Сущность биологических процессов старения

1.Введение.

Биология старения стала одной из центральных проблем  современного естествознания. Всё нарастающий  интерес исследователей к этой проблеме определяется рядом факторов. Во-первых, крупные достижения биологической  науки, в первую очередь раскрытие  механизмов передачи генетической информации, биосинтез белка, мембранных механизмов функции клеток, установление общих  закономерностей регуляции обмена и функции организма, сделали  реальной возможность познания ведущих  механизмов старения. Во-вторых, экспериментальные  исследования последних лет показали возможность пролонгирования жизни животных и обосновывают возможность перенесения некоторых результатов на человека. В-третьих, в высокоразвитых странах значительно растёт число пожилых и старых людей в обществе, развивается постарение населения, что приводит к возникновению ряда крупных социально-экономических проблем. В-четвертых, возрастные изменения обмена и функции организма – основа развития возрастной патологии, возникновением ряда заболеваний человека, являющихся основной причиной его смерти. Все это привело к тому, что проблемой биологии старения интересуются в последние годы не только биологи, но и клиницисты, экономисты демографы. К этой проблеме обращаются сотни творческих коллективов, многочисленные исследователи. Стало очевидным, что правильное понимание сущности старения необходимо для познания основных механизмов жизненных явлений, их становления и развития. Стало также очевидным, что исследования в области биологии старения приобретают большое значение для практики медицины и ряда социальных мероприятий.

2. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ  РАЗВИТИЯ СТАРЕНИЯ

1а) Закономерности  развития старения.

Внутренне противоречивый характер возрастного развития, соотношение  процессов регулирования и приспособления определяют многообразие метаболических, структурных и функциональных сдвигов  в процессе старения. Оказалось, что  даже один и тот же уровень некоторых  показателей обмена и функции  организма имеет в разные возрастные периоды неодинаковое внутреннее обеспечение  благодаря включению адаптивных механизмов, направленных на сохранение гомеостаза.

Старение характеризуется  нарастающим снижением надежности регуляции гомеостаза, Гомеоста́з (др.-греч.  — стояние, неподвижность) — саморегуляция, способность открытой системы сохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством скоординированных реакций, направленных на поддержание динамического равновесия.снижением возможного диапазона приспособления. Это отчетливо, выявляется при использовании различных нагрузок, которые неизбежно и постепенно возникают в течение жизни. В этом случае, несмотря на гомеостатический уровень функции выявляется их изменение в старости. Вся жизнь представляет собой бесконечную цепь потрясений внутренней среды организма, постоянных нарушений гомеостаза. В ходе этих потрясений мобилизуются и совершенствуются адаптационно-регуляторные механизмы, способствующие сохранению гомеостаза. Оказалось, что крысы, длительно ограждаемые от обычных для животных умеренных стрессорных воздействий, живут меньше животных, подвергающихся периодически этим влияниям. Старение характеризуется последовательной сменой функционального состояния организма, его потенциальных возможностей, которая укладывается в четыре этапа: 1) оптимальный базальный уровень функции и ее высокие потенциальные возможности, выявляемые при напряжении; 2) сохранение базального и потенциального уровня функции несмотря на возрастные изменения, благодаря включению адаптационно-регуляторных механизмов; 3) сохранение базального уровня функции и снижение ее потенциальных возможностей из-за нарастания возрастных нарушений и ограничения адаптационно-регуляторных сдвигов; 4) падение базального уровня функции, ее выраженная недостаточность из-за прогрессирующего снижения адаптационных возможностей организма.

Для развития старения характерны гетерохронность, гетеротопность, гетерокинетичность, гетерокатефтенность. Г е т е р о х р о н н о с т ь — различия во времени наступления старения отдельных тканей, органов, систем. Так, атрофия тимуса у человека начинается в возрасте 13—15 лет, половых желез — в климактерическом периоде, а некоторые функции гипофиза сохраняются в глубокой старости. Гетеротопность —неодинаковая выраженность процесса старения в различных органах, в различных структурах одного и того же органа. Так, старение пучковой зоны коры надпочечника выражено меньше, чем клубочковой и сетчатой зон. Неодинаковые возрастные изменения наступают и различных полях коры головного мозга и т. д. Г е т е р о к и н е т и ч н о с т ь. — развитие возрастных изменений с различной скоростью. В одних тканях, возникая довольно рано, они медленно и относительно плавно прогрессируют; в других — развиваются позже, но более быстро. И, наконец, г е т е р о к а т е ф т е н н о с т ь — разнонаправленность возрастных изменений, связанных с подавлением одних и активацией других жизненных процессов в стареющем организме.

