Отходы способствуют старению

Как в любом хозяйстве, в клетке образуются отходы - неизбежный продукт ее нормального функционирования.

Как и людские хозяйства, клетки избавляются от большей части отходов, хотя и реутилизуют столь существенную их долю, что большинство заботящихся об экологической обстановке предприятий и жилищ были бы посрамлены.

Но не все свои отходы клетка может ликвидировать, и эта часть их накапливается, в конце концов причиняя клетке вред.

Несколько лет назад придумали новый подход к проблеме накопления клеточных отходов, который служит примером в этой области знаний - плодотворности широкого междисциплинарного взгляда, который так редко встретишь в современной биологии.

Наскоро оглядев окрестности Кольдхэмской пустоши, вы бы поначалу сочли ее ничем не выдающимся, довольно скучным местом - ни то, ни се, небольшое поле в центральной Англии. Но, узнав его историю, вы бы переменили свое мнение, увидев внутренним взором мрачный, продуваемый всеми ветрами дикий простор словно материализовавшегося пейзажа из "готического" ужастика посреди рассеченной железной дорогой равнины, ограниченной футбольными полями и автостоянками. Хотя это место иногда используется для общественных мероприятий или выпаса скота, большую часть года оно безлюдно и заброшено, известное лишь своей связью с массовой гибелью людей.

В конце XVII в. по Англии шествовала, кося людей, чума. Когда ее ледяные щупальца вползли в Кембридж, жертвой пали то ли треть, то ли половина его преподавателей, включая 16 из 40 университетских профессоров. А молодой Исаак Ньютон спасся бегством. После выжившие второпях похоронили большинство павших анонимно в неосвященной земле. Даже еще прежде чем стать братской могилой, эта земля несла тень связи с заразой и смертью: самая стойкая деталь пейзажа здесь - это развалины Кембриджского лепрозория XII в. Как установлено измерениями, на Кольдхэмской пустоши почти всегда на несколько градусов холоднее, чем на окрестных мощеных улицах.
Терзайтесь, Виктор Франкенштейн!
Изложенное выше - отчасти поэтическая вольность: копали землю не мы, а кембриджская аспирантка и на самом деле образцы почвы она взяла на Мидсаммерской пустоши, а не на рядом расположенной Кольдхэмской. Но это так, между прочим. Чтобы понять, что она там делала, давайте перенесемся с кладбища на помойку.
Куда девать отходы
Пихаем ли мы в мусорное ведро, не задумываясь, все подряд или тщательно сортируем и откладываем то, что подлежит реутилизации, все равно у жителей развитых стран каждый день накапливается гора мусора. Решив, что та или иная вещь вам больше не нужна или испорчена до такой степени, что ее починка не стоит усилий, вы просто суете ее в мешок или бак для мусора и выносите на улицу в твердом расчете на то, что безымянные труженики коммунального хозяйства заберут его с ваших глаз долой, а вам нечего беспокоиться.

Благодаря развитой и вобщем достаточно эффективной инфраструктуре ликвидации отходов успешно убираются колоссальные количества ежечасно выбрасываемого в жилищах, общественных и рабочих местах, на улицах и т.д., так что эти пространства остаются в безопасной чистоте.

Но так было, конечно, не всегда. На протяжении большей части истории цивилизации улицы городов являли собой сущие помойки, так как жители вываливали мусор и выплескивали помои попросту в окно, не заботясь, что или кто там внизу. Большинство из нас и представить себе не может, что за грязь и вонь царили в людских поселениях, где неприбранные отходы превращали округу в поистине опасное для здоровья и жизни место.

И так было еще сравнительно недавно. Ущерб для жизни из-за баснословно грязной и потому буквально ядовитой окружающей среды можно оценить по данным об ожидаемой продолжительности жизни в районах с разными условиям в Англии XVII в. В сельской местности она составляла 30-40 лет, а в Лондоне 21-34.

Те, кто был свидетелем забастовки мусорщиков 1976 г., практически парализовавшей Лондон, не понаслышке знают, что функционирование системы сбора отходов критически важно для здоровья и нормального хода повседневной жизни. Невероятно быстро воздвигаются прямо-таки горы мусора чуть ли не трехметровой высоты, и эти шаткие сооружения рассыпаются от ветра или добавления новых порций мусора.

