Изменение структуры и функции мембран клетки при старении

Функция мембран не ограничена лишь регуляцией 1 путей метаболизма. В регуляции биосинтеза ДНК и РНК, переносе последней из ядра в цитоплазму сущее Н венное значение имеет ядерная мембрана: биосинтез многих белков протекает на полисомах, «организуемых»! мембранами эндоплазматической сети; биосинтез липидов регулируется ферментами, упорядоченными на митохондриальных мембранах. Распад же различных биомакромолекул, их гидролиз осуществляется также в определенных мембранных структурах - лизосомах. Именно благодаря тому, что многие гидролазы ограничены, «упрятаны» в этих структурах, обеспечивается относительная надежность функционирования макромолекул в клетке. Таким образом, все основные биохимические процессы в клетке регулируются мембранами. Мембрана является основой построения большинства органелл, причем не только клеток, но и органелл тканей и целостного организма. Исключение составляют микро-1 трубочки животных и растительных клеток, рибосомы, мышечные фибриллы, коллагеновые структуры соединительной ткани и кальцийсодержащие структуры костной ткани. Однако функция и этих органелл в той или иной степени связана с функцией мембран: внутриклеточных или тканевых.

Функции мембран основаны на их способности:

1) контролировать и координировать диффузию и активный перенос субстратов (т. е. перенос вещества против градиента концентрации) в клетку и из нее, от одной органеллы к другой;

2) служить цитоскелетом, на котором происходит специфическая ориентация ферментов;

3) участвовать в образовании и определять конформацпю вновь синтезированных макромолекул, образование между ними специфических комплексов и формирование органелл (например, полисом);

4) наконец, последней, пока еще практически неизученной функцией мембран является их способность передавать информацию о своей структуре дочерним мембранам. (Мембранные структуры могут образовываться путем «самосборки», т. е. благодаря случайному нахождению друг друга компонентами органелл и их взаимодействию по принципу наибольшего соответствия. Однако в последние годы накапливается все больше данных о том, что специфичность взаимодействия отдельных компонентов сложной мембранной системы контролируется ранее синтезированными мембранными структурами. Если это так, то мембрана содержит и может передавать информацию о синтезе «себе подобных» структур. Тогда с этой функцией должна быть тесно связана и способность мембран ускорять, катализировать процесс самосборки мембранных структур в клетке.)

В соответствии с кратко рассмотренными нами функциями мембран в их состав входят три типа белков:

1) структурные, которые с липидами образуют бимолекулярный слой — основу мембраны;

2) ферменты, катализирующие те или иные пути метаболизма, которые мы только что рассматривали;

3) белки-переносчики (пермеазы), обладающие большой специфичностью в связывании определенного субстрата и переносящие его против концентрационного градиента или преодолевающие «барьер» для диффузии этого вещества.

Но в состав мембран входят не только белки и липиды. Составной частью некоторых из них является РНК, функция которой пока неизвестна, а также металлы, различные метаболиты (коферменты, порфирин н некоторые другие).

Знание состава и основных принципов функционирования мембран позволяет нам теперь обсудить вопрос о том, как же изменяются структура и функция различных органелл клетки при старении. К сожалению, эти вопросы изучены еще очень слабо, чтобы можно было сделать какие-либо обобщения. Большой трудностью для таких обобщении является то, что кроме свойств структуры и функции мембранных компонентов органелл, общих для всех клеток, мембраны и органеллы могут быть по химическому составу весьма специфичны, то есть возрастные изменения их свойств должны зависеть от вида животных, типа клеток, степени дифференцировки последних. Естественно, что от этих факторов зависит и характер процесса «старения» мембран. Чтобы не перегружать читателя многочисленными фактическими данными, я рассмотрю лишь примеры, необходимые для понимания общих принципов возрастных изменений структуры и функции мембран, а также основное значение этих изменений в старении и гибели клетки.

Уже много лет назад было обнаружено, что ядерная мембрана старых клеток имеет значительно измененную структуру, наблюдаемую в микроскопе: она образует складки и впячивания внутрь ядра, иногда наблюдается нарушение целостности ее структуры. Эти довольно резкие изменения, несомненно, должны нарушить специфичность взаимодействия ядра с цитоплазмой, уменьшить селективность процессов переноса вещества из ядра в цитоплазму и наоборот. Нарушение переноса должно касаться не только нмзкомолекулярных веществ, но и передвижения (транслокации) в обоих направлениях биомакромолекул (главным образом РНК из ядра в цитоплазму и ядерных белков из цитоплазмы в ядро). Мембраны микроскопических пузырьков клетки, участвующих в накоплении и выведении из клетки веществ составляют так называемый аппарат Гольджи.

