то соблюдается достаточно хорошо только для относительного (на единицу массы) значения его, причем в пересчете на единицу активности супероксиддисмутазы – ключевого фермента антиоксидантной защиты организма. Эти факты послужили основой для создания свободнорадикальной теории старения.
Основное положение свободнорадикальной теории старения сформулировал в 1954 году D. Harman, предположивший, что универсальной причиной старения служит свободнорадикальное окисление липидов, жиров и белков всех организмов кислородом воздуха. В дальнейшем было выполнено значительное число разнообразных работ в этой области, но каких-либо однозначно интерпретируемых результатов получено не было. Так, митохондрии (основной потребитель кислорода клеток) старых животных не отличались значимо от таковых у молодых по генерации супероксидного радикала, хотя отмечена структурная и функциональная неоднородность митохондрий старых животных, приводящая к значительным разбросам в результатах исследований, и тенденция к повышению генерации активных форм кислорода (АФК) митохондриями старых животных, но только в условиях ишемии тканей (которая достаточно обычна для старения).
Аналогично, микросомы – другой значимый источник супероксидных радикалов – в старости генерируют в 2 раза меньшие количества АФК, снижение же активности супероксиддисмутазы (СОД) цитоплазмы происходит всего на 40 %, что явно компенсирует эти изменения. В отдельных случаях активность СОД тканей может даже повышаться с возрастом.
Активность СОД мозга долгоживущих мышей оказывается выше, чем для короткоживущих линий. Генетически измененные дрозофилы с повышенной активностью СОД живут дольше нормальных мух. Ингибиторы свободнорадикальных механизмов увеличивают на 20–30 % длительность жизни мышей. Для людей, однако, можно видеть противоположное: синдром Дауна с укорочением продолжительности жизни вдвое сопровождается ростом активности СОД тканей.
Фармакокоррекция системы антиоксидантной защиты организма также малодостоверна: активность обычных ферментов (СОД, каталаза, пероксидаза) очень высока и специфична, поэтому способы фармакологического «тушения» антиоксидантов, видимо, малоэффективны в принципе. Более эффективны непрямые методы, например, нормализация функции митохондрий, где эффективны гипоксическое воздействие, окись азота, кортикостероиды, тиреоидные гормоны.
В то же время с возрастом, безусловно, повышается содержание в тканях человека и животных продуктов окислительного повреждения макромолекул, в том числе ДНК. Впрочем, это может лишь указывать на снижение скорости метаболизма для организма в целом.
Возможно, АФК стимулируют и апоптоз – программируемую гибель клеток путем раскрытия каналов мембраны для белка, находящегося в межмембранном пространстве митохондрий и запускающего этот процесс.
В сыворотке старых крыс существенно повышалось содержание продуктов перекисного окисления липидов (ПОЛ) и белков при снижении активности СОД и общей антиокислительной активности сыворотки крови.
Отмечены данные о существенном снижении в сыворотке крови пожилых и старых лиц (60–97 лет) уровня глутатиона и повышении продуктов перекисного окисления липидов. Возможно, накопление продуктов перекисного окисления липидов в мозгу играет роль и в патогенезе возрастной патологии мозга, включая болезнь Альцгеймера. Эти изменения идут на фоне существенного снижения с возрастом генерации АФК в тканях старых животных и человека.
Общий анализ данных об участии АФК в процессах старения и сопровождающих старение заболеваниях позволяет ряду авторов утверждать, что повреждение под действием АФК макромолекул приводит к мутациям, нестабильности генома в целом и развитию ряда возрастных патологий: рак, сердечно-сосудистые заболевания, возрастная иммунодепрессия, дисфункция мозга, катаракта и др. Конкретный механизм индукции старения свободными радикалами малопонятен. Предполагают, что АФК повреждают хроматин, ДНК, мембраны, коллаген, изменяют регуляцию внутриклеточного кальция, активируют апоптоз и пр.
Данные на трансгенных дрозофилах с дополнительными копиями гена СОД и каталазы показали увеличение средней и максимальной продолжительности их жизни; трансгенные мыши с избыточной экспрессией СОД, каталазы и глутатионпероксидазы обладали повышенной резистентностью к оксидативному стрессу, при снижении же активности этих генов мыши имели признаки преждевременного старения. В то же время назначение антиоксидантов для повышения продолжительности жизни мышей оказалось оправданным лишь при снижении у них активности антиоксидантных ферментов, тогда как при повышении их активности продолжительность жизни даже снижалась.
В процессах оксидативного стресса может принимать участие церамид – компонент мембранных структур клетки и участник различных внутриклеточных сигнальных путей. Содержание церамида увеличивается в клетках в ответ на действие самых различных экстраклеточных сигналов в разных физиологических и патофизиологических ситуациях; роль липида в процессах роста, дифференцировки и гибели клеток при действии различных стрессорных факторов является доказанной. Уровень церамида резко увеличивается в различных клетках при действии γ-облучения и ряда токсических веществ, что предшествует апоптозу, некрозу или развитию воспалительной реакции. Повышение способности клеток и тканей образовывать и накапливать церамид наблюдается при атеросклерозе, диабете и нейродегенеративных заболеваниях, наиболее часто возникающих в пожилом возрасте. Экзогенный церамид, добавленный в культуральную среду молодых клеток, способствует формированию фенотипа старой клетки. Церамид вызывает экспрессию маркера старения клеток – β-галактозидазы, индуцирует дефосфорилирование pRb и его активацию, ингибирует регулятор клеточного цикла Cdk2, увеличивает концентрацию ингибиторов Cdk: p21/Sdi p27/Kip1 и индуцирует остановку клеточного цикла и морфологические изменения, характерные для старой клетки. Уровень церамида в клетках и тканях существенно увеличивается в условиях нормального старения организма животных и человека в печени, гиппокампе, коре больших полушарий, мышечной ткани и поджелудочной железе. Основной причиной является активация сфингомиелиназ на фоне подавления способности клеток метаболизировать церамид в старости. Подавление под действием α-токоферола в старых клетках печени активности сфингомиелиназ, приводящее к снижению массы церамида, сопровождается увеличением чувствительности клеток к действию тироксина и инсулина: моделируя пищевой статус организма старых животных либо состав среды культивирования клеток, можно направленно воздействовать на определенные звенья обмена сфинголипидов, снижать базальный уровень церамидов и реконструировать ответ клеток на действие гормонального стимула, измененный в старых тканях.
В процессе формирования оксидативного стресса образуются также цитотоксические карбонильные соединения, в том числе альдегиды. Альдегиды являются относительно стабильными метаболитами, которые обладают способностью взаимодействовать с белками и нуклеиновыми кислотами, изменяя при этом их функциональные свойства. В утилизации альдегидов принимают участие альдегиддегидрогеназа, альдегидредуктаза и глутатион-S-трансфераза, однако основной путь их катаболизма – это конъюгация с глутатионом. Процессы утилизации эндогенных альдегидов имеют тканевую и возрастную специфичность. Их состояние оказывает модулирующее воздействие на характер реализации повреждающего действия свободных радикалов на клетки. Адекватная стимуляция процессов утилизации эндогенных альдегидов в условиях усиления радикалообразования может лежать в основе повышения резистентности клеток к повреждающему действию оксидативного стресса. При старении интенсивность утилизации альдегидов снижается, что может выступать в роли одного из факторов возникновения возрастной патологии.
В печени активность НАДН-зависимой АР и ГТ в 68 и в 36 раз соответственно выше, чем в миокарде. При старении в печени происходит понижение активности НАДН-зависимой АР и АЛДГ на 36 %, по сравнению с их величиной у взрослых животных. Активность НАДФН-зависимой АР и ГТ существенно не изменяется. Аналогичная ситуация наблюдается и в миокарде: у старых крыс активность НАДН-зависимой АР и АЛДГ понижается на 35 и 45 % соответственно по сравнению с их величиной у взрослых животных.
Хотя в наших клетках синтезируются различные альдегиды, большая доля приходится на 4-гидрокси–2,3-ноненаль, который образуется из линолевой кислоты. Именно это вещество часто называют «запахом старости».
Понижение активности ферментов катаболизма альдегидов выступает в качестве одного из факторов возрастания чувствительности тканей внутренних органов к оксидативному стрессу, в большей мере это касается миокарда, что предопределяет особое место заболеваний сердечно-сосудистой системы в возрастной патологии.
Рис. 5. Связь максимальной продолжительности жизни и соотношения активность СОД/удельная продукция свободных радикалов – интенсивность основного обмена (ИОО) – (по данным литературы). Точки соответствуют в порядке повышения величин МПЖ видам: домовая мышь, оленья мышь, тупайя, беличья обезьяна, галаго толстохвостый, тамарин, лемур, зеленая мартышка, макака-резус, павиан анибус, горилла, шимпанзе, человек
Все большее внимание геронтологов привлекают и физиологические эффекты АФК. Так, кислороду и АФК придают важное значение в процессах эволюции и видообразования, у целого ряда клеток АФК вызывают повышение клеточного деления, причем это регуляторный эффект, реализуемый через специфические белки (NF-kB, c-Jun, p21, p44MAPK, c-fos). Достаточно изучен процесс регуляции АФК сосудистого тонуса