Накопление в клетках метаболически стабильных макромолекул и их комплексов — один из характерных признаков старения.

Среди молекулярно-клеточных изменении, характеризующих процесс старения, пока наиболее четким и хорошо изученным является накопление в клетках различных органов особого пигмента. Увеличение его содержания в клетках столь симптоматично для старения, что он получил название «пигмента старения», или липофусцина. Точнее, нужно говорить о липофусцинах, так как в клетках различных органов, и даже в клетках одного типа, но разного возраста этот пигмент по некоторым свойствам не идентичен. Однако во всех случаях липофусцины содержат различные химически измененные (модифицированные) компоненты мембран. В частности, в пигментных гранулах обнаруживаются продукты переокисления и полимеризации липидов и липопротеидов и, как правило, различные лизосомальные ферменты. Поскольку процесс переваривания лизосомами различных веществ и частиц заканчивается часто образованием так называемых остаточных тел, то есть остатков «непереваренных» продуктов, то наиболее простое объяснение механизма накопления липофусцина с возрастом состоит в следующем. Остаточные тела и их составные части: мембраны, конечные продукты действия гидролаз или субстраты, которые не были «переварены», полностью подвергаются постепенному воздействию перекисей липидов. В результате этого и последующих реакций образуется сложный и различный по составу макромолекулярный комплекс. Липофусцин определен пока только в неделящихся клетках. По-видимому, только такие клетки утратили способность освобождаться от липофусцина. И, следовательно, с возрастом количество липофусцина в этих клетках должно увеличиваться. Такое увеличение в клетках некоторых органов (например, в сердечной мышце людей) столь закономерно, что количество липофусцина может служить одним из немногих количественных критериев биологического возраста. Лизосомы разрушают не только отдельные молекулы. Их функцией является также переваривание макромолекулярных комплексоз и органелл, которые ведь тоже подвержены в любой клетке распаду даже в нормальных условиях. Тем более этот процесс активен при нарушении условий существования клетки.

В частности, при недостатке кислорода или действии токсических веществ, развитие рассмотренного выше процесса переокисления липидов приводит к существенному повреждению митохондрий и других клеточных органелл, а поскольку их «ремонт» уже невозможен, они поглощаются лизосомами клетки.. Теперь становится понятным, почему липофусцин, в особенно значительных количествах, накапливается при старении клеток головного мозга, которые относятся к числу тех клеток, которые особенно часто оказываются в условиях «энергетического голодания». Более того, если сравнить количество липофусцина в клетках различных отделов головного мозга, то оказывается, что это количество зависит от интенсивности кровоснабжения и содержания окислительных ферментов. Область головного мозга, участвующая в возникновении следов памяти, особенно чувствительна к недостатку кислорода, и именно в этой области в процессе старения липофусцин накапливается раньше и в больших количествах, чем в других областях головного мозга.

Таким образом, образование липофусцина вследствие повреждения различных органелл и их «заглатывания» лизосомами объясняет тот факт, что в составе гранул липофусцина обнаружены компоненты митохондрий и других органелл клетки. Именно поэтому существует множество гипотез о происхождении липофусцина из той или иной органеллы клетки. Мы можем считать, что автор каждой из таких гипотез по-своему прав. Ведь в зависимости от типа клеток и условий ее существования практически любая структура цитоплазмы может стать «источником» липофусцина. И не только потому, что каждая из них — потенциальная «жертва» лизосом. Дело еще и в том, что мембранные структуры клетки настолько динамичные образования, что могут участвовать в построении различных органелл.

Теперь знания о механизмах образования и свойствах липофусцина послужат нам основой для разгояора о функциональном значении для клетки накопления липофусцина. Роль липофусцина как вещества или структуры, «засоряющей» клетку, кажется очевидной. Однако убедительных доказательств этому не получено. В клетках миокарда старых людей липофусцин может занимать до 5—10% всего объема клеток. Однако в нервных клетках головного мозга животных можно наблюдать клетки, «напичканные» липофусцином. Его гранулы занимают до 80% всего объема клетки. Вполне очевидно, что это должно резко нарушить функции клетки. И действительно, такие клетки обладают многими признаками дегенерации: они сморщены, содержат много вакуолей, их ядерные структуры фрагментированы. Такие клетки, возможно, являются уже полностью нежизнеспособными. С другой стороны, накопление липофусцина в небольших количествах может быть приспособительной реакцией клетки к условиям ее существования в старом организме, в частности, к недостатку кислорода. Эта возможность следует из того факта, что в липофусцине обнаруживают каротиноиды, одна из функций которых может состоять в депонировании кислорода.

