Антистарение

Митохондриальный метаболизм и активные формы кислорода
Митохондрии являются важными клеточными органеллами, которые отвечают не только за превращение питательных веществ в енергию, но также играют значительную роль в процессах старения и развити возраст-зависимых заболеваний. Митохондрии генерируют в качестве побочных продуктов окислительного фосфорилирования (OxPhos) более 90 % внутриклеточных активных форм кислорода (АФК). Таким образом, как главный производитель энергии, а также потенциально опасных АФК, митохондрии имеют большое влияние на физиологические и патофизиологические процессы внутри клетки.
За недавнее время неоднократно показано, что мтАФК служат важными сигнальными молекулами, опосредующими как клеточные, так и системные физиологические изменения. Физиологической мишенью АФК являются, к примеру, тиоловые группы остатков цистеина, которые будучи окислены, изменяют функции ферментов в сигнальных путях. Таким образом, если АФК служат сигнальными молекулами, то они предположительно могут также выполнять специфические функции в поддержании общего здоровья, и долголетия. Поскольку АФК в высоких дозах безусловно оказывают пагубный эффект на клетку в целом, могут ли относительно низкие уровни АФК производить противоположный эффект на организм? В более общем смысле, этот вид двухфазного или нелинейного ответа на потенциально опасные вещества был назван «гормезис». На гипотетической основе этот термин был  применен к митохондриальному гормезису или митогормезису в 2006 году, который после експериментального подтверждения неоднократно использовался в  работах,  где мтАФК действовали как сублетальный стрессор, повышающий продолжительность жизни, в то время как более высокие дозы повышали летальность.
Ограничение калорийности
Ограничение калорийности (Calorie restriction (CR))определяется как 10-50% сокращение калорийности или поступление калорий при отсутствии недоедания. Было неоднократно показано, что CR способна увеличивать среднюю и максимальную продолжительность жизни у различных видов от дрожжей до млекопитающих, открывая эволюционно консервативный механизм. Относительно человека есть наблюдения, что люди со средней массой тела имеют тенденцию жить дольше, а CR способна приводить к некоторому снижению массы тела. Однако, вопрос о том, может ли CR продлить среднюю продолжительность жизни человека, все еще подлежит обсуждению. Вместе с этим известно, что CR у людей достоверно снижает риск возникновения ассоциированных с возрастом болезней, включая кардиоваскулярные нарушения, рак и диабет 2-го типа. Концепция CR базируется на предположении, выдвинутом в начале 20-го века,  о том, что существует обратная взаимосвязь между максимальной продолжительностью жизни организма и уровнем метаболизма. Возможное объяснение этому было предложено  теорией свободных радикалов Хармана.  Эффект CR рассматривался как результат снижения оксидативного стресса и уменьшения оксидативного повреждения клеток, вследствие сниженного уровня метаболизма. Однако более недавние исследования базисных механизмов CR противоречат теории Хармана. Например, неясно действительно ли CR ведет к снижению уровня метаболизма, т.е. потреблению кислорода и выработке тепла. Положительная корреляция  между снижением уровня метаболизма и  увеличением продолжительности жизни не найдена ни для метазоа, таких как Drosophila и C. elegans, ни для мышей. Более того, появилось сообщение, что CR у C. elegans ассоциирована с высоким уровнем метаболизма, этот же эффект наблюдался и у Drosophila.
Поскольку высокий темп энергообмена обязательно связан с высоким уровнем митохондриального метаболизма, очевидно, что эти процессы могут приводить к усиленной продукции АФК как неотъемлемого продукта деятельности митохондрий. Это и было показано при ограничении калорийности по глюкозе и отражает основной CR-ассоциированный пример митогормезиса.
Выяснено, что CR способна индуцировать механизмы защиты от стресса, особенно те которые вовлечены в обезвреживание АФК, такие как антиоксидантные ферменты и ферменты протеинового комплекса I и II. Когда были проанализированы острые нарушения в генетическом пути инсулин/IGF-1 рецептора DAF-2, наблюдалось временное увеличение мтАФК, которое вторично индуцировало защитные механизмы, в конечном счете снижая уровень АФК в стабильном состоянии. Блокирование первичного АФК сигнала соответственно отменяет индукию защиты от стресса, так же как и снижение уровня АФК в стабильном состоянии. Это указывает на то, что митогорметический АФК сигнал является как правило, временным, и снижен или даже отсутствует в стабильном состоянии из-за адаптационной регуляции антиоксидантными ферментами и более глобальной защитой от стресса. Другими словами, временно повышенный уровень АФК индуцирует подобный вакцинации ответ в отдельной клетке, что приводит к сниженному уровню АФК и лучшей защите от стресса в стабильном состоянии. При ограничении калорийности по глюкозе у дрожжей также наблюдали увеличение продукции АФК одновременно с усиленной респирацией и повышенной активностью антиоксидантных ферментов. Это говорит о взаимосвязи между повышенным уровнем респирации, продукцией АФК и регуляцией АФК защитных механизмов, которые, в конечном счете, опосредуют долгожительство. В поддержку концепции митогормезиса, показано что ограничение по глюкозе инициирует эффекты, поддерживающие здоровье и продляющие жизнь у грызунов и различных низших организмов, таких как дрозофил и дрожжей. Вполне возможно, что действие CR на увеличение продолжительности жизни связано с предотвращением угрожающих жизни заболеваний. Однако влияние CR на молекулярные процессы может улучшать клеточные функции и, следовательно, состояние здоровья.  Примером может являться активация NF-E2-зависимого фактора 2 (NRF2).
Оксидоредуктаза тиоредоксин может также быть важным фактором, относящимся к действию CR. Тиоредоксин является вовлеченным не только в антиоксидантный ответ и редокс регуляцию, но также действует как донор электронов для метаболических ферментов и предотвращает агрегацию белков цитозоля клетки. Экспрессия гена тиоредоксина повышается при связывании NRF2 с антиоксидантными ответными элементами (AREs) при этом показано, что NRF2 активируется АФК.
Активация транскрипционного фактора NRF2 из лейцин зиппер семейства является, важным путем в опосредовании митогормезиса. NRF2 связывается с ДНК чарез AREs, которые координируют ответ на АФК-стресс увеличением экспрессии белков антиоксидантов и ферментов протеинового комплекса I и II. В нестрессовых условиях NRF2 изолирован в цитоплазме специфическим репрессором Kelch-like ECH-ассоциированным белком 1 (KEAP1). Это актин-связывающий белок, который кроме того подвергает NRF2 протеосомальной деградации. KEAP1 имеет редокс чувствительный цистеиновый остаток, через который он воспринимает оксиданты и электрофилы,  разрушающие NRF2/KEAP1 комплекс.  NRF2  после этого транслоцируется в ядро, где он выполняет свои регулятивные транскрипционные функции.
Другие транскрипционные факторы, которые необходимы для увеличения продолжительности жизни при различных воздействиях, это члены Forkhead transcription factors (FOX) и фактор теплового шока 1 (HSF-1). FOXO к примеру активируют число таргетных генов, вовлеченных в клеточный ответ на стресс. Было показано,  что митогорметическая регуляция супероксид дисмутазы и каталазы, сопровождающая оксидативный стресс, является FOXO-зависимой, при этом FOXA являются важными медиаторами возникновения и развития ответа на CR. HSF-1 регулируют транскрипцию генов, которые кодируют белки (HSР) в ответ на тепловой или другой стресс, что связано с предотвращением болезней и увеличением продолжительности жизни у модельных организмов. HSР также связан с горметическим ответом.
По материалам: Michael Ristow, Kathrin Schmeisser. Energy Metabolism Laboratory, ETH Zurich

