Структура клетки

Нарушения структуры и обмена в клетках при старении столь значимы, что они приводят к их гибели. Для понимания механизма старения очень важно представить размеры, последовательность и темпы гибели клеток. До сих пор не прекращаются споры о возможной роли возрастного уменьшения количества клеток в судьбе стареющего организма. По мнению одних исследователей, большинство изменений обмена и функции организма в старости определяется простым уменьшением количества клеток, падением количества активной протоплазмы; по мнению других, влияние гибели клеток на состояние организма несущественно, главную роль играет изменение обмена оставшихся клеточных элементов.

Сравнительные подсчеты свидетельствуют о неравномерном уменьшении числа клеток в разных органах. Особый интерес представляет изменение числа нервных клеток. Подсчитано, что общее число нервных элементов в мозге уменьшается на 10-20%, а в некоторых отделах - на 30-50%. Так, к 80 годам у людей число нервных клеток в спинномозговых ганглиях уменьшается на 30%, число нервных волокон в ряде нервов - на 32%. В коре головного мозга наибольшая убыль нервных клеток отмечается в верхней височной извилине, наименьшая - в постцентральной.

После 70 лет у человека потеря нейронов коры составляет 1.4% в год. Сходные цифры убыли нервных клеток получены и при исследованиях на экспериментальных животных. У старых крыс количество нейронов коры снижается на 26.7%, а клеток Пуркинье мозжечка - на 21.9%. У старых мышей в коре головного мозга теряется до 32% общего количества нейронов.

Значительное уменьшение числа клеток происходит и в других органах. У старых крыс (возраст 33 мес) 28% мышечных волокон скелетных мышц перерождается. В сердечной мышце молодых крыс (30-дневных) мышечная масса на определенной площади сердца занимает 82.3%, а у старых (700-дневных) - 57%. Значительное уменьшение числа клеток при старении отмечено в надпочечниках, щитовидной и половых железах, незначительно снижается количество лейкоцитов и эритроцитов.

Число почечных нефронов у старых людей падает на 30-50%, число легочных альвеол у старых крыс - на 40%. Все это приводит к снижению общей клеточной массы. Клеточная масса составляет у 25-летних мужчин 47% всей массы тела, а у 70-летних - только 36%, т. е. снижается на 30.6%. Тощая масса тела у женщин с 25 до 70 лет падает на 34%.

Уменьшение числа клеток неодинаково сказывается на уровне деятельности различных органов в старости. Известно, что при обычной, ненапряженной деятельности органа часть его клеток выключается из работы. Известны "дежурные" капилляры, легочные альвеолы, нейромоторные единицы в мышцах, нефроны в почках, которые активируются только при интенсивной деятельности. В старости в связи с гибелью многих клеток резерв усиления работы органа ограничен. Более того, в результате снижения функции отдельных клеток одна и та же работа органа выполняется в различные возрастные периоды неодинаковым числом клеточных элементов. При выполнении одной и той же работы у старого человека активизировано большее количество мышечных волокон, нейромоторных единиц, чем у человека среднего возраста. Определенный уровень образования антител поддерживается в старости при участии большего количества иммунокомпетентных клеток, а у молодых животных - за счет большей активности каждой такой клетки, за счет больших возможностей биосинтеза белка в них.

В острой дискуссии о роли изменения количества клеток в механизме старения исследователи недоучитывают, что уменьшение числа клеток в разной степени влияет на деятельность разных органов. В большинстве органов (скелетные мышцы, почка, печень) деятельность всех клеток объединяется для достижения единого функционального эффекта - сокращения скелетной мышцы, мочеотделения, желчеотделения и т. д. Несколько иными являются взаимоотношения между клетками центральной нервной системы. Здесь из всей большой массы клеток отдельные группы образуют специфические нервные центры, регулируя определенную функцию. Вот почему уменьшение количества нервных клеток может существенно сказаться на деятельности того или иного нервного центра и тех тканей на периферии, которые этим центром регулируются, т. е. чем больше функциональная однородность, тем меньше отражается гибель отдельных клеток на деятельности всего органа.

Признавая значение уменьшения количества клеток в механизме ослабления приспособительных возможностей органов в старости, нельзя, однако, только этим объяснять наступающие сдвиги в их обмене и функции. Вот обычная логика подобных рассуждений: падает количество клеток - снижается потребление кислорода; уменьшается количество клеток - снижается секреторная функция желез внутренней секреции и т. д. Эти изменения происходят не только потому, что уменьшилось содержание клеток, но и потому, что существенно изменилось состояние оставшихся.

