Лептин, клеточные мембраны и митохондрии

Современный взгляд на элевационную теорию Дильмана.

Учёные уже давно обратили внимание на этот факт, что человеческая старость связана с определёнными заболеваниями, чаще других возникающими на закате жизни. Первым, кто во второй половине ХХ века наиболее полно и хорошо изучил этот вопрос сцепления самых распространённых болезней со старением, был российский учёный В.М. Дильман. По утверждению  Дильмана, именно те процессы, которые в начале жизни служат для нормального развития организма, с течением времени приводят его к гибели. Данные своих наблюдений и исследований он положил в основу так называемой элевационной  теории старения.

Ключевую роль в своей теории Дильман отводил возрастным нарушениям работы расположенной в мозге гипоталамо-гипофизарной системы – главного координатора  процессов в  эндокринной системе.   По его мнению, основная  причина старения заключается в повышении с возрастом порога чувствительности гипоталамуса к регуляторным сигналам, поступающим от нервной системы и желез внутренней секреции. Из-за такого возрастного изменения в работе гипоталамуса нарушаются многочисленные механизмы саморегуляции нашего организма, построенные по принципу обратной связи, когда секреция одних гормонов и ферментов должна подавлять активность других.

В результате этого с возрастом в организме неуклонно и неудержимо растёт уровень некоторых веществ, к примеру, таких гормонов, как инсулин и кортизол, а также глюкозы, жирных кислот и холестерина. Вместе с этим наблюдается снижение физиологического уровня других веществ  (половых гормонов, нейромедиаторов и др.). Всё это вместе  создаёт условия для запуска  целого каскада биохимических реакций,   результатом  которых становится развитие таких возрастных патологий, как атеросклероз, гипертония и диабет.  Для всех этих патологий есть одно объединяющее их состояние – окислительный стресс, вызванный усилением генерации активных форм кислорода. После того, как окислительный стресс, набрав необходимой мощи, начнёт угрожать тяжёлыми повреждениями ДНК, в организме начнутся процессы, итогом которых может стать ускоренное старение и гибель организма.

Так, сегодня установлено, что в пожилом возрасте  в клетках  повышается содержание продуктов окислительного повреждения макромолекул, в том числе ДНК. Известно, что апоптоз, процесс самоуничтожения клетки,  в первую очередь индуцируется  в  клетках,  имеющих  нерепарированное (т.е. не устранённое) повреждение ДНК: два белка, р53 и р21, действуя синхронно, останавливают митотический цикл и запускают процесс самоуничтожения.  Ликвидация  такой клетки призвана не допустить её деления и  появления новых клеток-мутантов, которые могут привести организм  к гибели.  Главный хранитель генома, белок р53, обеспечивает генетическую стабильность и  однородность соматических клеток. Его задача ­ – жёстко следить за тем, чтобы   клетка, в которой произошли неисправимые повреждения и отклонения,  обязательно прекратила бы своё   существование и на свет не появились бы     генетически мутировавшие новые клетки.

Преждевременный уход из жизни не дал возможности Дильману ознакомиться  с результатами исследований последних лет, которые во многом подтверждают его теоретические предположения о возрастных изменениях в гипоталамической системе.  Так, было установлено, что возрастное повышение уровня в крови свободных жирных кислот   может вызывать гибель нейронов гипоталамуса по типу апоптоза, что, естественно, нарушает регулирование им эндокринной системы. Как правильно сформулировал Дильман, если в начале жизни человека жирные кислоты и холестерин служат для его  роста и развития, являясь структурными компонентами для построения клеток, то после  окончания  периода активного роста их уровень начинает неудержимо расти, сильно увеличиваясь под воздействием внешних факторов.

Важную роль в этих возрастных процессах играет гормон жировой ткани лептин и зависящая от него АМР-активируемая протеинкиназа (АМРК). Лептин – это основной гормон жировой ткани, с помощью которого происходит регуляция жировых запасов в организме. При помощи АМРК лептин способствует метаболизму жирных кислот в клетках, регулируя уровень их ?-окисления.   При недостатке энергетических запасов в виде жиров уровень лептина начинает падать, что путём сложных механизмов обратной связи через гипоталамическую систему вызывает чувство голода. Соответственно, когда энергетического субстрата имеется в достаточном количестве, уровень лептина растёт, что приводит к чувству насыщения и к повышению окисления жирных кислот в митохондриях.

