Биохимия старения

Рис. 3.6. Электрофорез кристаллической растворимой аланинаминотрансферазы незрелых (5 нед), среднего возраста (52 нед) и старых (100 нед) крыс в 7,5 %-ном полиакриламидном геле (0,082 М трис-боратный буфер, рН 8,9). В каждом случае наносили 50 мг белка.

_{А — аланинаминотрансфераза А; В — аланинаминотрансфераза В [56]}

Несмотря на то что к настоящему моменту накоплено еще мало информации, очевидно, исследования изоферментов имеют большое значение для понимания возрастных изменений, происходящих на генетическом уровне. Изоферменты различаются по Км для определенного субстрата, и тонкий контроль метаболических механизмов может осуществляться благодаря изменению соотношения изоферментов. В результате происходящих в различные периоды жизни изменений эндогенных и экзогенных факторов путем модуляции активности соответствующих генов может меняться их относительное содержание. Это в свою очередь может влиять на скорости метаболических реакций и, следовательно, на функциональные возможности организма.

Индукция ферментов

Как было показано выше, с возрастом меняется не только активность ферментов — в определенные периоды жизни меняется также набор изоферментов. Отсюда возникают следующие вопросы:

1) Являются ли эти изменения необратимыми?

2) Возможно ли эти изменения направить вспять и можем ли мы регулировать их уровни в различные периоды жизни?

3) Какие факторы ответственны за эти изменения?

4) Какое значение эти изменения имеют для различных функций организма и для старения?

Получен ряд данных, позволяющих ответить на часть этих вопросов. Известно, что вторичные клетки флоэмы моркови, культивируемые in vitro, дают начало целому растению [107]. Следовательно, высокодифференцированные клетки флоэмы подвергаются дополнительной дифференциации, давая начало клеткам новых типов. На животных клетках подобные эксперименты пока не проводились. Митохондриальная малатдегидрогеназа (мМДГ) индуцируется кортизоном в печени молодых крыс, у которых удален надпочечник, и не индуцируется у старых [53]. Однако, если печень старой крысы регенерирует в результате гепатэктомии, то кортизон вызывает индукцию мМДГ. Таким образом, в этом случае способность к индукции восстанавливается и печень старой крысы функционирует так же, как печень молодой. Из данных экспериментов следует, что изменения макромолекул, происходящие при старении, не являются необратимыми. Содержание ферментов, понизившееся в старости, может быть увеличено путем индукции, и повреждения таким образом могут быть устранены.

Известно, что индукция, или повышение содержания ферментов, вызывается несколькими индукторами, или эффекторами. Индукция является специфическим ответом на специфический стимул, или индуктор, которым может быть субстрат, гормон, метаболит или даже экзогенный фактор — например температура, т. е. индукция — это адаптивный процесс. Как известно, адаптивность организма к условиям окружающей среды в старости снижается. Поэтому представляется интересным исследовать изменения адаптивности или индуцибельности ферментов с возрастом. Поскольку каждый фермент кодируется специфическим геном, подобные исследования могут помочь в выяснении таких функций специфических генов, как транскрипция специфических мРНК и регуляция этой транскрипции. Проводя их, можно также решить вопрос о том, происходят или не происходят изменения в экспрессии генов в старости.

В работах по индукции синтеза ферментов в тканях крысы путем введения различных гормонов было показано, что при одинаковых условиях эксперимента индукция у старых крыс в общем ниже, чем у животных в зрелом возрасте. Такие результаты были получены для глюкозо-6-фосфатазы и фруктозобисфосфат-альдолазы [101], фосфофруктокиназы [102, 103] и гексозофосфат-изомеразы [103], пируваткиназы [21], малатдегидрогеназы [53] и ацетилхолинэстеразы [81]. Для нескольких ферментов в зрелом возрасте и в старости получены одинаковые значения индукции — это триптофанпирролаза [42], аланинаминотрансфераза (ААТ) [87] и тирозинаминотрансфераза (ТАТ) [91], а индукция аргиназы [90] у старых животных оказалась выше (табл. 3.4), чем у животных в среднем возрасте.

Таблица 3.4. Индукция ферментов

_{Обозначения в Таблице: V уменьшение; ^ увеличение; "-" нет эффекта; Н — норма; К — кортизон; ГК — гидрокортизон; а — удаление надпочечника; б — удаление} семенников; в — удаление яичников; Э50-Э100 — введение эстрадиола в количестве 50 и 100 мг·г^{– 1} веса тела; Т50 и Т100 — введение тестостерона в количестве 50 и 100 мг·г^{– 1} веса тела; П — полушария головного мозга; М — мозжечок.

