Нарушение окислительных процессов

Одна из основных функций клетки состоит в обеспечении энергией все протекающие в ней биосинтетические процессы, активный транспорт веществ, выполнение различного рода специализированных функций, как-то: сокращение мышц, передачу нервного импульса и т. д. Энергообеспечение всех этих процессов происходит при участии аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) - универсального донора энергии в клетке. Синтезируется же АТФ в процессе окисления кислородом различных метаболитов в митохондриях (этот процесс синтеза АТФ называют окислительным фосфорилированием) или в результате гликолиза - процесса окисления, протекающего вне митохондрий и без участия кислорода. Исследованию изменений концентрации АТФ в процессе старения клетки было посвящено очень много работ. Вывод, который следует из результатов этих работ, состоит в том, что в старой клетке концентрация АТФ и, следовательно, энергообеспечение могут снижаться, хотя это наблюдают не во всех клетках. Обычно уменьшена концентрация и другого донора богатых энергией фосфатных групп - креатинфосфата. Основной энергостанцией клетки являются митохондрии - частицы, в которых содержатся ферменты, катализирующие окисление кислородом питательных веществ, поступающих в клетку. Следовательно, первый вопрос, касающийся нарушения энергообеспечения старых клеток, состоит в том, как изменены в таких клетках структура и функция этих органелл? Однако общий ответ на этот вопрос, по крайней мере, пока дать нельзя. Наблюдаемые при старении изменения и числа, и размера, и ультраструктуры митохондрии, а также содержания в них различных ферментов и способности их окислять различные метаболиты оказались различными в зависимости от того, какие клетки изучали. Трудность исследования этого вопроса состоит в том, что клетка содержит большое количество митохондрий, которые отличаются друг от друга по различным свойствам (в клетке печени, например, содержится около 1000 митохондрий). Кроме того, и морфологический, и функциональный «статус» митохондрий резко зависит от условий, в которых находятся животное и исследуемые клетки. Следовательно, те изменения, которые наблюдают при старении, частично обусловлены менее благоприятными условиями существования клеток в старом организме. Однако в процессе старения клетки должны происходить и «эндогенные» изменения митохондрий, т. е. такие изменения, причины которых локализованы внутри митохондрий. Дело в том, что митохондрии являются относительно автономными органеллами, содержащими ДНК и способными к синтезу белка. То есть, все, что говорилось выше об изменении в процессе старения структуры и синтеза ядерной ДНК и нарушения цитоплазматического белоксинтезирующего аппарата, имеет прямое отношение и к соответствующим системам митохондрий. Следовательно, хотя различия физико-химических и функциональных свойств информационных макромолекул этих органелл, изолированных из молодых и старых клеток, до сих пор практически не изучены, теоретические основания для обнаружения таких изменений довольно тверды.

Кроме синтеза АТФ, другой функцией митохондрий, имеющей жизненно важное значение для клетки, является синтез липидов. Эта функция в митохондриях многих старых клеток также нарушена. Именно поэтому состав липидов из митохондрий клеток молодых и старых животных различен.

Снижение эффективности протекания окислительных процессов в митохондриях клетки может компенсироваться увеличением активности процесса окисления питательных веществ без участия кислорода и вне митохондрий. Этот процесс, как уже говорилось, называют гликолизом. Однако характер возрастных изменений гликолитических процессов в различных тканях различен, то есть по этому признаку старение в организме развивается неравномерно во времени (гетерохронно), поражая различные клетки, ткани и органы с различной скоростью. Кроме того, в некоторых тканях изменена не только общая активность гликолиза, но и соотношение активностей ферментов, катализирующих различные его этапы. В частности, в тканях старых животных более интенсивно используется гликоген, чем глюкоза. Увеличение активности гликолиза, в процессе которого образуется молочная кислота, должно увеличить в цитоплазме концентрацию водородных ионов. Причем снижение рН должно произойти не только в цитоплазме, но и в ядре. Ведь образующиеся в процессе гликолиза вещества могут проникать в ядро. Снижение рН в старой клетке может иметь для нее несколько тяжелых последствий. Одним из них является уменьшение стабильности генома. Ведь, как мы уже знаем, один из основных процессов, нарушающих эту стабильность - процесс денуринизации ДНК, - катализируется водородными ионами, следовательно, его скорость резко возрастает с уменьшением рН.

С гликолитическими процессами тесно сопряжены процессы обмена углеводов через так называемый пентозофосфатный путь. Обычно роль этого «шунта» в энергетическом обмене клетки невелика. Однако образующиеся в таких реакциях продукты имеют существенное значение в интеграции различных энергетических процессов в клетке. На этом (и только на этом) этапе метаболизма образуются пентозы (отсюда и название: пентозофосфатпый путь, цикл или «шунт»), используемые для синтеза оснований нуклеиновых кислот и других соединений, которые необходимы, в частности, для разрушения токсических веществ, поступающих в организм из окружающей его среды. Теперь понятно, какое большое значение может иметь для физиологии клетки нарушение в ней при старении метаболизма углеводов в пентозофосфатном цикле. Это нарушение особенно выражено на этапе цикла, катализируемом транскетолазой, активность которой в различных тканях старых животных значительно меньше, чем в тканях молодых.

Таким образом, нарушения биоэнергетических процессов при старении, которые мы кратко рассмотрели, связаны не только с изменением энергообеспечения клеток. Могут иметь существенное значение в нарушении при! старении, стабильности генома и регуляции различных биосинтетических процессов, накопление промежуточных метаболитов, в токсических концентрациях - «самоотравлении» клетки и уменьшении ее способности к детоксикации экзогенных соединений. Начальные (пусковые)! механизмы нарушения биоэнергетических процессов в клетке, в свою очередь, разнообразны. Однако в основу ном они связаны, конечно, с нарушением регуляции синтеза и структуры ферментов, катализирующих эти процессы, и мембран, «упорядочивающих» их течение. Ведь и окислительное фосфорилирование, и гликолитнческпй путь метаболизма протекают при участии мембранных структур в первом случае митохондрий, во втором, эндоплазматического ретикулума.