Основным морфологическим проявлением старения считают атрофию органов и тканей, которая характеризуется уменьшением количества паренхиматозных клеток. Атрофия может проходить с уменьшением размеров клеток, без изменения их размеров или с некоторым увеличением (компенсаторная гипертрофия).

Гибель клетки при старении не мгновенна. Это постепенно развивающийся процесс. Вот почему в любом органе в старости можно найти широчайший спектр клеток - от совершенно неизмененных до глубоко поврежденных, погибающих. Это многообразие клеточных изменений и создает качественную специфику старения ткани, органа.

Гибели клетки предшествуют существенные изменения ее структуры, улавливаемые при обычной микроскопии. Размеры многих клеток в старости уменьшаются. Современная морфология описывает многочисленные структурные феномены, характеризующие старение клетки: от начальных, улавливаемых только очень чувствительными методами, до грубых, очевидных, изменяющих структур клетки, сдвигов. Важно, что, кроме деструктивных, отмечаются приспособительные структурные изменения. Именно благодаря этим приспособительным реакциям, проявлениям витаукта в отдельных клетках деятельность органа может длительно сохраняться, несмотря на гибель части клеток. Один из важнейших механизмов витаукта состоит в том, что при гибели части клеток на оставшиеся клетки ложится большая нагрузка. В результате этого активизируется их функция (гиперфункция), синтез белка, и клетки увеличиваются в размере (гипертрофия). Гипертрофированные клетки встречаются в мозге, сердце, печени, железах внутренней секреции. Иными словами, часть клеток в старости характеризуется высоким, напряженным уровнем обмена веществ. Однако у большинства клеток нарастают признаки их старения.

Особенно отчетливо накопление в клетках пигмента липофусцина. Некоторые исследователи называют его старческим пигментом, или пигментом старости. Б. Стрелер считает, что по количеству липофусцина можно даже определять возраст клетки. Подсчитано, например, что скорость накопления пигмента составляет 0.6% внутриклеточного объема за 10 лет. У лиц в возрасте 90 лет 6-7% общего объема клеток оказывается заполненным пигментом.

Много липофусцина накапливается в неделящихся клетках. Число пигментированных нейронов коры головного мозга мышей увеличивается от 27 (у 5-месячных животных) до 70% (у 20-месячных). В нейросекреторных клетках гипоталамуса объемная доля гранул липофусцина увеличивается более чем на 100%. Предполагается, что липофусцин - скопление продуктов жизнедеятельности клетки, продуктов распада ее органоидов; это - объективное выражение изнашивания клетки.

Интересный взгляд на сущность липофусцина высказывал советский исследователь В. Н. Карнаухов: накопление липофусцина в старости - своеобразная приспособительная реакция в ответ на гипоксию, нарушение энергетических процессов в клетке. Он доказал, что липофусцин обладает высокой скоростью потребления кислорода, связанной с высоким содержанием в нем дыхательных ферментов.

При старении наступают видимые изменения структуры ядра клетки. Во многих клетках происходит уменьшение размеров ядра, его сморщивание, появляются ядра неправильной формы, идет полное или неполное их разрушение. Совершенно ясно, что в клеточных ядрах со столь выраженными структурными нарушениями существенно изменен процесс транскрипции и бесспорно эти клетки находятся на пути к гибели.

В ходе старения клетки отмечаются количественные и качественные изменения взаимоотношений между ее ядром и цитоплазмой. По мнению В. Н. Никитина, с возрастом ослабляется ядерный контроль над цитоплазмой. В ядре, в его генетическом аппарате, начинается процесс синтеза белков, являющихся основой всей цитоплазмы клетки. Вот почему сдвиги ядерной активности неизменно и неизбежно приводят к деградации цитоплазмы и всей клетки.

