Проявление старения на молекулярном и клеточном уровнях

Молекулярные механизмы старения клеток различных типов не универсальны. Нельзя объяснить молекулярные механизмы старения одних клеток данными, полученными при изучении клеток другого типа; нельзя считать последовательность изменений на молекулярном уровне в клетках одного типа общей закономерностью старения для всех клеток. Действительно, последовательность возрастных изменении в первично стареющем нейроне и, к примеру, в мышечной клетке после деструкции подходящего к ней нервного окончания во многом отличаются друг от друга.

В одних клетках первичные изменения наступают в регулировании генома, в других — в мембранных процессах, в энергетическом обмене и уже вторично в геноме с последующими нарушениями во всех звеньях жизнедеятельности клеток. Старение приводит к функциональной неполноценности клеток самого различного типа. Более того, глубокие возрастные изменения метаболизма и структуры заканчиваются не только функциональной дефектностью клетки, но и в конечном итоге ее гибелью. Однако даже функционально однородные клетки стареют в неодинаковом темпе. Среди одного и того же класса клеток — нервных, мышечных, печеночных и др. можно выделить клеточные образования с грубыми изменениями структуры и функции и клетки с выраженными проявлениями гиперфункции, с комплексом адаптационных реакций.

Так, во многих клетках отмечается уменьшение ядерно-цитоплазматического контраста; уменьшение числа митохондрий, их набухание, разрушение, спирализация; нарушение целостности эндоплазматического ретикулума, атрофия канальцев эндоплазматического ретикулума; уменьшение числа рибосом, увеличение числа первичных лизосом, появление вторичных лизосом, накопление липофусцина, аутофагосом и остаточных телец; появление вакуолей, ограниченных мембраной, изменение толщины; разрывы в плазматической мембране. В мышечных волокнах, кроме того, уменьшается фракционный объем саркотубулярной сети, нарушается расположение А—1-дисков, цистерны Т-систем в отдельных местах расширены и характеризуются очаговым утолщением и уплотнением мембран, наступают серьезные нарушения в самом сократительном аппарате мионов. Гистохимические методы позволили установить определенную корреляцию между степенью структурных, ультраструктурных изменений в клетке и активностью ряда ключевых ферментов, содержанием гликогена, РНК и др.

Гибель клеток, уменьшение их числа неодинаково выражено в различных органах, в пределах различных клеточных популяций. Так, в мозгу, к примеру, в ряде областей коры головного мозга коры мозжечка, в скорлупе, в голубом пятне отмечается убыль клеток на 30—40%. В то же время в ряде структур гиппокампа, ствола мозга, гипоталамуса практически не отмечено потери числа нейронов. Убыль числа клеток описана в печени, почках, эндокринных железах, миокарде, скелетных мышцах.

Уменьшение числа клеток неодинаково сказывается на функции различных органов в старости. Особенное значение этот процесс имеет для функции нервных центров, ограниченная популяция клеток которых определяет важные внутрицентральные взаимоотношения, регуляцию метаболизма и функции других тканей.

Наряду с этим в старости описываются клетки, находящиеся в состоянии гиперфункции и гипертрофии. В них отмечается ряд метаболических, структурных феноменов, имеющих явно адаптивный характер — гипертрофия ядра, полиплоидия, многоядерность, увеличение площади ядерных мембран, гипертрофия митохондрий, гиперплазия структур Гольджи, появление мощной сети шероховатого ретикулума, гипертрофия миофибрилл и др. В одних клетках отмечаются отдельные компоненты витаукта в условиях возрастной деградации, в других адаптивный сдвиг характерен для всей клетки в целом. Можно полагать, что при убыли части клеток на оставшиеся ложится повышенная функциональная нагрузка. Метаболические сдвиги, происходящие при этом, активируют генетический аппарат, биосинтез белка клеток и в результате развивается гипертрофия. Развитие ее будет зависеть от степени нагрузки и выраженности возрастных изменений генетического аппарата.

Очень важно, что даже в пределах одного органа изменяется соотношение клеток различной функциональной значимости. Речь идет о нарастании глиоза во многих структурах мозга, об изменении соотношения афферентов, интернейронов, мотонейронов в спинном мозгу, о неравномерном сдвиге в количестве функционально различных клеток в гипоталамусе. Таким образом, только простой убылью клеток невозможно объяснить все многообразие функциональных изменений, наступающих в процессе старения. Важно взаимоотношение между деградировавшими клетками и возникающими адаптивными реакциями, состояние механизмов регуляции, определяющих взаимодействие клеток. Так, при старении наступают серьезные нарушения функции иммунитета. Общее содержание Ти В-лимфоцитов, плазмати-ческих клеток, активность макрофагов, уровень иммуноглобулинов изменены мало. Для драматических изменений функции иммунитета больше дает анализ зрелых и незрелых лимфоцитов, долгоживущих и короткоживущих лимфоцитов и особенно регуляторных факторов — хелперов и супрессоров. В последние годы раскрываются все новые и новые важные стороны функции глиальных элементов, в частности их роль в регуляции трофики нейрона.

