Биохимия старения

Канунго М. С.

Появление различных типов гемоглобинов в течение периода развития человека является примером изменения молекулярных форм одного и того же белка, коррелирующего с функциональными изменениями [116]. Гемоглобин является тетрамерным белком, состоящим из четырех глобиновых субъединиц, или полипептидных цепей. Гемоглобин 1-2-месячного зародыша относится к ₂₂– типу. В течение последующего периода беременности (от 2 до 10 мес) он заменяется на гемоглобин типа ₂₂ (HbF). Гемоглобин новорожденного относится к типу ₂₂ (HbA) и сохраняется до конца жизни (рис. 3.1). Субъединицы , , и кодируются отдельными генами. Следовательно, последовательное изменение типа гемоглобина происходит благодаря активации одних генов и одновременной репрессии других. В этом аспекте интересно следующее: а) -ген активен в течение всего периода жизни, тогда как -, - и -гены активируются один за другим в указанной последовательности; б) когда активируется -ген, репрессируется -ген; когда активируется -ген, репрессируется -ген; в) длительность активного состояния генов различна: -ген активен в течение всей жизни, в то время как -ген активен только 1 мес, -ген — 8 мес, а -ген — после рождения и в последующий период. Гемоглобин переносит в ткани кислород. Способность к связыванию кислорода у гемоглобинов разных типов различна. Например, зародышевый гемоглобин HbF имеет большую способность к связыванию кислорода, чем гемоглобин взрослого организма HbA. Известно также, что содержание кислорода в материнской крови, снабжающей зародыш, ниже, чем в легких. Следовательно, гемоглобин с более высокой способностью к связыванию кислорода предназначен для преимущественного развития зародыша. Неизвестно, играет ли роль уровень кислорода в материнской крови в экспрессии различных генов глобина.

Рис. 3.1. Синтез цепей гемоглобина у плода человека [116]

Так же как ₂₂, ₂₂, ₂₂ являются различными молекулярными формами гемоглобина, изоферменты — это различные молекулярные формы одного и того же фермента. Изоферменты характерны для ферментов, состоящих из двух или более субъединиц. Досконально исследованным в этом отношении ферментом является лактатдегидрогеназа (ЛДГ), катализирующая обратимое превращение пирувата в лактат. В различных тканях крысы имеются пять изоферментов ЛДГ [110]. Они состоят из субъединиц двух типов, Н и М, которые соединяются в различных соотношениях и дают пять типов активных изоферментов: H₄, Н₃М₁, Н₂M₂, Н₁М₃ и M₄. Н- и М-субъединицы различаются по аминокислотной последовательности и кодируются двумя разными генами, что показано путем генетических исследований оленьей мыши [99]. Маркет и Мёллер [78] впервые показали, что тип изофермента ЛДГ не только специфичен относительно вида ткани, он изменяется также в одной и той же ткани в процессе развития (рис. 3.2). Было высказано предположение, что тип изофермента в ткани отражает степень дифференцировки ее клеток. На ранней зародышевой стадии животных в тканях преобладают типы М₄ и H₁М₃, но в процессе развития наблюдается переход к изоферментам Н₃М₁ и Н₄. Эта постепенная смена изоферментов указывает на переход к большей активности гена Н-субъединицы или к меньшей активности гена М-субъединицы.

Рис. 3.2. Электрофореграмма в крахмальном геле ЛДГ из тканей человека в период развития. Ткани взяты у 14-недельного эмбриона [75]

Следует отметить также, что Н₄– и Н₃М₁– изоферменты присутствуют преимущественно в аэробных тканях, таких, как сердце, мозг и кора надпочечников, тогда как М₄ и H₁М₃– изоферменты присутствуют преимущественно в анаэробных тканях, таких, как скелетные мышцы и печень [19, 79]. Эмбрион млекопитающего, растущий в анаэробном окружении, содержит большие количества М₄– и Н₁М₃– изоферментов; с развитием эмбриона происходит переход к Н₄– и Н₃М₁– рформам. Эмбрион птенца растет в аэробном окружении, и он содержит больше Н₄ и Н₃М₁– форм. В процессе его развития происходит переход к М₄– и Н₁М₃– изоферментам. Эти наблюдения подтверждают предположение о том, что соотношение изоферментов в тканях, по крайней мере частично, обусловлено давлением кислорода. Экспериментально на культурах тканей показано, что в анаэробных условиях клетки синтезируют больше М₄– формы ЛДГ [41].

В свете вышесказанного существенны данные лаборатории Канунго по изменению соотношения изоферментов в тканях крысы в зависимости от возраста [55, 100], показывающие, что содержание М₄– ЛДГ в сердце 96-недельной крысы значительно ниже, чем у 30-недельной (рис. 3.3). В скелетных мышцах (рис. 3.4) и в мозгу (рис. 3.5) содержание М₄– ЛДГ также понижается. Относительное содержание Н₄– ЛДГ у старых животных, наоборот, повышается. Эта смена форм изоферментов может иметь большое физиологическое значение для старого животного, поскольку она может вызвать изменения в функционировании органов.

Рис. 3.3. Активность ЛДГ, выделенной из сердца крысы, в зависимости от возраста [100].

