Биохимия старения

Все биологические реакции в организме катализируются ферментами, т. е. ферменты необходимы для осуществления различных функций организма. Следовательно, изменения их свойств в процессе старения могут приводить к изменениям функциональных способностей организма. Накоплено значительное количество данных, показывающих, что после полового созревания содержание одних ферментов снижается, а других — повышается. Вместе с тем есть ферменты, содержание которых не меняется. Изменения количества различных ферментов наблюдаются также на ранних стадиях жизни, таких, как дифференцировка и развитие. Поскольку ферменты ответственны за специфические функции организма, начало, продолжительность и окончание различных периодов, таких, как дифференцировка, развитие и половое созревание, могут зависеть от появления, исчезновения или изменений содержания специфических ферментов или их изоферментов. Каждый фермент или изофермент кодируется обычно одним или двумя генами. Следовательно, изучение различных аспектов функционирования ферментов — их содержания, строения изоферментов, индукции и молекулярных свойств, может помочь в выяснении механизма старения на генетическом уровне.

Изменения в содержании ферментов

В некоторых работах сравнивали содержание или активность ферментов у животных среднего возраста и у старых животных. Однако анализ этих данных затруднен по следующим причинам. 1) Разные авторы использовали различные методики исследования, которые дают разные значения измеряемых параметров для одних и тех же ферментов. 2) Ферменты в основном исследовались при насыщающих концентрациях субстрата, т. е. в условиях, сильно отличающихся от нормальных физиологических. 3) Некоторым ферментам свойственны циркадные ритмы, следовательно, при измерении их активности в разное время суток должны получать разные результаты. 4) Разные авторы использовали разные единицы для измерения содержания фермента: на 1 г сырого веса, на 1 г сухого веса, на 1 мг белка или на 1 мг ДНК. Поскольку уровень большинства этих факторов, кроме ДНК, с возрастом меняется, сравнение активности ферментов при двух различных возрастах провести очень трудно. Нельзя сделать правильные заключения, если активность одного фермента в метаболическом пути выражена в Ед. на 1 мг белка, а других ферментов — на 1 г сухого веса. 5) Разные авторы считали старческим разный возраст животных, например некоторые рассматривали 60-не-дельных (15-16-месячных) крыс как старых, на самом же деле это животные в стадии поздней зрелости. Другие считали старыми 100-недельных крыс. 6) Из одинакового хронологического возраста двух популяций, содержащихся на разном рационе и в разных условиях окружающей среды, вовсе не следует, что особи этих популяций имеют одинаковый физиологический статус. Если не контролируются все параметры эксперимента, данные двух разных лабораторий сравнивать нельзя. 7) Результаты, полученные для одного пола, иногда нельзя сравнивать с результатами, полученными для другого пола. 8) Данные для одной линии животных трудно сопоставлять с данными для другой. 9) Для сравнительных исследований в основном использовали печень млекопитающих. В любой момент приблизительно 0,01 % клеток печени находится в процессе деления, т. е. печень содержит гетерогенную смесь делящихся и неделящихся клеток. Следовательно, данные для печени несравнимы с данными для мозга и скелетных мышц, в которых клетки не делятся. 10) Выбор ферментов для изучения, по-видимому, определяется имеющимися средствами.

По перечисленным выше причинам в настоящее время нет сопоставимых данных для всех ферментов хотя бы одного метаболического пути в каком-либо организме в зависимости от его возраста. У нас нет также достаточной информации о ключевых регуляторных ферментах различных метаболических путей, уровень которых определяет скорость процессов данного метаболического пути. Регуляция и содержание таких ферментов при различных физиологических состояниях и разных возрастах могут иметь гораздо большее значение, чем регуляция и содержание конститутивных ферментов того же пути, имеющихся обычно в избытке. Например, изучение активности глюкокиназы, фосфофруктокиназы, пируваткиназы, а также пируваткарбоксилазы, фруктозо-бисфосфатазы и глюкозо-6-фосфатазы, которые являются ключевыми регуляторными ферментами гликолиза и глюконеогенеза соответственно, могло бы иметь большое значение для понимания влияния старения на метаболизм глюкозы.

Появилось несколько обзоров, посвященных возрастным изменениям активности ферментов, в которых она выражена в единицах (Ед.) на 1 сырого веса, на 1 г сухого веса, на 1 мг белка (удельная активность) или на 1 мг ДНК [32, 34, 52, 112]. Для того чтобы собрать воедино и сопоставить данные по активности ферментов для разных животных, были использованы различные подходы. Те ферменты, активность которых была выражена в Ед.·мг^{– 1} белка или Ед.·мг^{– 1} ДНК, были подобраны в соответствии с их классом на основании номенклатуры ферментов с целью выяснить, не проявляются ли специфические изменения для каждого класса. Ферменты были также сгруппированы в соответствии с их локализацией в клетке. Старыми считались крысы старше 80 нед и мыши старше 70 нед, так как в этом возрасте самки этих видов теряют способность к воспроизведению потомства.

