Биохимия старения
Лекция по клинической биохимии «Биохимия старения»
В последние десятилетия значительно увеличилось количество людей пожилого и старческого возраста, что выдвинуло на первый план проблемы геронтологического и гериатрического характера. Для людей пожилого возраста характерны следующие особенности клинико-лабораторной картины заболеваний: 1) необычный спектр заболеваний; 2) необычные начало и симптоматика заболеваний; 3) особенности физиологических и биохимических параметров; 4) изменение фармакодинамики и фармакокинетики лекарственных препаратов.
Многие заболевания встречаются чаще у пожилых дюдей, чем у лиц молодого и зрелого возраста, например, сахарный диабет, болезнь Педжета, болезнь Альцгеймера, заболевания щитовидной железы. Кроме того, симптомы заболеваний могут значительно отличаться от типичных симптомов, например, инфаркт миокарда может проявляться спутанностью сознания, а не болями в грудной клетке, первым проявлением сахарного диабета может быть одно из его осложнений, например, трофические язвы. Возрастные изменения физиологических и биохимических параметров означают, что нормы биохимических показателей, установленные для здоровых взрослых, могут быть неприменимы для пожилых людей, хотя увеличение у них частоты многих заболеваний затрудняет полученные данных, характеризующих возрастную норму. В идеале в каждой лаборатории должны разрабатывать относительные нормативы биохимических показателей с учетом возраста пациентов.
К веществам, концентрация которых изменяется с возрастом пациента, относятся холестерин (прогрессивно увеличивается на протяжении взрослой жизни), глюкоза (с возрастом уменьшается толерантность к глюкозе), общий белок (уменьшается), альбумин (уменьшается), мочевая кислота (увеличивается), щелочная фосфатаза (увеличивается).
Увеличение распространенности многих заболеваний среди людей старшего возраста оправдывает введение скрининговых программ, биохимическая составляющая которого включает в себя калий плазмы (часто встречается гипокалиемия, например, вызванная приемом диуретиков и слабительных, и гиперкалиемия, например, при снижении функции почек и приеме калийсберегающих диуретиков), креатинин плазмы (увеличивается вследствие снижения функции почек), кальций плазмы (гипокальциемия вследствие остеомаляции или гиперкальциемия вследствие гиперпаратиреоза), щелочная фосфатаза плазмы (увеличивается при остеомаляции, болезнь Педжета, злокачественных новообразованиях), глюкоза плазмы (увеличивается), гормоны щитовидной железы, скрытая кровь в кале (может появляться при карциноме толстого кишечника).
Причина и механизмы старения организма до сих пор не выяснены. На протяжении 20 века было выдвинуто несколько теорий старения, в частности, теории накопления мутаций, окисления и деградации клеточных белков, исчерпания генетической программы старения, прогрессирующее нарушение функций митохондрий, окислительное повреждение нуклеиновых кислот, белков и липидов. В 1963 году было высказано мнение о том, что причиной старения может быть нестабильность системы синтеза белков в клетке: трансляция всегда протекает с некоторыми ошибками, результатом которых является включение в состав полипептида неверной аминокислоты. Для большинства белков это не приводит к значимым последствиям, так как количество неправильно синтезированного белка «перекрывается» количеством безошибочно синтезированных белков. Но в том случае, если синтезируемый с ошибками белок сам участвует в синтезе белков (например, РНК-полимераза, аминоацил-тРНК-синтетаза), то это событие провоцирует дальнейшее развитие ситуации в геометрической прогрессии. Однако эта теория впоследствии была отвергнута, так как было обнаружено, что молодые клетки генерируют не меньше ошибок трансляции, чем старые.
В тот же период времени было обнаружено, что клетки, выращиваемые в культуре in vitro, имеют строго определенный лимит пролиферации, и по прошествии некоторого времени погибают, причем если клетки молодого и пожилого организма поместить в одинаковые условия, то клетки молодого организма будут делиться дольше. Было высказано предположение, что клетки любого типа могут делиться ограниченное число раз, приблизительно 50 (феномен Хейфлика). Это открытие радикальным образом изменило представления о старении клеток и организма в целом. Подтверждением запрограммированности процессов старения стало открытие и изучение апоптоза.
Результаты биохимического сравнения полностью дифференцированных клеток (т.е. клеток, вышедших из состояния пролиферации, например, вследствие повреждения ДНК, приобретение состояния терминальной дифференцировки) и репликационно стареющих клеток свидетельствуют о том, что в них происходит одинаковое изменение экспрессии генов, оба типа клеток не способны к фосфорилированию киназы, необходимой для активации митоза. Таким образом, существуют программируемые процессы, ведущие клетку от состояния репликации к нереплицируемому состоянию. Впоследствие было сделано предположение, что число делений клеток зависит от продолжительности жизни организмов разных видов (или, по другим данным, от их массы). Вместе с тем, было установлено, что нарушение естественного процесса лимитирования числа делений может приводить к злокачественной трансформации клеток, т.е. этот путь не может использоваться в настоящее время для предупреждения или замедления процесса старения организма.
