Биологические основы старения и долголетия - Виленчик Михаил Маркович - Страница 31

Коллаген, выделенный из различных органов старых животных, существенно отличается от выделенного из тех же органов молодых. Эти возрастные изменения разнообразны, однако большинство из них являются следствием одних и тех же молекулярных событий — образования между цепями коллагена ковалентных сшивок, например, между их аминокислотами — лизином и тирозином. Из биохимических изменений коллагена при старении наиболее общими для всех млекопитающих теперь считают следующие: увеличение в нем содержания оксипролина и оксилизина (и соответственно уменьшение содержания пролина и лизина); увеличение скорости неэнзиматического гликозилирования, несмотря на уменьшение скорости общего метаболизма молекул коллагена.

С такими изменениями, вероятно, связаны и функциональные, и структурные изменения коллагена, в частности понижение эластичности его волокон при старении. Первичные молекулярные механизмы этих изменений могут быть различными и включают как процессы, протекающие в межклеточном веществе (уменьшение в нем содержания Н₂О, изменение содержания в коллагене других молекул, определяющих правильное расположение молекул коллагена), так и изменения на уровне клеток соединительной ткани (уменьшение их количества, изменение иммунологического статуса при старении).

Наряду со специфическими существуют общие молекулярные механизмы старения клеток и межклеточного вещества, т. е. механизмы, осуществляющие деструкцию организма на различных его уровнях. К числу таких механизмов в первую очередь нужно отнести образование свободных радикалов, Н₂О₂ и перекисей органических соединений.

Следовательно, известные факты ускорения старения коллагена кожи у экспериментальных животных, облученных ионизирующей радиацией, также, скорее всего, связаны с действием на него активных форм кислорода и перекисей липидов или со снижением антиоксидантной системы защиты от них. Ведь такие изменения действительно наблюдают в облученных клетках тканей, и они ответственны за многие радиобиологические эффекты.

Таким образом, основные 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 их низкомолекулярными метаболитами (в основном активными формами кислорода и перекисями). Вероятно, в механизм сшивки различных макромолекул (ДНК и гистонов; молекул коллагена, макромолекул, входящих в состав эластина) существенный вклад вносят реакции с участием аминогрупп аминокислоты лизина.

Глава IV

Молекуляpнo-клеточные системы поддержания жизнеспособности

Биохимики и молекулярные биологи, изучающие структуры клетки или процессы, происходящие в ней, нередко сравнивают клетку с биохимической фабрикой. Однако фабрика эта очень необычна. Действительно сопоставим, например, генетическую информацию ДНК с программой технологических процессов, заложенной в системе управления фабрикой (будем считать, что это программа вычислительного комплекса). Но мы теперь знаем, что в ДНК спонтанно с большой частотой возникают различные повреждения, причем многие из них вызываются продуктами нормального метаболизма — веществами, необходимыми для жизнедеятельности клетки.

Таким образом, если продолжать аналогию клетки с биохимической фабрикой, то нельзя не увидеть одну существенную отличительную особенность: программа работы этой фабрики постоянно разрушается продуктами ее собственного производства. И нормально функционировать такая фабрика (например, в течение сроков, сопоставимых со временем, затрачиваемым на ее создание) может лишь в том случае, если в ней имеются "сверхпрограмма" и средства восстановления всех программ работы фабрики.

В клетке действительно имеются механизмы и даже системы механизмов для ремонта поврежденных генетических структур. Схема работы наиболее изученного — эксцизионного механизма репарации представлена на рис. 6. Один из интереснейших механизмов репарации ДНК, открытых в последние годы, — устранение из ДНК гуанинов, алкилированных по 6-му кислородному атому. Особенность этой системы репарации ДНК состоит в ее адаптивности, т. е. ее активность во многих клетках увеличивается в условиях, когда возрастает число повреждений, устраняемых ею. Поскольку такие повреждения с относительно большой частотой приводят к мутации и трансформации клеток, то рассматриваемую систему репарации ДНК считают антимутагенной и антиканцерогенной. В процессе такой репарации "лишняя" метильная группа гуанина двойной спирали ДНК переносится на цистеиновый остаток фермента — акцепторного белка. Происходит полное восстановление исходной структуры остатка гуанина в ДНК, но сам фермент инактивируется (см. также с. 203).

В начале 80-х годов автор этих строк теоретически предсказал, что образование О⁶-метилгуанина в ДНК может происходить вследствие реакции ДНК с нормальным метаболитом, необходимым всем клеткам для осуществления различных физиологических функций — S-аденозилметионином. Иными словами, определенное количество повреждений ДНК рассматриваемого типа неизбежно образуется и при физиологических условиях. С этим обстоятельством, вероятно, и связана способность клеток развивать реакцию, так сказать, самоадаптации (т. е. реакцию защиты ДНК от спонтанного физиологического повреждения ДНК "своими" необходимыми клетке метаболитами).

О роли функции рассматриваемого фермента в жизнестойкости и долголетии млекопитающих свидетельствует, например, следующее. Исходный уровень его активности сначала был изучен в печени крыс А. Е. Пегом из отдела физиологии и исследований рака Пенсильванского университета (США). А пять лет спустя советскими онкологами (А. Я. Лихачевым и другими из НИИ онкологии им. проф. Н. Н. Петрова Минздрава СССР) были опубликованы данные об активности этого фермента в печени человека. Сопоставление данных этих различных работ показывает, что способность устранить премутагенные и преканцерогенные повреждения ДНК, индуцируемые алкилирующими нитрозаминами, в клетках человека примерно в 10 раз больше соответствующей способности клеток печени крыс.

Рассмотренными процессами репарации ДНК и катализируемыми ими ферментами не исчерпывается регуляция на самом Деле гораздо более сложных механизмов залечивания генетических ферментов. В частности, в таких механизмах принимают участие и ферменты, изменяющие структуру ДНК на уровнях ее организации, более высоких, чем первичная. Один из этих ферментов — топоизомераза, название которого подчеркивает и его предназначение — менять топологические свойства ДНК.

Топоизомераза — очень важный фермент, нужный клетке не только для репарации ДНК, но и для регуляции других функций генетического вещества, включая редупликацию генов и их транскрипцию. (Роль такого рода ферментов в репарации ДНК и изменение их активности в процессе канцерогенеза были предсказаны в СССР еще в начале 70-х годов). Но особенно интересны данные, полученные в экспериментах с культивируемыми клетками человека.

Так вот, когда сравнили топоизомеразы в клетках здоровых доноров и больных анемией Фанкони (у последних увеличена нестабильность хромосом, снижена продолжительность жизни и имеются некоторые симптомы преждевременного старения, включая такой грозный, как увеличенная предрасположенность к опухолевым заболеваниям), то оказалось: при этой болезни резко изменено внутриклеточное распределение рассматриваемого фермента. В клетках здоровых людей фермент сосредоточен в основном в их ядрах, а в клетках больных людей активность топоизомеразы в ядрах мала, но она велика в цитоплазме. Возможно, это связано с тем, что вследствие мутации того или иного гена (в частности, гена, кодирующего самую топоизомеразу), фермент, будучи синтезированным в цитоплазме, затем не может быть доставлен в ядро. Так полагают авторы, обнаружившие различия в распределении топоизомеразы между клетками здоровых и больных анемией Фанкони людей.