В ходе старения возникают не только нарушения, деградации ядер, но и важные приспособительные механизмы, направленные на восстановление биологических возможностей клетки. К ним следует отнести увеличение числа ядер и полиплоидию. В старости во многих клетках печени, почек, сердца, скелетных мышц, в нервных клетках появляется по нескольку ядер. Так, например, в мышечных волокнах старых крыс количество двухъядерных клеток почти в 3 раза больше, чем у взрослых. Если у 3-4-месячных крыс в эпителии, выстилающем язык, 4.2% двухъядерных клеток, у 6-10-месячных - 10, то у 12-24-месячных - 20.4%. В старости полиплоидные клетки встречаются в 1.5 раза чаще. Увеличение числа ядер ведет в конечном итоге к увеличению содержания ДНК на одну клетку, но не является прямым удвоением, утроением и т. д. содержания ДНК. В многоядерной клетке содержание ДНК в каждом ядре может быть меньше, чем в одноядерной.

При увеличении числа ядер увеличивается площадь соприкосновения клеточного ядра и цитоплазмы, улучшаются обменные связи между ними, в какой-то мере восстанавливаются ядерно-цитоплазматические отношения.

Активно делящиеся клетки избавляются в процессе очередного деления от многих изменений, наступающих в ходе жизнедеятельности. Клетки, потерявшие эту способность, мобилизуют иные механизмы, в том числе и образование ядер.

Увеличение числа ядер - важное приспособление в процессе развития старения, однако оно не может полностью компенсировать нарушения в деятельности клетки, в обмене, остановить надолго ее старение и гибель. Казалось бы, многоядерность могла бы спасти клетку от фатально наступающих изменений генетического аппарата, от старения. Сам факт прогрессирования старения, несмотря на появление новых ядер в клетке, свидетельствует о том, что нельзя связывать надежность генетического аппарата, старение, продолжительность жизни только с повторением генов, с содержанием ДНК. Дело не столько в количественной стороне, сколько в качественной, в характере изменения регулирования уже имеющегося количества генов. Новые ядра не освобождаются от возрастных сдвигов в генетическом аппарате. Вот почему вместе с возникновением второго или третьего ядра, с увеличением числа хромосом в клетке она не начинает отсчет времени заново, не омолаживается. Включаются и другие механизмы витаукта, способствующие улучшению внутриклеточных взаимодействий. Появляются многочисленные инвагинации ядерной оболочки, увеличивающие поверхность контакта ядра и цитоплазмы, происходит расширение пор ядерной мембраны или же увеличивается их количество.

Для нормальной жизнедеятельности клетки важны не только образование нужного количества определенных веществ, но и их транспорт в разные ее концы. Для внутриклеточного транспорта особенно белков, существует специальная система микроскопических трубочек, пронизывающих клетку, - эндоплазматический ретикулум. Транспорт белков обеспечивается и тем, что рибосомы - места сборки белковых молекул - очень часто прикреплены к эндоплазматическому ретикулуму, поставляя туда белок. Существует определенная зависимость между степенью возрастной деградации клетки и разрушением рибосом, эндоплазматического ретикулума. По мере старения число рибосом в клетке изменяется, отмечается неравномерное их распределение, видно много изолированных рибосом.

Природа сосредоточила основные механизмы генерации энергии в специальных органоидах клетки - митохондриях, оставив в отдельных местах клетки блоки для срочного обеспечения энергией. Снижение функциональной активности митохондрий, скорости потребления кислорода и синтеза АТФ, возрастное уменьшение числа митохондрий в клетках различных органов, а также значительные изменения ультраструктуры митохондрий - основные звенья, лимитирующие энергетическое обеспечение клеток в старости. Наряду с этим в митохондриях развиваются и процессы витаукта. Нередко уменьшение числа митохондрий сочетается с увеличением их размеров - появляются гигантские митохондрии. В некоторых случаях наблюдается большое количество мелких органоидов.

В последние годы внимание геронтологов привлекают органоиды клетки - лизосомы. Их называют мешками самоубийц. Лизосомы содержат множество активных ферментов - гидролаз, отделенных от окружающей цитоплазмы мембраной. В лизосомах есть ДНК полимераза, которая может проникнуть в ядро клетки, нарушить структуру ДНК. Когда оболочки лизосом разрываются, все ферменты выходят в цитоплазму клетки и могут разрушать ее структуру. Это ведет к гибели отдельных частей клетки или целых клеток. Предполагается, что при старении снижается устойчивость мембран лизосом. К тому же активность ряда лизосомальных ферментов в старости растет. Вое это в условиях нарушения внутриклеточных взаимоотношений может вести к разрыву лизосом, к выходу из них высокоактивных ферментов, к гибели клеток. Многие рассматривают этот механизм как пример активного нарушения жизнедеятельности клетки в процессе старения.