Ферменты и старение

В последние годы удалось лучше понять многочисленные связи между естественным и патологическим старением. При этом оказалось, что ферменты имеют весьма существенное значение для геронтологии и гериатрии. В пожилом возрасте ферменты образуются в организме в меньших количествах и активность их частично понижена. Как мы увидим, именно эти изменения отчасти лежат в основе симптомов как нормального, так и преждевременного старения.
Еще со времен ранней античности человек проявлял живой интерес к процессам старения. Главное внимание привлекал вопрос о возможностях и средствах предотвращения этих процессов и их последствий. Древние авторы, так же как и более поздние - вплоть до наших дней, - в объемистых томах излагали свои теории и гипотезы о комплексе явлений, связанных со старением. Не было также недостатка в фантастических, мистических и просто неосуществимых рекомендациях относительно того, как сделаться моложе.
Но только в самое последнее время изучение проблем, связанных со старением, стало опираться на научную основу. Хотя и сейчас еще существует много различных мнений и теорий о процессах старения организма, стремление искать «источник молодости», способный снова сделать человека молодым, представляет в наши дни только исторический интерес. Геронтология - наука об изменениях, происходящих в организме при старении. Это особый раздел медицины, значение которого неуклонно возрастает. Геронтология и гериатрия (наука о болезнях старческого возраста) занимаются не только вопросами продления жизни и разработкой профилактических мер против старческих заболеваний; каково истинное значение этих отраслей науки, мы увидим из последующего обсуждения.
За последние 40 лет благодаря успехам медицины средняя продолжительность жизни значительно возросла. Но этого нельзя «казать о максимальной продолжительности человеческой жизни, которая, видимо, почти не изменилась по сравнению с тем, какой она была тысячи лет назад; разница лишь в том, что в наши дни гораздо больше людей достигают возраста, близкого к этому максимуму.
Например, средняя продолжительность жизни населения в США на пороге XX в. составляла 47,3 года, а в 1950 г. она уже была 68,2 года, т. е. увеличилась на 21 год. Если бы эта тенденция развивалась по прямой, то к 2000-му году теоретически средняя продолжительность жизни достигла бы примерно 90 лет. В действительности же увеличение средней продолжительности жизни после 1900 г., очевидно, обусловливается факторами, имеющими собственный предел эффективности, - такими, как улучшение гигиенических условий, более рациональное питание, расширение возможностей дифференциальной диагностики, борьба с эпидемиями и инфекционными болезнями вообще, снижение ранней детской смертности. Значительное снижение смертности произошло около 1940 г. в связи с появлением антибиотиков. С тех пор доля пожилых людей среди населения неуклонно возрастает. В США число людей старше 65 лет сильно увеличилось и в настоящее время превышает 15 млн., т. е. достигло 1/12 общей численности населения. Как показали различные авторы, увеличение смертности с возрастом в точности соответствует логарифмической кривой.
У просто организованных живых существ имеют место иные закономерности. Микроорганизмы и вирусы, по-видимому способны размножаться беспредельно, не обнаруживая никаких видимых (или выявляемых как-либо иначе) признаков старения. Правда, при росте на искусственных питательных средах в течение многих генераций у них возникают дегенеративные изменения, напоминающие старение высших организмов, но не идентичные ему.

