го деления ускоряются многократно.
Типичными являются для старения клеток общие принципы старения: неравномерность старения разных типов клеток и формируемых ими структур или даже темпа и выраженности старения одного функционально-структурного комплекса, по сравнению с другим таким же (гетеротопность и гетерохронность старения).
Конкретные проявления старения, например нейрона и гепатоцита, различны, однако существуют и вполне определенные общие черты, общность которых лучше выявляется при анализе на более высоком уровне обобщения. Типичным является и избыточное развитие и огрубление соединительной ткани во многих тканях, замена ею паренхиматозных элементов. Наблюдаются явления атрофии и дистрофии различных клеток. Уменьшение количества паренхиматозных клеток компенсируется активированием функций и гипертрофическими процессами для оставшихся клеток.
При старении увеличивается число ядер в клетке (явление полиплоидии), причем ядерная мембрана образует многочисленные складки для увеличения площади соприкосновения с цитоплазмой, расширяются ядерные поры, появляются ядерные включения (обычно функционально неактивные).
Изменяется плотность цитоплазматического матрикса клетки, как с просветлением, так и с огрублением его участков, с очагами деструкции и некробиоза.
В белоксинтезирующем аппарате отмечается расширение цистерн гранулярной и гладкой эндоплазматической сети, уменьшается количество рибосом на мембранах. Отмечают редукцию и уменьшение площади комплекса Гольджи, застойные явления в нем.
Достаточно постоянным признаком старения клетки является повышение количества первичных лизосом, в них увеличивается количество недопереваренных субстанций, снижается стабильность лизосомальных мембран.
Наружная клеточная мембрана также значимо изменяется: отмечаются очаговые уплотнения и утолщения, снижается интенсивность микропиноцитоза, количество микроворсинок, микровыростов. Изменяется количество и функция щелевидных контактов клеток и соединяющего клетки межклеточного вещества. Качественно меняется реакция клетки на внешние возбудители прежде всего за счет значительного изменения числа рецепторов на ее поверхности.
Количество их и сродство с разными биоактивными веществами изменяется для разных клеток по-разному. Изменения соотношения рецепторов к разным биоактивным веществам переводят клетку на иной тип функционирования. Эти изменения отражают также и компенсаторные реакции в ответ на изменение количества циркулирующих гормонов.
Особое значение принадлежит изменению числа клеток, числа рецепторов и их аффинности для нейронов регуляторных вегетативных центров, управляющих развитием: отмечены выраженные возрастные изменения для центров регуляции роста и полового развития при относительной устойчивости других областей мозга.
Мембранный потенциал является важнейшим общим показателем функциональной активности клетки. Он практически не изменяется в мышечных волокнах, гепатоцитах, мотонейронах спинного мозга, но растет для кардиоцитов, гладкомышечных клеток сосудов и ряда других клеток. В пределах одной и той же клеточной популяции отмечаются выраженные различия в величине мембранного потенциала. По-разному изменяется также электровозбудимость различных типов клеток.
Изменяется электрическая активность клеток: удлиняется скрытый период включения моторной единицы, для групп клеток отмечается большое количество потенциалов малой силы. Значимо уменьшается количество воды в тканях, количество внутриклеточных ионов калия с неизменным или даже повышенным содержанием ионов натрия (в некоторых клетках, наоборот, происходит накопление внутриклеточного калия).
Мембранная активность К-Na-АТФазы падает, снижается содержание молекул – энергоносителей (АТФ и креатинфосфата), изменяется сопряжение окислительного фосфорилирования и окисления; в этих условиях росту внутриклеточного гликолиза отводят компенсаторную роль.
На фоне зачастую нормальной величины поляризации – статического параметра – отмечается изменение динамической величины – реполяризации после различных воздействий на клетку. Температурный коэффициент и энергия активации процессов, определяющих реполяризацию у старых животных, в 2 раза выше, что указывает на увеличение доли неферментативных реакций в развитии реполяризации.
Снижение лабильности – одна из главных характеристик проявления старения на клеточном уровне. На ЭЭГ в фоновой кривой отмечается смещение спектра основных ритмов в сторону более медленного диапазона, появляется больше медленных волн; происходит также снижение частоты токов действия для моторных единиц мышц, урежение частоты импульсации в афферентных и эфферентных нервах. Падает лабильность вегетативных ганглиев и блуждающего нерва, повышается значимость гуморальных систем регуляции в противовес нервным.
В области синапса частота и амплитуда миниатюрных потенциалов не изменяется, однако изменяется реактивность к блокаторам и агонистам, влияющим на синаптическое проведение импульса. Снижается синтез ацетилхолина, снижается синтез и обратный захват норадреналина, компенсаторно повышается чувствительность постсинаптической мембраны к этим медиаторам; снижается количество синапсов.