Как только энергетических запасов становится существенно больше, чем это нужно для нормального существования человека (как это часто бывает при малоподвижности и старении), лептин теряет свои регулирующие свойства и возникает лептинорезистентность. Установлено, что имеется критическая отметка уровня лептина, составляющая 30 нг/мл, после достижения которой его действие на лептинзависимые участки мозга прекращается. Гипоталамус перестаёт получать и посылать сигналы, регулирующие аппетит, и уровень жирных кислот, окисление которых из-за резистентности к лептину уменьшается, начинает показывать неуклонный рост.

Эта возрастная резистентность к лептину всегда соседствует с ещё одной возрастной резистентностью, к другому регуляторному гормону, инсулину. Скорее всего, они возникают практически одновременно, так как регулируют одни и те же метаболические пути – пути запасания и расходования энергии и очень тесно связаны между собой. Кроме всего прочего, их объединяет несколько  общих ингибиторов, блокирующих  сигнальные пути как инсулина, так и лептина –  такие, как, к примеру, супрессор сигнального пути 3 (SOCS3) и протеин-тирозин-фосфатаза-1 (PTP1). Также недавно было установлено, что блокирование  ключевой киназы в сигнальном пути инсулина, фосфатидилинозитол-3-киназы, обеспечивающей поступление глюкозы в клетки, одновременно «выключает» и действие лептина.

Закрепившись на какое-то продолжительное время, инсулино-лептиновая резистентность вызывает  стабильное повышение уровня жирных кислот (ЖК) и накопление их в нежировых тканях – в печени, скелетных и сердечных мышцах, поджелудочной железе, тимусе. Все эти органы и ткани оказываются очень уязвимыми и, по сути дела, беззащитными перед негативным воздействием избытка ЖК. Этот избыток приводит к парадоксальной ситуации: на фоне имеющегося большого (а иногда – и огромного) запаса энергетических субстратов (ЖК и глюкозы) клетки организма находятся на постоянном энергетическом «голодном» пайке, так как нарушается синтез энергетического носителя в клетках, аденозинтрифосфата (АТФ). Это нарушение синтеза АТФ, вызванное переизбытком жирных кислот, сегодня является твёрдо установленным фактом.

Всё дело в том, что ЖК являются мощными факторами, инициирующими   процесс разобщения   окисления от фосфорилирования. И вот как это происходит. Всем хорошо известно, что полные люди легко переносят холод, гораздо лучше, чем противоположное климатическое явление – жару. Легко справляться с холодом им помогает жирозависимый механизм разобщения окисления и фосфорилирования, который является нормальным физиологическим процессом, призванным не дать организму замёрзнуть. Как только температура окружающей среды понижается, происходит активация фермента под названием липаза, которая расщепляет имеющиеся в организме жировые запасы.  Так  начинается липолиз – высвобождение  жирных кислот из  жировых отложений.  Жирные кислоты устремляются в кровь и начинают накапливаться в митохондриальной мембране. Такое накопление приводит к тому, что процесс окисления и фосфорилирования разобщается: жирные кислоты делают митохондриальную мембрану негерметичной и проницаемой, как решето. Из-за этого протонный потенциал, который нужен для синтеза АТФ, не может накопиться внутри митохондрий, а весь рассеивается, превращаясь в тепло.

Этот процесс имеет такую последовательность: анион жирной кислоты (RCOO-) присоединяет на внешней поверхности митохондриальной мембраны ион Н+, откачиваемый из митохондрий ферментами дыхательной цепи; затем происходит  диффузия протонированной жирной кислоты (RCOOH) к внутренней поверхности митохондрий; вслед за этим осуществляется диссоциация RCOOH с образованием RCOO- и иона Н+ внутри митохондрии; и заключительный этап – перенос RCOO- посредством АТФ / АДФ-антипортера или разобщающего белка к наружной поверхности митохондриальной мембраны.

