Владимир Скулачёв - Жизнь без старости

Все, что мы с годами узнаем о клеточном хозяйстве, с несомненностью убеждает нас в крайней степени “бюрократизации” ее управления. В клетке открыты длинные иерархии контролеров. Если какой-то фермент (например, мышечная АТФ-аза актомиозин) выполняет механическую работу, то есть целая цепочка других белков-ферментов, контролирующих этот процесс. Она состоит из собственно контролера N1, непосредственно взаимодействующего с актомиозином; контролера 2, контролирующего работу контролера N1; контролера 3, контролирующего контролера N2, и, наконец, контролера 4, который контролирует контролера 3 и при этом сам контролируется определенным гормоном — высшим командным устройством надклеточного уровня. Количество гормона в крови, в свою очередь, контролируется цепочкой уже других контролеров. Вся эта громоздкая система, действуя слаженно, повышает надежность работы клетки, в частности, уменьшает вероятность накопления ошибок в структурах ДНК и белков. Если все же такие ошибки возникают, то в ДНК они, как правило, исправляются специальными системами контроля и репарации.

Что касается поврежденных или сделанных с ошибками белков, то они узнаются и метятся особыми ферментами контроля качества этих полимеров. К таким белкам присоединяются специальные полипептиды — убиквитины. Убиквитинированные белки узнаются “молекулярной мясорубкой” — протеасомой, мельчайшей внутриклеточной органеллой, имеющей вид трубки, которая пропускает через себя белок, подлежащий ликвидации, при этом расщепляя его на составляющие аминокислоты [56].

Высокая надежность систем контроля качества ДНК и белков обеспечивается известной избыточностью их работы: так, убиквитинирование убирает не только те белки, которые утратили в результате поломки свою функцию, но также и те, где изменение структуры уже есть, но оно еще не сказалось на их работе. Более того, если в клетке появилось сразу много белков с измененной структурой, то клетка кончает самоубийством, впадая в апоптоз или некроз вместе со всеми своими белками, даже если большинство из них вообще не изменилось, т. е. осталось нативным.

Ослабление контроля качества с возрастом могло бы сохранить организму многие клетки, которые в условиях более высокой жесткости этого контроля были бы уничтожены и усугубили бы уменьшение “клеточности”. Побочным результатом такой стратегии стало бы накопление клеток со случайными ошибками в ДНК и белках в тканях стареющих организмов. Постепенное накопление ошибок действительно наблюдается при старении и служит главным аргументом “пессимистов” в их извечном противостоянии с “оптимистами” [19]. Однако не будем забывать, что исходно уменьшение “клеточности”, по всей вероятности, запрограммировано в геноме как завершающий этап онтогенеза. Так мы приходим к ситуации, когда старение, начавшись как результат работы соответствующей программы, постепенно становится процессом накопления случайных, (стохастических) поломок биополимеров, которые остаются не замеченными осла. бленными системами контроля качества..

Однако вернемся к начальному этапу старения, который, как мы полагаем, есть результат постепенного отравления организма теми АФК, которые он образует.

Есть множество свидетельств тому, что АФК играют роль “самурайского меча” в самоубийстве биологических систем различной степени сложности. Такого рода явления обнаруживаются уже у бактерий, где механизмы типа “токсин-антитоксин” в определенных случаях опосредовано вызывают смерть клетки в результате резкого подъема уровня АФК под действием свободного токсина [87]. У дрожжей гибельное действие избытка феромона в конечном итоге приводит к вспышке генерации АФК в митохондриях [266]. Самоубийство митохондрий также может осуществляться за счет вызванного АФК открытия пор во внутренней мембране этих органелл [319,322,323,331]. Апоптоз и некроз клеток многоклеточных организмов сопровождается подъемом уровня АФК и открытием тех же митохондриальных пор [323,331]. Органоптоз (исчезновение органа в процессе онтогенеза) хвоста головастика вызывается мощной продукцией перекиси водорода в клетках этого органа [144]. Повышение уровня АФК с возрастом описано у дрожжей [90], мицелиевых грибов [246], растений [34], насекомых [57], млекопитающих [16,157,17]. Смертоносное действие абсцизовой кислоты, образуемой семенами однолетних растений (см. выше, раздел II.2.2), также опосредовано, по-видимому, активными формами кислорода [1].

В только что вышедшем обзоре Б.Л. Кирквуд и А. Ковальд [157] (см. также [142]) так суммируют аргументы в пользу тезиса о том, что старение причинно связано с токсическим эффектом АФК: 1) АФК непрерывно образуются при дыхании во всех аэробных клетках; 2) они способны вызывать окислительное повреждение практически всех органических веществ; 3) такое повреждение действительно имеет место в организме и увеличивается с возрастом; 4) мутации, уменьшающие повреждения, вызываемые АФК, увеличивают продолжительность жизни организма; 5) описаны случаи увеличения длительности жизни животных, у которых защита от АФК улучшена каким-либо естественным образом или дополнительным введением генов, кодирующих ферменты-антиоксиданты. Прооксиданты, напротив, сокращают продолжительность жизни. Демонстративен опыт группы Дж. И. Робинсона на пчелах [63]. Известно, что пчелиная “царица” живет более чем на порядок дольше рабочих пчел. И тем, и другим ввели прооксидант паракват, генерирующий АФК. Оказалось, что медианная продолжительность жизни “царицы” после такого отравления сокращается до 800 ч, а «рабочих» — до 37 ч. В естественных условиях «царица», по-видимому, никогда не умирает от старости. Просто кончается запас спермиев, полученных от трутня при спаривании много лет тому назад. Яйцекладки прерываются, что служит сигналом для «рабочих» пчел напасть на «царицу» и жалить ее до смерти [37,277]. Что касается самих «рабочих» пчел, то у них вероятность смерти экспоненциально растет с возрастом так же, как у всех стареющих существ [40].

И тем не менее, в последнее время участились нападки на гипотезу Хармэна ввиду явных нестыковок накапливающихся наблюдений и предсказаний ее простейшего варианта в духе “пессимистов”, полагающих, что АФК случайно вызывают повреждение ДНК и белков, в чем собственно и состоит старение организма. Например, голый землекоп образует АФК быстрее мыши, а его антиоксидантная защита слабее мышиной и потому уровень окисления ДНК и белков оказывается явно выше, чем у мыши [285]. Казалось бы, и жить землекоп должен меньше мыши. На самом деле, однако, он живет в лаборатории более чем в 10 раз дольше, чем мышь. Ключом к пониманию загадки голого землекопа может быть факт, установленный в лаборатории Р. Баффенстайн (именно ей мы обязаны важнейшим наблюдением о независимости смертности этого животного от его возраста). Оказалось, что добавление АФК к культуре клеток землекопа не вызывает их ухода в апоптоз. Если принять, что старение есть программа реализации смертоносного сигнала, носителем которого служит АФК, то у нестареющего голого землекопа, не испытывающего давления естественного отбора, она за ненадобностью отключена, поскольку уже не может способствовать эволюции. По-видимому, это отключение произошло где-то после АФК [170] (например, на уровне открытия посредством АФК пор в митохондриальной мембране). Т. е. АФК образуются, но включить апоптоз и некроз они уже не могут, так что уменьшения “клеточности” тканей не происходит. Вот почему, как мы думаем, наблюдается парадоксальная ситуация, когда животное не стареет несмотря на то, что образует значительные количества АФК.