Старение и межмолекулярные сшивки

Продление жизни - проблема, возникшая в истории человечества довольно давно. В эволюции эта проблема появляется именно у человека. Существует множество альтернативных теорий о причинах старения. Некоторые ученые считают, что старение - это результат износа нашего организма как сложного механизма, детали которого могут разрушаться со временем. Основную роль в данных процессах играют химические модификации белков и ДНК - молекул, определяющих нормальное функционирование клеток нашего организма. Эти изменения сопровождают процесс старения любого организма. Причем с возрастом также ухудшаются механизмы устранения таких изменений. 
Одним из наиболее опасных и тяжело устраняемых нарушений является образование так называемых "поперечных сшивок" - ковалентных связей между разными азотистыми основаниями ДНК, основанием ДНК и аминокислотным остатком белка, двумя аминокислотными остатками белков, между белками и липидами. Такие изменения могут повлечь за собой нарушение транскрипции и трансляции, возникновение мутаций, нарушение функциональной активности белков. В результате этих нарушений с возрастом ухудшается зрение, теряется эластичность кожи, ухудшается подвижность суставов, развиваются такие патологии, как болезни сердца и сосудов, артрит и артроз, амилоидоз, паркинсонизм, раковые опухоли. 
Возникновение "поперечных сшивок" может быть обусловлено воздействием различных видов радиации, химических агентов, активных форм кислорода. Поиск методов устранения таких ошибок и предотвращения их возникновения является одной из наиболее исследуемых в настоящее время областей.

Геронтолог Юхан Бьёркстен возглавляет некоммерческий Исследовательский центр в Мэдисоне (штат Висконсин), который он основал в 1952 г. В начале 40-х годов Бьёркстен работал биохимиком в фирме «Дитто» (которая в те времена была самым крупным производителем пленки для процесса, предшествующего ксерокопированию) и занимался исследованиями, целью которых было предотвратить порчу пленки. Основным ингредиентом пленки является желатин. Бьёркстен обратил внимание на сходство процессов старения желатина пленки и подобных ему белков в организме - хрящей и связок. Оба процесса связаны с реакциями в белках, приводящими к потере эластичности.
Но Бьёркстен не остановился на теоретических изысканиях. Много лет он
занимался исследованиями, которые, по его замыслу, должны были найти практическое применение в борьбе со старением, вызванным сшивками. Ряд экспериментов проводился на почвенных бактериях, которые обладают способностью расщеплять «сшитые» молекулы, так как обитают в среде, где основным источником их питания служат именно «сшитые» молекулы мертвых тканей, например опавших листьев. По мнению Бьёркстена, некоторые из этих бактерий синтезируют ферменты, которые позволяют им расщеплять
такие «сшитые» молекулы на усваиваемые фрагменты. Пока ученому удилось выделить около 140 таких культур бактерий. Ему удалось также выделить ферменты из этих бактерий. и он обнаружил, что один из этих ферментов оказался   особенно эффективным при разрушении сшивок в мертвой ткани тела человека. В опытах на живых мышах он показал, что фермент не токсичен, более того, мыши старели медленнее и жили несколько дольше, чем мыши, не получавшие фермента.  Однако пока невозможно сделать какие-либо конкретные выводы на основании немногочисленных опытов на животных, целью которых была проверка на токсичность. Вместе с тем не исключено, что потенциальные возможности ферментов, открытых Бьеркстеном, могут заключаться не только в замедлении процесса старения или в омолаживающем эффекте. Их особенности позволяют надеяться, что они окажутся эффективными «растворителями» веществ, вызывающих атеросклероз. Атеросклероз - «затвердевание артерий»  - главный убийца мужчин в США, ибо он является причиной инфарктов и инсультов. И хотя мы до сих пор многого не знаем об атеросклерозе, известно, что «затвердение» вызывается отложением на стенках артерий определенного сочетания жиров и белков, соединенных огромным количеством сшивок. Если ферменты Бьёркстена и в самом деле смогут устранить атеросклероз, вполне возможно, что они добавят лет двадцать к средней продолжительности жизни человека, так как помогут предотвратить
инфаркты и инсульты.
Образование сшивок в белках и ДНК может быть вызвано многими химическими веществами, которые обычно находятся в клетках в виде продуктов процесса обмена, или загрязнителями вроде свинца или компонентов табачного дыма. Разнообразие и количество веществ, вызывающих «сшивки» в нашем организме, так велико, утверждает Бьёркстен, что тут уже не спрашиваешь, достаточно ли этого, чтобы вызвать старение, а только удивляешься, почему старение протекает так медленно.

