Чтение онлайн

3) сшивание белков с продуктами окисления жиров — липидными пероксидами, а также белков между собой и с ДНК.

Поврежденные таким образом белки в норме подвергаются утилизации при помощи специальной структуры клетки — протеасомы, которая нарезает ненужные белки на кусочки либо особыми цитоплазматическими и митохондриальными ферментами. Активность этих ферментов и структур клетки с возрастом падает. Еще один способ избавления от агрегатов поврежденных белков или целых клеточных органелл — автофагия. В результате нарушения регуляции определенных генов с возрастом снижается активность процессов утилизации белковых агрегатов (микроавтофагия) и поврежденных митохондрий (митофагия). Как следствие происходит накопление старческого пигмента липофусцина, запускающего каскад неблагоприятных для нашего долголетия изменений и способствующих окислительному стрессу избежавших утилизации поврежденных митохондрий.

Кроме уничтожения нарушенного белка, отдельные повреждения белков подлежат восстановлению предназначенными для этого ферментами. При клеточном старении отмечается снижение уровней как утилизирующих, так и восстанавливающих ферментов. Особенно выраженные снижения активности отмечаются в митохондриях. Искусственная активация генов этих ферментов в экспериментах на модельных организмах приводит к увеличению продолжительности жизни и повышению устойчивости к окислительному стрессу. Таких же результатов удается достичь, работая со старыми клетками человека в лабораторных условиях.

Стоит отметить, что восполнение запасов цинка в организме пожилых людей приводит к снижению накопления окисленных белков и к активации ферментов, восстанавливающих функцию поврежденных белков.

Белок с естественной пространственной укладкой, как правило, растворим в воде, поскольку он несет на своей поверхности заряженные аминокислотные группы, тогда как окисленные белки утрачивают заряд, становятся водоотталкивающими и слипаются в агрегаты. Накопление агрегатов в зависимости от места их образования вызывает:

1) стресс в эндоплазматической сети (особой структуре, имеющейся в каждой клетке и служащей для сортировки и транспортировки вновь образованных белков), который выливается в нечувствительность клетки к инсулину, системное воспаление, клеточное старение или гибель клетки;

2) митохондриальный стресс, приводящий к порочному кругу, в результате чего поврежденная митохондрия выделяет еще большее количество свободных радикалов.

При хроническом физиологическом стрессе тоже наличествуют все характеристики, присущие критерию старения.

В разделе про влияние режима сна и отдыха на долголетие мы уже говорили, что нарушение суточных (циркадных) ритмов создает предрасположенность к системному воспалению, раку, сердечно-сосудистым заболеваниям, метаболическому синдрому и диабету, нейродегенеративным и когнитивным расстройствам, нарушениям сна. Некоторые острые патологии, такие как гипертонический криз, инфаркт миокарда, приступ астмы и аллергии, иногда имеют привязку к определенному времени суток. Нарушение синхронизации между внутренними часами и сигналами из окружающей среды приводит к появлению симптомов усталости, дезориентации, бессоннице, ухудшению общего состояния здоровья. Все эти факты не вызывают удивления, поскольку центральные (в головном мозге) и периферические (в печени, легких, сердце, почках, коже) внутренние часы играют немаловажную роль в регуляции метаболизма, циклов сна — бодрствования, ритмичности секреции гормонов, физической активности, перистальтики кишечника, температуры тела и артериального давления, регуляции уровней метаболитов в крови. Напротив, остановка внутренних часов вызывает окислительный стресс, нарушение синтеза регуляторных и других белков, воспалительные процессы, нечувствительность к инсулину, гормональный дисбаланс.

Отклонение внутренних часов от 24-часового ритма в эксперименте приводило к уменьшению продолжительности жизни мышей. С возрастом снижается активность ключевых генов, контролирующих внутренние часы организма. Мыши, у которых снижение активности было вызвано мутацией в этих генах, живут значительно меньше нормальных животных. Установлено, что искусственная активация некоторых из этих генов в мышечной ткани мышей приводит к увеличению продолжительности жизни. Аналогичные результаты были получены и на дрозофиле. Таким образом, сбой внутренних часов тоже соответствует всем трем характеристикам критерия, подходящего для выявления старения: его проявления можно зарегистрировать на ранней стадии, наличие сбоя ускоряет старение, а предотвращение — замедляет старение.

