а) Ферментативная система защиты

Ранее была разъяснена роль супероксидного радикала (O₂) и образуемых в реакциях с его участием Н₂О₂ и гидроксильного радикала (ОН·) в повреждении и ДНК, и мембран. В настоящее время многие ученые подчеркивают опасность, которую для жизненно важных структур клетки представляют эти вещества, постоянно образуемые в процессе нормального метаболизма и инициируемые ими реакции. Но такое представление возникло еще в конце 60-х годов. Тогда автор этой книги пришел к заключению о возникновении кислородных радикалов in vivo и о роли последних в старении (книга "Молекулярные механизмы старения", М., Наука, 1970). Я вспоминаю об этом сейчас, чтобы лишний раз отметить: исходя из анализа механизмов старения можно делать предсказания общебиологического характера.

Это направление исследований стало бурно развиваться в 70-х годах, после открытия ферментов супероксиддисмутаз (СОД), защищающих клетки от O₂. Сначала такие белки рассматривали предназначенными для запасания меди. Отсюда и их старое название: эритрокупреины, цереброкупреины и т. д. Но затем было установлено, что медьсодержащие белки катализируют реакцию:

2О₂ + 2Н⁺ О₂ + Н₂О₂

Теперь стало ясно, что такие ферменты присутствуют в клетках высших организмов, будучи связанными не только с атомами меди, но и атомами других металлов - цинка или марганца (он содержится в митохондриальной СОД).

При сравнении активностей СОД в печени молодых (2,5-месячных) и старых (22-месячных) крыс В. К. Кольтовер, Р. А. Гуськова и автор этих строк обнаружили, что у последних она снижена более чем в 1,5 раза (при расчете на 1 мг белка клеток печени). Другими авторами общая активность СОД исследована также в скелетных и сердечной мышцах самцов крыс в возрасте от 3 до 23 месяцев. Эта активность у животных старше 19 месяцев с возрастом значительно уменьшалась.

Р. С. Сохал и другие ученые из отдела биологии Далласского университета обнаружили резкое уменьшение активности СОД при старении самцов домашней мухи. О значимости таких изменений свидетельствует обнаруженное этой же группой исследователей увеличение у "старых" мух концентрации неорганических перекисей окисленного глутатиона (хотя скорость поглощения кислорода была уменьшена, вероятно, из-за нарушений функций митохондрий, вызванных перечисленными биохимическими изменениями).

Правда, может возникнуть вопрос: не путаем ли мы причину и следствие? Ведь уменьшение активности защитных систем может быть следствием нарушения функции и белоксинтезирующего аппарата клетки и митохондрий (включая их собственный белоксинтезирующий аппарат), так как активность ферментных (белковых) систем защиты, конечно же, зависит от скорости синтеза белка.

Хотя второе заключение верно, но оно не противоречит первому. Скорее всего, здесь имеет место порочный круг: причиной снижения защитной системы при старении являются отмеченные нарушения, но эти же нарушения усугубляются таким снижением, и в результате защитные функции снижаются еще более и т. д.

Промежуточным звеном в этом круге, очевидно, являются перекиси липидов, которые, во-первых, образуются в реакциях, инициируемых O₂, H₂О₂, ОН·, а во-вторых, могут повреждать ДНК, различные ферменты и, конечно же, мембраны, в липидном бислое которых эти реакции развиваются.

Все это наводит на мысль: не является ли СОД одной из биологических основ долгожительства? Следующий факт показывает, что ответ на этот вопрос может быть положительным. Японские исследователи Тетсуйта Оно и Щигефуми Окада исследовали активность этого и еще целого ряда ферментов в головном мозге половозрелых животных 11 видов с различной продолжительностью жизни; но лишь активность СОД положительно коррелирована с величиной максимальной продолжительности жизни исследованных животных. В связи с такого рода данными особое значение приобретают и другие вопросы: о причинах снижения активности СОД при старении и о возможности коррекции этого возрастного дефекта.

Оба вопроса, к сожалению, пока специально не исследованы, но очевидно, что пути изучения второго из них в сильной степени зависят от понимания первого. В частности, в состав СОД входит атом цинка, а при исследовании мышей в возрасте от 7 до 87 недель было обнаружено снижение в процессе старения содержания цинка в сыворотке. Не связано ли с этим снижение активности ООД? Цинк необходим для целого ряда биохимических процессов, а его недостаток может приводить к нарушению иммунных реакций, что наблюдается при старении. Но нужно ли увеличить его потребление пожилым людям? Ответа мы, конечно, сейчас не можем дать. Пока лишь обоснована актуальность вопроса об изменении с возрастом потребности людей в цинке, возможно, о недостаточном его содержании в пище пожилых людей. По крайней мере очень вероятные ответы на эти вопросы при соответствующей организации исследований получить можно относительно быстро и без больших материальных затрат, поскольку определение содержания цинка в сыворотке крови - простая процедура.

Кроме количества рассматриваемых защитных ферментов, в процессе старения могут изменяться и сами эти молекулы. Так, в цитоплазме фибробластов человека, исчерпавших свой митотический потенциал (а именно прошедших 52 пассажа), обнаруживается форма супероксиддисмутазы, очень чувствительная к нагреванию. Образование такой термолабильной формы фермента связано с изменением его конформации. И что интересно (не только теоретически, но, может быть, и практически): этот процесс перехода фермента из термостабильной в термолабильную конформацию является обратимым. Иными словами, рассматриваемый очень важный защитный фермент можно "омолодить" с помощью определенных метаболитов.

Аэробные организмы защищаются от окислительной деструкции мембран и других структур клетки также с помощью других, кроме супероксиддисмутазы, специальных ферментов, к числу которых относят селенсодержащую глутатионпероксидазу. Подробно роль изменений этой защитной системы при старении не исследована. Но вероятно, и ее функция нарушается, в частности, в связи с изменением синтеза белка или изменением соотношения в клетках различных форм глутатиона: общего, восстановленного и окисленного (Р. С. Сохал с соавторами из Далласского Университета).

Закономерен вопрос: а возможно ли усиление этой важной молекулярной защитной системы? В принципе, очевидно, да; однако здесь крайне важна одна особенность, с которой мы будем встречаться при анализе и других защитных систем. Дело в том, что задача коррекции защитных систем чрезвычайно сложна, поэтому требует исключительной осторожности.

В реакции обезвреживания кислородных радикалов образуется кислород в синглетном состоянии. Катализируемый глутатионпероксидазой процесс диспропорционирования гидроперекисей хотя и устраняет эти активные метаболиты, но также приводит к образованию синглетного молекулярного кислорода, являющегося сильным окислителем. Активность глутатионпероксидазы в печени, почках и сердце 36-месячных мышей уменьшена на 27-53% по сравнению с активностями этих ферментов в тех же тканях 10-месячных мышей. Такое снижение является причиной нарушения при старении детоксикации перекисей и, кроме того, повышения чувствительности к эндогенным перекисям. Это означает, что, например, потребление избыточного количества растительного масла, содержащего относительно большой процент ненасыщенных жирных кислот, при метаболизме которых неизбежно должны образовываться перекиси, может вызвать развитие в клетках пожилого и старого человека различные деструктивные процессы.