Радиация, продукты окислительного стресса и различные химические агенты вызывают изменение структуры ДНК и белков на химическом уровне, в результате чего они могут образовыватьковалентные связи с различными молекулами или между собой.
Как известно, процесс старения сопровождается появлением и накоплением в тканях аномальных количеств свободных радикалов и перекисей. Частой причиной спонтанных мутаций оказывается воздействие активных форм кислорода (АФК) как побочных продуктов обмена веществ, особенно в процессе окислительного дезаминирования. Катализируя реакцию окислительного дезаминирования, моноаминоксидаза (МАО) способствует образованию высокореакционных соединений: альдегидов, аммиака и перекиси водорода, что приводит к инициации окислительного стресса в тканях (PubMed). В норме эти вещества образуются как побочные продукты обмена веществ и, кроме того, выполняют в нашем организме незаменимую работу - осуществляют передачу гормональных и клеточных сигналов, участвуют в  формировании иммунитета и воспаления. Однако нарушение их баланса в клетках может приводить к серьезным и необратимым последствиям. Так, АФК атакуют основания ДНК по различным фрагментам их молекул.
Такие сшивки блокируют в данном локусе синтез ДНК и РНК, поскольку в обоих этих процессах требуется расхождение цепей ДНК. С возрастом количество сшивок в организме возрастает (PubMed). Считается, что это происходит из-за ухудшения эффективности работы механизмов репарации.
Важно отметить, что опасность возникновения межмолекулярных сшивок увеличилась в последние десятилетия в связи с истощением озонового слоя в атмосфере нашей планеты, поскольку он является основной защитой организма от солнечного ультрафиолетового излучения.

При воздействии АФК, радиации или химических агентов в ДНК и РНК могут образовываться сшивки в пределах одной молекулы (чаще между соседними основаниями) или между разными молекулами. Возникновение сшивок в структуре нуклеиновых кислот служит препятствием для нормального протекания процессов репликации, транскрипции, трансляции. 
Если нарушение вовремя не репарируется, репликация прекращается и возможно наступление клеточной смерти.

Ультрафиолет разрушает связи в гетероциклических молекулах
пиримидиновых азотистых оснований. Если при этом в последовательности ДНК два пиримидиновых нуклеотида находятся рядом, возможно образование ковалентных связей между их азотистыми основаниями. В результате этого появляется пиримидиновый димер.

Могут образовываться тиминовые, цитозиновые и тимин-цитозиновые димеры.

Наиболее распространенными являются тиминовые димеры (ТТ-димеры). 

Пиримидиновые димеры препятствуют правильной работеДНК-полимеразы, что приводит к возникновению точечных мутаций.

Помимо циклобутановых димеров воздействие ультрафиолета может вызывать формирование пиримидин-(6-4)-пиримидоновых фотопродуктов.

В этом случае образуется связь между 6 и 4 атомами соседствующих пиримидиновых колец. 

Такие фотопродукты менее распространены, чем циклобутановые димеры, и чаще встречаются в последовательностях 5’-TC и 5’-CC (PubMed).

Ковалентные связи могут образовываться и между основаниями двух разных нитей ДНК, в результате чего формируются межнитевые сшивки ("crosslinking"). Это - редкий, но один из наиболее опасных типов повреждений. Количество межнитевых сшивок возрастает при облучении ультрафиолетом, а так же увеличивается в течение жизни. Соединения, вызывающие формирование сшивок, например, циклофосфамиды, используют в химиотерапии рака. Другой класс соединений, вызывающих поперечные сшивки, представляет псорален и его производные, которые используют для лечения раковых заболеваний и псориаза. У пациентов, принимающих препараты на основе псоралена, наблюдаются признаки преждевременного старения кожи. Также лекарства, применяемые в химиотерапии, вызывают нарушения опорно-двигательного и сердечнососудистого аппаратов, зрения и других систем, возникающие, как правило, в более позднем возрасте (PubMed).

Ковалентные связи могут образовываться также между ДНК и белком. Сшивки ДНК-белок возникают, например, при образовании топоизомеразой ковалентных связей с основаниями ДНК в ходе ее ферментативной деятельности (PubMed). Обычно эти связи кратковременны и обратимы. Однако иногда какие-либо факторы (например, ультрафиолетовое излучение) могут помешать разрушению установленной связи, и образуется устойчивое соединение топоизомераза-ДНК. 
Иногда сшивки образуются между цепью ДНК и каким-либо белком хромосомы. Это может происходить при накоплении в ДНК большого количества разрывов. Такие сшивки блокируют в данном локусе синтез ДНК и РНК, поскольку в обоих этих процессах требуется расхождение цепей ДНК. С возрастом количество сшивок ДНК-белок в ДНК возрастает (PubMed).

Одно из проявлений сшивки между белками - потеря тканями эластичности. Это возникает при ковалентном "сетеобразовании", которое происходит при формировании поперечных ковалентных связей 
между коллагеновыми волокнами (PubMed). 
Структура кристаллинов хрусталика, коллагена и белков базальной мембраны чаще всего подвергается нарушению из-за формирования внутримолекулярных и межмолекулярных белковых сшивок. 

