Теорії старіння. Молекулярні теорії старіння

Відео: Сучасні теорії старіння

Молекулярні (колоїдно-хімічні, хімічні і фізичні) теорії старіння (крім теорій первинного старіння генома клітин)

Значного розвитку набули теорії, які вважають, що провідними в процесах старіння є зміни, що відбуваються на молекулярному і межмолекулярном рівнях організації протоплазми.

Одними з найбільш ранніх з`явилися теорії, що розглядають старіння як наслідок гістереза колоїдів організму (Lumiere, 1922- Ruzicka, 1928, 1924 Kotsovsky, 1933).

До певної міри колоїдну теорію смерті поділяв Богомолець (1940), який бачив в переливанні крові засіб викликати «електроколлоідальние бурі» в протоплазмі клітин реципієнта, що могло б призвести до флокуляції та подальшого самопереваріванію в клітинах коагульованої мицелл.

Основним запереченням проти колоїдно-хімічних теорій старіння є те, що метаболізм призводить до швидкої зміни одних білкових і нуклеїнових молекул другімі- період напіврозпаду багатьох з них не перевищує 10-30 днів (Schonheimer, 1949 Hewesy, 1950).

Але Томпсон і Балон (Thompson, Ballon, 1956) показали, що в тканинах організму є чимало так званих довгоживучих макромолекул - білків і нуклеїнових кислот, з періодом напіврозпаду більше 70-180 днів, а стабільна фракція колагену має період напіврозпаду навіть більше 1000 днів. Тому не можна заперечувати можливості деякого прояви початкових етапів гістереза колоїдів в тканинах зі зниженим самовідновленням.

Перші підходи до хімічних теорій виникли ще у 1916 році, коли Пікте (Pictet, 1916) висунув свою теорію старіння як слідства наростаючою циклізації речовин протоплазми, на основі типового для того періоду уявлення про те, що циклічні сполуки більш інертні в біохімічної динаміці організму, ніж аліфатичні.

Ця теорія побічно була підтримана пізніше Благовещенским (1950) стосовно до філогенезу і онтогенезу рослин. У його дослідженнях йшлося про накопичення в рослинному організмі деяких складних, специфічних з`єднань типу алкалоїдів, терпенів і т. Д.

Сам Благовіщенський вважав, що тенденція до циклізації є скоріше однією з закономірностей філогенезу, ніж провідним фактором онтогенезу. Алпатов і Настюкова (1948) і Кюн (Kuhn, 1955) створили теорію старіння як слідства накопичення з віком несприятливих для метаболізму оптичних ізомерів білків. Ще однією з різновидів фізико-хімічних теорій старіння є дифузійна теорія Карпентера (Carpenter, 1965).

Ця теорія припускає наростаюче з віком накопичення в клітинах (особливо в ядрах клітин) асоційованих один з одним, інактивованих при цьому макромолекул. При збільшується при старінні труднощі дифузії таких комплексних макромолекул з клітин вони просто «переповнюються» ними, що призводить до їх загибелі.

За останні роки було створено низку теорій старіння, що виходять з уявлення про зростаючу з віком зчепленні між макромолекуламі.протоплазми, в першу чергу між білками і нуклеїновими кислотами, що призводить до пессимальной структурі їх комплексів і інактивації їх реактивних центрів.

Ці уявлення входять суттєвою частиною в теорію затухаючого самооновлення протоплазми, розвинену Нагорним (1935, 1936, 1940, 1954), Буланкін (1939), Нікітіним (1954 1962 1963). Пізніше виникли теорії наростання з віком поперечних зв`язків в білках і нуклеїнових кислотах (the cross-linking macromolecules), які висунули Харман (Harman, 1956), Верцар (Verzar, 1957, 1968), Бьеркстен (Bjorksten, 1958, 1962), Гросс ( Gross, 1962), Сайнекс (Sinex, 1957, 1961), Феллс (Fells, 1966), Зотін (1974) та ін.

Детальніше розвинена ця теорія по відношенню до колагену і в меншій мірі до еластину - превалюючим білків сполучної тканини, що має дуже тривалий період напіврозпаду (див. Огляд: Нікітін та ін., 1977). Харман (Harman, 1956, 1975), Сайнекс (Sinex, 1961) і особливо Феллс (Fells, 1966) вважають, що з віком в молекулах колагену між їх поліпептидними ланцюгами наростають водневі та інші, більш пухкі зв`язку, що призводить до зменшення вільної енергії молекул і наближенню всій колоїдної системи до найбільш вірогідного термодинамическому станом.