Принципиальное значение для анализа механизмов старения может иметь сравнительно-геронтологическое  определение динамики различных  изменений обмена, структуры и  функции в процессе старения у  животных с различной видовой  продолжительностью жизни (ВПЖ). Изменения, коррелирующие с ВПЖ, называется онтобиологическими, а коррелирующие с хронологическим возрастом животных разных видов, — хронобиологическими, и выраженность их тем больше, чем дольше живет животное. Чем выраженнее корреляция этих изменений с биологическим возрастом, тем значительнее их вклад в генез самого процесса старения. Так, оказалось, что у крыс линии Вистар и кроликов АД(артериальное давление) к старости не растёт, а у более долгоживущих животных (собака, человек) наблюдается достоверный его подъем. У всех животных с возрастом наступают падение сердечного выброса и рост общего периферического сопротивления, однако у крыс и кроликов сдвиги эти не столь значительны, чтобы вызвать изменения АД. Иными словами, у животных с небольшой ПЖ эти изменения АД как бы не успевают развиваться. Известно, что остеопороз в старости более выражен у долгоживущих (человек, собака) и очень слабо у короткоживущих (крыса, кролик) животных.

Итак, многие проявления старения прямо коррелируют с хронологическим возрастом, степень их изменения зависит от фактора времени; они «не успевают » значительно проявиться у короткоживущих животных, хотя, быть может, и протекают у них быстро. Чем стремительнее развивается старение, тем резче выражена неравномерность возрастных изменений, тем значительнее влияние сдвигов в одной системе на состояние других, тем более выражены первичные механизмы старения.

Существуют общие, фундаментальные механизмы старения организмов. Однако качественная и  количественная специфика их развития ведет к многообразию их видовых  проявлений. Кроме того, следует  различать ускоренное и замедленное  старение по отношению к среднепопуляционному темпу его течения.

2б) Гипотезы и  теории старения.

Существуют две  традиционные точки зрения на причины  развития старения. 1.Старение-генетически запрограммированный процесс, результат закономерного развития программы, заложенной в генетическом аппарате. В этом случае действие факторов окружающей и внутренней среды может повлиять, но в незначительной степени, на темп старения. 2.Старение-результат разрушения организма вследствие неизбежного повреждающего действия сдвигов, возникающих в ходе самой жизни, - стохастический, вероятный процесс. В соответствии с адаптационно- регуляторной теорией старение генетически не запрограммировано, а генетически детерминировано биологическими свойствами организма. Иными словами, старение- разрушительный, вероятностный процесс, развивающийся в организме с генетически запрограммированными свойствами.

Старение- многопричинный процесс, вызываемый многими факторами, действие которых повторяется и накапливается в течении всей жизни. Среди них стресс, болезни, активация свободно радикального окисления и накопления перекисных продуктов метаболизма, воздействие ненобиотиков (чужеродные вещества), изменение концентрации водородных ионов, температурные повреждения, недостаточное выведение продуктов распада белков, гипоксия и др. Старение- многоочаговый процесс. Он возникает в разных структурах клетки- ядре, митохондриях, мембранах и др; в разных типах клеток- нервных, секреторных, иммунных, печёночных и др. Темп возрастных изменений определяется соотношением процессов старения и витаукта. Механизмы могут быть разделены на 2 группы.

1. Генотипические- генетически запрограммированные механизмы:

а) система антиоксидантов, связывающая свободные радикалы;

б) система микросомального окисления печени, обезвреживания токсичных веществ;

в) антигипоксическая система, предупреждающая развитие глубокого кислородного окисления;

г) система репарации  ДНК, ликвидирующая повреждение  этой макромолекулы.

2. Фенотипические- механизмы,  возникающие в течении всей жизни благодаря процессам саморегуляции и способствующие сохранению адаптационных возможностей организма:

а) появление многоядерных клеток,

б) увеличение размеров митохондрий на фоне уменьшения числа  других,

в) гипертрофия и  гиперфункция отдельных клеток в  условиях гибели части их,

г) повышение чувствительности к медиаторам в условиях ослабления нервного контроля. 
 

33.Проявление старения  на молекулярном и клеточном  уровнях.

Молекулярные механизмы  старения клеток различных типов  не универсальны. Нельзя объяснить  молекулярные механизмы старения одних  клеток данными, полученными при  изучении клеток другого типа; нельзя считать последовательность изменений  на молекулярном уровне в клетках  одного типа общей закономерностью  старения для всех клеток. Действительно, последовательность возрастных изменении в первично стареющем нейроне и, к примеру, в мышечной клетке после деструкции под- ходящего к ней нервного окончания во многом отличаются друг от друга.

В одних клетках  первичные изменения наступают  в регулировании генома, в других — в мембранных процессах, в энергетическом обмене и уже вторично в геноме с последующими нарушениями во всех звеньях жизнедеятельности клеток.