Когда запасов жиров в организме становится значительно больше, чем это предусмотрено природой, всё переворачивается с ног на голову, и полезный адаптивный механизм терморегуляции становится постоянным фактором возникновения дефицита энергии из-за снижения синтеза АТР. А всё потому, что в клетках жировой ткани, адипоцитах, из-за их резистентности к инсулину усиливается тот самый липолиз, в нормальных условиях подавляемый инсулином, в следствие чего происходит постоянное высвобождение жирных кислот  из жировых запасов. А это, в свою очередь, ведёт к тому, что они будут накапливаться во внутренней митохондриальной мембране, постоянно разобщая окисление и фосфорилирование.  Возникнет характерное для пожилого возраста состояние – дисфункция митохондрий.
Это подтверждают исследования  скелетных и сердечных мышц пожилых или тучных людей, для которых характерно большое снижение  функции митохондрий, а также нарушение их биогенеза.  Так, в своих исследованиях японский учёный Т. Озава показал, что дефицит нормальных митохондрий в тканях сердца пожилых людей может доходить до 90%. Основными причинами, которые формируют дисфункцию митохондрий являются:  а) перегрузка дыхательной цепи электронами в условиях гипоксии; б) снижение активности цитохромоксидазы и Mn-супероксиддисмутазы (как следствие, увеличение продукции супероксидного радикала дыхательными комплексами); в) истощение митохондриального пула восстановленного глутатиона (как следствие, снижение способности ключевых митохондриальных ферментов противостоять окислительным повреждениям).
Жирные кислоты могут разобщать окисление от фосфорилирования ещё одним способом: посредством перекисного окисления липидов (ПОЛ). Как известно, избыток в организме ЖК приводит к увеличению генерации активных форм кислорода (АФК), что влечёт за собой возникновение цепной реакции ПОЛ.   Продукты ПОЛ в свою очередь, воздействуя на  липидную фазу мембран, делают её проницаемой для ионов водорода и кальция, что и   приводит  к разобщению окисления и фосфорилирования. 
И ещё одним возрастным патогенным фактором, негативно влияющим на синтез АТР,  выступает холестерин: накапливаясь с возрастом в мембранах эритроцитов, он уплотняет её и затрудняет проникновение кислорода, чем  ослабляет основную, кислородонесущую функцию эритроцитов. Повышение содержания в эритроцитах гликозилированного гемоглобина, наблюдаемое с возрастом, также негативно сказывается на переносе ими кислорода. Как справедливо заметил академик Ю. А. Владимиров, для развития патологических процессов в организме характерно образование «порочных кругов» (а также  цепных реакций),   когда одно возникшее нарушение приводит к возникновению другого, которое, в свою   очередь, начинает усиливать и усугублять первое, порождая всё новые и новые отклонения. Так же  происходит и в случае с возрастной дисфункцией митохондрий: возникнув на фоне избыточного накопления жирных кислот и холестерина, такая дисфункция в свою очередь приводит к усилению окислительного стресса и ещё большему накоплению жирных кислот, так как нарушается их нормальное  окисление.

Как верно указывал в своих работах Дильман, в старости наблюдается неконтролируемое и неестественное повышение аппетита, связанное, кроме описанной выше резистентности к лептину, ещё и с уменьшением синтеза АТФ в клетках печени, уровень которого действует в них как главный датчик энергетического состояния  в организме. Кроме этого, на ненормальное повышение аппетита влияет возрастное снижение уровня нейромедиаторов. В результате  всего этого происходит сбой в регулировании аппетита гипоталамусом: возрастное уменьшение физической активности влечёт за собой не понижение аппетита (что должно происходить в норме), а, наоборот, его повышение.