 _{I — М-ЛДГ; II — Н-ЛДГ; III — (Н+М) — ЛДГ}

Рис. 3.4. Активность ЛДГ, выделенной из скелетных мышц, в зависимости от возраста [100].

_{I — М-ЛДГ; II — Н-ЛДГ; III — (Н+М) — ЛДГ}

Рис. 3.5. Активность ЛДГ, выделенной из мозга крысы, в зависимости от возраста [100].

_{I — М-ЛДГ; II — Н-ЛДГ; III — (Н+М) — ЛДГ}

Известно, что М₄– ЛДГ катализирует превращение пирувата в лактат лучше, чем Н₄– ЛДГ [26]. Следовательно, для тканей в анаэробных условиях, где источник кислорода отсутствует или не соответствует потребностям, большое количество М₄– ЛДГ является преимуществом. Благодаря этому ферменту ткань способна производить энергию путем анаэробного гликолиза, превращая пируват в лактат. Уменьшение относительного содержания М₄– ЛДГ, происходящее в старости, может снижать способность ткани приспосабливаться к анаэробным условиям. Следовательно, вероятность повреждения ткани в результате недостатка энергии в старости должна быть больше. Это хорошо коррелирует с более частыми случаями сердечной недостаточности у людей старческого возраста. Переход к ингибированию синтеза М-субъединиц в этих тканях в старческом возрасте может сделать ткани более аэробными и все более зависящими от цикла Кребса. Если бы переход к понижению относительного содержания М₄– и М₃Н₁– форм после достижения зрелости мог быть прекращен, то энергетические соотношения в организме могли бы поддерживаться такими же, как в репродуктивном периоде. Было показано, что 17-эстрадиол в матке незрелых крыс и кроликов усиливает преимущественно синтез М-субъединиц, в то время как он не влияет на синтез Н-субъединиц [40]. Повышение уровня М-субъединиц в таких тканях, как сердце и мозг, может быть полезным для старых животных.

Пируваткиназа (РК) катализирует превращение фосфоенолпирувата в пируват. Этот фермент имеет четыре изофермента: РК-1, 2, 3 и 4. В скелетных мышцах крысы в момент рождения изофермент РК-4 является доминирующей формой, но примерно на 14-й день он исчезает и заменяется изоферментом РК-3, который сохраняется до 52 нед [85]. Такие же изменения наблюдаются в сердечной мышце. Эти исследования не проводились на более старых животных, однако ясно, что, как и в случае изоферментов ЛДГ, изоферменты РК последовательно сменяют друг друга до позднего периода зрелости. У РК-3 Км для фосфоенолпирувата ниже (0,75·10^{– 4} М), чем у РК-4 (4·10^{– 4} М) [49]. Переход к изоферменту РК-3 в процессе развития, возможно, происходит из-за постепенного перехода ткани к аэробным условиям. В аэробных условиях окисление пировиноградной кислоты в тканях приобретает большее значение. Таким образом, переход к РК-3 коррелирует с переходом к Н₄– ЛДГ, причем и в том и в другом случае по окончании репродуктивного периода ткань становится более аэробной и более зависящей от цикла Кребса.

Креатинкиназа катализирует синтез креатинфосфата из креатина и АТР. Она является димером и имеет три изофермента: ВВ, MB и ММ [108]. На начальной стадии роста зародыша в его скелетных мышцах, сердце и мозге присутствует только изофермент ВВ. Этот изофермент в скелетных мышцах замещается в процессе развития последовательно на MB и затем на ММ. В сердце происходит переход от ВВ-типа к типам MB и ММ, в то время как в мозгу перехода от ВВ-типа не наблюдается [28]. Таким образом, смена изоферментов является тканеспецифичным процессом и зависит от возраста.

Аденилаткиназа — еще один фермент, участвующий в переносе энергии. Она катализует превращение AMP и ADP в присутствии АТР и имеет три изофермента — I, II и III. Печень содержит только изоферменты II и III в соотношении, изменяющемся в ходе развития. Активность изофермента II в зародыше составляет только 2 Ед., а изофермента III — 20 Ед. Через две недели после рождения она повышается до 25 и 118 Ед. соответственно. Таким образом, наблюдается количественное изменение содержания двух изоферментов [31].

Другая интересная форма изменения наблюдается для субъединиц фермента альдолазы в скелетных мышцах кролика. Альдолаза — это тетрамерный фермент, состоящий из субъединиц двух типов — и ; ее молекулярная структура ₂₂. Аминокислотный анализ фингерпринтов двух субъединиц после расщепления бромцианом показывает, что обе субъединицы почти идентичны; -цепь отличается от -цепи лишь несколькими модифицированными аминокислотами в области COOH-конца. По-видимому, обе субъединицы кодируются одним геном, но -цепь образуется в результате модификации после трансляции. На ранних стадиях развития, в течение примерно двух месяцев после рождения, преобладает -цепь. Однако по прошествии третьего месяца содержание обеих цепей становится одинаковым [72]. Причина повышения содержания -субъединицы на определенной стадии развития неизвестна, но, очевидно, это повышение обусловлено физиологическими потребностями, возникающими на этой стадии.