновку приходить Надь (Nady, 1979). Він визначав активність іонів К + всередині клітин і прийшов до висновку про накопичення цього іона всередині клітини в старості. На його думку, накопичення внутрішньоклітинних іонів К + в великих кількостях - одна з провідних причин порушення біосинтезу білка в старості.

Активний транспорт іонів Na + і К + через мембрану проти градієнта концентрації вимагає витрат енергії, одержуваної при розпаді АТФ за участю мембранної Na +, К + - АТФ-ази. При старінні страждають процеси активного транспорту іонів - падає активність мембранної Na +, К + - АТФ-ази (Новикова, Малишева, 1975- Sousa, Baskin, 1977), знижуються вміст АТФ і креатин-фосфату, інтенсивність тканинного дихання, змінюється сполучення окислення і фосфорилювання , нерівномірно змінюється активність ферментів дихального ланцюга в скелетної м`язі, серці, мозку (Богацкая, 1972- Потапенко, 1974 Фролькіс та ін., 1976). У цих умовах адаптивне значення має зростання інтенсивності гліколізу в ряді тканин.

Відомо, що активність мембранної Na +, К + - АТФ-ази активується іонами К + з зовнішньої поверхні клітини, а іонами Na + - з внутрішньої. Якщо через мікроелектрод всередину клітини ввести значну кількість іонів Na +, то клітина деполяризуется. Однак одночасно виникає активація Na +, К + - АТФ-ази призводить до реполяризації клітини, до збільшення її мембранного потенціалу.

Виявилося, що в клітинах старих тварин після внутрішньоклітинного введення іонів Na + темп реполяризації уповільнений, і це свідчить про ослаблення процесів активного транспорту іонів. Такий же висновок був зроблений і на підставі вивчення так званої теплової гіперполяризації (Горбань, 1978, 1979).

При охолодженні клітини (0 °) в зв`язку з інактивацією калій-натрієвого насоса велика кількість іонів Na + надходить всередину клітини і викликає її деполяризацію. При перенесенні клітини в середовище з високою температурою (+ 10 °, + 20 ° С) насос активується, і клітина гиперполяризуется.

Як видно на рис. 19, в старих клітинах уповільнений процес гіперполяризації, і це є виразом зниження інтенсивності активного транспорту іонів. Таким чином, при старінні знижується інтенсивність відновлювальних процесів, спрямованих на підтримку вихідного функціонального стану клітини.


В процесі старіння змінюється проникність мембрани, що пов`язано і зі зміною стану іонних каналів. Мартиненко (1967) визначала транспорт іона 42К в м`язові волокна і кардіоціти тварин різного віку (рис. 20).


Транспорт і обмін іона К + мають фазний характер. В першу фазу більш виражені вікові відмінності транспорту іона К + в кардіоцітах, в другу - в м`язові волокна. В першу фазу найбільше важить пасивний, а в другу активний транспорт іонів через мембрану.

Зміна транспорту іонів К + і Na + впливає на надходження іонів Са2 +, що регулюють скоротливу здатність м`язових волокон, кардіоцітов, нервових клітин. Зміна транспорту іонів К + і Na + може вплинути на стан кальцій-натрієвої провідності і привести до зниження скорочувальної здатності клітин.

Реакція клітин, міжклітинні взаємовідносини визначаються не тільки Електровозбудімость їх, але і хемочувствітельності. Передача міжклітинної інформації здійснюється за участю хімічних посередників. На мембрані клітин локалізовані білкові структури, що володіють спорідненістю до багатьох фізіологічно активних речовин, - рецептори (адрено-, холино-, інсулінорецептори і ін.).

Один з провідних механізмів старіння клітини, вікових порушень міжклітинних зв`язків, завдяки зрушень мембранного микроокружения (вільнорадикальні реакції та ін.) Може настільки змінюватися конформація рецепторів, що вони перестають «дізнаватися» субстрат. Падіння числа рецепторів, зміна їх стану в якійсь мірі відключають клітку від регуляторних впливів і сприяють її атрофії, деструкції.

До теперішнього часу відкрито найважливіший контур внутрішньоклітинної регуляції, що веде до реакції клітин при впливі на них фізіологічно активних речовин. Йдеться про систему синтезу другого медіатора, опосередковують впливу з мембрани на внутрішньоклітинні процеси, - циклічних аденілнуклеотідов.

Більш того, передбачається, що аденилатциклаза є катаболической частиною ряду рецепторів, розташованої на внутрішній стороні мембрани. За даними Костикова і співр. (1976), Гацько та співр. (1977), Фролькіса (1977), вміст циклічного аденозинмонофосфата (цАМФ) в старості не змінюється. Кульчицький (1978) показав, що при незмінному вихідному рівні цАМФ і циклічного гуанозинмонофосфату (цГМФ) у старих тварин менші дози катехоламінів, ацетилхоліну змінюють зміст їх в серце, печінки. Можна припускати, що в цьому полягає один з механізмів підвищення чутливості клітини в старості до дії цих речовин.

При старінні змінюється реакція клітин і органів на інформацію, що надходить, опосередковану через систему фізіологічно активних речовин. Показано, що при старінні може рости чутливість клітин до ряду гуморальних факторів. Це виражається в тому, що менші дози гормонів, медіаторів викликають зміни стану клітин в старості. Як видно на рис. 21, ряд гормонів (інсулін, норадреналін, естрадіолу дипропіонат) викликають гіперполяризацію клітин у старих тварин в дозах, допорогових для дорослих тварин.


Разом з тим реакційна здатність, оцінювана за максимальною реакції, у міру збільшення дози гормонів і медіаторів з віком падає. Цей феномен ще в більшій мірі виявляється при вивченні реакції органів. Тут до ослаблення реакційної здатності клітин приєднується і зменшення кількості клітин в старості.