I. Старение клеток

1. "Незаменимые" ферменты

Нет явных причин, по которым морфогенетические силы, действующие на клетки и тормозящие их неограниченное деление, должны вести к старению. Механические и "коллоидные" интерпретации здесь непригодны, ибо они не рассматривают неделящиеся клетки как динамические системы, каковыми они в действительности являются. Теория "механического старения" постмитотических клеток могла бы, однако, основываться на исчерпании запасов специфических компонентов клетки. Вполне оправдан вопрос, в какой мере старение таких клеток, если они неизбежно подвергаются старению, обусловлено существованием "расходуемых" ферментов или других внутриклеточных структур, которые могут замещаться только при делении клеток.

Понятие о "жизненном ферменте", по-видимому, восходит к Бючли [168], хотя он, вероятно, рассматривал его просто как вещество, которое содержится в высокой концентрации в зародышевых клетках и при последовательных делениях все больше и больше разбавляется. Для признания системы, стареющей в результате исчерпания запасов фермента в неделящихся клетках, необходимо принять два существенных момента. Нужно допустить, во-первых, что в клетке присутствует фиксированное количество фермента, расходуемое в процессе ее жизнедеятельности, и, во-вторых, что этот жизненно важный фермент замещается только при делении клеток. Первое допущение, по-видимому, уже в основном принято, поскольку известно, что эффективное время жизни (измеряемое числом молекулярных превращений, в котором участвует этот фермент) представляет собой некую конечную величину [749, 750, 1185].

Существование ферментных систем, обновляющихся лишь при клеточном делении, по-видимому, не было установлено, но, если не говорить о "наследственном веществе" (ядерном и внеядерном), об этом просто никто не думал. Непосредственные данные на этот счет можно получить при изучении влияния на бактерии и простейших известных блокирующих агентов, обладающих избирательным действием. Ясно, однако, что представление о "ферменте, обновляющемся лишь при митозе", очень близко к некоторым биохимическим моделям гена, приписывающим каталитические свойства либо самому гену, либо непосредственным продуктам его действия. Мак-Ильвейн [749] показал, что в некоторых каталитических системах на одну клетку приходится примерно одна молекула фермента. На основании своих подсчетов он сделал вывод, что, если гены и не являются сами по себе молекулами, действующими как катализаторы, каждый ген на протяжении своей "жизни" (т. е. промежутка времени между двумя последовательными клеточными делениями) образует лишь одну такую молекулу. Мак-Ильвейн [750] рассчитал также время жизни молекулы кофермента, участвующего в сбраживании лактозы у Lactobacillus arabinosus, и нашел, что оно соответствует образованию 5,8·10⁷ моль молочной кислоты. Теорелл [1185] в опытах с мечеными атомами обнаружил весьма медленное обновление гемопротеидных ферментов, за исключением каталазы печени, время жизни которой составляло лишь 4-5 дней. Изнашивание таких систем обусловлено, по-видимому, частично побочными реакциями и неспецифической инактивацией, а частично конкурентным торможением или блокированием метаболитами, которые являются аналогами субстрата. Если бы старение клеток определялось длительностью существования такой одномолекулярной системы и если бы сам катализатор был идентичен гену, мы были бы вынуждены в конце концов допустить наличие в процессе митоза механизма копирования, при котором инактивация катализирующей части системы 1) не препятствовала бы созданию копии и 2) была бы сама обратимой; альтернативно можно было бы предположить существование такого механизма копирования, при котором в результате деления возникали бы две копии, а не оригинал и копия. Можно, конечно, возразить, что, когда дифференцированная клетка действительно претерпевает старение, нельзя считать, что любая содержащаяся в ней система при последующем делении должна обновляться. Утрата клеткой способности к делению, даже если это явление физиологическое, связанное с окончательной дифференцировкой, может быть обусловлена утратой механизма копирования. С проблемой такого типа, однако, уже раньше сталкивались исследователи, стремящиеся объяснить результаты изучения приспособительной изменчивости у Neurospora и дрожжей. "Если только воспроизведение генов и их действие не вполне независимы, необходимо примирить единообразие в воспроизведении генов с огромной изменчивостью того, что мы считаем их первичными продуктами" (Понтекорво [945]).