В процессе старения некоторых нервных клеток обнаружены резкие изменения аппарата Гольджи, он утрачивает характерную структуру сети, превращаясь в беспорядочное скопление не связанных друг с другом гранул.

Вопрос об изменении при старении клеток структуры и функции цитоплазматических мембран изучен пока очень слабо, но не потому, что геронтологи недооценивают роль мембран в старении. Кажется очевидным, что эта роль весьма велика. Дело в другом — в методических трудностях исследования вопроса. Ведь изменения мембран при старении не происходят резко, и такие изменения довольно трудно «уловить» современными методами исследования. Но все-таки кое-что уже удалось установить. Например, обнаружено, что при старении клеток в печени изменяется химический состав цитоплазматических мембран, а точнее, изменяется соотношение различных белков и уменьшается активность ферментов, входящих в их состав. Осуществление почками их основной функции — освобождения крови от «шлаков» — связано с активностью специального фермента аденозинтрифосфатазы, стимулируемой ионами натрия и калия. Этот фермент локализован в мембранах почечных клеток, поэтому и снижение его активности, и нарушение «очистительной» функции почек при старении мы можем объяснить нарушением структуры и функции мембран почечных клеток.

Рассматриваемый фермент содержится и в делящихся клетках, а вещество, ингибирующее его активность,— оубаин — даже в небольших концентрациях нарушает процесс деления клеток. Иными словами, функция мембраны может состоять и в том, чтобы регулировать деление клетки. Интересно, что к такому же заключению ранее пришли исследователи, изучавшие биологические особенности раковой клетки. Было установлено, что, с одной стороны, нарушение регуляции клеточного деления — характерный признак всех опухолевых клеток; с другой стороны, в этих клетках часто наблюдали изменения структуры и функции мембран, имеющие, по-видимому, отношение к нарушению способности клетки реагировать на факторы, регулирующие клеточное деление.

Мы уже знаем, что нарушение способности к делению — один из важных признаков старения клеток. Молекулярные механизмы этого нарушения могут быть многообразны и, вероятно, так или иначе связаны с изменением структуры и функции генетического аппарата. На основании только что сказанного можно предполагать, что другой клеточной структурой, изменение которой может быть критическим для нарушения в процессе старения способности клетки к делению, является цитоплазматическая мембрана.

Что касается мембран неделящихся клеток, то особое значение в старении, по-видимому, имеет изменение мембран в области контактов (синапсов) нервных клеток. Известно, что нарушение структуры и функции этих мембран может снижать скорость и точность передачи информации в нервной системе, что наблюдали в процессе старения и животных, и человека. Но особенно резкие изменения функции мембран можно наблюдать при старении клеток крови, эритроцитов, которые живут в организме недолго, например, в организме человека — несколько месяцев.

То, что мы сейчас обсуждали, касалось главным образом мембран цитоплазматических, отделяющих клетку от окружающей ее внешней среды. Но ведь для нормального функционирования клетки не меньшее значение имеют и мембраны, «пронизывающие» клетку, разделяющие ее на отдельные органеллы, «отсеки» и т. д. Это, в частности, мембраны эндоплазматической сети, на которых происходит синтез многих белков и которые служат стенками каналов, пронизывающих клетку, и мембраны, которые ограничивают участки цитоплазмы, где происходит накопление и, возможно, «переработка» продуктов, секретируемых клеткой (аппарат Гольджи). О том, что при старении структура и функция этих мембран также нарушаются, мы можем судить лишь на основании косвенных данных. В частности, весьма вероятно, что именно такие нарушения являются одной из причин нарушения при старении функции эндокринных желез, способности клетки желудка секретировать желудочный сок и т. д. Как уже отмечалось, локализация, «упаковка» многих гидролитических ферментов, расщепляющих различные компоненты клетки в специальных образованиях — лизосомах, является одним из тех приспособлений клетки, выработанных в процессе эволюции, которое обеспечивает достаточно высокую ее надежность. Легко представить, к каким трагическим последствиям для клетки приведет полное нарушение «изоляции» гидролаз от своих субстратов. Такая клетка неизбежно должна погибнуть. Это наблюдается, например, при повреждении мембран лизосом факторами, которые специфически действуют на эту мембрану. Кроме того, «программированная гибель» клеток в процессе органогенеза у различных животных или в случае завершения жизненного цикла у горбуши связана с активацией лизосомальных ферментов. (Правда, как отмечалось выше, этот процесс активации может быть обусловлен не только нарушением структуры лизосомальной мембраны, но и увеличением скорости синтеза гидролаз.)

