Биохимия старения - Канунго М. С. - Страница 65

Кирквуд [67] предположил, что коммитирование соматических клеток в культуре может быть вызвано накоплением ошибок, так как этот процесс хуже регулируется вне организма. Он утверждает, что ошибки внутренне присущи всем процессам передачи макромолекулярной информации: "Для того, чтобы поддерживать дальнейшие эволюционные изменения и таким образом увеличивать возможность максимального выживания, любой организм должен совершать случайные ошибки кодирования". Создается впечатление, что организм знает, что он должен эволюционировать, и поэтому делает ошибки. Этот взгляд близок к идеям Вейсмана, которые были дискредитированы. Знает ли организм, где и когда делать ошибки, чтобы эволюционировать? Правда, если точность системы переноса информации была бы абсолютной, то, вероятно не было бы эволюции. Хоффман [47] сообщил, что механизм трансляции исключает ошибки, и, следовательно, "катастрофа ошибок" здесь невозможна. Кирквуд и Холлидей [68] указывают на нереальность такой точки зрения; они предполагают, что белоксинтезирующий аппарат может стабильно работать, даже: если он ошибается. Если обозначить общий уровень ошибок буквой R, то при малых значениях этой величины процесс накопления ошибок достигает стационарного состояния, а при больших R приводит к "катастрофе ошибок". Кирквуд и Холлидей считают, что эти явления лежат в основе эволюции. Мартин и др. [80] предположили, что in vivo клетки сохраняют способность к делению даже в старом возрасте. Средняя продолжительность жизни культуры (число удвоений популяции) составляет ∼ (42-0,2 X), где X — возраст донора. Следовательно, клетки даже 90-100-летнего индивидуума способны к 20–25 удвоениям популяции. Кирквуд [67] считает, что, как только клетки в культуре становятся коммитированными, размер популяции резко падает. Сходное положение может возникнуть in vivo, в результате чего орган теряет клетки, а следовательно, и активность. Это может быть обусловлено переходом белоксинтезирующего аппарата от стабильного состояния к нестабильному и появлением ошибок в белках.

По предположению Хопфилда [60] можно избежать ошибок репликации путем затраты дополнительной энергии на тщательное считывание информации или на разрушение дефектных макромолекул. "Ферменты-чистильщики" могут удалять ошибочные белки. Точность синтеза в клетках зародышевого пути, необходимая для сохранения наследственной информации, для соматических клеток не столь существенна. Если в соматических клетках будет поддерживаться большая точность синтеза, то затраты энергии будут слишком велики. Кирквуд [67] предположил, что старение может быть следствием выключения механизмов, ответственных за высокую точность работы аппарата трансляции до или во время дифференцировки соматических клеток; этим достигается экономия энергии. Таким образом, соматические клетки функционируют в нестабильном режиме, происходит постепенное нарастание числа ошибок, что приводит через некоторое время к старению и "катастрофе ошибок". Однако известно, что отмирают и эмбриональные клетки (гл. 1). Почему именно эти, а не другие клетки коммитируют к старению на такой ранней стадии, почему возникают ошибки и что регулирует их уровень? Приведенные доводы не объясняют различий между клетками разных типов, такими, как нейроны и мышечные клетки, которые полностью прекращают деление, или клетки печени, которые постоянно медленно пролиферируют, или эпителиальные и кроветворные клетки, которые интенсивно делятся в течение (Всей жизни. Кроме того, связь между старением клеток in vitro и старением всего организма сомнительна, было показано, что фибробласты цыплят и человека имеют ограниченную продолжительность жизни, в то же время фибробласты быка, кролика, хомяка, крысы и мыши обладают неограниченной способностью к делению, хотя если потенциал удвоения популяции имеет какое-нибудь отношение к продолжительности жизни, можно было ожидать, что у этих клеток он должен быть меньше.