В образовании перечных сшивок большую роль играют реакции в организме между сахарами и белками (PubMed). В результате этой реакции формируется достаточно разнообразная группа веществ, получившая в англоязычной литературе обобщенное название AGE (Advanced Glycosylation End-Products) - продукты неферментативного гликозилирования. Эти продукты медленно накапливаются в тканях, в частности, способствуя образованию сшивок между различными белками.

В норме коллаген формирует внутримолекулярные и межмолекулярные
сшивки (PubMed). Эта реакция осуществляется благодаря активности фермента лизил-оксидазы. Основной структурной единицей коллагена является тропоколлаген, который состоит из трех полипептидных цепочек, богатых остатками глицина, пролина, гидроксипролина, лизина и гидроксилизина. Внутримолекулярные перекрестные сшивки образуются между остатками лизина, межмолекулярные - благодаря формированию
гидроксипиридиновой структуры из лизинового и двух гидроксилизиновых
остатков.

C возрастом количество сшивок между остатками аминокислот
коллагена возрастает, а упорядоченность их формирования нарушается (PubMed). К данным процессам лизил-оксидаза уже не имеет отношения. Дело в том, что в ходе жизнедеятельности в тканях накапливаются продукты неферментативного гликирования белков и рецепторов к ним, способствуя образованию сшивок между коллагеновыми волокнами (PubMed). Коллаген соединительнотканных волокон при этом гликозилируется по остаткам лизина и оксилизина, что мешает образованию нормальных поперечных сшивок между волокнами.
Кроме того, известно, что в структуру коллагена входят спиральные участки и так называемые телопептиды - особые участки белка, которые используются при синтезе и приобретении белком необходимой конформации (PubMed), после чего со временем протеолитически удаляются. В норме лизил-оксидаза образует сшивки только между спиральными участками коллагена, а при старении "сшиваться" начинают также телопептиды. Все эти процессы вызывают нарушение архитектуры коллагена и ведут к потере его эластичных свойств. 
Если коллаген из тканей молодых животных еще возможно выделить в виде растворимого в солевых растворах вещества, то коллаген из тканей старых животных уже нерастворим. Поскольку коллаген является одним из структрных компонентов соединительной ткани, увеличение числа сшивок приводит к ухудшению проникновения через коллагеновую сеть питательных и регуляторных веществ - это может быть причиной нарушения работы различных органов в старости (PubMed). Опасными следствиями коллагеновых сшивок являются потеря эластичности у стенки сосудов, изменение проницаемости базальной мембраны почечных клубочков и др. Сшивки в коллагене хрящевой ткани увеличивают ее жесткость и могут быть причиной развития артрита.
"Расшивка" в данном случае осуществляется специальным
ферментом - каллогеназой. Однако под воздействием ряда факторов фермент не способен расщеплять эти структуры, поэтому процесс обновления коллагена в коже тормозится. В результате нити коллагена накапливаются в межклеточном пространстве и являются причиной появления морщин (PubMed).
Известно, что неферментативное гликозилирование белков является одной из причин ухудшения функционирования белков с возрастом. Кроме того, неферментативное гликозилирование коллагена по остаткам лизина и оксилизина мешает образованию нормальных поперечных сшивок между волокнами и также приводит к снижению эластичности коллагенового волокна, особенно проявляющемуся при сахарном диабете. 
Также коллагеновые сшивки, возникающие в капсуле хрусталика глаза, являются одной из причин развития катаракты (PubMed).

Хрусталик глаза является удобной моделью клеточного старения, поскольку он не контактирует с кровяным руслом и является достаточно автономной структурой, содержит старейшие клетки организма и активно подвергается негативным воздействиям со стороны окружающей среды (таким, как токсичные агенты, металлы и солнечное излучение). Болезнь  катаракта  является основной причиной слепоты во всем мире. В большинстве случаев она связана с возрастными изменениями хрусталика и поражает людей старше сорока лет, приводя к частичной или полной обратимой потере зрения. В ряде случаев развитие катаракты бывает связано с химической модификацией структурных белков хрусталика, кристаллинов, в том числе с формированием дисульфидных мостиков и сшивок, вызванных ферментативной активностью трансглутаминазы (PubMed,PubMed). Альфа-кристаллины являются шапероноподобными белками, поэтому возникновение сшивок в их структуре и, как следствие, ухудшение его восстановительных свойств приводит к помутнению хрусталика из-за аггрегирования белков. Такие химические модификации вызывают повышенное рассеяние световых волн и, следовательно, ухудшение зрения. Например, было показано, что после 27 лет в хрусталике значительно повышается количество дисульфидных мостиков между цистеиновыми остатками в двух определенных положениях альфа-кристаллина (PubMed). 
Показано, что аспирин и витамин С подавляют формирование поперечных сшивок у кристаллинов (PubMed).