Сайнекс (Sinex, 1961) припускав, що процес перехресної «зшивання» макромолекул колагену відбувається спонтанно, за законами термодинаміки біологічних систем. Однак дослідження останніх років показали (див. Зведення: Нікітін та ін., 1977), що переважну роль в утворенні і розриві міжмолекулярних зв`язків в коллагене грають активні ферментні системи, регульовані самими клітинами і нейрогуморальними впливами.

Такі ж «зшивання» Сайнекс (Sinex, 1961) припустив для комплексів еластину і нуклеїнових кислот. За Верцару (Verzar, 1957), при старінні відбувається своєрідне «здавлювання» паренхиматозной тканини колоїдального-зморщується нитками колагену.

Це в значній мірі обумовлено тепловим стисненням колагену, для деяких його видів починається вже в межах коливань температури тіла людини. Пархон (Parhon, 1959), Оеріу (Oeriu, 1962) надають великого значення в старінні постулованій ними накопичення з віком в білках протоплазми дисульфідних зв`язків, що інактивує білкові молекули.

З інших позицій підійшов до механізму виникнення поперечних зшивок в макромолекулах протоплазми Бьеркстен (Bjorksten, 1958, 1962). Він допускає переважне значення «зшивання» (дублення) молекул білків за допомогою мікромолекулами - ряду речовин, властивих тканинам і виникають в процесі метаболізму.

Особливо активними «сшиватели» Бьеркстен вважає хінони, дикарбонові кислоти циклу Кребса, ненасичені жирні кислоти і продукти їх розпаду, а також іони важких металів. Автор припускає, що цим факторам зчеплення білкових молекул протидіють в організмі специфічні речовини «роз`єднання» (деполімеризації), найбільш активним з яких він вважає дісульфіт натрію.

Суттєве значення іонів важких металів для «зшивання» нуклеїнових і білкових молекул підкреслюють також в своїх теоріях старіння Гольдштейн (1968), Дубина і Леонов (1968).

Теорії старіння як слідства пессимальной змін генетичного апарату клітин

Особливе значення в багатьох сучасних теоріях молекулярних основ старіння надається змінам з віком генетичного апарату клітин. Наростаюча онтогенезі процес інактивації і дегенерації білково-нуклеїнових комплексів протоплазми, що визначає собою синтез і самовідновлення макромолекул клітин, вперше став розглядати як одну з вирішальних цітобіохіміческіх основ теорії затухаючого самооновлення протоплазми Нікітін (1954).

За його уявленням, «в онтогенезі повинні відбуватися, і дійсно відбуваються, якісні та кількісні зміни нуклеопротеїдних комплексів, що знижують повноцінність їх участі в синтезі білкових молекул і призводять до вимірювань в самому типі синтезу білків і в складних зв`язках нуклеопротеидов з ліпідами і іншими компонентами протоплазми. ..

З віком синтезують системи протоплазми деградують не тільки кількісно, але і якісно. Вони ще мають достатню здатність утворювати ферментативні системи, можуть поповнювати спад функціонально-структурних білків, але все гірше можуть самовідновлення і утворювати нуклеопротеїдні комплекси, що лежать в основі цих синтезують систем »(Нікітін, 1954, с. 51).

Цим по суті Нікітін заклав всім сучасним уявленням про провідну в онтогенезі ролі змін в геномі і в усьому білоксинтезуюча апараті клітин. Разом з тим Нікітін припустив наявність в протоплазмі специфічних факторів, під дією яких при заплідненні і діленні клітин і в меншій мірі в період прогресивного росту постмітотіческіх тканин регенерують нуклеопротеїдні системи-протеосінтеза, що надає на клітини «омолоджуючу» дію.

Пізніше одним з таких факторів виявилися репаруючу ДНК ферменти (Ивенс, 1965- Виленчик, 1970). Сайнекс (Sinex, 1957, 1961) вважає, що в постмітотіческіх тканинах нитки ДНК, практично не оновлюючись у онтогенезі, поступово зв`язуються один з одним все щільніше.

Стрелер (Strehler, 1958, 1961) висунув теорію термальною денатурації ( «Мікротермальние пошкодження»), що виникає переважно в ДНК і дезоксірібонуклеопротеіди (ДНП) постмітотіческіх клітин і тканин і неминуче призводить до інактивації ряду ділянок ниток хромосомальной ДНК. Саме ця «мікротермальние» денатурація лежить в основі старечій дегенерації генного апарату клітин.