Однако, как правило, накопление липофусцина в старых клетках, очевидно, приводит к нарушению их функций. Решающие доказательства этого положения были получены в опытах с веществами, которые уменьшают концентрацию липофусцина в нервных клетках, Введение таких препаратов животным приводило к значительному улучшению функции их центральной нервной системы. Результаты исследований других веществ, влияющих на продолжительность жизни, также подтверждают роль нарушения проницаемости лизосомальных мембран в старении. Оказывается, очень многие вещества, стабилизирующие мембраны лизосом, уменьшающие их проницаемость, увеличивают продолжительность жизни животных.

Кроме липофусцина, с возрастом в клетке могут накапливаться и другие молекулы и их комплексы. Если проследить за судьбой меченых радиоактивными атомами предшественников белков и липидов, то можно прийти к заключению, что часть таких молекул сохраняется в организме в течение промежутков времени, сравнимых с продолжительностью жизни животных. Особенно велика фракция стабильных белков в мозге, сердце и скелетных мышцах, то есть в тех органах, специализированные клетки которых не делятся во взрослом организме. Но мы теперь знаем, что условия, существующие даже в нормально метаболизирующих клетках, неизбежно должны приводить к физическому и химическому изменению этих белков: их частичному разрушению теплом, перекисями липидов и т. д. следствием чего должно быть образование ковалентных сшивок между этими белками и другими молекулами клетки. Такие комплексы, подобно липофусцину, очевидно, не могут быть ни удалены из клетки, ни разрушены; они становятся «шлаками» и постепенно засоряют клетку. Кроме такого пути образования инертных (в смысле и функциональном, и химическом, или термодинамическом) комплексов макромолекул, последние образуются в клетке и благодаря реакциям стабильных и обменивающихся макромолекул с веществами, образующими перекрестные связи. Такие агенты обладают несколькими реакционно-способными центрами, то есть могут реагировать с несколькими молекулами. В результате между макромолекулами образуются сшивки. Этот процесс аналогичен тому, что происходит при вулканизации каучука, когда добавление к нему соединений, содержащих серу, приводит к сшиванию молекул каучука между собой и его затвердению. Веществ же, которые могут осуществлять перекрестное связывание макромолекул в клетке, предостаточно: это и промежуточные продукты окисления, металлы и т. д.

Последствия образования инертных комплексов в клетке отнюдь не исчерпывается тем, что такие комплексы мешают распределению веществ в клетке, засоряют ее. Если процесс затронет геном, если образуются перекрестные связи между геном и белком, то, очевидно, функция гена должна быть частично или полностью нарушена, причем необратимо, поскольку сшивки ДНК-белок являются труднорепарируемыми генетическими изменениями, и поэтому образование даже одной ковалентной связи между белком и уникальным геном может существенно нарушить жизнедеятельность клетки. Но выше мы уже говорили о том, что именно такие повреждения генома обнаруживают в старых клетках. Следовательно, именно они, очевидно, являются, по крайней мере одним из важных звеньев молекулярного механизма, или, точнее, механизмов старения. Уже есть основания и для более точной характеристики таких повреждений. В частности, факты и теоретические соображения позволяют считать, что в образовании сшивок с ДНК принимают участие медленно обменивающиеся основные ядерные белки — гистоны, и прежде всего те гистоны, которые содержат большое количество лизина (аминогруппы этой аминокислоты относительно легко образуют перекрестные связи).

Особенно велика вероятность образования ковалентных сшивок между двумя цепями ДНК, а также между ДНК и белком в тех участках, где произошло выщепление пуриновых оснований. Примерно каждый из 100— 1000 таких участков может участвовать в образовании сшивок. Но в течение суток из генома каждой клетки должно выщепляться около 105 оснований. Следовательно, за этот промежуток времени в клетке должно образоваться порядка 100 сшивок. Разумеется, этот расчет следует считать очень приблизительным. Однако все изложенное позволяет заключить, что вслед за депуринизацией ДНК и (или) образованием в ней разрывов полинуклеотидной цепи возникновение сшивок между молекулами ДНК и между ДНК и другими макромолекулами хроматина — событие, имеющее решающее значение для старения организма. По крайней мере половые клетки должны обладать способностью устранять эти генетические повреждения. Ведь в них они должны возникать также неизбежно (хотя, вероятно, с другой скоростью), как и в соматических клетках, а тем не менее пока нет никаких оснований полагать, что количество сшивок ДНК-ДНК или ДНК-белок в половых клетках эволюционно более старших организмов больше, чем в половых клетках их предков.

Действительно, уже имеются доказательства того, что на определенной стадии развития половых клеток (в мейозе) в них активируется система репарации ДНК, в частности ферменты, которые возможно могут участвовать в устранении сшивок ДНК-белок.