Функция клетки

Старение организма в конечном итоге связано с ослаблением функции отдельных органов: сердце перестает справляться с повышенными нагрузками, центральная нервная система не может воспринять и переработать должное количество информации, многие железы внутренней секреции не вырабатывают нужного количества гормонов и т. д. Для того чтобы знать, почему это возникает, необходимо изучить изменения функции отдельных клеток. Одно из основных свойств любой живой клетки - способность реагировать на воздействия окружающей среды. Без этого невозможны приспособление к среде, развитие, эволюция, да и сама жизнь.

Способность клетки отвечать реакцией на раздражение - возбудимость; ответная реакция клетки на раздражение - возбуждение, которое сопровождается сложным комплексом электрических, температурных, химических и функциональных изменений в клетке.

Современные представления о природе биоэлектрических явлений основываются на мембранной теории. Потенциал клетки в состоянии покоя - мембранный потенциал (МП), или потенциал покоя (ПП); изменение заряда мембраны клетки в ответ на раздражение - потенциал действия (ПД).

В наши дни стала возможна совершенная регистрация электрических явлений в клетках благодаря высокочувствительной электрорегистрирующей аппаратуре и микроэлектродному методу исследования. Микроэлектрод вводится в клетку, и в момент вхождения регистрируется разница потенциалов на мембране - МП клетки.

Оказалось, что существует функциональная специфика изменения величины МП при старении клеток разного типа. Так, величина МП нейронов, мышечных волокон, клеток печени к старости не изменяется, клеток щитовидной железы падает, а гладкомышечных клеток сосудов растет.

МП клетки - сложно регулируемая величина. Уровень заряда клеточной мембраны зависит от ее проницаемости, содержания внутри и вне клетки различных ионов, особенно подвижных ионов калия, натрия, хлора. Ионная асимметрия - неравномерное распределение ионов внутри и вне клетки - присуща всем живым образованиям и является одним из обязательнейших условий жизни. Выравнивание ионных концентраций между клеткой и средой происходит при ее гибели и ведет к потере основных физиологических свойств. Ионные механизмы участвуют в важнейших физиологических и биохимических реакциях клетки: возбуждении и торможении, регуляции биосинтеза белка, энергетики клетки и т. д.

Внутриклеточное содержание калия в мышечных волокнах, в сердце, печени, почках к старости падает; содержание натрия и хлора внутри клетки растет. Таким образом, один и тот же уровень МП клеток в разные возрастные периоды поддерживается за счет неодинаковых соотношений, перераспределения содержания ионов внутри и вне клетки.

Величина МП важна не сама по себе, а в связи с тем, как она изменяет возбудимость клетки, ее способность отвечать на раздражения. Довольно объективно характеризует состояние клетки порог возбудимости. Он определяется по минимальной величине раздражения, чаще всего электрического тока, требуемого, чтобы вызвать ответ клетки.

Оказалось, что и возбудимость отдельных клеток изменяется неодинаково. Так, возбудимость скелетно-мышечных волокон падает, а мотонейронов спинного мозга растет. Все это создает значительную пестроту сдвигов функции клеток при старении.

Сдвиги в ионной асимметрии, в "мощности" внутриклеточных насосов приводят к возрастным изменениям в реакции клетки. При раздражении достаточной силы в клетке возникает возбуждение. Она характеризуется резким изменением величины и знака МП, деполяризацией. Все это продолжается тысячные доли секунды, затем электрические свойства мембраны восстанавливаются, она реполяризуется.

В старости изменяется характер ПД. У старых животных его амплитуда падает: амплитуда ПД мышечных волокон у взрослых собак (116.9±1.87), у старых - (82.5±3.2) мВ, а длительность увеличивается: у взрослых - (0.83±0.02), у старых - (1.64±0.08) мс.