Виленчик (1976) надавав особливого значення в мікропошкодження структури ДНК генного апарату клітини ударам молекул води, що знаходяться в тепловому русі. Збільшується з віком фрагментацію ДНК, пов`язану з підвищенням в ній вмісту заліза, висунув в якості однієї з важливих передумов старіння Гольштейн (1968). Бердишев і співавт. (1967), Ванюшин (1968) припустили, що старіння генетичного апарату клітин прискорюється деметилюванню ДНК.

Широке поширення отримала група теорій старіння як слідства накопичення соматичних мутацій (Danielli, 1956- Sacher, 1966- Failla, 1958- Curtis, Herhardt, 1958- Curtis, 1963, 1966- Szillard, 1959). За теорією Сцилларда (Szillard, 1959), старіння виникає як результат «вікових ударів» (ageing hits), що виникають в генному апараті як діляться, так і постмітотіческіх клітин.

Ці удари виводять з ладу ту чи іншу хромосому або той чи інший її локус, істотні для синтезу життєво важливих білків і нуклеїнових кислот. Особливими факторами, що сприяють появі соматичних мутацій, могли б бути іонізуюче випромінювання (Curtis, 1966) або дію вільних радикалів (CP) (Harman, 1956, 1957, 1968).

Однак в самих дослідженнях Харман немає даних, які б підтверджували його основне твердження про наростання з віком концентрації CP в більшості тканин. Пролонгують вплив на життя лабораторних тварин речовин, що зв`язують вільні радикали, і перш за все антиоксидантів було знайдено Емануелем (1972). CP, канцерогенні речовини, іонізуюча радіація можуть діяти на мембрану лізосом, збільшуючи її проникність, особливо для ДНК-деполімерази.

Остання, проникаючи через пори клітинної та ядерної мембрани, може викликати розпад -лізосом і генного апарату клітини. Саме до цього зводиться висунута Алісон (Allison, 1962) і Хохшілдом (Hochschild, 1971) лізосомальних теорія старіння. Хохшілд (Hochschild, 1971) рекомендує застосовувати тому як засоби блокування переоксидація жирних кислот та інших генеруючих CP реакцій і збереження цілості лізосомних мембран метіонін, вітамін Е, цистеїн та ін. Реагенти. Суворої експериментальної перевірки ця теорія не має.

Теорія соматичних мутацій поки практично майже не має експериментальних обгрунтувань. По суті єдине з них - дослідження Кроулея і Куртиса (Crowley, Curtis, 1963), які знайшли, що у двох ліній інбредних мишей кількість пошкоджених наборів хромосом з віком збільшується, причому більшою мірою у короткоживущей лінії.

Найбільш істотними запереченнями проти теорії соматичних мутацій як основи старіння є положення Комфорту (Comfort, 1967) і Стрелера (Strehler, 1964) про те, що в цьому випадку темпи старіння у всіх тканин були б вельми близькими, і Верцара (Verzar, 1968), який вказав на те, що мутації виникають головним чином при діленні клітин.

Звідси найбільша частота мутацій і найбільша ймовірність старіння повинні бути у клітин з найбільш частими митозами, як при радіаційному пошкодженні. Насправді ж спостерігається зворотне: клітини з частими митозами мало старіють. З останнім положенням, однак, важко погодитися. Старіють як неделящиеся (постмітотичні), так і діляться тканини. Нестаріючих тканин в організмі немає.

Велике значення в процесах старіння надавав Катлер (Cutler, 1973, 1975) мутаційні пошкоджень повторюваних повторностей. Ще одним із заперечень проти теорії соматичних мутацій є те, що організм має здатність усувати як дефектні клітини, так і самі мікропошкодження в генному апараті.

Так, Окберг і Кларк (Oakberg, Clark, 1961) показали, що миші мають здатність усувати виникаючі в генеративної тканини дефектні клітини (ооцити і сперматогонии). Репарація хромосомальних дефектів, розвинена в різного ступеня в окремих тканинах, мабуть, недостатньо компенсує ці дефекти за тривалий період, що, можливо, має значення для довголіття тварин (Виленчик, 1970, 1976).

За останні роки досить інтенсивної дискусії та експериментальній перевірці була піддана різновид теоріїмутації, висунута ще Оргелом (Orgel, 1963). У цій теорії «помилок» допускається також постсинтетическом «псування» старіючих молекул білків. Свої дослідження він зосередив на дезактивації молекул ферментів при старінні.