Старение приводит к функциональной неполноценности  клеток самого различного типа. Более  того, глубокие возрастные изменения  метаболизма и структуры заканчиваются  не только функциональной дефектностью клетки, но и в конечном итоге  ее гибелью. Однако даже функционально  однородные клетки стареют в неодинаковом темпе. Среди одного и того же класса клеток — нервных, мышечных, печеночных и др. можно выделить клеточные  образования с грубыми изменениями  структуры и функции и клетки с выраженными проявлениями гиперфункции, с комплексом адаптационных реакций. Так, во многих клетках отмечается уменьшение ядерно-цитоплазматического контраста; уменьшение числа митохондрий, их набухание, разрушение, спирализация; нарушение целостности эндоплазматического ретикулума, атрофия канальцев эндоплазматического ретикулума; уменьшение числа рибосом, увеличение числа первичных лизосом, появление вторичных лизосом, накопление липофусцина, аутофагосом и остаточных телец; появление вакуолей, ограниченных мембраной, изменение толщины; разрывы в плазматической мембране. В мышечных волокнах, кроме того, уменьшается фракционный объем саркотубулярной сети, нарушается расположение А—1-дисков, цистерны Т-систем в отдельных местах расширены и характеризуются очаговым утолщением и уплотнением мембран, наступают серьезные нарушения в самом сократительном аппарате мионов. Гистохимические методы позволили установить определенную корреляцию между степенью структурных, ультраструктурных изменений в клетке и активностью ряда ключевых ферментов, содержанием гликогена, РНК и др.

4Гибель клеток, уменьшение  их числа неодинаково выражено  в различных органах, в пределах  различных клеточных популяций.  Так, в мозгу, к примеру, в  ряде областей коры головного  мозга коры мозжечка, в скорлупе, в голубом пятне отмечается убыль клеток на 30—40%. В то же время в ряде структур гиппокампа, ствола мозга, гипоталамуса практически не отмечено потери числа нейронов. Убыль числа клеток описана в печени, почках, эндокринных железах, миокарде, скелетных мышцах.

Уменьшение числа  клеток неодинаково сказывается  на функции различных органов  в старости. Особенное значение этот процесс имеет для функции  нервных центров, ограниченная популяция  клеток которых определяет важные внутри-центральные взаимоотношения, регуляцию метаболизма и функции других тканей.

Наряду с этим в старости описываются клетки, находящиеся  в состоянии гиперфункции и гипертрофии. В них отмечается ряд метаболических, структурных феноменов, имеющих явно адаптивный характер — гипертрофия ядра, полиплоидия, многоядерность, увеличение площади ядерных мембран, гипертрофия митохондрий, гиперплазия структур Гольджи, появление мощной сети шероховатого ретикулума, гипертрофия миофибрилл и др. В одних клетках отмечаются отдельные компоненты витаукта в условиях возрастной деградации, в других адаптивный сдвиг характерен для всей клетки в целом. Можно полагать, что при убыли части клеток на оставшиеся ложится повышенная функциональная нагрузка. Метаболические сдвиги, происходящие при этом, активируют генетический аппарат, биосинтез белка клеток и в результате развивается гипертрофия. Развитие ее будет зависеть от степени нагрузки и выраженности возрастных изменений генетического аппарата.

Очень важно, что  даже в пределах одного органа изменяется соотношение клеток различной функциональной значимости. Речь идет о нарастании глиоза во многих структурах мозга, об изменении соотношения афферентов, интернейронов, мотонейронов в спинном мозгу, о неравномерном сдвиге в количестве функционально различных клеток в гипоталамусе. Таким образом, только простой убылью клеток невозможно объяснить все многообразие функциональных изменений, наступающих в процессе старения. Важно взаимоотношение между деградировавшими клетками и возникающими адаптивными реакциями, состояние механизмов регуляции, определяющих взаимодействие клеток. Так, при старении наступают серьезные нарушения функции иммунитета. Общее содержание Т- и В-лимфоцитов, плазмати-ческих клеток, активность макрофагов, уровень иммуноглобулинов изменены мало. Для драматических изменений функции иммунитета больше дает анализ зрелых и незрелых лимфоцитов, долгоживущих и короткоживущих лимфоцитов и особенно регуляторных факторов — хелперов и супрессоров. В последние годы раскрываются все новые и новые важные стороны функции глиальных элементов, в частности их роль в регуляции трофики нейрона. Предполагается, что соединительнотканные элементы в миокарде могут регулировать пластические процессы в миокардиальных клетках. Следовательно, взаимоотношения между этими клетками в ходе возрастной эволюции не укладываются в категории «больше—меньше», а имеют существенное регуляторное и на определенном этапе адаптивное значение.