Возникающее возбуждение, судя по электрическим его проявлениям, распространяется со значительной скоростью. Это особенно важно для деятельности нервной клетки. Отдельные отростки нервных клеток, нервные стволы, например у человека, могут достигать в длину более 1 м. В старости скорость распространения возбуждения по нерву замедляется. Если в большеберцовом нерве 30-39-летнего человека скорость распространения возбуждения (47.7±0.6), то у людей в возрасте 70-80 лет (37.5±1.0) м/с. Почти на 10 м/с замедляется скорость распространения возбуждения по малоберцовому нерву: с (53.2±0.9) до (42.9±0.9) м/с. Замедление скорости распространения возбуждения бесспорно сказывается на времени возникновения ответных реакций организма. Важная особенность старения - снижение способности клеток воспроизводить ритмы возбуждений. Так, у взрослых крыс нейроны спинного мозга воспринимают 300 имп./с, у старых - 80-100, вегетативные ганглии взрослых кошек - 250-400, а старых - только 120-200 имп./с. В механизме осуществления функции клеток большое значение имеет клеточная мембрана. Клеточная мембрана состоит из двойного слоя липидов, в который встроены белки, являющиеся ферментами, каналами, рецепторами, транспортными системами. Важно подчеркнуть, что фосфолипиды мембраны - не просто ее остров, но и регулятор важнейших физиологических процессов. Активность ферментов, состояние рецепторов, ионных каналов во многом определяются липидным окружением.

В нашей лаборатории было показано, что при старении изменяется содержание липидов в клеточной мембране, соотношение отдельных фосфолипидов, что изменяет биофизические свойства мембраны: она становится более жесткой, менее текучей. Дело в том, что многие белковые структуры мембраны, к примеру рецепторы, некоторые ферменты, не фиксированы на одном месте, а передвигаются по мембране, изменяют свое положение. Сдвиги в текучести, жесткости мембраны влияют на подвижность этих элементов. В ходе окисления липидов мембраны образуются химически очень активные свободные радикалы. Они могут повреждать мембрану, белковые молекулы, нуклеиновые кислоты. Одна из причин нарушения функции мембраны - снижение скорости обновления ее белков.

Внутри клетки калия примерно в 40-50 раз больше, чем вне клетки, кальция в 10000 раз, а натрия в 10 раз меньше, чем во внеклеточном пространстве. Мембрану клетки пронизывают белки, выполняющие функцию ионных каналов. Одни из них пропускают ионы натрия, другие - калия, третьи - кальция. Сигнал к открытию каналов - изменение электрического заряда мембраны или действие определенных химических веществ. Когда каналы открываются, то происходит выравнивание концентрации ионов между клеткой и окружающей ее средой - ионы натрия устремляются внутрь клетки, а калия - во внеклеточное пространство. При нанесении раздражения на клетку раньше всего открываются натриевые каналы, резко увеличивается содержание натрия внутри клетки и падает величина ее МП. Вслед за этим открываются калиевые каналы, и выходящий калиевый ток восстанавливает заряд мембраны.

При старении неодинаково изменяется число натриевых, калиевых, кальциевых каналов на мембране нервной клетки. В этом причина изменения при старении ПД клеток, их возбудимости. Кроме ионных каналов, в мембране есть и ионные насосы. Используя энергию АТФ, они перекачивают ионы против градиента концентрации - ионы калия внутрь клетки, а натрия - из клетки, т. е. восстанавливают уровень ионной асимметрии. Решающее значение в этом имеет фермент К⁺, Na⁺-аденозинтрифосфатаза, которая и использует запасенную энергию для восстановления ионной асимметрии.

Ионные сдвиги в старости определяются двумя механизмами: снижением интенсивности энергетических процессов, лежащих в основе активного транспорта ионов, и изменением проницаемости мембраны клетки и работы ионных каналов.

О снижении энергетических процессов прямо свидетельствует то, что в старости падает содержание и обновление основного поставщика энергии в клетке - АТФ. В ряде клеток снижается активность ключевого фермента - К⁺-, Na⁺-АТФазы. Известно, что в клетке существует несколько путей генерации энергии. Важнейшие среди них - окислительное фосфорилирование и гликолиз. При старении происходит перераспределение в соотношении различных путей энергетического обеспечения ионной асимметрии, создании электрического заряда мембраны. В старости во многих клетках относительно большое значение в этом приобретает более древний, резервный путь генерации энергии - гликолиз. Снижение скорости ионного транспорта - через мембрану, ослабление активных механизмов сохранения ионной асимметрии является причиной снижения лабильности клеток, т. е. способности воспринимать и передавать информацию. Большое значение в регуляции функции клетки имеют рецепторы - своеобразные антенны клетки, высокочувствительные к действию ряда физиологически активных веществ. Одни из рецепторов расположены в мембране клетки - адрено-, холино-, инсулинорецепторы. Они соединяются соответственно с адреналином, ацетилхолином, инсулином, и это дает начало цепной реакции клетки, изменяющей ее состояние. Рецепторы к ряду гормонов расположены внутри клетки. Гормон или медиатор и рецептор структурно соответствуют друг другу, они подходят друг к другу, как ключ к замку. Сдвиги реактивности клеток в старости во многом связаны с изменением числа и сродства рецепторов к физиологически активным веществам. Оказалось, что число рецепторов ко многим гормонам и медиаторам в старости падает, возникает своеобразная "дерецепция" клетки. Одна молекула гормона или медиатора реагирует с одним рецептором. Из-за снижения числа рецепторов клетка не может ответить на большое число молекул физиологически активного вещества, и это ограничивает величину ее реакции. В связи с изменениями липидного слоя мембраны часть рецепторов становится как бы "замаскированными", они перестают реагировать на физиологически активные вещества. Нам удалось показать, что, изменяя состояние липидного слоя мембраны, можно превращать замаскированные рецепторы в активные и тем самым восстанавливать реакцию клетки. В старости возрастает сродство ряда рецепторов к гормонам, что становится причиной повышения чувствительности клеток.