Старение лейкоцитов проявляется в морфологических изменениях, в сегментации их ядер. Такие клетки не могут больше делиться и через некоторое время погибают. За функциональный выигрыш, достигаемый большей дифференцировкой отдельной клетки, она расплачивается утратой способности к делению и гибелью. Клетка эпидермиса способна делиться, пока она находится в базальном слое, но затем она постепенно перемещается в верхние слои. Это сопровождается дифференцировкой. Эпителиальная клетка вырабатывает ферменты или слизистые вещества; через некоторое время она слущивается или растворяется ферментами. Это означает смерть отдельной клетки, но для органа, который должен продолжать функционировать, это служит основой непрерывной регенерации. В то время как дегенерировавшие или мутантные клетки растворяются в результате аутолиза, т. е. под действием ферментов, находившихся в их лизосомах, весь состоящий из клеток орган полностью сохраняет свою функциональную способность. Если же такие бесполезные клетки остаются в тканях или органе (из-за отсутствия какого-либо катаболического фермента или пониженной активности сенсибилизированных малых лимфоцитов, содержащих клеточные антитела), то данный орган будет обнаруживать симптомы старения. Они проявятся тем сильнее, чем больше клеток, лишенных функции, остается в тканях. Активность их ферментов неуклонно снижается, что позволяет объяснить прогрессирующую утрату функции в связи со старением. Поэтому Аструп рассматривает снижение активности ферментов, в частности плазмина, как один из показателей биологического старения.
Клетки с особо важной для жизни функцией уже не могут делиться из-за высокой степени своей дифференцировки. Но функция таких клеток, как, например, волокон сердечной мышцы или клеток нервных узлов, должна поддерживаться на достаточном уровне в течение всей жизни. Если значительная часть их перестанет функционировать вследствие мутаций, появятся необратимые симптомы старения; регенерация путем стимуляции митоза теперь уже невозможна.
Наряду с процессами старения отдельных клеток, причиной возрастного снижения функциональной активности органов и тканей является ухудшение снабжения их кровью и лимфой. Особое значение имеют сосуды и межклеточное вещество, так как от них зависят жизнеспособность и функции всех паренхиматозных клеток. Кроме того, возрастные изменения их структуры играют решающую роль в развитии симптомов старения. Высокая дифференцировка жизненно важных тканей, их зависимость от питания, доставляемого интактными сосудами и мезенхимой, а также от регулирующих воздействий нервной системы - все это обусловливает их особую подверженность процессам старения. Поэтому стареют не только сами клетки, но и аппарат их питания, включая промежуточную среду (например, соединительную ткань), а следовательно, и весь тканевый комплекс.
Многочисленные теории, с помощью которых пытаются объяснить старение, выходят за пределы интересующего нас вопроса о роли ферментов, и мы здесь можем рассмотреть кратко лишь некоторые из них.