Механизмы старения достаточно сложны и многообразны. Сегодня существует несколько альтернативных теорий, которые отчасти противоречат друг другу, а отчасти – дополняют. Современная биология уделяет проблеме старения очень большое внимание, и с каждым годом появляются новые факты, позволяющие глубже понять механизмы этого процесса.

МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ТЕОРИИ

Гипотеза, согласно которой причиной старения являются изменения генетического аппарата клетки, является одной из наиболее признанных в современной геронтологии.Молекулярно-генетические теории подразделяются на две большие группы. Одни ученые рассматривают возрастные изменения генома как наследственно запрограммированные. Другие считают, что старение – результат накопления случайных мутаций. Отсюда следует, что процесс старения может являться или закономерным результатом роста и развития организма, или следствием накопления случайных ошибок в системе хранения и передачи генетической информации.

Теломерная теория

В 1961 году американский геронтолог Л. Хейфлик установил, что человеческие фибробласты – клетки кожи, способные к делению, – «в пробирке» могут делиться не более 50 раз. В честь первооткрывателя это явление назвали «пределом Хейфлика». Однако Хейфлик не предложил никакого объяснения этому явлению. В 1971 г. научный сотрудник Института биохимической физики РАН А. М. Оловников, используя данные о принципах синтеза ДНК в клетках, предложил гипотезу, по которой «предел Хейфлика» объясняется тем, что при каждом клеточном делении хромосомы немного укорачиваются. У хромосом имеются особые концевые участки – теломеры, которые после каждого удвоения хромосом становятся немного короче, и в какой-то момент укорачиваются настолько, что клетка уже не может делиться. Тогда она постепенно теряет жизнеспособность – именно в этом, согласно теломерной теории, и состоит старение клеток. Открытие в 1985 г. фермента теломеразы, достраивающего укороченные теломеры в половых клетках и клетках опухолей, обеспечивая их бессмертие, стало блестящим подтверждением теории Оловникова. Правда, предел в 50–60 делений справедлив далеко не для всех клеток: раковые и стволовые клетки теоретически могут делиться бесконечно долго, в живом организме стволовые клетки могут делиться не десятки, а тысячи раз, но связь старения клеток с укорочением теломер является общепризнанной. Любопытно, что сам автор недавно решил, что теломерная гипотеза не объясняет причин старения, и выдвинул сначала еще одну, редусомную, а потом и вторую, не менее фантастическую – луногравитационную. Обе они не получили ни экспериментального подтверждения, ни одобрения коллег.

Элевационная (онтогенетическая) теория старения

В начале 1950-х годов известный отечественный геронтолог В. М. Дильман выдвинул и обосновал идею о существовании единого регуляторного механизма, определяющего закономерности возрастных изменений различных гомеостатических (поддерживающих постоянство внутренней среды) систем организма. По гипотезе Дильмана, основным звеном механизмов как развития (лат. elevatio – подъем, в переносном смысле – развитие), так и последующего старения организма является гипоталамус – «дирижер» эндокринной системы. Главная причина старения – это возрастное снижение чувствительности гипоталамуса к регуляторным сигналам, поступающим от нервной системы и желез внутренней секреции. На протяжении 1960-80-х гг. с помощью экспериментальных исследований и клинических наблюдений было установлено, что именно этот процесс приводит к возрастным изменениям функций репродуктивной системы и гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы, обеспечивающей необходимый уровень вырабатываемых корой надпочечников глюкокортикоидов – «гормонов стресса», суточные колебания их концентрации и повышение секреции при стрессе, и, в конечном итоге, к развитию состояния так называемого «гиперадаптоза».По концепции Дильмана, старение и связанные с ним болезни – это побочный продукт реализации генетической программы онтогенеза – развития организма. Онтогенетическая модель возрастной патологии открыла новые подходы к профилактике преждевременного старения и болезней, связанных с возрастом и являющихся основными причинами смерти человека: болезней сердца, злокачественных новообразований, инсультов, метаболической иммунодепрессии, атеросклероза, сахарного диабета пожилых и ожирения, психической депрессии, аутоиммунных и некоторых других заболеваний. Из онтогенетической модели следует, что развитие болезней и естественных старческих изменений можно затормозить, если стабилизировать состояние гомеостаза на уровне, достигаемом к окончанию развития организма. Если замедлить скорость старения, то, как полагал В. М. Дильман, можно увеличить видовые пределы жизни человека.