Предполагается, что соединительнотканные элементы в миокарде могут регулировать пластические процессы в миокардиальных клетках. Следовательно, взаимоотношения между этими клетками в ходе возрастной эволюции не укладываются в категории «больше—меньше», а имеют существенное регуляторное и на определенном этапе адаптивное значение.

В ходе эволюции функционально-однородные клетки претерпевали определенные изменения. Однако фундаментальные и физиологические свойства их сохранились. Этим можно объяснить и сходство многих проявлений старения клеток, взятых от животных, находящихся на разных этапах филогенеза. Это подтверждается данными монографии о сходстве ряда структурных и физиологических изменений, возникающих в нервных клетках моллюсков и крыс при их старении.

Известна роль клеточных мембран в осуществлении функции клеток. В книге приведен обширный материал об изменении электрических и других биофизических свойств мембран клеток различного типа. Оказалось, что в процессе старения они изменяются неодинаково, например, мембранный потенциал клеток скелетных мышц, миокарда, клеток печени в среднем практически не изменяется, а гладкомышечных клеток и сосудов, ацинарных клеток околоушной слюнной железы растет. Неодинаково изменяются и другие свойства клеток, например, прямая возбудимость скелетно-мышечных клеток с возрастом падает, а мотонейронов спинного мозга растет. В неодинаковой степени изменяется сопротивление мембран разных клеток, их проницаемость. Во многих клетках существенны изменения в течение потенциала действия. Так, в мотонейронах спинного мозга значительно растет продолжительность антидромных потенциалов действия, растет длительность потенциалов действия и скелетно-мышечных волокон. Длительность потенциала действия миокардиальных волокон с возрастом не изменяется. Однако при гиперфункции у старых животных наступают более выраженные изменения в потенциалах действия миокардиальных волокон.

Известна связь между электрическими процессами на мембране и специфической функцией клетки, осуществляемая через конкретные ионные механизмы. Вот почему сдвиги в электрических свойствах мембраны, в ионных транспортных механизмах оказывают существенное влияние на специфическую функцию клеток при старении. Существенное значение в изменении физиологических механизмов старения клеток имеет изменение их реактивности, реакций на действие регуляторных факторов. Оказалось, что чувствительность нейронов, клеток печени, мышечных волокон сердца и скелетных мышц, некоторых секреторных элементов, с возрастом нарастает. Один из механизмов роста чувствительности клеток в старости к физиологически активным веществам связан с изменением состояния аденилатциклазной системы. У старых животных меньшие дозы катехоламинов вызывают в сердце, скелетной мышце и печени рост активности аденилатциклазы, рост содержания цАМФ. Однако эта закономерность относится не ко всем клеткам и всем веществам. Так, чувствительность нейронов спинного мозга к действию инсулина, ЭДДП, ацинарных клеток слюнной железы к норадреналину падает. Вместе с тем в старости падает реакционная способность клеток, уменьшается их реакция на значительные дозы веществ, снижается реактивность клеток.

Материалы, представленные в монографии, позволяют проанализировать молекулярные механизмы изменения функции клеток. Существенное значение имеет изменение белковой и фосфолипидной части мембран. Во многих типах клеток при старении снижается активный транспорт ионов и ряда других веществ. Это во многом связано с падением активности мембранной К±, Nа± АТФазы, очевидно, с изменением количества и состояния самих ионных каналов. Блокада К+, Nа± АТФазы вызывает в клетках старых животных менее выраженные сдвиги в величине мембранного потенциала. Процессы активного транспорта ионов, осуществление функции требуют определенных энергетических трат. В книге представлено немало данных о возрастных изменениях в разных звеньях процессов генерации энергии в клетке, об ограничении возможности всей этой системы в старости. Более того, на примере мышечных волокон показано, что при старении наступает перераспределение различных путей энергетического обеспечения клетки. Так, в миокарде, в скелетных мышцах относительно большее значение начинают приобретать гликолитичсские процессы. В старости во многих клетках уменьшается число белковых рецепторов на мембране и, очевидно, дрейф рецепторов по поверхности мембраны. Это ограничивает возможность реакции на большие дозы веществ. Следует указать, что изменяется не только количество рецепторов, но и их состояние, зависимое от фосфолипидного окружения. Об этом свидетельствуют результаты опытов, в которых введение антиоксидантов восстанавливало реакцию клеток на физиологически активные вещества. Как бы то ни было, частичная дерецепция клеток при старении нарушает межклеточные взаимоотношения, участие клеток в системных, общерегуляторных реакциях и является важным механизмом расстройства их функции.

