Энергетический обмен и старение организма

Наталья 14 Апреля в 0:00 295 0


Энергетический обмен и старение организма
Для выяснения механизмов старения существенное значение имеет изучение сдвигов, наступающих с возрастом в системе генерирования, переноса и использования энергии.

Это вытекает из своеобразной универсальности энергетического обеспечения самых различных сторон деятельности клетки — ее специфической функции и пластического обмена.

Как бы ни были разнообразны формы проявления жизни, они всегда неразрывно связаны со способностью преобразовывать и использовать энергию.

Основная часть энергии, запасаемая клеткой в удобной для утилизации форме — в виде аденозинтрифосфата (АТФ), образуется в процессе гликолитического и окислительного фосфорилирования. Часть энергии запасается в виде креатинфосфата, которому в последнее время придают важную роль в транспорте энергии.

Окислительное фосфорилирование

При старении интенсивность тканевого дыхания, выражаемая величиной поглощения тканями кислорода (QO2)> по данным большинства авторов, снижается. Показано падение QO2 в гомогенатах и срезах сердечной мышцы (Богацкая, 1964; Пашкова, 1965; Фролькис, Богацкая, 1967), селезенки, кишечника, семенных желез (Сазонова, 1962), печени (Ross, Ely, 1954; Богацкая, Вержиковская, 1965), кровеносных сосудов (Rafsky et al., 1952), коры головного мозга (Узбеков, 1967).

Наиболее значительное снижение интенсивности дыхания при старении обнаруживается в сердечной мышце. Фролькисом и Богацкой (1967) показано падение QO2 с 4.00 + 0.27 в миокарде 8—12-месячных крыс до 1.81 + 0.36 мкл O2/(ч-мг сухой массы) — у старых животных. Это снижение отмечается при определении как эндогенного дыхания, так и дыхания в присутствии субстратов окисления.

Исключение составляет окисление сукцината, при использовании которого потребление кислорода в сердце старых животных — 7.41 + 0.81 мкл O2/(ч-мг сухой массы) — не отличается от того, что наблюдается у взрослых крыс, — 8.13 + 0.73 мкл O2/(ч-мг сухой массы). В печени снижение QO2 в старости выражено менее значительно (Богацкая, Вержиковская, 1965), а некоторыми исследователями вообще не обнаруживается (Rafsky et al., 1952; Barrows et al., 1958).

Известно, что процессы дыхания и окисления протекают в митохондриях. Поэтому в последнее время возрастные особенности окислительных процессов изучаются непосредственно на препаратах митохондрий, выделенных из органов и тканей (Фролькис, Богацкая, 1977; Hansford, 1978). Эти исследования подтвердили снижение окислительных процессов при старении.

Одной из причин снижения окислительной активности митохондрий при старении может быть изменение их структуры и свойств.

Митохондрии, изолированные из тканей старых животных, более чувствительны к повреждающим воздействиям и менее устойчивы, чем у молодых (Dietrich, Vero, 1965). Это подтверждается электронно-микроскопическими исследованиями, при которых обнаружено большое число измененных митохондрий в миокарде и других органах (Ступина, 1975).

Изменяются размеры этих органелл, отношение объема их матрикса к площади мембран (Travis, Travis, 1972; Tribe, Ashhurst, 1972; Herbener, 1976). В печени и сердце старых мышей отмечено увеличение среднего объема митохондрий и числа крупных митохондрий с «пенистым» вакуолизированным матриксом (Wilson, Franks, 1975).

Набухание митохондрий, доходящее в некоторых случаях до превращения их в пустотелые образования, наблюдалось в нейронах коры головного мозга старых кошек (Аксенова, 1971). Наряду с уменьшением соотношения площади крист к объему митохондрий при старении изменяется соотношение липидных фракций в митохондриях, главным образом за счет увеличения в них холестерина (Grinna, 1977).

Это, естественно, может влиять на проницаемость мембран этих органелл для субстратов окисления и для кислорода, что должно существенно сказываться на окислительной активности митохондрий. Определенное значение может иметь нарушение при старении синтеза митохондриальных белков (Литошенко, 19776), липидов, процесса образования упорядоченных мембранных ансамблей и др. причины.