Адаптационно-регуляторная теория

Модель старения, разработанная выдающимся украинским физиологом и геронтологом В.В. Фролькисом в 1960-70-х гг., основана на широко распространенном представлении о том, что старость и смерть генетически запрограммированы. «Изюминка» теории Фролькиса состоит в том, что возрастное развитие и продолжительность жизни определяются балансом двух процессов: наряду с разрушительным процессом старения развертывается процесс «антистарения», для которого Фролькис предложил термин «витаукт» (лат. vita – жизнь, auctum – увеличивать). Этот процесс направлен на поддержание жизнеспособности организма, его адаптацию, увеличение продолжительности жизни. Представления об антистарении (витаукте) получили широкое распространение. Так, в 1995 г. в США состоялся первый международный конгресс по этой проблеме. Существенным компонентом теории Фролькиса является разработанная им генорегуляторная гипотеза, по которой первичными механизмами старения являются нарушения в работе регуляторных генов, управляющих активностью структурных генов и, в результате, интенсивностью синтеза закодированных в них белков. Возрастные нарушения генной регуляции могут привести не только к изменению соотношения синтезируемых белков, но и к экспрессии ранее не работавших генов, появлению ранее не синтезировавшихся белков и, как результат, к старению и гибели клеток. В. В. Фролькис полагал, что генорегуляторные механизмы старения являются основой развития распространенных видов возрастной патологии – атеросклероза, рака, диабета, болезней Паркинсона и Альцгеймера. В зависимости от активации или подавления функций тех или иных генов и будет развиваться тот или иной синдром старения, та или иная патология. На основе этих представлений была выдвинута идея генорегуляторной терапии, призванной предупреждать сдвиги, лежащие в основе развития возрастной патологии.

СТОХАСТИЧЕСКИЕ (ВЕРОЯТНОСТНЫЕ) ТЕОРИИ

Согласно этой группе теорий, старение – результат случайных процессов на молекулярном уровне. Об этом мы говорили выше: многие исследователи считают, что старение – это следствие накопления случайных мутаций в хромосомах в результате изнашивания механизмов репарации ДНК – исправления ошибок при ее копировании во время деления клеток.

Теория свободных радикалов

Практически одновременно выдвинутая Д. Харманом (1956) и Н. М. Эмануэлем (1958), свободнорадикальная теория объясняет не только механизм старения, но и широкий круг связанных с ним патологических процессов (сердечно-сосудистых заболеваний, ослабления иммунитета, нарушений функции мозга, катаракты, рака и некоторых других). Согласно этой теории, причиной нарушения функционирования клеток являются необходимые для многих биохимических процессов свободные радикалы – активные формы кислорода, синтезируемые главным образом в митохондриях – энергетических фабриках клеток.Если очень агрессивный, химически активный свободный радикал случайно покидает то место, где он нужен, он может повредить и ДНК, и РНК, и белки, и липиды. Природа предусмотрела механизм защиты от избытка свободных радикалов: кроме супероксиддисмутазы и некоторых других синтезируемых в митохондриях и клетках ферментов, антиоксидантным действием обладают многие вещества, поступающие в организм с пищей – в т. ч. витамины А, С и Е. Регулярное потребление овощей и фруктов и даже несколько чашек чая или кофе в день обеспечат вам достаточную дозу полифенолов, также являющихся хорошими антиоксидантами. К сожалению, избыток антиоксидантов – например, при передозировке биологически активных добавок – не только не полезен, но может даже усилить окислительные процессы в клетках.

"Старение – это ошибка"

Гипотеза «старения по ошибке» была выдвинута в 1954 г. американским физиком М. Сциллардом. Исследуя эффекты воздействия радиации на живые организмы, он показал, что действие ионизирующего излучения существенно сокращает срок жизни людей и животных. Под воздействием радиации происходят многочисленные мутации в молекуле ДНК и инициируются некоторые симптомы старения, такие как седина или раковые опухоли. Из своих наблюдений Сцилард сделал вывод, что мутации являются непосредственной причиной старения живых организмов. Однако он не объяснил факта старения людей и животных, не подвергавшихся облучению.Его последователь Л. Оргель считал, что мутации в генетическом аппарате клетки могут быть либо спонтанными, либо возникать в ответ на воздействие агрессивных факторов – ионизирующей радиации, ультрафиолета, воздействия вирусов и токсических (мутагенных) веществ и т. д. С течением времени система репарации ДНК изнашивается, в результате чего происходит старение организма.

Теория апоптоза (самоубийства клеток)

Академик В. П. Скулачев называет свою теорию теорией клеточного апоптоза. Апоптоз (греч. «листопад») – процесс запрограммированной гибели клетки. Как деревья избавляются от частей, чтобы сохранить целое, так и каждая отдельная клетка, пройдя свой жизненный цикл, должна отмереть и ее место должна занять новая. Если клетка заразится вирусом, или в ней произойдет мутация, ведущая к озлокачествлению, или просто истечет срок ее существования, то, чтобы не подвергать опасности весь организм, она должна умереть. В отличие от некроза – насильственной гибели клеток из-за травмы, ожога, отравления, недостатка кислорода в результате закупоривания кровеносных сосудов и т. д., при апоптозе клетка аккуратно саморазбирается на части, и соседние клетки используют ее фрагменты в качестве строительного материала.

Самоликвидации подвергаются и митохондрии – изучив этот процесс, Скулачев назвал его митоптозом. Митоптоз происходит, если в митохондриях образуется слишком много свободных радикалов. Когда количество погибших митохондрий слишком велико, продукты их распада отравляют клетку и приводят к ее апоптозу. Старение, с точки зрения Скулачева, – результат того, что в организме гибнет больше клеток, чем рождается, а отмирающие функциональные клетки заменяются соединительной тканью. Суть его работы – поиск методов противодействия разрушению клеточных структур свободными радикалами. По мнению ученого, старость – это болезнь, которую можно и нужно лечить, программу старения организма можно вывести из строя и тем самым выключить механизм, сокращающий нашу жизнь.По мнению Скулачева, главная из активных форм кислорода, приводящих к гибели митохондрий и клеток – перекись водорода. В настоящее время под его руководством проходит испытания препарат SKQ, предназначенный для предотвращения признаков старения.