Табл. 3.1 показывает, что даже в пределах одного класса активность некоторых ферментов, выраженная в Ед.·мг^{– 1} белка и Ед.·мг^{– 1} ДНК, у старых животных ниже, чем у животных среднего возраста, тогда как активность других — выше. Вместе с тем есть ферменты, для которых изменений не наблюдается. Таким образом, в пределах одного класса ферментов для старческого возраста единой закономерности не обнаружено. Более того, с возрастом содержание некоторых ферментов повышается в одних тканях и понижается в других. Однако количество изученных ферментов еще весьма мало для того, чтобы делать какие-либо обобщения. Из полученных данных следует, что после окончания репродуктивного периода активность ферментов, ответственных за окисление, снижается в постмитотических тканях — в сердце, скелетных мышцах и мозгу, тогда как для ферментов, расположенных в различных частях клеток, никакой закономерности в изменении активности не обнаружено.

Таблица 3.1. Активность ферментов, выделенных из различных органов и органелл млекопитающих, как функция возраста

_¹⁾ Сравнение проводили между двумя возрастами, приведенными в столбце "Возраст".

_{²⁾ Полушария головного мозга.}

_{³⁾ Мозжечок.}

В табл. 3.2 показаны возрастные изменения содержания ферментов различных классов в аорте человека и в некоторых других органах. Хотя приведенные данные в большинстве своем выражены в Ед.·г^{– 1} сырого веса, они представляют определенный интерес, так как относятся к человеку. В основном с возрастом снижается содержание оксидоредуктаз, тогда как для других классов ферментов какой-либо закономерности в изменении активности не наблюдается.

Таблица 3.2. Изменение ферментов в организме человека в процессе старения

Вместе с тем у беспозвоночных обнаружены определенные возрастные изменения активности ферментов. Активность некоторых оксидоредуктаз понижается, тогда как других повышается, а третьих не изменяется. В то же время активность всех до сих пор изученных трансфераз понижается, а активность большинства гидролаз повышается. Исследования на беспозвоночных имеют тот большой недостаток, что измерения проводились на целом организме животных. Вряд ли можно делать определенные заключения, если опыты проводятся не на отдельных органах.

Таблица 3.3. Изменение ферментов у беспозвоночных

Хотя содержание некоторых ферментов было изучено как функция возраста, полученные данные мало что дали для выяснения механизма старения. Ясно, однако, что изменения активности ферментов в старости должны оказывать влияние на функциональные возможности организма.

Изменения в наборе изоферментов

Появление различных типов гемоглобинов в течение периода развития человека является примером изменения молекулярных форм одного и того же белка, коррелирующего с функциональными изменениями [116]. Гемоглобин является тетрамерным белком, состоящим из четырех глобиновых субъединиц, или полипептидных цепей. Гемоглобин 1-2-месячного зародыша относится к ₂₂– типу. В течение последующего периода беременности (от 2 до 10 мес) он заменяется на гемоглобин типа ₂₂ (HbF). Гемоглобин новорожденного относится к типу ₂₂ (HbA) и сохраняется до конца жизни (рис. 3.1). Субъединицы , , и кодируются отдельными генами. Следовательно, последовательное изменение типа гемоглобина происходит благодаря активации одних генов и одновременной репрессии других. В этом аспекте интересно следующее: а) -ген активен в течение всего периода жизни, тогда как -, - и -гены активируются один за другим в указанной последовательности; б) когда активируется -ген, репрессируется -ген; когда активируется -ген, репрессируется -ген; в) длительность активного состояния генов различна: -ген активен в течение всей жизни, в то время как -ген активен только 1 мес, -ген — 8 мес, а -ген — после рождения и в последующий период. Гемоглобин переносит в ткани кислород. Способность к связыванию кислорода у гемоглобинов разных типов различна. Например, зародышевый гемоглобин HbF имеет большую способность к связыванию кислорода, чем гемоглобин взрослого организма HbA. Известно также, что содержание кислорода в материнской крови, снабжающей зародыш, ниже, чем в легких. Следовательно, гемоглобин с более высокой способностью к связыванию кислорода предназначен для преимущественного развития зародыша. Неизвестно, играет ли роль уровень кислорода в материнской крови в экспрессии различных генов глобина.

Рис. 3.1. Синтез цепей гемоглобина у плода человека [116]

Так же как ₂₂, ₂₂, ₂₂ являются различными молекулярными формами гемоглобина, изоферменты — это различные молекулярные формы одного и того же фермента. Изоферменты характерны для ферментов, состоящих из двух или более субъединиц. Досконально исследованным в этом отношении ферментом является лактатдегидрогеназа (ЛДГ), катализирующая обратимое превращение пирувата в лактат. В различных тканях крысы имеются пять изоферментов ЛДГ [110]. Они состоят из субъединиц двух типов, Н и М, которые соединяются в различных соотношениях и дают пять типов активных изоферментов: H₄, Н₃М₁, Н₂M₂, Н₁М₃ и M₄. Н- и М-субъединицы различаются по аминокислотной последовательности и кодируются двумя разными генами, что показано путем генетических исследований оленьей мыши [99]. Маркет и Мёллер [78] впервые показали, что тип изофермента ЛДГ не только специфичен относительно вида ткани, он изменяется также в одной и той же ткани в процессе развития (рис. 3.2). Было высказано предположение, что тип изофермента в ткани отражает степень дифференцировки ее клеток. На ранней зародышевой стадии животных в тканях преобладают типы М₄ и H₁М₃, но в процессе развития наблюдается переход к изоферментам Н₃М₁ и Н₄. Эта постепенная смена изоферментов указывает на переход к большей активности гена Н-субъединицы или к меньшей активности гена М-субъединицы.