Интерпретация этих и других данных экспериментальных исследований позволила сделать вывод о том, что окислительное воздействие и ограничение калорий являются ключевыми факторами в процессе старения.
Рекомендуемые материалы
Известно, что редуцированное питание у грызунов в эксперименте продляет период их развития, общую продолжительность жизни, хотя одновременно редуцирует фертильность. Более того, было показано, что снижение числа потребляемых калорий во взрослом возрасте замедляет процесс старения грызунов. Это явилось одним из важных достижений геронтологии, коль скоро экспериментально было доказано, что старость можно замедлить или отодвинуть во времени. Однако существуют критические возражения: экспериментальные условия не являются аналогом естественных, в которых животные, как правило, потребляют намного меньше питательных веществ; у человека этот механизм может быть утерян в процессе эволюции, коль скоро человек способен контролировать объем потребляемой пищи и ее доступность. С другой стороны, недавно было доказано, что снижение количества калорий (а также применение ингибиторов митохондриальной дыхательной цепи или разобщителей окислительного фосфорилирования в очень низких дозах) снижает продукцию свободных радикалов в митохондриях, предупреждает ассоциированное со старением нарушение активности системы репарации ДНК, увеличивает уровень апоптоза, прежде всего, в пренеопластических клетках, способствует повышенному уровню глюкокортикостероидов, которые, в свою очередь индуцируют апоптоз в некоторых тканях и увеличивают эффективность межклеточной коммуникации посредством «щелевых контактов».
Роль окислительного стресса в старении организма не вызывает сомнений, однако механизмы, посредством которых окисление макромолекул в постмитотических клетках вызывает процесс старения, неизвестны. В дополнение к классической теории старения как следствия окисления, существует митохондриальная теория старения, базирующаяся на том, что накопление мутаций мтДНК (чему способствует высокий уровень продукции свободных радикалов, лимитированные механизмы репарации ДНК, отсутствие гистонов в митохондриях) приводит к старению клеток и организма в целом. Это косвенно подтверждается тем, что с течением времени активность некоторых митохондриальных ферментов падает. Однако до сих пор непонятно, является ли окислительный стресс причиной или следствием (побочным эффектом) старения, а также тесно связанных с ним заболеваний, например, болезни Альцгеймера.
Все существующие на сегодняшний день теории старения обсновываются на двух альтернативных предположениях: старение - это результат пассивного накопления ошибок в структуре и функционировании клеточных молекул, или старение - это активный, генетически запрограммированный процесс. Первую теорию подтверждают накопление некоторых продуктов обмена с возрастом (например, липофусцин - результат неферментативного гликозилирования длительноживущих белков; продукты спонтанного дезаминирования белков по остаткам глутамина и аспарагина; продукты протеолиза), накопление хромосомных аберраций, накопление поперечных сшивок между и внутри молекул, развитие окислительного стресса, теория катастрофы ошибок (нарушение трансляции белков). Вторую теорию подтверждают процесс укорачивания теломерных участков хромосом, терминальная дифференцировка клеток.
В 70-х годах было высказано предположение о том, что клетки не реплицируют свои хромосомы полностью в процессе клеточного деления, так что позднее всего реплицирующиеся последовательности ДНК могут быть потеряны. Если в этих учатсках локализованы гены, кодирующие белки, еще до достижения предельного числа делений клетка утратит эти гены и их продукты. В начале 90 годов эта теория была подтверждена существованием теломерных участков хромосом - повторяющиеся последовательности ДНК на концах хромосом (например, у человека последовательнсоти TTAGGG повторяется в пределах размера около 4 тысяч пар оснований). Эти теломерные последовательности не реплицируются одновременно со всем геномом, но энзиматически добавляются к концам хромосом ферментом теломеразой. В стареющих клетках размер этих последовательностей значительно уменьшается (до 2 тысяч пар оснований), так как при каждом делении клетки длина теломер уменьшается на 50-200 нуклеотидов. Было предположено, что некоторые теломеры утрачиваются в процессе деления клеток, что вызывает блок пролиферации. Уменьшенная длина теломер была обнаружена в клетках при прогерии. Уменьшение длины теломер может быть запрограммированный событием или являться результатом постепенного снижения активности теломеразы. Интересно, что нормальные соматические клетки не экспрессируют теломеразу, тогда как иммортализованные клетки (например, опухолевые) проявляют активность этого фермента. Ингибирование активности теломеразы в опухолевых клетках двигает эти клетки по двум различным путям - либо апоптоз, либо дифференцировка.