Сия картина отвратительна не только на вид и запах: отбросы привлекают разнообразных животных и микроорганизмы, включая возбудителей заболеваний, особенно когда наружу вываливается содержимое мешков с мусором, распотрошенных животными, порвавшихся от ветра, размокших от дождя и разжижения гниющих отбросов. По тротуарам не пройти, и даже на проезжей части возникают препятствия. Люди стараются не выходить на улицу без особой надобности. Такая забастовка была в 1968 г. в Нью-Йорке; продлившись девять дней, она, можно сказать, поставила город на колени.

Вот что-то в этом роде, а в некотором смысле еще худшее происходит в ваших клетках по мере старения. В стареющей клетке это не временное "приостановление услуг", а прогрессирующая дегенерация систем ликвидации и утилизации отходов, по сравнению с последствиями которой результаты плохой работы городских мусорщиков покажутся образцом соблюдения санитарных норм.

Лизосомы -  центры реутилизации, так как функция этих органелл состоит не просто в полном разрушении клеточных отходов, но в расщеплении их на молекулярном уровне до компонентов, которые могут быть использованы как сырье для биосинтеза различных структур - мембран, ферментов и других важных частей клеточных механизмов. Сравнение лизосом с мусорной печью отражает их замечательную мощность в молекулярном "расчленении" поступающих в них материалов, а также химическую природу (горение - это химическая реакция) процессов лизосомального расщепления клеточных отходов на их основные компоненты.

В клетке имеются разнообразные механизмы для переработки и повторного использования поврежденных компонентов; лизосомы занимаются самыми "противными" отходами, включая то, с чем не справились другие системы переработки. Кроме того, когда эти другие системы сами изнашиваются или повреждаются, лизосомы перерабатывают и их (вместе с полупереработанным содержимым).
Сортировка отходов
Живая клетка, как всякое хозяйство, постоянно поглощает одни материалы, производя другие и образуя различного рода отходы. Одна из разновидностей отходов сродни упаковкам, одноразовым ручкам, вышедшим из моды безделушкам. Такие вещи некогда сослужили свою службу, но теперь в них больше нет нужды и от них рады избавиться. Так и с некоторыми клеточными компонентами. Ферменты и сигнальные молекулы вроде предметов одноразового пользования: они производятся для временного или однократного применения в ответ на сиюминутные условия внутри или вокруг клетки, и, выполнив свою задачу, они подлежат деградации.

Другая разновидность отходов подобна тем предметам, которыми вы бы продолжали пользоваться, да они - вот беда! - поломались: разбитый бабушкин фарфор, испорченная винным пятном блузка и т.п. Так же и клеточные компоненты: - от мелких (отдельные ферменты) до очень крупных (целые органеллы, например митохондрии) - могут утратить функциональность в результате повреждения на молекулярном уровне свободными радикалами и другими вредоносными продуктами "изнанки" метаболизма.

Отходы третьего типа - откровенно вредные, токсичные вещества. Подобно тому, как полезный пищевой продукт (скажем, творог) в результате химических изменений (например, под действием плесневых грибов) может стать опасным для здоровья, так и нормальные составляющие клетки иногда превращаются в ядовитые для нее из-за изменения своей структуры или вредно влияют, оказываясь в избытке. Увидев плесень в пачке с творогом, вы, разумеется, выкинете ее вместе с упаковкой. Клетке тоже необходимо избавляться от опасных веществ, возникающих на месте нужных.
Некрасивые подробности
Все эти клеточные отходы (за исключением опять-таки тех, которые ликвидируются более простыми механизмами) отправляются в лизосомы. Функционирование лизосом обеспечивает надлежащую переработку отходов, удаление токсичных побочных продуктов нормальной клеточной жизнедеятельности, возврат в клеточное хозяйство годных к использованию "стройматериалов" из состава расщепленных клеточных компонентов и освобождение места для нормальных, функционирующих.

Что же конкретно представляют собой эти "мусорные печи" клетки? Лизосома - это ограниченная мембраной органелла, содержащая разнообразные ферменты, каждый из которых предназначен для воздействия на то или иное "слабое место" в химической структуре подлежащего ликвидации продукта, который иначе накопится в клетке и причинит вред.