При старении уменьшается и количество митохондрий на единицу массы ткани в печени крыс, мышей и человека, в сердце крыс и мышей (Левкова, Трунов, 1970; Wilson, Franks, 1975; Herbener, 1976; Grinna, 1977; Abu-Erreish, Sanadi, 1978). Это приводит к снижению тканевого дыхания, так как его величина коррелирует с концентрацией митохондрий в ткани (Озернюк, 1978).

Одной из причин падения в старости окислительной способности митохондрий может являться изменение активности ферментов цикла Кребса и дыхательной цепи. Их активность при старении изменяется в различных тканях в неодинаковой степени, а порой и разнонаправленно. Так, активность пируватдегидрогеназы, хотя и не являющейся ферментом цикла Кребса, но локализованной в митохондриях и способствующей вовлечению пирувата в цикл, в печени старых крыс имеет тенденцию к снижению, а в сердце повышается (Разумович, 1972).

Активность малатдегидрогеназы в митохондриях сердца старых крыс, по данным одних авторов (Limas, 1971), повышается, по данным других (Singh, 1973) — падает или остается без изменений (Schmukler, Barrows, 1966; Разумович, 1972).

В то же время активность изоцитратдегиназы не изменяется в митохондриях сердца и увеличивается в митохондриях печени старых крыс, а активность а-кетоглутаратдегидрогеназы растет в митохондриях обеих тканей (Разумович, 1972). При старении падает активность сукцинатдегидрогеназы в скелетных мышцах и печени (Ermini, Szelenyi, 1972): в белых мышцах старых крыс она ниже, чем у взрослых, на 34%, в красных мышцах — на 52%, а в печени — на 44%.

Однако в других исследованиях (Разумович, 1972) не обнаружено снижения активности этого фермента в митохондриях печени старых крыс, но показано — в митохондриях сердца. В то же время в печени, скелетных мышцах и других органах при старении растет активность сукциноксидазной системы, включающей в себя сукцинатдегидрогеназу и всю дыхательную цепь, начиная с убихинона (Lowrie, 1953; Сазонова, 1959; Kirk, 1959; Barrows, 1960; Узбеков, 1967).

Особенно значительно сукциноксидазная активность растет в митохондриях старого сердца (Фролькис, Богоцкая, 1974): от 135.9 + 4.5 мкл О2/(ч-мг белка митохондрий) у 6—12-месячных крыс до 212.2 + 8.3 мкл О2/(ч-мг белка) — у старых. Эти данные позволяют считать, что дыхательная цепь митохондрий старого сердца не лимитирует скорость дыхания, если субстратом окисления является сукцинат.



В старости растет количество пиридиновых коферментов.

В печени и скелетных мышцах старых крыс содержание их на 10—30% (Войтенко, 1966), а в сердце — на 12% (Богацкая, 1964) выше, чем у взрослых животных. При этом увеличение концентрации пиридиновых коферментов в старости происходит в основном за счет их восстановленных форм (НАД-Н2 и НАДФ-Н2).

Это приводит к падению отношения НАД/НАД-Н2 и свидетельствует о нарушении окисления НАД-Н2, то есть об изменениях уже в самом начале дыхательной цепи. В то же время при старении изменяется топография распределения пиридиновых коферментов внутри клетки (Войтенко, 1966): их содержание растет в основном в цитоплазме и падает в митохондриях.

Складывающиеся соотношения могут быть косвенным доказательством снижения общего пула НАД-зависимых дегидрогеназ в старости и свидетельствуют в пользу повышения с возрастом интенсивности гликолиза (см. ниже).

Существенные сдвиги происходят в старости и в цитохромной системе — последнем звене, обусловливающем использование кислорода на терминальных стадиях биологического окисления. По данным Фролькиса и Богацкой (1967), активность цитохромной системы и, в частности цитохромоксидазы, повышается при расчете на 1 мг белка митохондрий старого сердца крыс.

Однако при пересчете на 1 г массы миокарда активность цитохромоксидазы у старых крыс оказывается на 32.8% ниже, чем у взрослых животных. Падение с возрастом активности цитохромной системы показано в сердечной мышце лошади (Lowrie, 1953), в печени (Циприян, 1969). В то же время Абу-Эрайш и сотр. (Abu-Erreish et al., 1974) нашли, что цитохромоксидазная активность гомогенатов крысиного миокарда и мозга падает параллельно активности в гомогенатах печени и почек.