По материалам: http://www.vechnayamolodost.ru/pages/teoriistarenija/

ОНТОГЕНЕТИЧЕСКИЕ ЧАСЫ: ВОЗМОЖНЫЙ МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ

А. В. Писарук

Государственное учреждение "Институт геронтологии им. акад. Д. Ф. Чеботарева

АМН Украины"; e-mail: Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.

Развитие живых организмов представляет собой строго упорядоченную во времени последовательность различных процессов. Не говоря уже об эмбриогенезе, постнатальный период жизни организма состоит из ряда стадий. Например, половое созревание и менопауза у всех животных данного вида наступают через определенное время после рождения. Что обеспечивает эту упорядоченность процессов? Можно предположить, что в живых организмах для организации различных процессов во времени (в том числе для управления развитием) служат биологические часы.

Механизм старения универсален. Признаки старения у всех млекопитающих сходны - изменение гормонального статуса, стирание зубов, поседение и облысение, накопление межклеточного коллагена и др. В процессе старения важную роль играет не только генетический механизм, но и его взаимодействие с вредными факторами внешней среды. По данным А. И. Потапенко и А. П. Акифьева (1999), ионизирующее излучение укорачивает продолжительность жизни, а антиоксиданты - увеличивают. Первопричины процесса старения выявляются на разных уровнях, включая макромолекулярный, надмолекулярный, органельный, тканевой, органный, уровень старения физиологических систем.

Роль генетических факторов в старении. Существует группа наследственных заболеваний (прогерий), для которых ускоренное старение само по себе является основным нозологическим признаком; их частота обычно не превышает 1 случай на 10 миллионов населения. Выделяют 2 основные формы наследственных прогерий: прогерию детей (синдром Хатчинсона-Гилфорда) и прогерию взрослых (синдром Вернера). По материалам В. М. Михельсона (1996) и И. М. Спивака с соавт. (1999), оба синдрома проявляются ускоренным развитием обычных признаков естественного старения. Однако в 1-м случае они начинают развиваться с рождения, и больные редко доживают до 20 лет; во 2-м случае ускоренное старение начинается с периода полового созревания, и продолжительность жизни может достигать 30 - 40 лет. Больные рано начинают выглядеть старообразно, резко седеют и теряют волосы, имеют кожные изменения, ранние морщины, "старческий" голос - все это позволяет говорить об ускоренном старении.

Существование наследственных болезней преждевременного старения - прогерий - подтолкнуло ученых к поиску гена, ответственного за процессы старения. В экспериментах O.Sugawara и соавт. (1990) показано, что клеточное старение - результат генетической программы, с помощью которой специфические гены ограничивают клеточную пролиферацию. Повреждения ядерной и митохондриальной ДНК соматических клеток (метилирование, точечные мутации) накопление с возрастом таких мутаций в различных органах и тканях является основным фактором, определяющим развитие возрастной патологии, включая рак. O.Toussaint, J.Remacle (1994) предложили концепцию критического порога накопления ошибок (теория "disposable soma"), принимающую во внимание защитную роль систем репарации.

Эффективность репаративных систем ДНК не снижается с возрастом. По данным В. Н. Анисимова (1993), при старении репарационные системы ДНК становятся более подверженными ошибкам, приводящим к усилению индукции мутаций. Ген белка р53 также чрезвычайно важен как для контроля эволюции раковых клеток, ограничивая их бесконтрольный рост, так и для клеточного старения, выполняя функцию удаления старых, нефункционирующих клеток. Установлено, что если нормальный р53 участвует в контроле тканевого роста за счет активации генов, вовлеченных в подавление роста, его мутантные формы могут препятствовать этому процессу и инициировать образование опухоли. Злокачественная трансформация возникает вследствие накопления 5 - 6 и более соматических мутаций в одном и том же клеточном клоне. Для аккумуляции критического количества генетических повреждений в онкогенах необходимо время, поэтому злокачественные заболевания характерны преимущественно для второй половины жизни человека. По-видимому, декомпенсация стареющего организма, выражающаяся в иммунологических и гормонально-метаболических нарушениях, является вспомогательным фактором, способствующим пролиферации трансформированных клонов.

Не забыта до сих пор одна из первых генетических гипотез о механизме старения - гипотеза о плейотропности действия генов. В ее основе лежит предположение о том, что действие некоторых генов имеет противоречивые последствия: будучи полезными в начале жизни, эти гены со временем становятся смертельно опасными для их обладателя. Естественный отбор закрепляет эти гены благодаря их полезному действию или необходимости для молодых особей.

"Предел Хейфлика", теория маргинотомии, теломеры и теломераза. L.Hayflick и P.S.Moorhead (1961) доказали, что даже в идеальных условиях культивирования фибробласты эмбриона человека способны делиться только ограниченное число раз (50 ±10), после чего их способность к пролиферации исчерпывается, причем в таком состоянии они способны находиться длительное время. Данное свойство, названное клеточным старением ("лимит Хейфлика"), наследуется генетически и не зависит от условий культивирования клеток. А. М. Оловников предложил теорию маргинотомии. В соматических клетках при каждой репликации из-за особенностей работы ферментов репликации (ДНК-полимеразы) недореплицируются концы хромосом - теломеры. Так, в результате постоянного укорочения хромосом при каждом митозе недорепликация захватывает области генома, существенные для выживания клеток, что и приводит к гибели клеток и старению организмов.В 1985 г. была открыта теломераза. Установлено, что репрессия теломеразы определяет клеточное старение в культуре ("лимит Хейфлика") и клетки больных синдромом преждевременного старения имеют укороченные теломеры (Егоров Е. Е., 1997; Hayflick L., 1998). При введении теломеразы в клетки фибробластов человека, которые в норме делятся лишь 75 - 80 раз, данные клетки способны делиться 280 раз без каких-либо признаков старения и патологии. Не вызывает сомнения, что многие делящиеся в организме клетки, в том числе фибробласты человека, не успевают за человеческую жизнь полностью исчерпать "лимит Хейфлика". В связи с этим А. М. Оловников (1999) считает "лимит Хейфлика", при всей его абсолютной достоверности, лабораторным феноменом. Основное свойство теломеразы - контроль клеточного деления, а для возникновения опухолевого роста необходимы дополнительные мутации и факторы.