Оргел припустив, що якщо порівняти визначається імунологічно кількість даного ферменту з тим його кількістю, яку проявляє каталітичні властивості (ферментативну активність), то друга величина, еквівалентна кількості «незіпсованого» ферменту, у міру старіння буде все падати. Сам Оргел і ряд його прихильників представили подібні дані для ряду ферментів (Lewis, 1972- Gershon, Gershon, 1973, 1975, 1976- Holliday, 1975). Разом з тим інші дослідники (Baird et al., 1975- Weber et al., 1976) в своїх експериментах не змогли встановити накопичення в старості «зіпсованих» форм ферментів.

Одну з різновидів теорії наростаючої з віком неповноцінності генного апарату клітини, що об`єднує багато попередніх, розвинув Виленчик (1970).

Виленчик припустив такі етапи і механізми старіння генного апарату клітини:

1) обумовлене дією внутрішньоклітинних метаболітів алкілування, окислення і, можливо, хімічна модифікація ДНК іншого типу (наприклад, димеризація тимін);
2) депурінізація і освіту розривів полінуклеотидних ланцюга (освіта розривів в ДНК відбувається і в результаті дії на неї внутрішньоклітинних ДНК-аз);
3) ковалентное зв`язування (за місцем розриву і іншим активним групам модифікованої ДНК) з «близько розташованих» макромолекулами і виникненням труднорепаріруемих ушкоджень (або взагалі нерепаріруемих в разі відсутності в даній клітині репаруючу системи);
4) порушення матричної функції пошкодженої ділянки ДНК.

Оловников (1972) висунув новий принцип - маргінотоміі ( «крайового укорочення») при дії моноблочних ДНК-полімерів на реплікацію ДНК. Суть маргінотоміі полягає в тому, що моноблочна ДНК-полімераза, за його припущенням, має активний центр, що розташований не на краю молекули, а в її центрі.

Тому на краї ДНК-полімерази, «прикладати» до краю 3 `або 5` ДНК, залишається каталитически неактивна «мертва зона». Саме на цю зону при кожній реплікації коротшає новостворена молекула ДНК. Як результат - при послідовних актах реплікації новостворені молекули ДНК стають все коротшими через наростання недобудови їх по краях.

Принцип Оловнікова може бути використаний при поясненні обмеженості поділів клонів клітин, знайденому для ряду мітотичних тканин Хейфліком (Hayfiick, 1965, 1972). Для статевих клітин ця гіпотеза з очевидних причин непридатна так само, як і для необмежено діляться соматичних клітин.

На основі своїх великих досліджень по індуктивному синтезу ферментів і його віковою загасання Фролькіс (1970, 1972, 1975) висунув для молекулярного рівня організації протоплазми свою гено-регуляторну концепцію старіння. На його думку, первинні зміни при старінні виникають в регуляторних генах. Це пов`язано з тим, що ген-регулятор - найбільш активно працює, найменш захищене ланка генетичного механізму.

Його активність, природно, супроводжується зміною реакційної здатності його окремих угруповань, хімічної рухливістю і в зв`язку з цим більшою можливістю порушення цього апарату. Вікові зміни в регуляторних генах можуть вести в одних випадках до наростаючого стримування транскрипції окремих оперонов при старінні, в інших - до тимчасовому посиленню біосинтезу деяких білків. В подальшому зміни настають і в структурних генах. Вони повинні приводити до певних зрушень в синтезованих білкових молекулах.

Безпосередніх доказів вікових змін складу генома клітин до недавнього часу не було. Тільки останнім часом з`явилися дослідження Нікітіна (1971), Мартиненко і співавт. (1972), Бердишева і Желябовской (1972), які встановили деякі зрушення в співвідношенні ДНК, РНК, гістонів і негістонових білків в хроматині старіючих тканин.

Даючи загальну оцінку сучасних теорій онтогенезу, що базуються на макромолекулярному рівні організації протоплазми, слід зазначити, що багато хто з них, після відповідного експериментального підтвердження, зможуть увійти вельми істотними компонентами в майбутню повноцінну, цілісну теорію онтогенезу.

На жаль, поки що дуже мало відомо про «друку віку» навіть на таких довгоживучих макромолекулах, як колаген міжклітинної речовини сполучної тканини і ДНК ядер клітин постмітотіческіх тканин. Разом з тим слід мати на увазі, що найскладніші закономірності вікового розвитку організму тварин не можуть бути механічним похідним з мінливих з віком властивостей окремих видів макромолекул або їх комплексів.

На кожному новому рівні організації протоплазми в організмі, на базі молекулярних відносин, розвиваються все більш складні відносини і закономірності, в свою чергу впливають на макромолекулярні комплекси. Жодна з груп речовин, як би складні і важливі для життєвого процесу клітини вони не були, не визначає ізольовано всій незвично складною і багато в чому ще не розгаданою життєдіяльності організму.