Некоторые ферменты, например глюкокиназа и тирозинаминотрансфераза из печени мыши, индуцируются при голодании [2]. Было показано также, что тирозинаминотрансфераза печени индуцируется при низкой температуре [33]. В этих исследованиях установлено, что индукция у старых и молодых животных одинакова, но у первых время, необходимое для индукции, больше (табл. 3.4).

В общем, индукция оксидоредуктаз в старости понижается, а трансфераз — повышается или не изменяется. Индукция гидролаз и лиаз печени млекопитающих в старческом возрасте понижается, так же как и индукция трансфераз и гидролаз мозга. Однако пока число исследованных ферментов невелико, нельзя с уверенностью сделать заключение о закономерностях индукции определенных ферментов.

В приведенных исследованиях было показано также, что индукция одного и того же фермента по-разному меняется в разных органах. Например, индукция пируваткиназы в сердце старой крысы выше, чем у животного в среднем возрасте, в то время как в мозгу старой крысы она ниже по сравнению с животным в среднем возрасте [21–23].

Индукция многих ферментов в старческом возрасте уменьшается, и поэтому ослабевает адаптивность организма или его способность к ответу на соответствующий стимул. Эти ответы на основании времени, затрачиваемого на индукцию, и величины индукции (рис. 3.7) подразделяют на четыре главных типа [5]. У типа 1 лаг-период индукции в старости больше, но ее величина не меняется, если индуктор применяется в течение достаточного времени. Примерами этого типа ферментов являются глюкокиназа [1] (рис. 3.8), ДНК-полимераза [3] (рис. 3.9), тирозинаминотрансфераза [2] и сериндегидратаза [88] печени крыс при ответе на действие глюкозы, АКТГ и кортизона соответственно [5]. Лаг-период индукции тирозинаминотрансферазы после выдерживания при низкой температуре у старой мыши также увеличен [33].

Рис. 3.7. Зависимость ферментной адаптации от возраста [15]. В общем виде показаны четыре основных типа влияния старения на время протекания и величину гипотетических адаптивных изменений активности ферментов.

_{Сплошная линия — молодые животные, штриховая — среднего возраста, пунктирная — старые}

Рис. 3.8. Зависимость лаг-периода индукции глюкокиназы от возраста крысы [4]

Рис. 3.9. Возрастные различия начала и максимума скорости синтеза ДНК в подчелюстной железе крысы после инъекции изопротеренола [3].

_{1 — возраст 2 мес; 2 — возраст 12 мес}

У ферментов типа 2 степень индукции при одинаковой дозе индуктора в старческом возрасте или больше, или меньше. Индукция орнитин-оксокислота — аминотрансферазы кортизоном, глюкозо-6-фосфатазы в печени высокобелковым рационом [88], цитоплазматической малатдегидрогеназы адреналэктомированных крыс кортизоном [53] и орнитиндекарбоксилазы дексаметазоном [30] в старости значительно понижается. Экстремальные случаи такого понижения наблюдаются для митохондриальной малатдегидрогеназы [53] и аргиназы [90] печени после удаления надпочечника и введения кортизона и для ацетилхолинэстеразы мозга крысы [81] после овариэктомии и введения эстрадиола. Во всех этих случаях у старых животных наблюдается полное отсутствие индукции. Вместе с тем индукция глутаминсинтетазы кортизоном у старых крыс больше и в норме, и после удаления надпочечника [89]. Индукция в этих случаях исследовалась только одномоментно, и лаг-период ни для старых крыс, ни для крыс в среднем возрасте неизвестен.

У ферментов типа 3 в старости происходят изменения и величины индукции, и времени, необходимого для индукции. К этому типу относятся замедленное и более слабое повышение активности тимидинкиназы и дезокситимидилатсинтетазы из слюнных желез у крысы после введения изопротеринола [96] или у дрозофилы после обработки аминотриазолом [82].

Для ферментов типа 4 ответ на действие индуктора в среднем возрасте и в старости одинаков. К этому типу относится индукция глюкокиназы, тирозинаминотрансферазы [6] и митохондриальной глицерол-3-фосфат — дегидрогеназы [17] инсулином, кортизоном и тироксином соответственно.