РОЛЬ КЛЕТОЧНЫХ МЕМБРАН В СТАРЕНИИ КЛЕТОК

Мембранная гипотеза старения был разработана в 1976-1977 гг. и опубликована впервые в 1978 г. Основывается она как на достижениях геронтологии, так и на физико-химических основах клеточных функций.

Из мембранной физиологии известно, что содержание внутриклеточного калия может увеличиваться, если клеточная мембрана становится относительно менее проницаемой для него. Отношение пассивно проникающего сквозь покоящуюся мембрану калия к таковой для натрия около 30-50 и даже более. Если отношение уменьшается, в процессе старения клеток калий будет накапливаться внутри клеток. Это явление может быть рассмотрено как авторегуляторный механизм мембранных функций: увеличение внутриклеточного калия помогает достичь состояния возбуждения на мембранах старых клеток, иначе мембраны будут деполяризованы постоянно. Тем не менее, такая компенсация функций измененной мембраны очень вредна для дальнейшей судьбы клетки, так как клеточные коллоиды становятся более конденсированными и количество цитоплазматической воды уменьшается. Хорошо известно, что содержание внутриклеточной воды в целом значительно уменьшается в процессе старения. Так, например Шок с соавт. показали, что у мужчин среднее значение веса уменьшается на 0,18 кг/год в интервале от 20 до 99 лет, и большая часть этой потери (0,15 кг/год) связана с внутриклеточной водой. Другими словами, скорость возрастного уменьшения внутриклеточной воды приблизительно в 7 раз выше, чем сухой массы. И как следствие тело старика содержит более концентрированные коллоидные системы, чем молодого. Во внутриклеточной среде повышенной вязкости скорости синтеза РНК и белка должны уменьшиться, уменьшается также скорость элиминации поврежденных клеточных компонентов, что сказывается и на

41

клеточной мембране, так как ей приходиться работать длительное время в поврежденном состоянии. Такой прочный круг может привести, по крайней мере, к полной потере функциональной способности клеток.

В этой связи возникает вопрос об основных причинах изменения проницаемости клеточной мембраны, и вполне естественно искать основные причины макромолекулярных изменений, в свободнорадикальной теории старения. Свободные радикалы образуются в различных биохимических процессах, прежде всего в процессе митохондриального дыхания. Агрессивные свободные радикалы захватывают электроны макромолекул, что приводит к полимеризации белка и образованию ковалентных, поперечных связей. Специфические механизмы, подобные супероксиддисмутазе, предохраняют клеточные компоненты от вредных свободных радикалов. Тем не менее, эффективность систем, элиминирующих свободные радикалы, никогда не бывает совершенной на 100%. Это, возможно, было основной причиной, вынуждающей клетки постоянно заменять свои компоненты, элиминируя поврежденные поперечносшитые частицы через лизосомную систему и синтезируя новые белки. При этом уменьшение скорости замены поврежденных компонентов приводит к старению.

42

АПОПТОЗ

Регуляция процесса клеточного деления необходима для выживания организма. Поэтому в клетке существует несколько белков, которые тормозят развитие клеточного цикла. Снижение активности этих важных белков часто приводит к образованию опухолей.

Можно рассматривать скорость клеточного роста или размножения как разность скоростей пролиферации и смерти клеток. Компонент размножения клеток зависит от двух факторов: (1) скорости стимулирования и (2) скорости подавления пролиферации. Скорость клеточной смерти зависит от (1) скорости стимулирования и

(2) скорости ингибирования клеточной смерти.

Систематическое удаление клеток из организма путем клеточной смерти – это нормальный процесс, называемый апоптозом (в переводе с греческого обозначает опадание цветочных лепестков). Этот термин впервые употреблен в 1972 году для описания характерной морфологической картины одного из видов клеточной смерти. Характерный каскад процессов включает:

•конденсацию хроматина

•разрушение ядра

•вспучивание плазматической мембраны

•фрагментацию клетки с образованием дискретных

апоптозных тел

Данный процесс, названный также программируемой клеточной смертью, описывает один из типов апоптоза, но не все типы. Можно рассматривать апоптоз как смерть, наступающую в результате стимуляции клетки внешними сигналами, например вредными веществами, а программируемую смерть клетки – как смерть, обусловленную внутриклеточными сигналами. Сигналы, вызывающие каскад событий процессов, приводящих к клеточной

43

смерти, включая активацию генов смерти, могут появляться вследствие срабатывания различных механизмов. Некоторые из этих механизмов запрограммированы, другие – нет.