При старении происходит не качественное, а количественное изменение различных признаков, число которых огромно. Согласно фонтанной теории ионной модуляции экспрессии генов, их продуктивность меняется в зависимости от поступления ионов из перинуклеарной цистерны внутрь ядра через предполагаемые фонтанные РНК - (фРНК)-зависимые ионные (кальциевые и цинковые) каналы внутренней ядерной мембраны. Когда теломеры становятся в стареющих клетках слишком короткими, фРНК-зависимые ионные каналы могут стать недоступными для субтеломерных генов. Это может количественно менять продуктивность соответствующих генов и служить фактором клеточного старения (Оловников А. М., 1999).

Апоптоз и продолжительность жизни. Апоптоз - программированная клеточная гибель (ПКГ). Для организма в целом "безопаснее" иметь механизмы элиминации генетически поврежденных клеток, чем риск возникновения очагов неконтролируемого автономного роста. В многоклеточном организме апоптоз выступает как неотъемлемая компонента механизмов поддержания клеточного гомеостаза, тесно связанная с митозом.Выбор конкретной "стратегии" организма - репарации ДНК, блокады пролиферации или апоптоза, зависит во многом от типа клеток, их локализации, микроокружения, характера повреждающего фактора и степени повреждения. В любом случае эффективный ответ на Повреждение ДНК является ключевым звеном для выживания многоклеточного организма (Kroemer G., 1997; Evan G., Littlewood Т., 1998). Однако между рассматриваемыми явлениями имеются и существенные различия: если при апоптозе в течение нескольких часов происходят гибель и дезинтеграция клеток, то при старении, несмотря на остановку деления, клетки длительно сохраняют свою жизнеспособность. Еще одно отличие между двумя состояниями заключается в том, что индуцирование апоптоза внешними сигналами происходит вне зависимости от возраста клеток, в то время как темпы реализации программы старения целиком определяются числом предшествующих удвоений клеточной популяции. Принципиальное значение имеет тот факт, что клетки при старении не только прекращают деление, но одновременно приобретают устойчивость к индукторам апоптоза. Общеизвестно, что основным механизмом гибели клеток под влиянием химиотерапевтических агентов является апоптоз. Инициация апоптоза в ответ на генотоксические повреждения происходит при участии продукта гена р53. Поэтому мутации гена р53 сопряжены с повышенной резистентностью к химиопрепаратам и радиации. Апоптоз выступает в качестве одного из механизмов, защищающих организм от клеток, несущих генетические повреждения, предрасполагающие к злокачественной трансформации .В коже пожилых людей имеется большое количество стареющих фибробластов (Dimri G.P. и соавт., 1995). Кроме того, кожа пожилых высоко чувствительна к канцерогенному действию ультрафиолета, а также у нее снижена способность к заживлению ран. Накопление в тканях с возрастом резистентных к апоптозу стареющих клеток, возможно, приводит к аккумуляции множественных повреждений, а впоследствии - к неоплазии, нейродегенеративным процессам или вторичной смерти, например, вследствие инфаркта миокарда.

Таким образом, анализ взаимосвязи апоптоза и старения показывает, что одним из проявлений процесса старения является поломка механизма регуляции апоптоза. Данное нарушение лежит в основе клеточного старения и находит свое отражение в виде нарушения клеточного гомеостаза при "нормальном" старении и при формировании возрастной патологии.

Свободнорадикальная теория старения одна из плодотворно развивающихся в последние годы фундаментальных теорий; она выдвинута практически одновременно D.Harman (1956) и Н. М. Эмануэлем (1958). Суть теории: старение обусловлено повреждением макромолекул клеток под действием собственных свободных радикалов (СР), которые в норме образуются в качестве побочных продуктов метаболизма в каждой клетке.Согласно этой теории, продуцируемые в митохондриях клеток молекулы СР вызывают повреждения мембран, коллагена, ДНК, хроматина, структурных белков, а также участвуют в эпигенетической регуляции экспрессии ядерных и митохондриальных генов, приводя к метилированиюДНК, влияют на внутриклеточный уровень кальция и т.д. Подсчитано, что за 70 лет организм человека производит около 1 т радикалов кислорода, хотя только 2 - 5% вдыхаемого с воздухом кислорода превращается в его токсические радикалы (Анисимов В. Н., 1997; Пескин А. В., 1997; Papa S., Skulachev V.P., 1997). Подавляющее большинство из них нейтрализуется еще до того, как успеют повредить те или иные компоненты клетки. Так, по данным Л. К. Обуховой (1999), из 1 млн. образующихся супероксидных радикалов от ферментной защиты ускользает не более 4. Если бы не существовало механизмов инактивации СР, то они вызывали бы быстрое разрушение биологических структур.К основным эндогенным факторам антиоксидантной защиты (АОЗ) организма относятся некоторые ферменты и витамины: каталаза (катализирующая разложение Н2 О2 до воды и кислорода), глутатионпероксидаза (делающая то же самое, но с использованием восстановленного глутатиона GSH в качестве второго субстрата), β-каротин, витамин Е-α-токоферол (предположительно, перехватывающий перекисные радикалы RO2 ), витамин С, или аскорбиновая кислота (предположительно для реактивации витамина Е), мочевая кислота, мелатонин, хелатные агенты и фермент супероксиддисмутаза (СОД) - катализирующий дисмутацию O2 в водорода пероксид (Н2 О2 ), защищающий субклеточные структуры от этих радикалов - Си, Zn-СОД (СОД1 ) в цитозоле, Mn-СОД (СОД2 ) - в митохондриях и Fe-СОД - в аэробных бактериях (Гуськова Р. А., 1980; Кольтовер В. К., 1988).