Открыт новый важный физиологический механизм старения клеток. Речь идет о существовании связи между активацией биосинтеза белка и электрическими свойствами плазматической мембраны. Оказалось, что при активации биосинтеза белка, вызванной различными факторами, в различных клетках возникает однотипная реакция — гиперполяризация. Благодаря гиперполяризации изменяются ответные реакции клетки, проницаемость ее мембраны, участие в системных реакциях. Это обеспечивает определенные условия для переключения функции клетки на биосинтез белка, сдерживает течение этого процесса. Предполагается, что развитие гиперполяризации связано с образованием специального фактора, который в меньших количествах синтезируется в клетках старых животных.

Старение организма начинается не только в к клетках. Вполне очевидно, что нарушение структуры и функции клеток может быть связано с уменьшением кровоснабжения органа, изменением химического состава крови и, прежде всего, концентрации гормонов. Нарушение кровоснабжения имеет особенно большое значение в старении и гибели клеток половых органов, головного мозга и мышц. Действительно, кровоснабжение этих органов в старости нарушается особенно существенно, а их клетки наиболее чувствительны к недостатку кислорода. Более того, характер биохимических изменений при старении в клетках яичника в общем соответствует тому, что наблюдается в этих клетках при недостаточном снабжении их кислородом.

В мышечных клетках диафрагмы в процессе старения наблюдается резкое изменение структуры фибрилл, и характер этих изменений также аналогичен тем, которые происходят при недостаточном снабжении мышцы кислородом. С другой стороны, старение клеток яичника в значительной степени обусловлено нарушением соотношения различных гормонов, регулирующих их функцию. В пожилом организме к этим механизмам старения и гибели клеток «подключаются» и иммунологические механизмы. Эффективное функционирование иммунологической системы — одно из условий надежного существования многих животных, в том числе человека, подвергающихся воздействию различных чужеродных антигенов. В процессе старения эта эффективность понижается. И дело не только (и не столько) в том, что снижается способность организма противостоять чужеродным антигенам. Хуже то, что клетки, способные к синтезу антител, начинают вырабатывать их против собственных структур. Такие антитела называют аутоантителами. Основной причиной их синтеза является потеря способности клетками, синтезирующими антитела, различать «свое» от «чужого». Чаще всего, наверное, это связано с мутацией таких клеток, и тогда попавшие в кровь, например, белки мембран клеток мозга или щитовидной железы воспринимаются как чужеродные белки, и против них вырабатываются антитела. Количество аутоантител увеличивается в процессе старения. Следовательно, в пожилом организме существует постоянная опасность повреждения ими клеток соответственно головного мозга и щитовидной железы. Ведь аутоантитела, реагируя со специфическими для них антигенами, нарушают функцию структур, в состав которых эти антигены входят. Кроме того, клетки, антигены которых прореагировали с аутоантителами, могут стать жертвой макрофагов, особых клетoк, «пожирающих» поврежденные или погибшие клетки.

Другой причиной синтеза аутоантител является изменение антигенного состава тех или иных органов. У старых организмов обнаруживаются белки, антигенный состав которых различен. Познакомившись с тем, что было изложено выше о механизмах различных нарушений синтеза белка при старении, легко понять, каковы причины этих различий и как их много. Но ведь даже незначительно измененные белки иммунологической системой могут распознаваться как чужие, а на них будут синтезированы антитела. И нарушение кровоснабжения органов, и синтез аутоантител, и изменения концентрации гормонов — это примеры основных нарушений дистанционного взаимодействия клеток при старении. Однако клетки взаимодействуют и с соседними клетками. Мож-. но даже утверждать, что «поддержание нормальных отношений» между клетками —необходимое условие сохранения ими жизнеспособности в течение длительных промежутков времени. Особенно велика роль взаимодействия клеток в процессе развития организма, когда происходит формирование органов. Однако и после завершения развития организма нарушение взаимодействия между клетками может иметь для них трагические последствия. Например, функция нейронов в значительной степени зависит от окружающих их клеток, а перенос информационной РНК от лимфоцитов к плазматическим клеткам — необходимое условие выработки антител. Роль нарушения таких взаимодействий в старении организма еще почти не изучена, однако то, что мы теперь знаем об изменении при старении мембран клеток, позволяет нам заключить, что такие нарушения неизбежны, и они являются одним из важных звеньев процесса старения.

В состав надклеточных функциональных единиц, кроме клеток, входит и межклеточное вещество. Одной из его функций также является и установление «правильных взаимоотношений» между клетками, обеспечение их питательными веществами и кислородом. Основным компонентом межклеточного вещества является коллаген, количество которого с возрастом увеличивается. В процессе старения с возрастом становится все меньше клеток и все больше межклеточного вещества. Но, кроме количественных изменений, коллаген со временем подвергается и качественным изменениям. Их возникновение обусловлено прежде всего тем, что коллаген —другая, кроме ДНК, макромолекула, практически полностью не обновляется после завершения синтеза. Возможно, не случайно именно эти макромолекулы (и только они) состоят из цепей, спирально закрученных друг на друга. Правда, ДНК—это двуцепочечная спираль, коллаген — трицепочечная.