Ряд экспериментальных данных противоречит возможности появления ошибок в белках в таких количествах, которые могли бы вызвать старение или "катастрофу ошибок". Канунго и Ганди [59] сравнивали малатдегидрогеназу печени молодых и старых крыс иммунологическими методами. Они не обнаружили возрастных различий в свойствах ферментов. Следовательно, ген малатдегидрогеназы не подвергается с возрастом никаким структурным изменениям. Кинетические, электрофоретические и иммунологические исследования ацетилхолинэстеразы головного мозга [84] и аланинаминотрансферазы печени [93] также показали отсутствие явных возрастных различий. В дальнейшем это заключение подтвердилось тем, что карты триптических гидролизатов актина и миозина скелетной мышцы молодых, взрослых и старых (8, 21 и 84 нед) крыс оказались одинаковыми [117]. Очевидно, первичная структура ферментов при старении не изменяется.

Позже в исследованиях альдолазы из печени мыши [32,33] и цитоплазматической пероксид-дисмутазы из печени головного мозга и сердца крыс и мышей [97, 99] было показано, что антигенность, К_м, K_i, электрофоретическая подвижность в полиакриламидном геле и полиакриламидном геле с додецилсульфатом натрия одинаковы для молодых и старых животных. Более того, при изоэлектрофокусировании этих ферментов не ВЫЯВИЛИ никаких различий в их электрических зарядах [39]. Наблюдали только различия в таких свойствах, как удельная активность фермента (ед/мг белка), которая была понижена у старых особей, и чувствительность к температуре, которая была повышена. Эти сдвиги были отнесены к посттрансляционным химическим изменениям типа фосфорилирования, ацетилирования, дезаминирования, аденилирования, окисления SH-групп и т. д., которые не определяются при электрофорезе в полиакриламидном геле [30]. Такие измененные молекулы имеют пониженную удельную активность и с возрастом накапливаются.

Однако сообщалось о различиях в антигенных свойствах альдолазы и глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназы из эритроцитов молодых и старых людей [55, 82]. Частоты соматических мутаций, установленные по изменениям глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназы [27] и хромосомным отклонениям [125], значительно выше у старых животных. Ягил [131] показал, что электрофоретическая подвижность, электроиммунодиффузия и чувствительность к температуре глюкозо-6-фосфат — дегидрогеназы печени одинаковы у молодых и старых мышей.

Исследования Гершона и его коллег показали близость величин К_м, K_i, молекулярной массы и электрофоретической подвижности изоцитрат-лиазы [31] и альдолазы [133] у молодых и старых особей свободноживущей нематоды Turbatrix aceti. Однако ферменты старых животных обладали пониженной антигенностью и удельной активностью. Ротстайн и сотрудники изучили ряд ферментов молодых и старых Turbatrix aceti: изоцитрат-лиазу (рис. 9.4) [100], енолазу [111–113], триозофосфатизомеразу и фосфоглицераткиназу [40, 41], и в каждом случае молекулярная масса, Км, термостабильность и электрофоретическая подвижность были сходными. Каталитическая активность, однако, была ниже в старом возрасте, что, как предположили авторы, может быть вызвано полной инактивацией молекул фермента, но не включением ошибочных аминокислот. Возрастные изменения изоцитрат-лиазы, енолазы и фосфоглицераткиназы были также исследованы в гомогенной популяции Turbatrix aceti; гомогенность культуры достигалась удалением вновь появляющихся особей через равные интервалы времени. В старом возрасте каталитическая активность всех исследованных ферментов снижалась. Кроме того, енолаза старых особей отличалась по антигенности от фермента молодых животных [113]. На основе этих данных Ротстайн [105, 106] предположил, что наблюдаемые различия вызваны конформационными изменениями, но не замещением аминокислот.

Рис. 9.4. Зависимость общей активности изоцитрат-лиазы, преципитированной данным количеством антител, от возраста круглого червя Tyrbatrix aceti [100]