Для тканей старых животных, в особенности - сердца и скелетных мышц, характерна гипоксия (Гродзинский Д. М. и соавт., 1987). Возможно, в клетках тканей старых животных действительно есть относительно много "плохих" митохондрий, которые служат интенсивными генераторами радикалов кислорода in situ. По данным В. К. Кольтовера (1988, 1998), в результате кратковременной аноксии/ишемии возрастает способность семихиноновых радикалов коэнзима Q к автоокислению кислородом. Можно предположить, что непосредственной причиной снижения надежности работы электрон-транспортных цепей (ЭТЦ) в поврежденных митохондриях служит рост флуктуационной подвижности мембранных белков, с которыми связаны молекулы коэнзима Q.По-видимому снижение активности СОД и других компонентов АОЗ в преклонном возрасте отражает возрастное снижение интенсивности окислительного метаболизма (Гродзинский Д. М. и соавт., 1987; Кольтовер В. К., 1998; Gomi F. и соавт., 1995). Если же старение сопровождается какой-либо патологией, то активность СОД и других компонентов АОЗ не снижается или даже несколько повышается с возрастом (Dehaan J.В. и соавт., 1995). Такие возрастные особенности могут отражать интенсификацию свободнорадикальных процессов в соответствующих органах и тканях. Кроме того, на АОЗ, как и на другие ферментные системы организма, влияет работа эндокринной системы (Кольтовер В. К., 1998; Bolzan A.D. и соавт., 1995).Один из механизмов антиоксидантного действия может быть опосредован окисью азота (NO) и гормональной регуляцией редокс-гомеостаза (кортикотропином, кортикостероидами, тиреотропином и трийодтиронином) (Кольтовер В. К., 1998).Антиоксидантом является и мелатонин, который эффективно обезвреживает не только наиболее токсичный радикал кислорода - гидроксильный радикал, но и нейтрализует окись азота, анион пероксинитрита, синглетный кислород и, частично, пероксильный радикал. Наряду с непосредственной способностью связывать свободные радикалы мелатонин также может стимулировать активность некоторых антиокислительных ферментов, таких как супероксиддисмутаза, глутатионпероксидаза и глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа. Уровень мелатонина уменьшается с возрастом .Однако убыль природных антиоксидантов может быть восполнена применением их синтетических аналогов (структурный аналог витамина В6 или хлоргидрат 2-этил-6-метил-3-оксипиридин), которые в функциональном отношении близки к природным (Дюмаев К. Н. и соавт., 1995).Ограничение калорийности пищи. M.Djawdan и соавт. (1996) указывают, что количественные соотношения между плодовитостью и продолжительностью жизни, предсказанные теоретически, не совпадают с полученными в эксперименте. Ресурсы, одновременно необходимые для размножения и увеличения продолжительности жизни, содержатся в питательной среде, и только при их недостатке увеличение плодовитости снижает продолжительность жизни.Один из способов предупреждения старения - снижение калорийности пищи. Возможным механизмом влияния такой диеты является снижение концентрации глюкозы в крови и уменьшение неэнзиматического присоединения глюкозы к долгоживущим белкам, их окислительное повреждение, обусловленное свободными радикалами. Нуклеотиды и ДНК также подвергаются неэнзиматическому гликозилированию, что приводит к мутациям из-за прямого повреждения ДНК и инактивации систем репарации ошибок рекомбинации, это также вызывает повышенную ломкость хромосом (Masoro E.J. и соавт., 1989). Например, в коллагене, содержащем большое количество глюкозы, было обнаружено увеличение количества связей у пожилых по сравнению с молодыми людьми. Увеличение связей в коллагене снижает его эластичность, что на молекулярном уровне может быть причиной утолщения базальной мембраны и влиять на продолжительность жизни (Sell D.R. и соавт., 1996).Установлено, что именно общее снижение потребления калорий, а не какого-либо ингредиента пищи определяет геропротекторный эффект. Голодания (Weindruch R., Walford R., 1988). Гипокалорийная диета стимулирует апоптоз, который элиминирует пренеопластические клетки в тканях организма, замедляет накопление в них мутаций, а также развитие возрастной патологии, включая возникновение новообразований (Muskhelishvili L. и соавт., 1996).Предполагается, что в механизмах увеличения продолжительности жизни при ограничении калорийности питания основную роль играют такие факторы, как замедление роста, уменьшение содержания жира в теле, снижение нейроэндокринных и иммунологических возрастных сдвигов, увеличение репарации ДНК, изменение скорости биосинтеза белков и экспрессии генов, снижение температуры тела и темпов основного обмена, ослабление окислительного стресса. Важнейший эффект ограниченного по калорийности питания - уменьшение интенсивности свободнорадикальных процессов (Weindruch R., Walford R., 1988).Термодинамическая теория старения. Согласно этой теории, в онтогенезе эволюционные процессы на любом иерархическом уровне протекают в направлении наибольшей "термодинамической востребованности", что соответствует принципу наименьшего принуждения (Гладышев Г. П., 1999). Эта тенденция является причиной изменения надмолекулярного и химического состава, а также морфологической структуры тканей при старении. Термодинамическая теория старения позволяет сформулировать принципы создания диет и ряда лекарственных препаратов, замедляющих процесс старения, способствующих профилактике и лечению ряда патологий, в том числе "болезней пожилого возраста" (Гладышев Г. П., Курнакова Н. В., 1998). Омолаживание конкретного организма (органа, функциональной системы или какой-либо локальной зоны биоткани) возможно (на фоне постоянных генетических характеристик данного организма) только за счет изменений условий (параметров) среды его обитания. Омолаживание разных тканей при изменении природы и типа пищи, медицинских и косметических средств наблюдается через различное время. Так, существенное омолаживание жировых компонентов биотканей (липидных структур) может проявиться уже спустя 1 - 2 мес после начала изменения природы используемых в пище жиров. Заметное омолаживание коллагеновой ткани должно наблюдаться только через несколько месяцев после введения в диету белков,содержащих повышенное количество коллагена молодых животных. Многие сравнительно низкомолекулярные вещества (гормоны, другие метаболиты, лекарства, косметические средства) могут проявлять омолаживающий эффект сравнительно быстро. Если изменить режим питания, увеличивая в диете количество непредельных жирных кислот, то липосодержащие надмолекулярные структуры (ткани) могут омолаживаться. Вытеснение высокоплавких жирных кислот и жиров низкоплавкими омолаживает биоткани. Все это происходит в соответствии с законами термодинамики (Гладышев Г. П., 1999). Есть основание полагать, что омолаживание липидных, белковых и других структур биомассы должно способствовать омолаживанию хроматина и ДНК. Возможно вмешательство в структуру генов с помощью таких соединений, концентрации которых высоки в тканях молодых организмов и эмбрионов (Гладышев Г. П., Курнакова Н. В., 1998).