Лизосомальный фермент сначала связывается с объектом разрушения, содержащим химическую структуру, на которую данный фермент рассчитан, а затем меняет свою форму наподобие лапчатого лома, физически раздирая объект на части. Обычно разрыв осуществляется путем химической реакции гидролиза (гидролиз - расщепление с участием молекул воды, от греч. hydrae - вода); делающие это ферменты называются, соответственно, гидролазами.

Как в точности протекает реакция гидролиза, для наших целей не очень важно, но следует помнить об одном ключевом обстоятельстве. Для того, чтобы расщепить данный отход, в лизосоме должен быть пригодный фермент (т.е. такой, который специфически связывается с отходом и расщепляет его в уязвимом месте) и достаточно кислое внутреннее содержимое (для гидролазной активности требуется кислая среда).

Последнее требование важно потому, что форма ферментов и других белков зависит от рН среды (т.е. от содержания в ней ионов водорода - носителей "кислотности"). И если в лизосоме окажется не тот рН, какой нужен для действия данного фермента, его форма исказится так, что он не сможет играть свою разрывающую роль, как никуда не годится выпрямленный лапчатый лом. Кислая среда также необходима для работы белков, переносящих некоторые отходы внутрь лизосом; даже слабая нейтрализация уже препятствует поступлению "мусора" в центр его реутилизации.

Лизосомальные ферменты, как и другие клеточные белки, синтезируются в цитоплазме согласно инструкциям, содержащимся в ядерной ДНК. Новосинтезированные ферменты переправляются в лизосомы, но механизм переноса совсем иной, нежели митохондриальный комплекс TIM/TOM (TIM - транслоказа внутренней митохондриальной мембраны, TOM - наружной). Протоны, создающие кислую реакцию среды внутри лизосомы, поступают туда путем активного транспорта из цитоплазмы при помощи потребляющего энергию (т.е. аденозинтрифосфат - АТР) насоса, расположенного в лизосомальной мембране (так называемой вакуолярной АТР-азы).
Неполное сгорание
Вряд ли вы удивитесь, узнав, что, если в организме не производится какая-либо лизосомальная гидролаза, необходимая для расщепления определенных отходов, образующихся в некоторых клетках, или если образуется дефектный вариант этого фермента, неспособный нормально осуществлять свою функцию, то возникают вредные последствия. Именно так развиваются заболевания из группы редких, но хорошо диагностируемых наследственных расстройств, называемых лизосомальными болезнями накопления (сокращенно LSD - от англ. lysosomal storage diseases).

Таких заболеваний известно около сорока, но, к счастью, любое из них встречается лишь у одного из 7500 человек. У всех больных имеет место та или иная недостаточность функции лизосом. Во многих случаях полностью отсутствует ген какого-либо лизосомального фермента или наличествует мутантный его вариант, по которому образуется искаженная, нефункциональная гидролаза. В других случаях отсутствует или дефектен один из специализированных транспортных белков на поверхности лизосомальной мембраны, из-за чего соответствующие отходы не могут попасть внутрь лизосом, где должны расщепляться.

Независимо от конкретного варианта результатом таких мутаций становится смертельное дегенеративное заболевание. Специфика и тяжесть клинической картины различны при разных LSD и зависят от того, какой именно фермент отсутствует или плохо работает в данном случае. Клетки различных типов производят разные отходы с различной скоростью, и накопление каждого из них имеет свои патологические последствия.

Но во всех случаях поражены многие органы. При болезни Гоше увеличена селезенка и развивается малокровие. Болезнь Нимана-Пика известна в двух вариантах: при быстро развивающемся заболевании (тип А) увеличены печень и селезенка и от рождения начинается дегенерация нервов, что приводит к смерти больного в возрасте 2-3 лет; при более медленно прогрессирующем заболевании (тип В) наблюдаются жировые образования на коже и желтые узелки на веках, шее или спине, увеличены печень, селезенка и лимфатические узлы. При синдроме Гурлера искажены черты лица и деформированы кости наряду с увеличением печени и селезенки, ригидностью суставов, ухудшением зрения, рано развивающимся слабоумием и потерей слуха.

В подробностях причинно-следственная связь между неэффективной ликвидацией тех или иных отходов и конкретными патологическими изменениями далеко не во всех случаях установлена, но общая картина ясна. Не уничтоженные отходы накапливаются в лизосоме, которая от этого увеличивается в размерах и занимает в клетке слишком много места, мешая перемещению прочих клеточных компонентов. Внутри лизосомы концентрация кислот и ферментов падает, из-за чего поступление и расщепление других отходов, для деградации которых имеются нормальные ферменты, замедляется, так что возникает порочный круг.

