Старение: развал клеточной энергетики

Клеточные органеллы, называемые митохондриями, играют большую роль в старении в связи с действием высоко реакционноспособных химических соединений - свободных радикалов.

В середине 1990-х годов, она еще не была четко определена: данные и их интерпретации были противоречивы, единого понимания фактического материала еще не существовало.

В этой ситуации была разработана ныне многими поддерживаемая теория старения, ставящая во главу угла митохондриальные эффекты свободных радикалов.

Есть семь основных категорий накапливающихся в течение жизни нарушений/повреждений, на которых и следует сосредоточиться, если ставить себе целью разобщить их причины (процессы жизнедеятельности) и последствия (в конечном счете связанные со старением патологические изменения), тем самым предотвращая эти последствия. Шесть из семи категорий посвящена одной из этих категорий.

SENS не включает в себя рассмотрение мутаций в клеточном ядре, если только они не вызывают рак, поскольку неканцерогенные мутации накапливаются слишком медленно, чтобы иметь значение в пределах нормальной продолжительности жизни. Многие геронтологи думают так о мутациях в митохондриях. Что касается остальных шести категорий SENS, то на их счет разногласий нет: каждая из них явно вызывает или ускоряет по меньшей мере одно из основных патологических изменений, связанных со старением.
Свободные радикалы: краткое введение
В наши дни о свободных радикалах почти каждый хотя бы слышал. Об их участии в старении так часто и с такой уверенностью говорят в прессе, особенно в материалах, пропагандирующих новейшие "антиоксидантные" пищевые добавки, что можно подумать, будто тема изучена и исчерпана. Однако, как мы увидим, роль свободных радикалов в процессе старения - и наилучшие подходы к обусловленным ими проблемам - гораздо сложнее и противоречивее, нежели можно судить по этим публикациям.

Свободными радикалами в биологии называют в основном содержащие кислород молекулы, в которых недостает одного электрона. Электроны - это отрицательно заряженные элементарные частицы, образующие вокруг ядра атома оболочку специфической для атомов данного элемента структуры, в которой каждый электрон занимает свою так называемую орбиталь (в некотором приближении ее можно считать определенным расстоянием от ядра). Молекула химически стабильна только тогда, когда на каждой орбитали имеется пара электронов; орбиталь с одним электроном нестабильна.

Поэтому, если молекула теряет один из парных электронов, она становится химически реакционноспособной до тех пор, пока не вернет себе недостающий электрон. Обычно свободный радикал обретает стабильность, отняв электрон у ближайшей доступной молекулы, имеющей все положенные электроны. Однако, лишившись электрона, эта прежде стабильная молекула в свою очередь становится нестабильной и стремится достичь равновесия с помощью чужого электрона. Получается цепная реакция.

Некоторые необычные вещества, называемые антиоксидантами, могут положить конец этой цепочке "краж", так как их молекулы относительно стабильны даже с неспаренным электроном. Такие вещества "тушат" свободнорадикальную цепную реакцию. Но, до тех пор, пока она не угаснет, свободные радикалы мечутся по организму, круша попавшиеся на пути биологически важные молекулы: структурные белки, образующие основу тканей; липиды мембран, разделяющих внутреннее пространство клетки на функционально специализированные отделы; ДНК, кодирующую ферменты и все прочие необходимые клетке белки и т. д. В биологических объектах структура определяет функцию, так что у поврежденных, химически деформированных молекул ухудшается или исчезает их способность выполнять свою роль в обмене веществ.

Хорошего в этом мало, но тут уж ничего не поделаешь. Свободные радикалы - неизбежный элемент жизнедеятельности организма.

Под влиянием научно-популярных публикаций в широкой прессе у вас могло создаться впечатление, что источником свободных радикалов являются преимущественно химикаты, загрязняющие окружающую среду, или токсические вещества из пищи, но на самом деле большая часть действующих в организме свободных радикалов образуется в его собственных клетках, в их "энергетических станциях" - митохондриях. Митохондрии - это одна из разновидностей клеточных органелл, т.е. ограниченных мембраной структурированных областей внутри клетки вне ядра. В каждой клетке содержится обычно от сотен до тысяч митохондрий.

Созданные человеком энергетические станции потребляют энергию в неудобной форме - в виде того или иного топлива (угля, природного газа, ядерной энергии, ветра) и превращают ее в удобную - электричество, которое вы используете, скажем, в миксере или компьютере. Аналогично, в митохондриях неудобная для использования энергия внутримолекулярных химических связей (глюкозы и других питательных веществ) превращается в более удобную форму - аденозинтрифосфат (АТР), являющийся универсальным энергоносителем для жизненно важных и всех прочих биохимических реакций, обеспечивающих жизнедеятельность клеток и организма в целом.

В митохондриях энергия генерируется наподобие того, как это происходит, например, на гидроэлектростанции, где вода крутит турбины (см. Рисунок 1). На предварительном этапе в результате биохимических реакций (в ходе каждой из которых генерируется небольшое количество энергии), энергия, заключенная в компонентах пищи, в форме электронов переносится на молекулы-носители, которыми служат никотинамидадениндинуклеотид (NAD+) и флавинадениндинуклеотид (FAD+). Эти электроны приводят в действие последовательность молекулярных "насосов", составляющих так называемую цепь переноса электронов, или электрон-транспортную цепь, и наполняющих "резервуары" для протонов, удерживаемые "плотиной" внутренней мембраны митохондрий.

Накопление протонов по одну сторону "плотины" создает электрохимическую силу, посылающую их "вниз", на другую сторону внутренней митохондриальной мембраны - так вода падает с плотины под действием силы тяжести. И точно так же, как на гидроэлектростанции за счет энергии падающей воды крутятся турбины, поток протонов приводит в действие содержащийся во внутренней мембране митохондрий комплекс V (F0\F1 ATP-синтазу), который играет роль турбины. "Вращение турбины" комплекса V сопряжено с фосфорилированием (присоединением фосфат-ионов) молекулы-носителя, которым здесь служит аденозиндифосфат (ADP), превращающийся соответственно в аденозинтрифосфат (АТР).

Однако, в отличие от гидроэлектростанции, превращение химической энергии, заключенной в компонентах пищи, в энергию, заключенную в молекулах АТР, происходит химическим путем. Как и при сгорании топлива (угля или дерева), при энергообразующем превращении ADP в аденозинтрифосфат потребляется кислород. Вот почему нам необходимо дышать, чтобы жить: кислород - конечный акцептор все тех электронов, которые берутся из питательных веществ и передаются по перекачивающей протоны цепи переноса электронов. Соответственно, весь цикл называется окислительным фосфорилированием. Если гидроэлектростанции (обычно) не загрязняют окружающую среду, то митохондрии кое в чем больше похожи на тепловые или атомные электростанции: в результате превращений энергии в митохондриях образуются токсичные отходы.

В процессе передачи электронов по цепочке протонных "насосов" от одного комплекса к другому какие-то электроны спорадически то тут, то там "уходят в аут". Такой потерянный электрон обычно подбирается молекулой кислорода, которая в результате оказывается с лишним, неспаренным электроном. Кислород служит конечным акцептором электронов, нормально прошедших по цепи переноса электронов, не потерянных; но при этом молекула кислорода получает не один электрон, а четыре и оказывается стабильной. А вот в результате присоединения одного электрона неопасная молекула кислорода становится особо важным свободным радикалом, называемым супероксидом. Образование АТР в митохондриях идет непрерывно и сопутствующее образование супероксида тоже непрерывное, подобно постоянной слабой утечке радиоактивных отходов в действующем ядерном реакторе.

medbe.ru