Вместе с уменьшением синтеза АТФ и повышением аппетита, в печени начинается процесс глюконеогенеза, пагубность которого часто недооценивается многими специалистами. Когда в скелетных мышцах, главных потребителях глюкозы, возникает возрастная или патологическая невосприимчивость к инсулину, клетки начинают сигнализировать в мозг об энергетическом дефиците. В ответ на это в печени запускается процесс синтеза молекул глюкозы из подручных средств, и основными подручными средствами в этом процессе оказываются белки мышечной ткани, а также белки лимфоцитов. Такое ослабление иммунитета из-за изымания белков лимфоцитов, конечно же, не проходит для организма даром и вместе с возрастной инволюцией главного органа иммунной системы, тимуса, выльется со временем в тяжёлые имунно-депрессивные состояния.

Как только в организме возникнет стойкий дефицит энергии,  АТФ, в клетке нарушится работа ионных насосов, выкачивающих из неё натрий и кальций. Последующее за этим увеличение содержания внутриклеточного кальция активирует фосфолипазу А2, которая находится во внутренней мембране митохондрий. Физиологическая функция фосфолипазы А2 – удаление из мембраны участков, окисленных АФК. После   активации кальцием фосфолипаза А2  может стать причиной гибели митохондрии. Она расщепляет фосфолипиды митохондриальной мембраны,  из-за повреждения липидного слоя мембрана теряет свои физиологические свойства: в ней образуются поры, через которые в митохондрию «хлынут» катионы из окружающего пространства. Вместе с катионами будет наблюдаться неестественное накопление фосфатов и увеличение содержания воды внутри митохондрии. Такое накопление жидкости может закончиться отёком и разрывом мембраны митохондрии, что, естественно, приведёт к гибели последней.
Как уже говорилось выше, свой вклад в возрастное снижение выработки АТФ вносят патологические изменения в мембранах эритроцитов. Вообще, надо сказать, что возрастные изменения в мембранах почти всех клеток человеческого организма очень схожи между собой, так как вызываются одними и теми же причинами: повышением уровня холестерина и замещением в мембранных фосфолипидах (ФЛ) ненасыщенных жирных кислот насыщенными. Такие изменения   всегда приводят к одному и тому же последствию:  накопление в мембране холестерина и обогащение  ФЛ насыщенными жирными кислотами повышает микровязкость мембраны, в следствии чего нарушаются многочисленные сигнальные каскады внутри клетки.

Проще говоря, загрубевшая и затвердевшая мембрана становится плохо или совсем непроницаемой для сигналов разнообразных гормонов, регулирующих внутриклеточные процессы.  Клетка становится как бы «тугой на ухо», а такое состояние – первый шаг к запрограммированной гибели, апоптозу. Рассмотрим более подробно, как именно развиваются возрастные патологические изменения  в мембране клеток.

Биологическими  мембранами «укутаны»,  словно дети заботливой материнской рукой, все клетки и внутриклеточные структуры: ядра, митохондрии, пероксисомы, фагосомы, синаптосомы,  лизосомы, эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи. Объединяющим свойством всех мембран является липидный  бислой (бимолекулярный  слой  липидов), основное предназначение  которого – служить преградой от проникновения внутрь клетки или органеллы ионов и молекул и быть структурной основой для функционирования многочисленных рецепторов и ферментов, с помощью которых регулируются внутриклеточные процессы. Белковые молекулы, встроенные в липидный бислой, выполняют роль своеобразных шлюзов, образуя т.н. селективные каналы, с помощью которых избирательно  пропускают внутрь через мембрану те или иные ионы и молекулы. Также встроенные белки служат в качестве перекачивающих ионы насосов,  посредством которых поддерживается  определённое соотношение ионов  между  клеткой  и  внеклеточной  средой,  необходимое для функционирования     внутриклеточной  регуляции  и  обмена  сигналами  в  форме  электрического импульса между клетками.

Каждая разновидность мембраны  отличается   определённым набором белков и белковых соединений, выполняющим роль рецепторов.  Эти белки встраиваются в липидный бислой, словно в матрицу, и обеспечивают множество разнообразных жизненно важных функций: накопление АТФ, активацию гормонами внутриклеточных сигнальных путей, распознавание чужеродных белков и пр. Не будет большим преувеличением сказать, что все основные биохимические процессы в клетке, а значит – и в организме человека,  регулируются при помощи мембран. В состав мембранного липидного слоя входят три основных компонента: фосфолипиды,  сфингомиелины и холестерин. Фосфолипиды, в которых происходят главные возрастные   изменения, подразделяются на пять основных видов: фосфатидилхолин,  фосфатидилсерин,  фосфатидилэтаноламин,  фосфатидилинозит и кардиолипин.  Все они состоят из глицерина, двух жирных кислот, фосфорной кислоты, а также индивидуального для каждого фосфолипида «придатка»:  холина, серина,  этаноламина,   инозитола и др.