Для того чтобы понять, что такое старение, важно иметь представление, как и когда оно могло возникнуть. Тот взгляд на эволюцию старения, который будет изложен далее, базируется на следующем представлении: одновременно с эволюционными усложнениями и появлением все более сложных видов живых существ добавлялись все новые механизмы старения, для противодействия которым возникали соответствующие механизмы «антистарения».

Молекулярный уровень старения появился еще на гипотетической доклеточной стадии существования — преджизни (прогеноты). Разрывы цепей и повреждение нуклеотидов ДНК, денатурация ферментов, образование перекрестных сшивок имели место уже на заре жизни. У современных одноклеточных безъядерных организмов существуют защитные белки, противостоящие износу (молекулярные шапероны, супероксиддисмутазы, каталазы, пероксидазы и ферменты репарации ДНК). Таким образом, наравне с молекулярным старением на заре жизни возникли первые противодействующие ему системы антистарения.

Несмотря на очевидность накопления поврежденных макромолекул, долгое время считали, что первые одноклеточные организмы, возникшие 3,8 миллиарда лет назад, не старели. К нестареющим относили и все современные доядерные (прокариотические) формы жизни. Предполагалось, что при делении бактериальных клеток повреждения равномерно разбавляются вновь образованными молекулами и структурами и распределяются между дочерними клетками. Подтверждением данного взгляда служило внешне симметричное деление бактериальных клеток, свойственное, например, кишечной палочке. Под симметричным делением клетки здесь понимается деление на две равноценные клетки, при асимметричном делении материнская и дочерняя клетка отличаются друг от друга.

Эволюционный биолог Том Кирквуд, директор Института старения и здоровья Университета Ньюкастла, предположил, что при бинарном делении клетки повреждения могут доставаться одной из дочерних клеток. Таким образом, деление бактерии, внешне выглядящее как симметричное, физиологически асимметрично. Совсем недавно данное явление было обнаружено и у бактерий, в том числе — у кишечной палочки.

Что собой представляет старение бактериальной клетки? Каждая делящаяся клетка бактерий имеет «старый» полюс и «молодой». Почти целиком «старые» структуры делящейся материнской клетки отходят к одному из потомков, тогда как дочерняя клетка синтезирует новые структуры, что «обнуляет» ее молекулярные часы. Наблюдение в микроскоп показало, что клетка кишечной палочки, наследующая «старые» структуры (прежде всего агрегаты окисленных белков), через несколько циклов деления теряет нормальные темпы роста и размножения. Увеличивается вероятность гибели потомков такой клетки. Данную клетку можно рассматривать как стареющую материнскую клетку, дающую молодое потомство. Возникает репродуктивная асимметрия, приводящая к появлению стареющего индивидуума и «омолаживающейся» за его счет дочерней клетки. Как следствие, популяция кишечной палочки состоит из двух различных субпопуляций: «репродуктивной», несущей мало повреждений, и насыщенной повреждениями, не способной образовывать потомство.

Таким образом, уже у доядерных одноклеточных существ эволюция создала второй способ омоложения — неравномерное распределение поврежденных структур. С точки зрения эволюции это оказалось более выгодным, чем колоссальные затраты на бесконечное поддержание и восстановление внутриклеточных структур. «Сегрегационное» старение, как я его называю, как ни парадоксально, явилось способом «омоложения» популяции одноклеточных ценой старения отдельных индивидуумов.

Неудивительно, что столь эффективный механизм был выявлен и у эволюционно более молодых ядерных одноклеточных существ, а также у всех многоклеточных, включая человека. Материнские клетки дрожжей, от которых отпочковываются молодые клетки, оставляют за собой большую часть поврежденных структур. В конечном итоге материнская дрожжевая клетка содержит в 4 раза больше неполноценных белков, чем ее потомки. Материнская клетка дрожжей не только удерживает повреждения, но и отдает дочерней часть своей защиты, в частности антиоксидантные ферменты.

В нашем теле также происходит физиологически асимметричное деление: это асимметричное деление стволовой клетки с образованием новой стволовой клетки и клетки, развивающейся в полноценную клетку определенной ткани. В этом случае весь «мусор» скапливается в определенном месте и прицепляется к одному из двух центров клеточного деления, вместе с которым отходит специализирующейся клетке, в результате чего незрелая стволовая клетка «омолаживается».

Новый виток эволюции — это появление 2,1 миллиарда лет назад одноклеточных организмов, имеющих ядро — командный центр, управляющий реализацией заложенной в хромосомах программы индивидуального развития. Появление ядерных форм жизни было сопряжено с приобретениями, принесшими с собой два новых механизма старения.