Было так-же показано (Abu-Erreish, Sanadi, 1978), что цитохромоксидазная активность в миокарде старых крыс падает так же, как и концентрация цитохромов а+а3 и с+с1 (рис. 24). Эти факты указывают на возможную роль изменений в цитохромном звене дыхательной цепи в нарушении выработки энергии в старости.

Изменения с возрастом активности цитохром-с-оксидазы и уровня цитохромов в митохондриях сердца крыс
Рис. 24. Изменения с возрастом активности цитохром-с-оксидазы и уровня цитохромов в митохондриях сердца крыс (Abu-Erreish, Sanadi, 1978).
По оси ординат — активность цитохром-с-оксидазы (1), концентрация цитохромов а+а3 (2) и c+c1 (3), %; по оси абсцисс — возраст, мес.

В то же время в митохондриях печени людей изменений в содержании цитохрома b и цитохромов а+а3 не было обнаружено (Kazue et al., 1972).

Таким образом, накопившиеся данные свидетельствуют об универсальном снижении при старении интенсивности тканевого дыхания, а значит и его участия в обеспечении функции клеток энергией. При этом выраженность снижения зависит от функциональных особенностей ткани: наибольшие возрастные изменения отмечаются в сердце.

Важную роль в снижении интенсивности дыхания и повышении доли гликолитического фосфорилирования (см. ниже) в энергетическом обеспечении в старости играют изменения гемодинамики, развитие гипоксии и связанное с этим нарушение доставки кислорода и субстратов к тканям (митохондриям).

Эрмини (Ermini, 1976) считает, что нарушение функции митохондрий при старении является вторичным по отношению к снижению доставки кислорода к митохондриям. Обнаружено значительное снижение в старом сердце содержания миоглобина, осуществляющего депонирование и внутриклеточный транспорт кислорода от мембраны клетки на дыхательные ферменты (Фролькис и др., 1966).

Концентрация его (в % на сухую массу) падает с 1.260 + 0.003 у взрослых до 0.950 + 0.006 у старых крыс. Фролькис и Богацкая (1967) видят одну из причин снижения окислительных процессов в уменьшении с возрастом количества субстратов окисления.

Одним из показателей дефицита субстратов является снижение с возрастом содержания КоА в тканях (Никитин, Мартыненко, 1963; Войтенко, 1966). Финч и Хейфлик (Finch, Hayfiick, 1977) придают важное значение в нарушении энергетического обмена избирательному изменению транспорта субстратов в клетку, тем более что этот процесс сам по себе энергозависим и определяется функцией мембран, которая с возрастом подвергается определенным изменениям.

Показано падение в старости сосудистой и клеточной проницаемости.

Наконец, важную роль в нарушении окислительных процессов играют наступающие с возрастом сдвиги в уровне нейрогуморальной регуляции (Фролькис, 1970), имеющей конкретные точки приложения в многозвеньевой системе тканевого дыхания.

Весьма интересный феномен увеличения в старости сопряжения дыхания с фосфорилированием был показан Фролькисом и Богацкой (1967). Эти исследователи рассматривают увеличение сопряжем отмеченное ими в митохондриях сердечной мышцы, в качестве адаптационного механизма, направленного на поддержание достаточного уровня ресинтеза АТФ при понижении интенсивности потребления кислорода.

Увеличение этого сопряжения, естественно, происходит за счет более экономного использования кислорода. Вследствие увеличения в старости сопряженности процессов дыхания и фосфорилирования должна снижаться интенсивность процессов свободного окисления, процессов, при которых свободная энергия субстратов окисления превращается не в энергию химических связей АТР, а в тепло. Вместе с тем не обнаружено изменение с возрастом окислительного фосфорилирования в митохондриях печени и мозга крыс (Weinbach, Garbus, 1956).

Н.И. Аринчин, И.А. Аршавский, Г.Д. Бердышев, Н.С. Верхратский, В.М. Дильман, А.И. Зотин, Н.Б. Маньковский, В.Н. Никитин, Б.В. Пугач, В.В. Фролькис, Д.Ф. Чеботарев, Н.М. Эмануэль
Похожие статьи
показать еще
Prev Next