Колебания параметров среды обитания "омолаживают" или "старят" биоткани организма (меняя их морфологическую структуру) в пределах адаптивной зоны (адаптивных возможностей) и являются проявлением, по теории Г. П. Гладышева и соавт. (1998), термодинамической "силы" окружающей среды в онтогенезе организма. Особую роль при этом играют величина рН, ионная сила, температура среды, окружающей комплексы ДНК с гистонами, негистонными белками и другими компонентами. Следовательно, возможно "мягкое" омолаживающее вмешательство в супрамолекулярные (надмолекулярные) структуры ДНК (РНК) путем введения в ядра и другие клеточные элементы химических агентов. Подобное направленное воздействие может способствовать сохранению структуры генов, а также влиять на процессы их адаптационного приспособления к изменению условий окружающей среды (Гладышев Г. П., 1999).Если пациент питается биомассой из простейших растений и животных (водоросли, моллюски, хрящевые рыбы, земноводные и др.), причем использует биомассу молодых особей, он в максимально возможной степени обогащает свои биоткани "молодым химическим веществом" - "строительным материалом", соответствующим химическому составу молодого организма. Кроме того, среда обитания организмов, чья биомасса используется для приготовления пищи, играет существенную роль в продлении жизни. В рамках термодинамической теории легко объяснить хорошо известные факты значительного продления жизни животных при использовании малокалорийных диет или применении лекарственных средств и препаратов, замедляющих процессы усвоения пищи.Исходя из физико-химической основы легко понять причины положительного влияния продуктов моря и высокогорья на здоровье и продолжительность жизни человека. Становится понятным влияние ряда гормонов и других физиологически важных компонентов на процессы старения (Гладышев Г. П., 1999).Иммунологическая теория старения. Возникающие с возрастом патологические процессы связаны с дефектами иммунной системы, а следовательно, старение иммунной системы может ограничивать продолжительность жизни. иммунных клеток в старом организме и увеличивать продолжительность жизни животных (Морозов В. Г. и соавт., 1996; Miller W.R., 1991).