Теория соматических мутаций получила недавно подкрепление в экспериментах Кертиса и Сцилларда с ионизирующим излучением. Спонтанные мутации, связанные и не связанные митозом непрерывно возникают во всех доступных для исследования тканях и с возрастом накапливаются. Мутантные клетки в большом числе встречаются почти во всех органах старых людей, так же как и животных. Это аномальные клетки, и они ослабляют функцию соответствующих органов. С помощью мутагенных ионизирующих излучений можно получать результаты, сходные с теми, к которым приводит естественное старение; это означает, что мы можем ускорить процесс старения. Определять число мутаций очень трудно, так как их можно идентифицировать только во время митоза при нормальном или аномальном расхождении хромосом. Некоторые клетки (например, в костном мозге или кишечном эпителии) делятся так быстро, что потомство клеток с аномальным кариотипом (разрывами хромосом и т. п.) вскоре, после нескольких делений, погибает. В биологическом смысле они «слабее» нормальных клеток. Молодые животные, подвергаемые действию ионизирующих излучений, могут долгое время оставаться внешне здоровыми, но признаки старения появляются у них преждевременно, и они раньше умирают вследствие лучевого повреждения хромосом. Как показали исследования, частота мутаций у животных с небольшой продолжительностью жизни даже в нормальных условиях выше, чем у долгоживущих форм.
Быстроделящиеся клетки, например клетки, костного мозга или эпидермиса, очень чувствительны к облучению и обладают известной наклонностью к малигнизации. Клетки головного мозга, не способные делиться, малочувствительны к облучению и подвергаются дегенерации лишь в редких случаях. Старческих изменений в самих нервных клетках почти не наблюдается. Очевидно, многие нейроны вообще не функционируют. Из опыта нейрохирургии известно, что разрушение или удаление обширных участков в таких «немых» зонах не приводит к выпадениям функций. Вычислено, что у каждого человека, начиная с раннего периода жизни, ежедневно отмирает около 10 000 мозговых клеток, и они не замещаются новыми посредством митоза. Их функцию принимают на себя резервные нейроны; таким образом, все функции полностью сохраняются, пока нейроны еще есть в запасе. Если же этот резерв исчерпан, появляются признаки функциональной недостаточности.
Интересны последствия мутаций в половых клетках. К началу периода половой зрелости в яичнике женщины уже содержатся в незрелом состоянии все яйцеклетки, которые могут быть оплодотворены в последующие 30-40 лет. Под влиянием мутагенных факторов число измененных яйцеклеток постепенно возрастает. Этим принято объяснять тот факт, что у пожилых матерей чаще родятся умственно отсталые дети (например, дети с синдромом Дауна). Для 45-летних матерей вероятность рождения ребенка с синдромом Дауна в 20 с лишним раз выше, чем для 25-летних.
Совершенно иначе обстоит дело с отцами. Процент умственно отсталых детей в потомстве 60-80-летних мужчин вряд ли больше, чем в потомстве 20-летних. Сперматозоиды образуются непрерывно и в неизмеримо больших количествах, чем яйцеклетки. Дефектные или мутантные сперматозоиды менее подвижны и поэтому не могут достичь зрелого яйца в фаллопиевой трубе в условиях конкуренции с нормальными сперматозоидами. Этот естественный отбор сперматозоидов на «качество»- один из механизмов эволюции.
Протеолитические ферменты противодействуют процессам старения, обусловленным мутациями. Плазматическая мембрана и цитоплазма здоровых клеток содержит достаточное количество ингибиторов для зашиты от эндогенных протеаз; наличие их было во многих случаях показано на культурах клеток. В мутантных клетках ингибиторов меньше, что обусловливает избирательную чувствительность таких клеток к действию эндогенных протеаз. Таким образом, организм защищен от образования и накопления дефектных тканей; в то же время мутантные клетки подвергаются атаке со стороны антител.

В крови и лимфе молодых людей содержится большое количество протеаз, достаточное для того, чтобы разрушить почти все возникающие мутантные клетки. Однако с возрастом протеолитический потенциал сыворотки снижается; в то же время количество ингибиторов возрастает, так что мутантные клетки в значительной части выживают и делятся. В результате этого развиваются те многообразные патологические состояния, которые считаются характерными для старости. На основе этих фактов можно объяснить и сильно увеличивающуюся в пожилом возрасте частоту рака.
Очевидно, если в течение длительного времени - лучше всего на протяжении всей остальной жизни, начиная с некоторого возраста, например с 40 лет, - снабжать организм протеолитическими ферментами, то частота вызываемых мутациями старческих болезней, в том числе и рака, должна заметно снизиться. Результаты экспериментальных исследований, проведенных в последние годы, создают твердую основу для изложенных выше представлений.
Все наблюдения указывают на то, что организм «понемногу отмирает изо дня в день». До тех пор пока размножение клеток с избытком восполняет их гибель в каждом отдельном органе, т. е. до наступления зрелости, организм растет и его функции усиливаются. После завершения процессов созревания, которые можно приравнять к росту, число клеток из года в год уменьшается и вместе с этим ослабевают функции органов.
Приведем некоторые цифры, характеризующие уменьшение веса органов и ослабление функций в результате старения (данные для 75-летнего старика, выраженные в процентах к соответствующим показателям, найденным в возрасте 30 лет):

Вес головного мозга (норма - 1300 г) Содержание воды в организме Вес тела Число почечных клубочков (или нефронов) Интенсивность клубочковой фильтрации Кровоснабжение мозга Минутный объем сердца (в покое) Число волокон в периферических нервах  Число вкусовых нервных окончаний Жизненная емкость легких