Коллаген, выделенный из различных органов старых животных, резко отличается от коллагена, выделенного из тех же органов молодых. Эти изменения разнообразны, однако большинство из них является следствием одних и тех же молекулярных событий — образования между цепями коллагена ковалентных сшивок (чаще всего между их аминокислотами: лизином и тирозином). Количество таких сшивок столь закономерно увеличивается по мере старения, что физико-химические свойства коллагена могут служить критерием биологического возраста организма. Именно биологического, а не календарного. Например, после хронического облучения животных ионизирующей радиацией продолжительность жизни их уменьшается, причем в органах таких животных развиваются изменения, аналогичные тем, которые можно наблюдать и при старении тех же животных. То есть облучение ускоряет развитие процесса старения на уровне целостного организма. Развитие спонтанных молекулярных изменений межклеточного вещества также ускоряется: коллаген, выделенный из органов облученных животных, содержит количество сшивок, характерное для коллагена более старых животных.

В межклеточном веществе, кроме сети коллагеновых волокон, содержатся эластические нити. Они состоят из эластина, образование которого происходит в результате взаимодействия двух макромолекул: гликопротеида и проэластина. Причем сначала гликопротеид полимеризуется в микрофибриллы, на которые в результате электростатического взаимодействия адсорбируются молекулы проэластина. Следующий этап образование эластиновых фибрилл катализируется специальным ферментом лизиноксидазой. В результате между двумя макромолекулами образуются ковалентные cвязи. Эластин также является метаболически стабильной структурой, и с возрастом количество перекрестных связей в нем увеличивается. Однако, образование этих «дополнительных» сшивок происходит, очевидно, не из-за специфического действия ферментов, а вследствие окисления лизиновых остатков перекисями и другими продуктами метаболизма.

Таким образом, основное принципы старения клеток и межклеточного вещества оказываются одинаковыми. В обоих случаях они обусловлены образованием сшивок между макромолекулами, как правило, не подверженных метаболизму. Причем механизмы сшивания макромолекул также аналогичны. Процесс обычно начинается (инициируется) истинно спонтанным, тепловым разрушением макромолекул или окислением ее низкомолекулярными метаболитами (обычно перекисями), и при образовании сшивок между ДНК и гистонами и между молекулами коллагена и макромолекулами, входящими в состав эластина, во всех случаях, очевидно, участвуют аминогруппы лизина.

Мы уже отмечали, что молекулярные изменения межклеточного вещества имеют существенное значение в нарушении при старении взаимодействия между клетками, нарушении их снабжения кислородом и различными питательными веществами. Это связано не только, с тем, что затрудняется диффузия веществ между клетками, а также между ними и кровью. Ведь и коллагеновые, и эластиновые волокна входят в состав сосудистой стенки. Следовательно, то, что последняя с возрастом становится более плотной, менее эластичной, зависит прежде всего от рассмотренных нами молекулярных изменений коллагена и эластина. Более того, такие изменения являются тем основным фактором, .который делает сосудистую стенку с возрастом более уязвимой к атеросклерозу. Это конкретный пример того, что старение подготавливает почву для развития наиболее распространенных и тяжелых заболеваний человека.

Однако старение межклеточного вещества, хотя и может инициироваться независимо от возрастных изменений клеток, тем не менее в значительной степени определяется ими. Митотический потенциал фибробластов с возрастом уменьшается. Но при старении нарушается не только эта их функция, но и способность синтезировать коллаген.

Образование эластиновых волокон зависит от координированного синтеза клетками по крайней мере двух типов макромолекул. В «старой» соединительной ткани эта координация нарушается, синтезируется относительно большее количествогликопротеида, что, естественно, должно приводить образованию эластиновых нитей с нарушенной структурой, а это, в свою очередь, служит основой для возникновения «противоэластиновых» антител, разрушающих стенку сосуда. Такие изменения происходят не только в процессе «нормального» старения сосудистой стенки, но и составляют цепь событий при развитии атеросклероза. Даже старение межклеточного вещества костной ткани, вещества исключительно инертного, очевидно, в значительной степени зависит от нарушения функции специальных клеток — остеобластов. Именно эти клетки синтезируют вещество (белок, находящийся в комплексе с кальцием и фосфатом), которое инициирует процесс отложения в кости солей кальция. При различных патологических процессах отложение кальция происходит не только в костной ткани, но и других органах (чаще всего в артериальной стенке).