Классическая генетика, хотя она и считает, что все клетки содержат равные количества ядерного генного вещества, пока еще имеет весьма скудные данные о деятельности этого вещества в клетках различных типов в любой период их жизни, за исключением митоза для изучения этой деятельности необходима новая ооласть науки "эпигенетика". Из большого числа вспомогательных процессов копирования, выявленных на основе опытов по адаптации и исследований внеядерных частей клеток, некоторые, по-видимому, продолжаются, не ослабевая, на протяжении всего периода между митозами. Способность вырабатывать адаптивный фермент сохраняется у дрожжей, ставших нежизнеспособными в результате воздействия рентгеновскими лучами [1120]. Остается допустить, что в нейроне, который у человека может функционировать в течение более ста лет, ферментный механизм, поддерживающий обмен веществ, либо непрерывно восстанавливается, либо почти не подвержен случайным повреждениям в процессе работы. Продолжительность жизни неделящихся клеток сильно варьирует даже у близкородственных организмов; так, среди коловраток, у Callidina [1300] она достигает 5 месяцев, а у отдельных представителей отряда Bdelloidea [840], возможно, даже нескольких лет. Если у этих видов, у которых старение происходит при постоянном числе клеток, имеет место "изнашивание", то склонность к нему должна чрезвычайно сильно варьировать. У других клеток, например у клеток плоского эпителия, функция зависит от прогрессирующего изменения их структуры и обмена веществ с момента их образования до полного ороговения. Это предполагает существование в клетке процесса химического гетероауксеза - неравномерного отложения различных химических веществ; во всех таких "открытых" системах должен в конце концов нарушаться гомеостаз. Развитие гистохимических методов выявления ферментов в клетках и открытие обладающих избирательным действием агентов, необратимо инактивирующих определенные ферменты, позволят поставить эксперименты, в которых можно будет выявить пределы способности неделящихся клеток восстанавливать свой набор ферментов и проследить за теми изменениями, которым подвергается эта способность на протяжении длительного времени.

Эритроциты млекопитающих представляют особый случай ограниченного выживания неделящихся клеток. Они относятся к тем немногим клеткам, для которых были построены кривые выживания. Форма таких кривых, полученных при помощи ряда разнообразных методов, показывает, что изнашивание циркулирующих в крови эритроцитов представляет собой истинное "старение", т. е. вероятность разрушения данной клетки повышается после достижения определенного возраста. Среди вновь образованных эритроцитов имеется, по-видимому, также и "детская смертность", что в еще большей степени сближает кривую их выживания с кривой выживания многоклеточных животных.

Довольно много исследований посвящено причине "старения" эритроцитов. Хотя весьма вероятно, что основной причиной разрушения эритроцитов надо считать изменение физических свойств стромы или оболочки клетки, имеются важные данные, что "регулятором скорости" в данном случае служит разрушительное влияние на другие внутриклеточные системы продуктов какой-то особой окислительно-восстановительной системы, в которой из гемоглобина образуется метгемоглобин. Данные в пользу этой точки зрения приведены в обзоре Лемберга и Легге [702]. Здесь мы имеем дело со специализированной лишенной ядра клеткой; в сохраняющих ядра эритроцитах птиц синтез гемоглобина, а, возможно, и другие процессы обновления продолжаются и в кровотоке; однако, как это ни странно продолжительность жизни эритроцитов птиц гораздо меньше [513, 514], чем эритроцитов млекопитающих.

В Советском Союзе Медведев [1321] разработал чрезвычайно важную теорию эпигенетнгческого старения, основанную на накоплении в клетке "бессмысленных" сообщений. В настоящее время правильность этой теории подтверждается большим числом фактов. Медведев [1322] объясняет различия в продолжительности жизни между отдельными линиями и видами существованием генов, определяющих частоту ошибок. Мы с большим интересом ожидаем полного развития этой теории, так как она будет представлять собой первую всеобъемлющую теорию генетического "шума", разработанную применительно к процессам старения.