88 44 82 56 69 80 70 73 35 55

Организм старается возместить потери, связанные с повреждением и износом органов. Однако компенсаторные способности его с годами все более снижаются. Это хронический прогрессирующий процесс.
Возрастные изменения обнаруживаются главным образом в тканях мезенхимального происхождения с низким уровнем метаболизма - в хряще, сухожилиях и других видах соединительной ткани, стенках кровеносных сосудов и т. п. Одна из важных функций соединительной ткани - образование склеропротеидов, из которых наибольший интерес представляют коллаген и эластин.
Коллаген - это нерастворимые в воде, но набухающие в результате ее поглощения белки, которые образуются в соединительной ткани, сухожилиях и т. п., а также в основном веществе кости; они устойчивы к действию большинства протеолитических ферментов. Все коллагены содержат большое количество оксипролина и лишь немного оксилизина; серусодержащие аминокислоты и триптофан в них отсутствуют.
Коллаген образуют фибробласты, и в этом процессе участвует несколько ферментных систем. Интенсивные исследования последних лет привели к некоторому пониманию возрастных изменений в синтезе коллагена и его структуре.
Синтез глобулинов в соединительной ткани осуществляется обычным для всех белков способом. Активированные аминокислоты, связанные с транспортными РНК, соединяются в пептидные цепи, причем последовательность, и число аминокислотных остатков определяет информационная РНК. В нормальных условиях синтез коллагеноподобных белков происходит на рибосомах под контролем определенного гена или группы генов. Коллаген специфически расщепляется под действием коллагеназы.

Если образование коллагена хорошо изучено, то о синтезе эластина мы почти ничего не знаем. Эластин - это еще один важный склеропротеид, который придает основному веществу соединительной ткани упругость. Он существенно отличается от коллагена по числу и последовательности аминокислот. Поджелудочный сок содержит фермент, специфически приспособленный для расщепления эластина, - эластазу (панкреатическую пептидазу), под действием которой эластические волокна распадаются на тонкие фибриллы. Эластаза состоит из двух компонентов с различным оптимумом рН. С возрастом структура коллагена и эластина изменяется; соответственно изменяется и реакция их по отношению к специфическим ферментам, так что мы имеем здесь превосходную модель для исследований, касающихся биохимии старения и действия ферментов.
Вероятно, те же фибробласты синтезируют наряду с коллагеном и эластин. Это означало бы, что должны существовать две системы рибосом с соответствующими группами ферментов. Возможно также, что некоторые процессы частичного синтеза коллагена и эластина протекают параллельно и тогда одна группа ферментов была бы излишней.
Молекулы коллагена не вполне стабильны; их физические свойства зависят от числа водородных связей и поперечных мостиков.
В дермальном слое стареющей кожи коллагеновые волокна замещаются эластиноподобными фибриллами.
Поскольку синтез обоих белков происходит в фибробластах и регулируется ферментами, можно думать, что какое-то изменение в этом регуляторном механизме приводит к выбору иного варианта синтеза пептидов на рибосомах. Если исходить из предположения, что все структурные белки непрерывно образуются на протяжении всей жизни, то можно также высказать гипотезу, что комплекс ферментов в клетках в течение жизни подвергается заметным качественным изменениям. С этим могла бы быть связана и пониженная активность определенных ферментов в пожилом возрасте.
Возможно, в старости соединительная ткань содержит еще какой-то третий белок, отличающийся от коллагена и эластина.
К веществам, характерным для стареющего организма, относят также «десмозины», которые образуются при участии гетероциклических аминокислот с использованием продуктов расщепления молекул эластина *. Некоторые из этих молекул с цепями, соединенными поперечными связями, устойчивы к действию эластазы, другие отличаются значительной лабильностью. В старости сродство эластина к эластазе уменьшается. С помощью биохимических методов можно показать, что в соединительной ткани пожилых людей эластин присоединяется к какому-то белку, блокирующему те реактивные группы, или центры, в молекуле эластина, которые чувствительны к ферменту. Это пример блокады субстрата путем увеличения его молекулы. Старческий эластин (псевдоэластин) отличается от эластина молодых людей по аминокислотному составу.
Компоненты коллагена кожи можно изучать методом фракционного экстрагирования. Более растворимые фракции состоят из α-цепей без поперечных мостиков, и содержание их увеличивается в среднем возрасте. В старости оно уменьшается - происходит сдвиг в сторону β-цепей, соединенных поперечными мостиками (но бедных водородными связями), которые очень устойчивы к действию фермента коллагеназы.
При распаде коллагена фрагменты его молекул снова захватываются фибробластами и используются для ресинтеза коллагена, эластина и сходных веществ. В этом «круговороте» компонентов соединительной ткани, связанных с фибробластами, участвуют многочисленные ферменты, от активности и образования которых в клетке зависят процессы первичного синтеза и ресинтеза соответствующих белков.
Имеются сведения об активности различных ферментов в период старения. Барроуз и сотр. [2, 3] подчеркивают, что особое значение имеет величина активности, отнесенная к числу клеток, синтезирующих данные ферменты; в связи с этим они находят соотношения между числом клеток (определяемым по количеству ДНК) и специфической ферментативной активностью. В некоторых случаях удавалось установить зависимость последней от числа митохондрий. Активность сукцинатоксидазы в почках крысы в период старения понижается. Вейнбах и сотр. [12] получили сходные данные об оксибутиразе, активность которой в печени и почках, так же как и число митохондрий, несколько снижается с возрастом.