Элевационная теория старения. Старение организма - системный процесс, базирующийся на взаимодействии стареющих клеточных звеньев организма, каждая из которых может отличаться по темпам и признакам старения. Старение организма человека и животных в значительной степени связано со старением нейроэндокринных функций головного мозга. Процесс концевого недокопирования ДНК не может быть привлечен для истолкования процесов старения неделящихся нейроэндокринных клеток мозга (Словников А. М., 1999).К одной из самых ярких и глубоко разработанных концепций в геронтологии по праву следует отнести элевационную теорию старения и формирования возрастной патологии у высших организмов, которая придает ключевое значение в этих процессах возрастному повышению порога чувствительности гипоталамуса к гомеостатическим сигналам (Дильман В. М., 1968; 1981). В. М. Дильман еще в начале 50-х годов выдвинул теорию о возрастном повышении порога чувствительности гипоталамуса к регуляторным гомеостатическим сигналам. Именно этот процесс приводит к возрастному включению и выключению функции репродуктивной системы в женском организме, к возрастным изменениям в гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системе, обеспечивающей тонический уровень глюкокортикоидных гормонов в крови, их циркадный ритм и повышение секреции при стрессе, и, как следствие, развитию состояния, обозначенному как "гиперадаптоз". Следствием аналогичных возрастных изменений в системе метаболического гомеостаза, регулирующего апетит и энергетическое обеспечение функций организма, является нарастание с возрастом содержания жира в теле, снижение чувствительности тканей к инсулину (предиабет) и развитие атеросклероза.Развивая и углубляя на протяжении почти 40 лет свою концепцию, В. М. Дильман пришел к убеждению, что старение не запрограммировано, а является побочным продуктом реализации генетической программы развития, и поэтому старение возникает с закономерностью, свойственной генетической программе.Между 25 и 45 годами у человека происходит 5-кратное увеличение экскреции гонадотропинов из-за постепенного повышения порога чувствительности гипоталамуса к торможению периферическими гормонами.Определенные возрастные периоды и состояния, в частности, менопауза и процесс старения, связаны с изменением уровня эстрогенов в крови. К числу периферических тканей, которые характеризуются повышением активности ароматазы (эстрогенсинтетазы) по мере старения, относятся мышечная и жировая .По мере старения может ослабевать влияние эпидермального фактора роста или других эндогенных ингибиторов ароматазы (Mendelson C.R., Simpson E.R., 1987; Simpson E.R. и соавт., 1994) или усиливаться эффект некоторых стимуляторов активности фермента (глюкокортикоиды, ИЛ-6), причем не исключено, - иногда в силу тех изменений, которые носят не локальный, а системный характер (Reed M.J. и соавт., 1995; Zhao Y. и соавт., 1995), что определяет вовлечение подобных факторов в формирование ряда заболеваний у человека.Современные представления о механизмах геропротекторного действия ограниченной по калорийности диеты, антидиабетических бигуанидов, пептидов эпифиза и мелатонина, некоторых нейротропных препаратов (в частности, L-ДОФА и ингибитора моноаминооксидазы депренила), янтарной кислоты свидетельствуют о перспективности такого подхода (Anisimov V.N., 1998; Oilman V.N., Anisimov V.N., 1980).Роль эпифиза в механизмах старения. Смена дня и ночи, света и темноты (С/Т) особенно важна для живой природы. Ведущими морфологическими образованиями, ответственными за синхронизацию циркадных ритмов с внешним ритмом С/Т, являются супрахиазматические ядра гипоталамуса и эпифиз (Губин Г. Д. и соавт. 1998). Глубоким изучением эпифиза занимался В. Н. Анисимов и соавт. (1998). Эпифиз - нейроэндокринный орган, находящийся в тесной связи с гипоталамусом и периферическими эндокринными железами. Получая поступающую по нервным путям от сетчатки глаза информацию об освещенности в окружающей среде, он играет важную роль в регуляции биологических ритмов организма. Свет угнетает продукцию и секрецию мелатонина. Поэтому его максимальный уровень в эпифизе и крови у человека и животных многих видов наблюдается в ночные часы и вызывает соответствующую перестройку преимущественных путей метаболизма по ночному типу (пластические, строительные процессы), а минимальный - в утренние и днем. Наибольшая концентрация мелатонина создается внутри ядер клеток (Reiter R.J. и соавт., 1996). Суточная ритмичность самого мелатонина поистине уникальна. Он определяется в чрезвычайно низкой концентрации в светлый промежуток времени, а его концентрация в физиологических жидкостях в темную фазу суток возрастает в 2,5 - 10 раз (Ixrchl А. и соавт., 1995). При старении функция эпифиза снижается, что проявляется прежде всего нарушением ритма секреции мелатонина и снижением уровня его секреции (Reiter R.J., 1995).Изменение длительности светового дня существенно модифицирует функции организма, в частности, репродуктивную и иммунную, развитие возрастной патологии и, в конечном счете, может сказываться на продолжительности жизни (Анисимов В. Н., 1996; 1998). Весьма перспективны результаты применения эпиталамина в клинической практике  для профилактики преждевременного старения и развития возрастной патологии у человека (Морозов В. Г. и соавт., 1996; Хавинсон В. Х. и соавт., 1999).Механизмы геропротекторного действия мелатонина и эпиталамина полностью не известны. Существенную роль может играть способность этих веществ угнетать свободнорадикальные процессы в организме (Yu H.-S., Reiter R.J., 1993). Как мелатонин, так и эпиталамин стимулирует клетки иммунной системы и замедляет старение иммунной системы организма. Они нормализуют ряд возрастных нарушений жироуглеводного обмена, продлевают циклическую деятельность яичников у самок мышей и крыс, восстанавливают репродуктивную функцию у старых животных . Важнейшим свойством этих препаратов является их способность предупреждать развитие как спонтанных, так и индуцируемых различными химическими канцерогенами и ионизирующей радиацией новообразований (Анисимов В. Н., 1998; Анисимов В. Н. и соавт., 1999; Хавинсон В. Х. и соавт., 1999; Reiter R.J., 1995).В настоящее время рассматриваются 3 возможных направления поддержания циркадианной системы у стареющего организма (Губин Г. Д. и соавт., 1998.1. Применение экзогенного синтетического мелатонина либо эпиталамина, назначаемого строго в начале темной фазы суток. Мелатонин проявляет снотворное действие и способен частично восстанавливать нарушеный ритм сон - бодрствование.2. Использование яркого дневного освещения в течение периода бодрствования. Свет служит одним из важнейших синхронизаторов циркадианной системы и способствует увеличению амплитуд циркадианного ритма. Искусственное увеличение амплитуды свето-темнового цикла может благоприятно влиять на поддержание циркадианной системы стареющих организмов на должном уровне.3. Поддержание ритма жизни. Более устойчивая синхронизация биоритмов отмечается у старых организмов, живущих в группах, нежели у отдельно живущих индивидов. Уход человека на пенсию зачастую способствует ускоренному старению. Особенно важно достижение полноценного ночного сна.Возрастные изменения функции эпифиза, по данным Y.Touitou и соавт. (1981), обусловлены постепенным снижением содержания мелатонина при старении организма не в результате кальцификации эпифиза, как это предполагали ранее, а вследствие уменьшения адренергической иннервации и количества β-адренергических рецепторов на поверхности пинеалоцитов. При этом уменьшается и общее число, и метаболическая активность пинеалоцитов. Показано, что сезонное снижение уровня мелатонина в крови, наступающее у молодых мужчин в январе, у пожилых отмечается уже в октябре.Если эпифиз уподобить биологическим часам организма, то мелатонин можно уподобить маятнику, который обеспечивает ход этих часов и снижение амплитуды которого приводит к их остановке . Замечено, что при увеличении продолжительности жизни животных, содержащихся на ограниченной по калорийности диете, имеет место отчетливое замедление возрастных изменений функции эпифиза. Полагают, что это связано с угнетением свободнорадикальных процессов в организме.Видовая продолжительность жизни прямо коррелирует с активностью супероксиддисмутазы, содержанием β-каротина, α-токоферола и мочевой кислоты в сыворотке крови.В. Н. Анисимов и соавт. (1997, 1999) установили, что мелатонин является одним из самых активных эндогенных антиоксидантов. Пептиды эпифиза активируют СОД. Мелатонин также способен угнетать образование в организме агрессивных метаболитов канцерогенов, т.е. веществ, вызывающих рак, и их мутагенную активность. Мелатонин и эпиталамин стимулируют клетки иммунной системы организма, замедляют старение иммунной системы, нормализуют ряд возрастных нарушений жироуглеводного обмена, продлевают циклическую деятельность яичников у самок мышей и крыс, восстанавливают репродуктивную функцию у старых животных, увеличивают способность животных к обучению.

Частично по материалам   http://library.by

К одной из самых ярких и глубоко разработанных концепций в геронтологии по праву следует отнести элевационную теорию старения и формирования возрастной патологии у высших организмов, придающей ключевое значение в этих процессах возрастному повышению порога чувствительности гипоталамуса к гомеостатическим сигналам (Дильман, 1987; Dilman, 1971, 1994).