Как известно, с возрастом окислительный стресс усиливается, а его 
прогрессирующее развитие можно считать одним из маркеров старения. Окислительный стресс сопровождается увеличением содержания в мембране гидроперекисей фосфолипидов и уровня окисленной формы 
холестерола. Образующиеся  липидные радикалы могут атаковать молекулы белков и нуклеиновых кислот (PubMed). Альдегидные группы этих соединений образуют межмолекулярные сшивки, что сопровождается нарушением структуры макромолекул и дезорганизует их функционирование. При изучении стареющего организма было замечено, что в нем происходит аккумуляция поврежденных продуктов (PubMed). В норме поврежденные белки должны подвергаться деградации, однако белки, формирующие перекрестные сшивки с липидами, т.е. продукты повреждения липидными перекисями, деградации подвергнуться не могут.  
Одним из надежных маркеров старения является липофусцин, внутриклеточные скопления которого могут составлять до 50% от ее 
содержимого (PubMed). Липофусцин - желто-коричневый пигмент, содержащий каротиноиды, которые придают ему окраску, и белки, модифицированные липидами. Его образование инициируется 
железом и является прямым следствием липидной пероксидации.

Карнозин был обнаружен в составе безбелкового мышечного экстракта русским биохимиком Владимиром Сергеевичем Гулевичем в 1900 г. и получил свое название от латинского слова мясо (caro carnis). 
Оказалось, что карнозин может быть своего рода универсальным детоксикатором. Являясь перехватчиком свободных радикалов, он защищает белки, липиды, а также нуклеиновые кислоты возбудимых тканей от окислительного повреждения. Оказалось, что он также способен препятствовать гликированию, которое делает невозможным нормальное функционирование белковых молекул в клетке. 
В теле человека карнозин  синтезируется с помощью
фермента карнозин-синтетазы в строго определенных  органах (головном мозге, хрусталиках глаз, сердце, скелетных мышцах, почках,  коже и слизистой желудка) и играет решающую роль для сохранения оптимальной  структуры и функций этих органов (PubMed).
С возрастом активность карнозин-синтетазы  ослабевает, что определяет старение организма. Карнозин на 20% увеличивает  продолжительность жизни мышей коротко живущих линий, омолаживает их внешний  вид и поведение (PubMed).

Книга великолепного преподавателя биологического факультета МГУ им. Ломоносова и крупного ученого Александра Александровича Болдырева. Автор данного компаса имел честь посещать лекции этого замечательного человека.

 

Карнозин

Книга

Автор:

А. А. Болдырев

Цена:

131.00 руб.

Вес:

430 г

 

Монография посвящена дипептиду карнозину, открытому в начале XX века В. С. Гулевичем. Рассмотрены химические свойства, распространение в тканях и метаболизм карнозина. Описаны исследования его биологической роли как специфического гидрофильного антиоксиданта в возбудимых тканях. Подробно проанализирована защи...

 

Антиоксиданты

Книга

Автор:

Каролин Рюбен

Цена:

23.00 руб.

Вес:

155 г

 

Выбор правильной еды нам необходим не только для построения нашего тела, поддержания всех жизненных функций, но и для того, чтобы защитить себя от многих `болезней века`, связанных с ухудшением экологической обстановки. В первую очередь к ним относятся заболевания иммунной системы, сердца и сосудов, дыхательн...

Безусловно, повреждения нашего организма на молекулярном уровне - опаснейшие процессы, происходящие в течение всей человеческой жизни. Они сопровождают старение и являются причинами многих тяжелых заболеваний - паркинсонизма, прогерии, болезни Альцгеймера, развития опухолей. Сшивки в этом плане еще и опасны тем, что они особо тяжело устраняются репарирующими системами клеток. Кроме того, сшивки, возникающие в структуре ДНК, часто являются причиной возникновения мутаций. 
Если причины возникновения сшивок (в целом общие для процессов повреждения молекул) - ошибки ферментативных процессов, радиация и химические мутагены, то в наших силах понизить разрушающее воздействие хотя бы некоторых из них. Поэтому следует беречься от  прямого воздействия солнечной радиации и токсичных веществ, а также употреблять продукты, содержащие антиоксиданты (овощи, фрукты, зеленый чай, в определенных количествах - красное вино и др.) Кроме того, вселяют надежды  новейшие фармацевтические разработки - например, препараты на основе карнозина. Исследование характера действия этих веществ на организм и разработка на основе них лекарств - одна из наиболее актуальных областей современной биохимии. Это вселяет твердую уверенность в том, что со временем будут создаваться все более эффективные лекарства для устранения и предотвращения ошибочно образовавшихся поперечных сшивок между нуклеиновыми кислотами, белками и липидами.