В некоторых случаях токсичные нерасщепленные отходы накапливаются в цитоплазме. Так может получиться из-за того, что они не могут попасть в перегруженные лизосомы или потому, что нарушилась целостность лизосомы либо она вообще разорвалась и выплеснулось ее опасное для остальной клетки содержимое, включая кислоты и ферменты.
Пределы возможностей лизосом и смертоносные отбросы
Помимо страшных рано проявляющихся патологических изменений, от которых страдают жертвы наследственных расстройств, давно известно, что у всех людей в лизосомах с возрастом накапливается недорасщепленный материал. В частности, из жировых и белковых компонентов мембран и других органических молекул, а также реакционноспособных металлов (медь, железо) формируется и накапливается смешанная вязкая субстанция, называемая липофусцином, или в популярной литературе пигментом старения. Его легко увидеть при помощи микроскопа, так как под действием света определенной длины волны он выглядит красным.

Липофусцин - не индивидуальное вещество, этим словом объединяют смесь отходов, которые прошли через лизосомы, но устояли перед их ферментами. Вследствие атак свободных радикалов и гликозилирования (случайного соединения различных полипептидных цепей в результате взаимодействия с сахарами в крови и клетках) структура этих веществ исказилась так, что участки, на которые могут действовать лизосомальные гидролазы, стали недоступны и окончательное расщепление невозможно (как если бы неразумное дитя схватило изобретательно сложенную фигурку оригами и смяло ее так, что развернуть ее уже не получается). В итоге такой материал должным образом не расщепляется и, как правило, не может покинуть лизосомы и клетку, так что образуются его скопления, занимающие все больше места в лизосомах долгоживущих клеток, например сердца и мозга.

Впервые обнаруженный в XIX в., липофусцин не привлекал внимания в медицинской биологии до 1970-х годов, когда он стал предметом горячих дискуссий среди биогеронтологов. В то время большинству исследователей казалось очевидным, что липофусцин вреден: он медленно заполняет клетки (например, у старых особей приматов в клетках сердечной мышцы он занимает до 10% общего пространства) и ход его накопления параллелен дисфункции клеток у стареющих животных и человека.

Действительно, скорость накопления липофусцина в сердце у данного вида пропорциональна скорости старения: у обезьян двух разных видов в пубертатный период, в зрелом возрасте и в старости при значительной разнице в календарном возрасте на одинаковых стадиях жизненного цикла отмечается примерно одинаковое содержание липофусцина, накапливающегося в клетках. Многие авторы выдвигали механистическую гипотезу, согласно которой роль липофусцина в старении сходна с патогенезом лизосомальных болезней накопления: лизосомальная недостаточность, накопление отходов, нарушения клеточного транспорта, высвобождение токсичных ферментов и кислот из порвавшихся лизосом.

Но дело было спорное. Многие ученые полагали, что липофусцин не вредный отчасти именно потому, что он с трудом поддается деградации. Реакционноспособные участки в его молекулах уже забиты и сцеплены вследствие свободнорадикальных атак и гликозилирования, так что липофусцин химически вполне инертен и не взаимодействует с биологически важными молекулами, как свободные радикалы и другие токсичные вещества. Кроме того, в экспериментах на животных ускорение накопления липофусцина (в результате снижения количества витамин Е в рационе) не приводило к сокращению продолжительности жизни, как того можно было бы ожидать от воздействия, усиливающего причину старения.

Однако сообщения об этих экспериментах подверглись острой критике со стороны специалистов, поскольку не было четко показано, что материалом, накапливавшимся в результате дефицита витамина Е, действительно был липофусцин. В более ранних публикациях липофусцином нередко называли другие, родственные вещества (часто называемые цероидом), у которых много общего с липофусцином, но они гораздо легче расщепляются клеточными механизмами.

Вероятно, дефицит витамина Е вызывал усиление образования этого относительно легко поддающегося переработке материала, тогда как на уровень настоящего липофусцина он не влиял. Более того, хотя накопление цероида связывали с различными заболеваниями (при которых не происходит деградации в норме расщепляемых веществ - как бы негенетические болезни накопления), явного отношения к "нормальному" старению цероид не имел.

