53. Roth G. S. Mech. Age. Dev., 9, 497–514 (1979).
54. Rousseau G. G., Baxter J. D., Tomkins G. H. J. molec. Biol., 67, 99-115 (1972).
55. Shain S. A., Boesel R. W., Axelrod L. R. Arch. Biochem. Biophys., 167, 247–263 (1973).
56. Shire J. M. Nature, 245, 215–216 (1973).
57. Schocken D. D., Roth G. S. Nature, 267, 856 (1977).
58. Singer S., Ito H., Litwack G. Intern. J. Biochem., 4, 569–573 (1973).
59. Spelsberg T. C., Steggles A. W., O'Malley B. W. Biochim. Biophys. Acta, 256, 129–137 (1971).
60. Strehler B. L. Time, Cells and Aging, Academic Press, New York and London (1977). [Имеется перевод 1-го изд.: Стрелер Б. Время, клетки и старение. — М.: "Мир", 1964.]
61. Verzar F., Spichtin H. Gerontologist, 12, 48–56 (1966).
62. Walker J. B., Walker J. P. Brain Res., 54, 391–394 (1973).
63. Wodinsky J. Science, 198, 948–951 (1978).
Глава 6. Образование поперечных сшивок, свободные радикалы и старческий пигмент
Клетка представляет собой чрезвычайно сложный и динамический химический организм, в котором с помощью ферментов, синтез которых регулируется генами, постоянно образуются различные метаболиты, гормоны и другие сопутствующие вещества. Хотя в основном эти сопутствующие вещества необходимы для клетки или для организма, некоторые из них, если они накапливаются в количестве, превышающем определенный уровень, оказывают вредное действие. Например, промежуточные продукты цикла Кребса имеют отрицательные заряды и могут образовывать поперечные сшивки молекул, обладающих положительными зарядами. Ряд альдегидов обладает высокой реакционной способностью и может вызывать сшивки биомолекул. Известно, что некоторые гормоны оказывают вредное действие, если они накапливаются в количестве, превышающем определенный уровень. Некоторые соединения, например свободные радикалы, образуются в клетках при действии ионизирующей радиации, а также в реакциях окисления, постоянно в них протекающих. Они высоко реакционноспособны и могут инициировать образование поперечных сшивок биомолекул. Следовательно, их необходимо инактивировать или удалять из системы с такой же скоростью, с какой они образуются. Если опасные сопутствующие продукты не удалять, они могут вызывать инактивацию важных биомолекул и накопление поврежденных молекул. Некоторые исследователи полагают, что такие вредные вещества с возрастом накапливаются, так как клетки постепенно теряют способность удалять их с такой же скоростью, с какой они образуются. Подобные изменения могут нарушать функционирование клеток и вызывать старение организма.
Бьёркстен в 1962 г. предположил, что накопление внутри и вне клеток агентов, вызывающих образование поперечных сшивок, приводит к необратимой инактивации функциональных молекул и вызывает нарушение функций организма. Сшивающие агенты могут возникать в процессе нормального метаболизма. К ним относятся альдегиды и молекулы, содержащие одну или несколько ионизированных групп. В молодом возрасте они расходуются в нормальных метаболических процессах, а в старческом накапливаются [4]. В случае если они связываются с биомолекулами, например с ДНК или ферментами, они уже не могут быть удалены и необратимо инактивируют эти молекулы. Верцар высказал предположение [52–54], что увеличение количества нерастворимого коллагена с возрастом происходит из-за образования поперечных сшивок в молекулах пептидов (гл. 4). Считают также, что уменьшение экетрагируемости белков хромосом из хроматина объясняется увеличением числа их сшивок с молекулами ДНК (гл. 2).
Агентами, вызывающими поперечные сшивки, могут служить также свободные радикалы [20, 21]. Теория сшивок и свободно-радикальная теория старения, предложенные соответственно Бьёркстеном (1962) и Харманом (1962), близки, так как обе они включают инактивацию биомолекул в результате поперечных сшивок. Единственное различие между этими теориями заключается в том, что свободные радикалы, обладающие высокой реакционной способностью, кроме сшивок, могут вызывать и другие повреждения.
Свободными радикалами называют атомы или молекулы, имеющие неспаренный электрон. Они обладают высокой реакционной способностью и инициируют образование различных продуктов. В разных организмах найдено значительное количество радикалов [19, 35, 36]. Они могут возникать в клетке по многим механизмам, в основном в органеллах, генерирующих энергию, таких, как митохондрии и хлоропласты. Свободные радикалы образуются в ходе обычного окисления органических соединений молекулярным кислородом; их возникновение катализируется металлами, например медью и железом, согласно следующим схемам:
или
Fe2+ катализирует образование радикалов согласно реакции
Все свободные радикалы обладают рядом определенных свойств и высокой реакционной способностью. Они парамагнитны, так как имеют магнитный момент благодаря наличию неспаренного электрона. Их свободная энергия выше, чем у частиц, из которых они образовались, и они активно окисляют соседние молекулы. Радикалы инициируют перекисное окисление ненасыщенных жирных кислот. Это приводит к разрушению биологических мембран, содержащих фосфолипиды — эфиры глицерина и ненасыщенных жирных кислот.
Свободные радикалы легко разрушаются вследствие их активной природы и способны образовывать аддукты или инициировать сшивки биологических молекул. Поэтому они обычно инактивируются ферментами типа пероксид-дисмутазы (ПОД), под действием которой происходит дисмутация или перегруппировка двух молекул супероксида:
Каталаза затем катализирует дальнейшее превращение двух молекул перекиси водорода
Супероксид-ион и перекись водорода, образующиеся в клетке, взаимодействуют друг с другом согласно реакции
Радикал ȮH может присоединяться по двойной связи между 5-м и 6-м положениями в молекуле тимидина и нарушать активность ДНК. Радикалы ȮН и НȮ2 чрезвычайно реакционноспособны [40] и имеют очень короткое время полужизни. Радикалы ȮН образуются вместе с гидратированными электронами при действии ионизирующей радиации. Эти радикалы постоянно возникают в организме, и если бы не существовало механизмов, с помощью которых они разрушаются с той же скоростью, что и образуются, то они вызывали бы быструю инактивацию биологических молекул.
К биологическим молекулам, способным помимо ПОД удалять из клетки свободные радикалы, относится витамин Е. Это антиоксидант, защищающий ненасыщенные жирные кислоты от перекисного окисления и препятствующий "размножению" свободных радикалов в ходе перекисного окисления липидов [48]. Сообщается, что другой антиоксидант, этоксихин, увеличивает продолжительность жизни лабораторных мышей на 15–20 %. Когда в пищу мышей добавляли антиоксиданты 2,6-дитрет-бутил-4-метилфенол и меркаптоэтиламин, продолжительность жизни животных возрастала на 30–40 % [22]. Установлено, что антиоксиданты, которые замедляют реакции, протекающие с образованием радикалов как промежуточных продуктов, увеличивают длительность жизни Turbatrix [15]. Таким образом, свободные радикалы и другие агенты, вызывающие сшивки, по-видимому, нарушают функционирование биологических молекул. Однако предстоит еще выяснить, почему они не удаляются или не инактивируются в организме более старых животных так же эффективно, как в организме молодых. Данных о том, что в короткоживущих организмах радикалы генерируются или аккумулируются с большей скоростью, чем в долгоживущих, нет. Не показано также, что уровень радикалов в старых организмах выше, чем в молодых. Кроме того, радикалы являются вторичными продуктами метаболизма и, следовательно, вряд ли могут быть первичной причиной старения.