Терминальная дифференцировка подразумевает утрату некоторых генов и белков по достижении клеткой дифференцированного состояния. Как правило, эти гены и белки являются регуляторами пролиферации, клеточного цикла, а также рецепторами факторов роста. Известно, что способность клеток и организмов реагировать на внешние стимуляторы постепенно уменьшается по мере старения. Митогенный и другие стимулирующие эффекты факторов роста, гормонов и других агентов заметно снижаются, а чувствительность к токсическим агентам, антибиотикам, форболовым эфирам, радиации и тепловому шоку возрастает по мере пролиферативного старения клеток. Эти изменения, видимо, не является результатом количественных и качественных дефектов в рецепторных системах. Наиболее вероятно, что основой изменения клеточной реакции на внешние воздействия по мере старения являются метаболические нарушения макромолекулярного синтеза.
"17.3 Интеракционизм как метод анализа культур" - тут тоже много полезного для Вас.
Клеточные ответы, которые снижаются в процессе пролиферативного старения: EGF, FGF, PDGF, cыворотка, инcулин, IGF, дексаметазон. Культуры клеток, полученные из тканей, взятых у пациентов, имеющих синдромы преждевременного старения , такие как прогерия и синдром Вернера, дают значительно более низкий ответ на стимуляцию инсулином, FG, PDGF и сывороткой, чем клетки здоровых людей.
Факторы роста и гормоны оказывают совместное действие, вызывая аддитивный эффект в "молодых" клетках, но не вызывают его в "старых". Например, синергичные эффекты DEX и EGF , DEX и IGF-1, инсулина и гидрокортизона были сильно снижены или отсутствовали в стареющих фибробластах. Способность EGF, инсулина, IGF и сыворотки стимулировать синтез белка в культивируемых фибробластах также снижается по мере пассирования. В стареющих клетках больных синдромом Вернера отмечено снижение индукции коллагеназы при действии PDGF и FGF. Показано, что в клетках больных прогерией индукция c-fos мРНК ниже, чем в нормальных клетках после обработки PDGF. Таким образом, не вызывает сомнения снижение чувствительности клеток к факторам роста по мере старения.
Способность стареющих фибробластов к экспрессии мРНК генов, зависящих от клеточного цикла, таких как гены гистонов, орнитиндекарбоксилазы, тимидинкиназы, бета-актина, и протоонкогенов c-myc и c-ras остается неизменной, однако клетки при этом не могут вступать в S-фазу клеточного цикла.
По-видимому, существуют принципиальные молекулярные различия между обратимой остановкой в клеточном цикле и необратимой блокировкой, наступающей при старении, хотя эти различия пока полностью не выявлены.
Были предприняты попытки выяснить механизм снижения чувствительности клеток к факторам роста по мере старения. Показано, что хотя число EGF- специфических сайтов связывания на клетку по мере старения культуры возрастает, их число на единицу площади остается постоянным. Также и число ГКС-специфических сайтов связывания и их аффинность остаются неизменными в процессе старения культивируемых фибробластов. Специфичное связывание клеткой IGF также не меняется при старении. При старении фибробластов человека наблюдались лишь незначительные изменения в кинетических параметрах связывания лиганда глюкокортикостероидным рецептором. Показано, что характеристики связывания рецептора инсулина остаются неизменными в процессе старения фибробластов, полученных от доноров различных возрастов. Для EGF-специфических рецепторов обнаружено, что не только их число остается постоянным при клеточном старении, но также и что процесс их деградации остается количественно и качественно неизменным на протяжении жизни клетки в культуре. Итак, снижение способности клеток к ответу на факторы роста не может быть объяснено изменением способности их рецепторов к связыванию лигандов и внутриклеточному процессингу. В настоящее время не существует доказательств того, что изменения клеточного ответа в процессе старения происходят благодаря существенным изменениям в рецепторных системах. Стабильность рецепторных систем подтверждается также тем, что многие процессы, инициированные факторами роста в покоящихся "молодых" и иммортализированных клетках, инициируются и в стареющих клетках.
При прогерии, характеризующейся ускоренным старением организма, недавно был обнаружен генетический дефект, заключающийся в мутации гена, кодирующего ламин А – белковую структуру-компонент цитоскелета, которая стабилизирует липидный бислой внутренней мембраны ядерной оболочки (ламины А, В, С образуют сетеподобную структуру, поддерживающую ядерную мембрану и участвующую в митозе.