Что касается врожденной запрограммированной способности к ограниченному числу делений («феномен Хейфлика»), то представления об этом оставлены уже самим автором. Видимо, этот феномен сводится к частным случаям дифференцировки некоторых типов клеток в искусственных условиях и не имеет существенного значения для старения в целостном организме.
Роль митохондрий в старении клетки
Один из важных и постоянных признаков клетки при старении – изменение митохондрий: просветление матрикса, расширение межкристных промежутков, резкое набухание митохондрий, разрушение их внутренней мембраны с миелинизацией, повреждение наружной мембраны. Объем митохондрий в клетке повышается при снижении площади мембран в каждой отдельной митохондрии. Предполагают возможную роль митохондриальной дисфункции в процессе старения.
Митохондрии находятся под двойным генетическим контролем: со стороны ядерной и митохондриальной ДНК (яДНК и мтДНК). Особенностями митохондриальной генетики являются материнская (неменделевская) наследственность, полиплоидия (до 10 молекул мтДНК на органеллу, тысячи – на клетку), высокая скорость мутирования (на порядок выше, чем яДНК: мтДНК 2 индивидуумов часто различаются на 10–70 пар нуклеотидов), а также не ассоциированная с клеточным циклом репликация и репликативная сегрегация при клеточном делении.
К особенностям митохондриального генома относятся ковалентно замкнутая кольцевая форма молекулы мтДНК, ее небольшие размеры (~16 тысяч пар нуклеотидов), 37 кодируемых ею генов (13 полипептидов – субъединиц комплексов окислительного фосфорилирования, 2 рРНК и 22 тРНК), собственный генетический код, отличный от универсального, зависимость экспрессии от экспрессии ядерного генома. Большинство эволюционно зафиксированных мутаций мтДНК, в первую очередь однонуклеотидные замены (SNP), создают нейтральные полиморфизмы, сегрегирующие и накапливающиеся в популяциях по материнской линии. Эти полиморфизмы распределяются на гаплогруппы и связанные с ними гаплотипы. Вариабельность последовательностей мтДНК явилась инструментом реконструкции эволюции человека.
Установлена корреляция принадлежности индивидуумов к определенной гаплогруппе с риском развития ассоциированных с возрастом дегенеративных заболеваний. В онтогенезе происходит накопление соматических мутаций (замена оснований, делеции) и других повреждений (модификация оснований, сшивки) мтДНК. Некоторые мутантные молекулы могут амплифицироваться с большей скоростью, чем «дикие» молекулы мтДНК, постепенно замещая последние (гомоплазмия мутантных мтДНК). В быстро делящихся клетках этот механизм может лежать в основе развития опухолей.
Накопление с возрастом поврежденных молекул мтДНК вызывает энергетическую недостаточность прежде всего самих митохондрий. Вследствие этого молекулы мтДНК могут покидать органеллу через открывшуюся пору переменной проницаемости, промотируя мутагенез ДНК ядра. При достижении некоторого порога энергетической недостаточности клетки (для разных типов клеток его величина различна) происходит митохондриальная индукция гибели клеток (апоптотическая или некротическая) и, как следствие, функциональная недостаточность органов и тканей, лежащая в основе дистрофических болезней, ассоциированных со старением.
По мнению многих ученых, накопление мутаций мтДНК как результат нормального функционирования митохондрий может лежать в основе старения и связанных с ним заболеваний.
Исследования генерации активных форм кислорода (свободных радикалов) митохондриями проводятся еще со времени работ Чанса, однако до настоящего времени неясно, имеет ли место повышение с возрастом продукции свободных радикалов митохондриями и какое это имеет значение для старения. Ясно, однако, что в условиях гипоксии старые митохондрии оказываются способными генерировать свободные радикалы значимо выше, чем молодые, что, учитывая механизм возрастной гипоксии как типичный для процессов старения тканей, позволяет говорить о значимости этого явления для старения в целом.
Оксидативный клеточный стресс представляется типичным возрастным синдромом, а влияния на него – перспективным направлением профилактических влияний.
В процессе старения митохондрий наблюдаются снижение их респираторной функции и мутации митохондриальной ДНК, что связывают с развитием возрастного оксидативного клеточного стресса и нарушениями генной экспрессии, хотя отмечено, что мутации митохондриальной ДНК могут и не приводить к увеличению продукции активных форм кислорода в клетке.
Набухание митохондрий в клетках обычно ведет к выходу в цитоплазму цитохрома С, что запускает процессы апоптоза и связывает процессы старения и активной гибели клеток; часто старые клетки оказываются устойчивыми к апоптозу, что наряду с ухудшением их функций может вести к неблагоприятным результатам для целостного организма, так как выбраковывание таких клеток задерживается в старости. Тем не менее некоторые авторы рассматривают запрограммированную клеточную смерть – апоптоз – как мишень для борьбы со старением.