Возрастное уменьшение  синтеза АТФ вместе с окислительным стрессом   становятся причиной повышения содержания на поверхности клетки  одного из фосфолипидов, фосфатидилсерина. Такая клетка воспринимается иммунными клетками как «больная» и уничтожается. Лейкоциты, которые распознают фосфатидилсерин  на внешней стороне клеточной мембраны,  отправляют клетку в принудительный апоптоз. Данный пагубный сценарий реализуется при помощи специальных веществ, выделяемых лейкоцитами – перфоринов и гранзимов.  Этот апоптогенный механизм напоминает собой выстрел из пушки  кумулятивным снарядом, прожигающим броню танка и взрывающемся внутри: сначала перфорин проделывает отверстие в клеточной мембране, в которое затем входят гранзимы и запускают процесс самоуничтожения.  Кроме этого, появление фосфатидилсерина во внешней плазматической мембране, по всей видимости, запускает процесс апоптоза путём активации специфического рецептора, который шлет внутрь клетки апоптотический сигнал. Не случайно академик Скулачёв, много лет посвятивший изучению механизмов апоптоза, определил проапоптотическую роль фосфатидилсерина как «зловещую» .

И опять мы здесь можем наблюдать возникновение очередного «порочного круга», когда первоначально возникший избыток жирных кислот и дефицит энергии приводит к активации свободно-радикального окисления, что, в свою очередь,   повреждает белки и липиды мембран и ещё более усугубляет дефицит энергии. Утратившая после всех изменений свою нормальную микровязкость, клеточная мембрана становится неспособной исполнять свои физиологические функции, нарушая работу многочисленных сигнальных путей. Нарушается функциональная  активность клеток и их способность к делению, снижается чувствительность клеток к ростовым факторам. Уменьшается количество нормально функционирующих рецепторов и белковых структур, таких, как транспортёр глюкозы GLUT, который из-за возросшей вязкости не сможет совершать нужные конформационные изменения своей молекулы, необходимые для осуществления переноса глюкозы внутрь клетки.

Ну, и самое главное: вызванная нарушением свойств мембраны неспособность клетки реагировать на внешние сигналы – это прямой путь к запуску механизма самоуничтожения клетки. Клетка любой ткани не может существовать изолировано, в отрыве от «коллектива», и, оставшись одна, наглухо отгороженная затвердевшей мембраной, неминуемо кончает с собой. Это происходит потому, что на поверхности клеточной мембраны, кроме всего прочего,  расположены антиапоптозные рецепторы, которые активируются  сигналами от специальных внеклеточных антиапоптических белков, специфических для каждой ткани. Без такого сигнала клетка существовать не может, так как его исчезновение создаёт негативный баланс между антиапоптозной и проапоптозной системами,  в результате чего и происходит активация процесса самоуничтожения.

Этот механизм поддержания жизни клетки при помощи побуждающих её к жизни внешних сигналов с некоторой долей вероятности можно спроецировать и на поддержание жизни всего организма. Ведь, как известно, люди, чувствующие свою нужность и социальную значимость, живут гораздо дольше всеми забытых изгоев и одиночек. Подавляющее число долгожителей доживает до глубокой старости, окружённые заботой любящих детей, внуков и правнуков.

Хорошим примером в этом смысле могут служить судьи Верховного Суда США, которых избирают пожизненно и которые, возможно, не в последнюю очередь, благодаря этому являются рекордсменами по числу долгожителей среди представителей всех профессий в Америке. В одной из своих работ академик В.П. Скулачёв высказал весьма логичное предположение, что именно наличие таких социально значимых сигналов служит одной из причин существенной разницы в продолжительности жизни женщин и самок приматов, когда первые, утратив свою репродуктивную функцию, могут прожить ещё длительное время, передавая свой опыт подрастающему поколению, а вторые (самки приматов) умирают сразу по окончании репродуктивного периода, сделавшись обузой для своего окружения.

