Старение и гибель клеток

Старение — это общебиологический процесс, который протекает на всех уровнях организации живого — от молекуляно-генетического до биосферного. На клеточном уровне старение связано с прогрессивным нарушением структуры и функции основных компонентов клетки, включая наследственный аппарат. В конечном итоге это приводит к общему увяданию организма и снижению его адаптивных возможностей.

Универсальной теории старения пока не существует, но очевидно, что в регуляции процесса старения клеток и организма участвуют две системы: генная и нейро-эндокринная.

Первая связана с изменениями в геноме клетки, вторая связана с изменениями в гормональном фоне организма и обмене вещест.

Молекулярные «часы» клетки. Как, отмечалось выше (см. параграф 5.6) после каждого деления концевые отделы хромосом (тело- меры) уменьшаются на определенный участок. Таким образом, длина теломера определяет срок способности клеток к делению. Восстанавливает целостность теломера специальный фермент — теломераза, которая, однако, во взрослом организме неактивен.

В опытах на культивируемых взрослых клетках человека удалось активизировать теломеразу, и клетки не останавливали рост и не умирали — они стали «бессмертными». Это было важное достижение молекулярной биологии — найден один из ключевых инструментов старения клеток и организма.

При старении клеток происходит уменьшение объема клетки; частичная редукция органоидов; накопление пигментов и разнообразных включений; увеличение проницаемости мембраны; вакуолизация ядра и цитоплазмы, усиление автофагических процессов.

Гибель клеток. Количество клеток в организме регулируется множеством факторов и находится в равновесии между процессами пролиферации клеток и их гибелью. Гибель клеток проявляется морфологически в виде двух явлений: апоптоза и некроза.

Апоптоз (от греч. apoptosis — листопад) — генетически контролируемый процесс клеточной гибели, запускаемый внешними или внутренними сигналами. Развитие апоптоза контролируется специальными проаптогенными генами (гены-убийцы). С другой стороны, есть факторы, которые блокируют включение программы апоптоза: ростовые факторы, нейтральные аминокислоты, цинк, половые гормоны (эстрогены и андрогены), компоненты межклеточного матрикса.

Процесс апоптоза можно условно разбить на два этапа.

1. Активация сигналов, влючающих апоптоз, и запуск цепи биохимических реакций в клетке.

Этими сигналами могут быть:

  • • серьезные повреждения ДНК под действием радиации, токсических веществ, гипоксии, гипертермии, вирусной инфекции;
  • • активация так называемых «рецепторов клеточной смерти», которые есть на мембране любой клетки и которые активируются в ответ на воздействие на них проапоптотических факторов: фактора некроза опухолей (ФНО); интерферона (ИНФу); трансформирующего фактора роста (ТФР(3); CD—45, интерлейкинов и ряда других);
  • • действие факторов (гранзимов), выделяемых цитотоксическими клетками (Т-киллерами) при развитии иммунной или воспалительной реакции;
  • • сигналы «старения клетки», связанные с нарушением работы митохондрий.
  • 2. Разрушение клеточных органоидов и гибель клетки. Морфологически развитие апоптоза проявляется в уменьшении объема клетки, сморщивания мембраны (сама мембрана при этом не разрушается), конденсация хроматина с последующей его фрагментацией по периферии ядра, после чего ядро распадается на части. Клетка распадается на фрагменты (апоптотические тельца). Затем следует фагоцитоз телец и остатков клетки макрофагами и другими фагоцитами. При этом отсутствует воспалительная реакция со стороны организма, что является важнейшей отличительной чертой апоптоза (рис. 5.22). Апоптоз развивается достаточно быстро: от нескольких минут до нескольких часов.

Основными молекулярными «фигурантами» апоптоза являются: цистеиновые протеазы (каспазы 1—13); проапоптотические белки р53, Ыс-2, blclXL; ионы Са+2; эндонуклеазы; ряд внутриклеточных ферментных систем.

Непосредственным исполнителем апоптоза являются ферменты — каспазы 3, 6, 7, которые, в свою очередь, активируются другими каспа- зами — 2, 8, 9, 10. В функцию белка р53 входит распознавание идущих изнутри сигналов о повреждении клеток, чтобы включить либо механизм репарации (исправления) поврежденной ДНК, либо апоптоз. Белки семейства bcl-2 в митохондриях регулируют апоптоз, активируя или подавляя каскад активации каспаз. Основная задача регуляции апоптоза — держать каспазы в неактивном состоянии и быстро переводить их в активную форму в ответ на действие соответствующих внешних или внутренних сигналов. Биохимически апоптоз достаточно сложен и изучен не окончательно.

Сравнение морфологических изменений в клетке при апоптозе

Рис. 5.22. Сравнение морфологических изменений в клетке при апоптозе

и некрозе

Значение апоптоза. Апоптоз является одним из наиболее эффективных и универсальных механизмов контроли клеточных популяций, их роста и регенерации:

  • • в эмбриональный период образуется избыточное количество клеток и апоптоз уничтожает их;
  • • с его помощью происходит регрессия частей эмбриональных и провизорных органов и зачатков;
  • • является основным способом гибели старых, терминально дифференцированных клеток;
  • • участвует в работе иммунной системы и процесса воспаления (например при созревании Т-лимфоцитов в тимусе или при различного рода вирусных и бактериальных инфекциях);
  • • подавление апоптоза приводит к развитию опухоли;
  • • с активацией апоптоза связывают развитие заболеваний и патологий нервной системы (болезнь Альцгеймера, Паркинсона и др.).

Некроз (от греч. nekrosis — умирание) процесс разрушения и гибели клетки или группы клеток под действием повреждающих факторов. К ним относятся: механическое повреждение клетки, действие химических веществ, в том числе ядов, недостаток кислорода (гипоксия), резкие температурные колебания (как гипертермия, так и гипотермия).

Морфологически некроз сопровождается набуханием цитоплазмы, расширением цистерн ретикулума и АГ, нарушением целостности плазматической мембраны, активизацией лизосом и автофагических процессов. Завершается некроз распадом клетки, фагоцитоз фрагментов клетки и развитием воспалительной реакции.

Теория «свободных радикалов». В процессе химических реакций в клетках происходит образование так называемых свободных радикалов — атомы и молекулы, имеющие в своей электронной оболочке «лишние» электроны. Они обладают очень высокой реакционной способностью и могут нарушать молекулярные связи. Они способны разрывать химические связи в ДНК, РНК, липидах клеточных мембран, ферментах, что приводит к серьезным нарушениям в работе клетки и старению организма (подробнее см. парграф 4.7). Особенно много радикалов образуется в процессе приготовления жареной и копченой пищи.

В клетках животных и человека есть специальные защитные системы, предотвращающие избыточное образование и нейтрализующие свободнорадикальное окисление. Это ферменты каталаза и супе- роксидисмутаза, дезактивирующие свободные радикалы Экспериментальное усиление продукции этих ферментов позволило увеличить срок жизни у мушки-дрозофилы в три раза.

На практике уменьшить действие радикалов можно с помощью сбалансированной диеты, употребляя в пищу продукты, содержащие природные антиоксиданты — витамины С, Е, К, А, фрукты и овощи, богатые растительной клетчаткой и пектинами.

В целом необходимо отметить, что старение организмов — закономерный и общебиологический процесс, связанный с существованием видов и их эволюцией.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >