1.3.3. Возрастное изменение морфоцитометрических показателей митохондрий

из клеток различных животных и человека изучено наиболее подробно и хорошо отражает указанные выше структурные и функциональные их нарушения, причём некоторые исследователи описывают, по существу, одни и те же деструктивные изменения, пользуясь различными критериями их оценки.

Появление митохондрий больших размеров обычно рассматривают как реакцию компенсации на уменьшение фонда нормально функционирующих органелл, но действительной компенсации, по-видимому, не происходит ввиду дефектности и этих больших митохондрий в условиях избыточной пероксидации. Возрастное увеличение среднего размера митохондрий и изменение других морфоцитометрических параметров их Литошенко (1985) объясняет снижением при старении скорости синтеза белков, кодируемых митохондриями, при сохранении этой скорости для белков митохондрий ядерного кодирования. Такой дисбаланс в синтезе митохондриальных белков разного кодирования объясняется, возможно, тем, что при старении организма в яДНК возрастает представленность мтДНК-подобных последовательностей вследствие интеграции фрагментов или целых молекул мтДНК в ядерный геном (Мозжухина и др., 1994).

	Рис.2. Схема развития пероксигеназного стресса в клетке в процессе ее «митохондриального» старения

Показательно обобщение структурных проявлений старения клеток, осуще-ствлённое Ступиной с соавт. (1993). Используя морфо-функциональный анализ выявленных возрастных изменений в клетках различных органов, они разгра-ничили наиболее характерные для процесса старения сдвиги на деструктивные и адаптивные. Результаты такого качественного анализа, касающиеся, в частно-сти, деструктивных изменений митохондрий, практически полностью совпада-ют с рассмотренными выше. Двойственность же проявления перестроек мито-хондрий и других внутриклеточных структур при старении было бы логично увязать с уровнем дисбаланса ∆ (ПО-АО) в клетках, который различен на разных этапах процесса старения и индивидуален для каждой клетки (в связи с гетерохронностью этого процесса – см. п. 1.1.2). Таким образом, с возрастом тканевое дыхание и скорость потребления О2 при любом субстрате снижаются не только из-за нарушения работы дыхательной цепи, но и вследствие умень-шения количества и, следовательно, общей «мощности» самих митохондрий.

Митохондрии могут деградировать как при гипероксии, так и при дефи-ците О2 внутри них. В этой связи важно также разобраться с изменениями в процессах транспорта О2 к самим клеткам. Как известно (Нагорный и др., 1963), возрастные изменения происходят и в сосудистой системе организма. Особенно значительны они в артериях и артериолах: стенки их в онтогенезе постепенно теряют эластичность, способность сосудов изменять свой просвет уменьшается, в их тканях наступают склеротические изменения, общее русло капилляров и аретриол сужается, а кровяное давление в системе увеличивается. Эти изме-нения вместе со старением эритроцитов и ухудшением функции внешнего дыхания, естественно, способствует затухающему в онтогенезе потреблению О2 тканями организма. В описываемой ситуации доставка О2 в клетки некоторых тканей в единицу времени может оказаться меньше физиологически необхо-димого его количества. Реакция таких клеток на дефицит О2, скорее всего, будет однозначной: уменьшение количества дыхательных ферментов в соот-ветствии с О2-зависимым механизмом регуляции их содержания (Murphy et al., 1984) и общей «мощности» митохондрий, т.е. адаптация к условиям кисло-родного голодания. Деструкция «лишних» митохондрий в условиях гипоксии и падение окислительного фосфорилирования могут, в частности, проходить по схеме (Сороковой, Владимиров, 1975): выход Са2+ из матрикса → активация фосфолипазы А2 ионами кальция → дезынтеграция мембран митохондрий → нарушение их структуры и функций.

Тонкости О2-зависмого механизма регуляции количества дыхательных ферментов пока ещё не установлены. Поэтому интересна работа, где путём создания ингибитором дыхания митохондриального стресса изучали связь между митохондриями и ядром в клетках человека. Оказалось, что при сни-жении дыхания митохондрий до 50-70 % от нормы в клетках наблюдается активация экспрессии цитохромов b1 и c, которая опосредована повышением уровня Н2О2 в клетках и способствует процессу их выживания.

Кстати, важно отметить здесь, что механизм регуляции экспрессии генов дыхательных ферментов концентрацией О2 «внедрён» уже на уровне дрожжей. Показана, например, зависимость экспрессии нескольких ядерных генов Saccharomyces cerevisiae, кодирующих белки терминальной части дыхательной цепи (цитохром с, цитохром-с-оксидазу), именно от концентрации О2, а не просто присутствия или отсутствия О2 (Burke et al., 1997). Оказалось, что экспрессия некоторых генов (СОХ4, СОХ – СОХ9) постепенно снижается при изменении концентрации О2 от 200 мкМ (воздух) до пороговой, которая для этих генов очень низка (0.5 – 1.0 мкМ). Ниже кислородного порога экспрессия резко падает. Правда, в этой же работе показано существование и «гипоксических» генов (СОХ5в, CYC7), экспрессирующихся только при падении концентрации О2 ниже 0.5 мкМ, а также феномена коэкспрессии в определённом интервале концентрации О2 «аэробных» и «гипоксических» генов, кодирующих соответствующие им изоформы цитохрома с и цитохром-с-оксидазы.