Образование комплекса гормон - рецептор дает начало цепной реакции, которая изменяется в старости. Механизм этой цепной реакции неодинаков для действия различных гормонов. При образовании комплекса рецептор - адреналин или норадреналин растет активность мембранного фермента аденилатциклазы. При ее участии синтезируется очень важное вещество - циклический нуклеотид - 3′,5′-АМФ (цАМФ), который является внутриклеточным посредником - сигналом для запуска многих реакций. Под влиянием цАМФ активируется фермент протеинкиназа, а она в свою очередь изменяет состояние многих белков - ионных каналов, мембранных ферментов, сократительных элементов. В старости активность аденилатциклазы и содержание цАМФ в клетках сердца не изменяются. Однако, как показал О. К. Кульчицкий, при действии медиаторов эта система по-разному реагирует у взрослых и старых крыс (рис. 13): при действии норадреналина в малых дозах реакция больше у старых животных, при больших дозах - у взрослых. Этим объясняется тот факт, что при малых дозах медиатора сила сокращений сердца больше растет у старых животных, при больших - у взрослых.

Рис. 13. Влияние адреналина на активность аденилатциклазы в миокарде старых (1) и взрослых (2) крыс

Существует закономерная последовательность событий в клетке - сперва она возбуждается, а возникшее возбуждение вызывает специфическую функцию. Долгое время не был ясен механизм этой связи. Сейчас для мышечных клеток он открыт и получил название электромеханического сопряжения. Связь между электрическими (возбуждение) и механическими (сокращение) явлениями достигается при участии ионов кальция (рис. 14). Кальций при возбуждении проникает внутрь клетки и, кроме того, высвобождается из клеточных депо ионов кальция - саркоплазматического ретикулума. В результате резко возрастает концентрация кальция внутри клетки, и это через систему сократительных белков ведет к сокращению мышечной клетки. Вслед за сокращением благодаря активным, энергозависимым механизмам кальций вновь захватывается, связывается саркоплазматическим ретикулумом. Концентрация его внутри клетки падает, и это приводит к расслаблению. При старении страдает механизм электромеханического сопряжения - снижается способность саркоплазматического ретикулума связывать и освобождать кальций, меняется работа кальциевых каналов. В результате страдают процессы сокращения и расслабления сердца. Кроме того, нарушения возникают и в самих сократительных белках, сказываясь на работе мышечных клеток.

Рис. 14. Нарушение механизмов электромеханического сопряжения в миокардиоцитах

Функция клеток отличается друг от друга. Однако, как показал А. М. Уголев, она осуществляется в разных клетках за счет близких по своему характеру блоков. При старении возникают нарушения в блоках восприятия информации, передачи ее на "рабочие" структуры, в блоках, обеспечивающих специфическую функцию. На рис. 15 схематически представлены данные об изменении мембранных процессов при старении. Все это важно не только теоретически, но и практически. Дело в том, что в современной клинике для лечения ряда заболеваний успешно применяются блокаторы рецепторов, ионных каналов. Они используются при инфаркте миокарда, артериальной гипертонии, ряде заболеваний мозга. Изменение свойств клеток, состояния их мембраны требует пересмотра дозировок лекарственных препаратов, используемых для пожилых людей.

Рис. 15. Изменение структуры и функции клеточной мембраны в старости