* Взгляды авторов по этому вопросу не являются общепринятыми. Обзор современного состояния проблемы см. в кн. В. И. Мазуров «Биохимия коллагеновых белков», «Медицина», М., 1974.- Прим. ред.

Известно также, что процессы детоксикации в стареющем организме намного менее эффективны, чем в молодом. В пробах с введением химиотерапевтических препаратов установлено, что в пожилом возрасте образование производных глюкуроновой кислоты, которое служит важным механизмом детоксикации, происходит медленнее и таким способом обезвреживается меньшая доля введенного вещества. Либо печень не обеспечивает синтеза необходимых ферментов в достаточном количестве, либо эти ферменты уже не обладают первоначальной активностью. Поседение волос также объясняют отсутствием фермента (тирозиназы) или утратой им активности в пожилом возрасте.
Возрастные изменения затрагивают и особо важный эндогенный фермент - плазмин. В период старения снижается не только синтез плазминогена, но и образование его активаторов.
Согласно Аструпу [1], в молодом организме активатор плазминогена вырабатывают примерно 2 из 100 эндотелиальных клеток интимы, а в старом организме - всего 2 из 1000. В результате этого фибринолиз все больше замедляется, что сказывается на гемостатическом равновесии. Соотношение между золем и гелем в динамической системе фибрина сдвигается в сторону образования геля. Это приводит к отложению больших количеств фибрина на поверхности и внутри сосудов и в интерстиции других тканей. В сосудах отложение фибрина способствует образованию атером, а в тканях - снижает функциональные возможности соответствующих органов.
Образование атером, как уже говорилось, бывает связано с включением фибрина в стенки сосудов. Позже здесь откладываются липопротеиды и холестерин, и таким образом начинается организация атероматозных бляшек. Высокое содержание липоидов в крови тормозит фибринолиз in vivo и in vitro, так что этот фактор тоже способствует атеросклеротическому изменению сосудов (образованию бляшек). Хан заметил, что после внутривенной инъекции гепарина мутность липемической плазмы in vivo уменьшается. Позже было установлено, что кровь и некоторые ткани (сердце, легкие, жировая ткань) содержат «просветляющие факторы», которые разрушаются в печени. При липемии в плазме крови всегда может быть обнаружен просветляющий фактор, и активность его можно повысить с помощью гепарина. В биохимическом отношении этот фактор представляет собой липопротеид-липазу, катализирующую частичный гидролиз триглицеридов, которые содержатся во всех липопротеидах. Освобождающиеся при гидролизе жирные кислоты связываются одной из фракций альбуминов и транспортируются ею. В тканях липопротеид-липазы не только расщепляют триглицериды, всосавшиеся из пищеварительного тракта, но также регулируют поступление липопротеидов и мобилизацию жирных кислот в жировых депо. Ферментная природа просветляющего фактора была доказана путем его инактивации с помощью другого фермента - гепариназы. Так как число тучных клеток в пожилом возрасте уменьшается, можно предполагать, что и образование гипарина в стареющем организме понижено.
Как показывают статистические исследования, с возрастом увеличивается не только распространенность атероматозных изменений, но и частота тромбоэмболических заболеваний. Шуман приводит данные, подтверждающие несомненную связь со старением таких патологических состояний, как венозный тромбоз (в венах нижних конечностей и других областях), легочная эмболия и особенно инфаркт. Тис [11] на материале 30 493 вскрытий показал, что в возрасте 20 лет венозные тромбы встречаются лишь в 4% случаев, а в возрасте 70 лет - в 24%. Венозные тромбозы некоторых локализаций отличаются своеобразным распределением по возрастам. Например, частота тромбозов воротной вены (встречающихся, согласно обширной статистике вскрытий, в 0,4% случаев) достигает максимума в возрасте 40-50 лет и соответствует частоте цирроза печени в этой возрастной группе.