Процессы, инициирующие апоптоз, могут быть различными. В норме удаление клеток путем апоптоза происходит во время:

•развития организма

•физиологического обновления клеток

•атрофии, вызванной действием цитокинов, например фактора некроза опухоли

•вирусных заболеваний, таких как синдром приобретенного иммунодефицита

•нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Гетчинсона и болезнь Альцгеймера.

Винициировании апоптоза принимают участие различные молекулярные процессы, в частности:

1.действие двухвалентных катионов (Ca2+ и Zn2+);

2.изменения мембран апоптических клеток;

3.пути передачи сигнала для апоптоза.

Ионы Ca2+ играют ключевую роль на первых этапах передачи сигналов, приводящих к апоптозу. Результаты различных исследователей свидетельствуют о том, что апоптозу предшествует устойчивое повышение концентрации свободного кальция внутри клетки. Часто снижение количество свободного кальция отдаляет начало апоптоза. Кальций может участвовать во многих процессах; однако точно известно, что во время апоптоза активируются два вида ферментов:

1.эндонуклеаза, которая расщепляет ДНК во внутренних участках нуклеосом;

44

2.тканевая трансглутаминаза, которая ковалентно связывает белки с мембраной посредством образования

изопептидных связей.

Цинк считается ингибитором апоптоза. Одним из механизмов ингибирования может быть подавлением цинком активности эндонуклеазы.

Важно подчеркнуть, что клетки, подвергающиеся апоптозу, например, некротизирующиеся клетки, не опасны для окружающих клеток. Апоптозные клетки сразу фагоцитируются. Оказалось, что изменения мембраны делаю клетку более привлекательной для макрофага.

Одной из особенностей клеточной мембраны является потеря сиаловой кислоты на гликопротеинах и гликолипидах. Выяснилось, что это делает клетку более доступной для фагоцитов. Кроме того, на клеточной поверхности присутствуют рецепторы витронектина, которые притягивают макрофаг. Для апоптозных клеток также характерны другие изменения мембраны, например более поверхностное расположение фосфатидилсерина.

Пролиферация, дифференцировка и апоптоз опосредуются различными молекулярными механизмами. Как уже было отмечено, важным компонентом индукции апоптоза во многих типах клеток является свободный цитоплазмотический кальций. Вследствие связывания лигандов с различными поверхностными рецепторами клетки происходит активация различных изоформ фосфолипазы C. Вслед за этим образуются вторичные мессенджеры, например, диацилглицерол и инозитол-1,4,5-трифосфат (IP3).

Диацилглицерол активирует семейство сериновых и треониновых киназ, известных в целом как протеинкиназа C (PKC). IP3 стимулирует высвобождение ионов кальция из внутриклеточных депо. Таким образом, вещества, которые обычно запускают каскад передачи

45

сигнала, включающий протеинкиназу C, стимулируют высвобождения кальция в цитозоль из внутренних депо. Более того, некоторые химические токсины могут стимулировать апоптоз путем нарушения нормального гомеостаза кальция. Вызывать апоптоз могут также белковые тирозинкиназы, вовлеченные в каскад передачи сигнала.

Апоптоз – это жизненно важный процесс, имеющий особенное значение в процессе развития организма. Например, в процессе развития центральной нервной системы нейронов образуется куда больше, чем будет использоваться. «В живых» останутся только те нейроны, которые формируют достаточное количество связей с другими нейронами, остальные подвергнуться апоптической смерти. Апоптоз необходим также для иммунного ответа. Один из механизмов защиты предполагает значительное увеличение количества лимфоцитов, продуцирующих антитела, при внедрении чужеродного организма. Как только внедрившийся организм уничтожен, большинство этих специфических лимфоцитов также уничтожается с помощью апоптоза. Очевидно, что механизм удаления ненужных клеток необходим для выживания организма.

46