И споры ходили по кругу. Как часто случалось на заре биогеронтологии, когда данные были неоднозначными, а терминология неточной, виделось мало надежды достигнуть ясности.

Изучая роль липофусцина в культивируемых сердечных клетках, Брунк сделал первоклассную работу, явившуюся важным методическим достижением, особенно потому, что клетки сердца в организме не делятся. Вообще, когда клетка делится, имеющиеся в ней отходы, включая липофусцин, распределяются между двумя дочерними клетками. Дочерние клетки получают примерно по половине, и так происходит при каждом клеточном делении. Если данный отход производится с небольшой скоростью, его разбавление в ряду поколений клеток полностью уравновесит образование, и критический уровень концентрации, за которым начинается накопление, не достигается.

Именно так получается в быстро размножающихся клетках кожи, которые использовались во многих более ранних исследованиях. В них содержание липофусцина и других отходов не нарастало, из-за чего они не могли служить моделью для изучения эффектов лизосомального накопления в таких важных клетках, как нервные и сердечные, которые в норме в организме не делятся. Это давно было ясно, но сердечные клетки мучительно трудно культивировать. Трудность эта во многом обусловлена высокой концентрацией кислорода в атмосферном воздухе. Культуры клеток, как правило, содержат при обычном атмосферном давлении, хотя в организме концентрация кислорода в семь раз меньше.

Брунк выращивал долгоживущие сердечные клетки при более физиологической концентрации кислорода и показал, как при усилении оксидативного стресса (т.е. при повышении концентрации свободных радикалов) возрастает образование липофусцина. Он также подтвердил ранее высказывавшееся предположение о том, каким образом накопление липофусцина может нарушать способность клеток к реутилизации использованных компонентов. И в довершение этого Брунку удалось продемонстрировать, что в более старых сердечных клетках накапливаются поврежденные митохондрии, чего не происходило бы при нормальном функционировании лизосом, ведь разборка вышедших из строя "энергостанций" и использование их материалов - один из важнейших аспектов клеточной "экономики".

В сотрудничестве с Алексом Терманом Брунк сформулировал теорию старения по типу "мусорной катастрофы". Согласно этой теории, из-за накопления липофусцина в лизосомах падает концентрация кислот и ферментов. Кроме того, липофусцин снижает эффективное количество ферментов, поглощая их безо всякого действия, из-за чего другие, еще функционирующие компоненты лизосомального содержимого лишаются участия этих ферментов в своих превращениях.

По мере того, как в лизосомах накапливаются отходы, с которыми они не имеют средств справиться, еще больше падает их способность расщеплять находящиеся внутри материалы. Соответственно, отходы проводят все больше времени как в цитоплазме, так и внутри лизосом, дожидаясь своей очереди к "мусорной печи". Тем временем в них продолжают происходить химические изменения, все больше искажающие структуру, так что лизосомальным гидролазам становится все труднее и труднее добраться до "слабых" мест.

В результате даже те обычные клеточные отходы, для деградации которых в лизосомах есть (теоретически) все необходимое, уже не расщепляются с достаточной эффективностью и накапливаются, так что концентрация лизосомальных ферментов и кислот снижается и снижается. В экспериментах Брунка и Термана было показано, что избыток липофусцина может привести к смерти клетки вследствие перегрузки и разрыва лизосом.

Данные, послужившие основой для этой теории, выглядели убедительно. Но казалось еще сомнительным, чтобы лизосомальная недостаточность действительно давала значительный вклад в старение. Ведь если эта теория верна, то можно ожидать каких-то свидетельств связи липофусцина с возрастными заболеваниями.

Но быстро выяснилось, что эта кажущаяся пустота была обусловлена не отсутствием данных, а плохим сообщением между разными областями науки. Ученые склонны специализироваться на какой-то одной теме, редко интересуются достижениями в других, даже близких областях. Оказалось, что надо говорить с исследователями не конкретно о липофусцине, а шире - о роли дисфункции лизосом в развитии заболеваний. Во главе угла здесь стоит именно накопление отходов, подлежащих переработке в лизосомах, но этот факт был замаскирован профессиональным жаргоном.

Ди Грей Обри

medbe.ru