Этиологическими факторами возрастного повышения частоты венозных тромбозов могут быть также структурные изменения стенок вен, вызванные следующими причинами: 1) колебанием скорости кровотока (из-за понижения частоты пульса и минутного объема сердца); 2) повышением вязкости крови; 3) повышением уровня фибриногена в плазме; 4) общим замедлением фибринолиза.
Так как с возрастом прогрессирует атеросклероз, чаще возникают и атеросклеротические тромбы. Однако частота артериальной эмболии определенно не обнаруживает возрастной зависимости.
Реологические исследования показали, что сужение артериального русла, прогрессирующее с возрастом (главным образом в результате атероматозных изменений с тромботическими наслоениями), неблагоприятно влияет на пульсовые колебания объема сосудов. В результате «буферное» действие крупных сосудов уменьшается или даже становится совсем невозможным, что ведет к увеличению нагрузки на сердце. Заметное замедление кровотока в сочетании с повышенной вязкостью крови служит важным фактором, усиливающим наклонность к тромбозу.
Резкие изменения диаметра капилляров и их аневризматические расширения, которые можно обнаружить в стареющем организме, еще более затрудняют работу кровеносной системы, способствуют развитию недостаточности кровообращения и ведут к изменениям, лежащим в основе тромбообразования.
Из других теорий, предложенных для объяснения прогрессирующих старческих изменений, можно упомянуть теорию свободных радикалов. Предполагается, что определенные радикалы, образующиеся в организме, вызывают не только такие вредные эффекты, как разрывы хромосом и мутации, о которых мы уже говорили, но также поперечную сшивку молекул в эластических волокнах (а возможно, и других молекул) и иные процессы полимеризации в тканях и плазме, приводящие к старению.
Теория изнашивания утверждает, что все клетки с момента своего образования наделены (согласно Карлсону, Перлу и другим) определенным количеством ферментов и потенциальной энергии, которая в процессе жизнедеятельности постепенно расходуется. Этот запаек энергии лимитирует функции и продолжительность жизни каждой клетки. Например, повышенная температура среды или избыток пищи ускоряют «темп жизни» у мышей или дрозофилы, тогда как противоположные условия (Мак-Кей и другие) замедляют старение и увеличивают продолжительность жизни. Если собственные циркулирующие или внутриклеточные протеазы будут быстро уничтожать или растворять «изношенные» или мертвые клетки и их остатки или же протеолитический потенциал будет усилен путем введения ферментов извне, то прогрессирующий процесс старения может быть замедлен.