Примечательным также представляется другой факт: обнаружение уже на уровне простейших одноклеточных организмов, в частности у Dictyostelium, кислородного переключателя транскрипции. Речь идёт о том, что малая субъединица цитохром-с-оксидазы имеет две взаимообмениваемые изоформы, появление которых регулируется О2 в зависимости от условий роста (в томчисле, по-видимому, и от концентрации О2).

Возвращаясь к вопросу о старении клетки, отметим, что ограничение по указанным выше причинам поступления О2 к клеткам и соответственно снижение его потребления ими может вновь повысить внутриклеточное рО2, т.е. соз-дать условия для поддержания достаточного по величине дисбаланса ∆ (ПО – АО) и продолжения процесса старения клеток. Такое состояние должно быть характерным в основном для позднего онтогенеза. При этом на некотором этапе старения может образоваться ситуация, когда вновь возросшие значения дисбаланса ∆ (ПО – АО) окажутся соответствующими диапазону изменения ∆П (ПО – АО). Тогда в принципе может возникнуть состояние обновления тканей в старом организме (см. п.1.6.1) – феномен, кажущийся парадоксальным и в то же время весьма привлекательным для понимания механизма омоложения ряда систем организма в позднем онтогенезе.

Как косвенное свидетельство недостаточности митохондриального дыхания обращают на себя внимание и факты массивной продукции свободных радикалов О2 стареющими клетками (гепатоцитами) при реоксигенации после пребывания их в состоянии аноксии (De Notaris et al., 1995). Для объяснения данного эффекта представляется аргументированным следующее наше суждение. При реперфузии гепатоциты молодых крыс с меньшими потерями переносят резкое возрастание дисбаланса ∆ (ПО – АО), поскольку их неповреждённые ещё старением митохондрии, являясь главным антикислородным фактором в клетке, более или менее эффективно потребляют О2 и отчасти нейтрализуют скачкообразное повышение рО2.

Совершенно новый и, по-видимому, дополнительный канал для усиления окислительного стресса в стареющих клетках в принципе возможен, если принять во внимание данные следующего наблюдения. На второй год жизни у крыс происходит снижение активности переносчика пирувата и соответственно скорости поддерживаемого пируватом дыхания в митохондриях сердца. В этих органеллах выявлено также уменьшение ~40 % содержания кардиолипина. Введение таким крысам ацетил-L-карнитина почти полностью восстанавливало как транспорт пирувата и скорость дыхания до уровня молодых контрольных крыс, так и коррелировавшее с этими изменениями содержание кардиолипина (Paragies et al., 1999). Логика связи между этими эффектами, на первый взгляд, кажется не совсем понятной. Опираясь, однако, на «кислородно-перекисные» представления о механизме старения можно допустить реализацию некоторых процессов, обусловленных недостаточностью пирувата в матриксе митохондрий и реакций цикла трикарбоновых кислот. Наиболее существенной должна быть последовательность изменений: снижение митохондриального дыхания (потребления О2) → внутриклеточная гипероксия → усиление ПОЛ мембран, прежде всего мембран митохондрий → падение в них уровня легкоокисляемого кардиолипина. Последнее, в свою очередь, создает положительную обратную связь по поддержанию в стареющих и старых клетках (в данном случае сердца крыс) ослабленного дыхания и свободнорадикального окислительного стресса.

Из цитированных выше и ряда других работ (Alemany et al., 1988; Kim et al., 1988) следует, что энергообеспеченность стареющих клеток и тканей недостаточна из-за снижения активности митохондрий и (или) ограниченности числа полноценных этих оранелл. Дефицит АТР должен соответствующим образом отразиться на биосинтетических процессах, исполнении различных физиологических функций. Так, адаптивное усиление гликолиза в связи со снижением содержания АТР в старости объясняется ослаблением эффекта Пастера. В основе последнего лежат механизмы аллостерического ингибирования гексокиназы глюкозо-6-фосфатом и фосфофруктокиназы продуктом АТР, поэтому при дефиците АТР активность указанных ферментов повышается (Богацкая, 1968). Другой пример – нарушение в процессе старения функционирования нейронов из-за снижения числа активно действующих митохондрий и, следовательно, недостаточности требуемой им энергии. Такой факт установлен, в частности, при исследовании морфофункциональных изменений в митохондриях клеток Пуркине мозжечка крыс Wistar 3-, 12- и 24-месячного возраста (Fattoretti et al., 1996). Но главные негативные последствия должны определяться не дефицитом АТР и сАМР, а, скорее всего, возникающим при старении клеток состоянием пероксигенации. Например, снижение энергетической активности митохондрий в клетках мочевого пузыря крыс 30-месячного возраста может приводить к ухудшению функциональных возможностей всего органа вследствие того, что повышается вероятность повреждения его тканей избыточными АФК (Tong-Long et al., 1998).