Причины, ведущие к повышению содержания насыщенных жирных кислот и холестерина в клеточных мембранах, сегодня уже хорошо изучены.  К замещению в фосфолипидах  ненасыщенных жирных кислот более насыщенными приводит, прежде всего, избыток последних в организме и их окисление вне митохондрий.  В следствие этого активизируются процесс  перекисного окисления липидов. Главной «жертвой» этого процесса становятся ненасыщенные жирные кислоты, входящие в состав мембран и легко поддающиеся окислению. Дефицит так называемых эссенциальных полиеновых кислот, вызванный особенностями диеты (преобладанием в ней жирных мясных и молочных продуктов и малым количеством морепродуктов), также способствует накоплению насыщенных жирных кислот в фосфолипидах.

Ещё одной  причиной накопления в клеточных мембранах насыщенных жирных кислот выступает блокада их поглощения клетками активным путём – при помощи специальных апо-Е/В-100 рецепторов. Такую блокаду часто можно встретить  в пожилом возрасте и при различных патологиях, таких, к примеру, как атеросклероз и диабет.   Из-за блокирования активного пути поглощения, насыщенные жирные кислоты начинают поступать в клетки пассивным путём, осуществляющимся в несколько этапов:  гидролиз  в крови триглицеридов, высвобождение и взаимодействие жирных кислот с альбумином и   их транспорт к клеткам.

В результате этого   насыщенные ЖК формируют в мембране клетки   своеобразные «пропускные пункты» – локальные участки, через которые начинает осуществляться пассивная диффузия одно- и двухвалентных катионов по градиенту концентрации. Такая диффузия приводит к дисбалансу катионов: увеличению уровня натрия и кальция и уменьшению содержания калия и магния. А, как мы помним, повышение уровня внутриклеточного кальция ведёт к активации фосфолипазы А2 и к гибели митохондрий.

Чтобы противостоять нежелательному накоплению натрия и кальция, в клетке начинает развиваться ответная  реакция. Для того, чтобы откачать их из цитозоля,  активируются  специальные Na- и Ca-АТФ-азы и повышается синтез эндогенного (т.е. внутреннего) холестерина. Это повышение уровня холестерина   носит вначале позитивный адаптивный характер  и обеспечивает временное блокирование свободного доступа натрия и кальция в клетку, встраиваясь в мембране в «пропускные пункты», сформированные жирными кислотами, и понижая в них содержание воды. Долгосрочное же повышение содержания холестерина в мембране делает её всё более плотной и нарушает функции интегральных белков.

Справедливости ради, следует сказать, что и противоположное  явление – большое содержание самых ненасыщенных кислот в мембранах,  также может негативно сказываться на судьбе клетки и величине продолжительности жизни. Существует чёткая корреляция между уровнем насыщенности жирных кислот в мембранах и продолжительностью жизни животных: чем больше в мембране ненасыщенных кислот, тем меньше продолжительность жизни животного. Испанский биолог  Р. Памплоне со своими коллегами  приводит такую последовательность, показывающую увеличение срока жизни при одновременном уменьшении содержания в мембранах самой ненасыщенной докозагексаеновой  ?-3 ЖК:   мышь > крыса > кролик > человек > кит. Такую закономерность легко объяснить, ведь ненасыщенные ЖК являются главными «жертвами» перекисного окисления липидов. Таким образом, жирнокислотный состав мембран животных, которым свойственна более длительная продолжительность жизни, демонстрирует «золотую» середину:  малое количество совсем ненасыщенных  докозагексаеновых 22:6 ?-3 ЖК и преобладание менее ненасыщенных линоленовых 18:03 ? -3 ЖК, что создаёт тот самый баланс, который обеспечивает как защиту от воздействия активных форм кислорода, так и сохранение необходимой текучести мембраны.

globalscience.ru