Увеличение активности по крайней мере некоторых лизосомальных ферментов - один из немногих общих биохимических показателей старения клеток, что наблюдается при старении клеток как обновляющихся тканей, так и тех тканей, митотическая активность которых у взрослых животных и человека практически равна нулю. Так, при старении в культуре ткани клеток человека наблюдается прогрессирующее увеличение активности кислой фосфазы и некоторых других, специфических для лизосом («маркерных») гидролитических ферментов. В то же время активность кислых гидролаз значительно увеличена и в клетках различных органов стареющих животных. Например, в печени и почках крыс в процессе старения возрастает активность катепсина — протеазы, расщепляющей внутриклеточные белки (об увеличении в различных старых клетках активности ДНК-азы и значении этого увеличения для развития процесса старения мы говорили раньше). Кроме того, лизосомы нейронов старых животных также гораздо более проницаемы, чем лизосомы клеток молодых животных.

Освобождение ферментов из лизосом происходит в тех случаях, когда развиваются процессы переокисления липидов, так как перекиси липидов вызывают повреждение различных мембран, в том числе и лизосомальиых. Это связано с тем, что, во-первых, липиды являются необходимой составной частью мембран, и во-вторых, потому, что перекиси липидов весьма активно реагируют с белками (в том числе и мембранными). В процессе старения увеличивается вероятность развития реакций переокисления липидов прежде всего потому, что уменьшается концентрация антиоксидантов — веществ, которые предотвращают развитие в клетке этих реакций, что происходит па фоне уменьшения активности липолитических ферментов. То есть процесс старения характеризуется прогрессирующим увеличением роли неферментативного и, следовательно, трудно контролируемого расщепления липидов. Особенно легко окисляются кислородом или другими веществами клетки, обладающие большим средством к электронам, ненасыщенные жирные кислоты. Именно поэтому следует с осторожностью принимать большие количества растительных масел, содержащих такие кислоты. Замена насыщенных жирных кислот в нище на ненасыщенные — один из способов задержать развитие атеросклероза с помощью диеты, так как содержание холестерина в крови уменьшается. Но ведь при этом должен ускориться и процесс переокисления ненасыщенных жирных кислот в клетке, станет более интенсивным «спонтанное» повреждение внутриклеточных структур. Тем не менее рекомендации по использованию больших количеств ненасыщенных жирных кислот в питании можно выполнять, но с одновременным приемом веществ, предотвращающих переокисление липидов. Каких именно? Разговор об этом мы отложим до следующей главы. Однако причиной нарушения при старении клеток структуры мембран лизосом может быть не только продукт переокисления липидов. Мы уже знаем, что в процессе старения нарушается процесс синтеза белка, в частности, могут синтезироваться мутантные или незавершенные полипептидные цепи. Если эти белки являются компонентами мембран, то, естественно, такое нарушение должно существенно изменить функцию мембран. Но пока доказательства существования такого молекулярного механизма старения получены лишь при изучении грибка нейроспоры.

Резкое увеличение проницаемости мембран всех или большинства лизосом клетки, конечно, должно привести последнюю к гибели. Но давайте представим, что проницаемость мембран увеличена в небольшой степени или нарушение структуры мембран лизосом происходит локально, затрагивает лишь немногие лизосомы. К каким последствиям для клетки это может привести? И наблюдаются ли такие изменения в стареющих клетках? Лизосомы содержат фермент, разрушающий ДНК, то есть, ДНК-азу. Следовательно, выход этого фермента из-под контроля лизосомальных мембран может быть причиной генетических повреждений, наблюдаемых при старении. Выход из лизосом рибонуклеаз, протеаз и липаз (т. е. ферментов, катализирующих процесс гидролиза соответственно РНК, белков и липидов) может быть причиной разрушения и различных цитоплазматических структур клетки, нарушения функции белоксинтезирующего аппарата (что касается, в частности, увеличения частоты ошибок в синтезе белка, о чем мы говорили выше). С недостаточно активной функцией лизосом связано и накопление в клетках «шлаков», метабрлически стабильных комплексов, о природе и роли в старении которых будет рассказано подробно в следующем разделе.