Биохимия старения
Шрифт:
В ряде работ [5, 9] сообщается, что количество поперечных сшивок в коллагене при старении растет. Однако более поздние исследования не подтверждают это заключение. Когда измеряли число сшивок в сухожилии коров 3- и 12-летнего возраста после расщепления коллагена цианогенбромидом, никакой разницы в количестве ковалентных сшивок не обнаружили [15]. При определении числа сшивок, образованных пиридинолином в коллагене реберных связок и ахиллесова сухожилия крыс и человека [50], было показано, что у человека после 30 лет оно уменьшается, а у крыс после наступления зрелости растет. Основные типы сшивок — оксилизинонорлейцин (ОЛНЛ) и диоксилизинонорлейцин (ДОЛНЛ) с возрастом не меняются [81], т. е. образование поперечных сшивок в коллагене не является, по-видимому, первичной причиной старения [46]. Было высказано предположение, что уменьшение растворимости коллагена с возрастом может определяться стабилизацией лабильных сшивок. Для того чтобы установить, меняется ли количество поперечных сшивок с возрастом, необходимы дальнейшие исследования.
Особый интерес в связи с этим представляют три типа реакций. Первый — это реакции моносахаридов, глюкозы и галактозы, с альдегидами, образовавшимися из лизиновых и оксилизиновых остатков. В коже быка интенсивность этих реакций с возрастом увеличивается. Поскольку упомянутые здесь гексозильные соединения не могут образовывать связи с другими -цепями, в результате этих реакций уменьшается число потенциальных мест для образования сшивок. Роль происходящих изменений неясна, но, возможно, они ответственны за повышенную хрупкость кожи и костей в старческом возрасте.
Второй тип реакций — взаимодействие аллизина с оксилизином с образованием альдимина или взаимодействие оксиаллизина с оксилизином либо с лизином с образованием кетоаминов, более стабильных, чем альдимины. Доля таких поперечных сшивок в сухожилиях человека, быка и крысы в период их роста увеличивается, но затем уменьшается. Эти изменения могут регулироваться уровнем лизилгидроксилазы, который в свою очередь зависит от других факторов.
Третий тип реакций — определение сшивок путем восстановления 3Н-боргидридом. С возрастом количество включающегося трития уменьшается. Возможно, причиной этому служит уменьшение доли таких сшивок. Вместе с тем причиной уменьшения включения трития может быть то, что эти сшивки в старческом возрасте становятся более стабильными и поэтому не восстанавливаются.
В ранний период развития в тканях меняются не только число и стабильность поперечных сшивок, но также и типы коллагена. Как было показано ранее [19], в коже и, возможно, в других тканях изменяется соотношение коллагена типа I и III. Обычно в культуре in vitro хондроциты синтезируют коллаген типа II, но если их обработать бромдезоксиуридином, аналогом тимидина, то они синтезируют тип I и другой тип коллагена, которого в тканях в норме нет [45]. Коллаген типа I синтезируют также старые хондроциты. Если в связках обычно синтезируется коллаген типа II, то в связках суставов при остеоартрите появляется коллаген типа I [53]. Было бы существенно выяснить, по этой ли причине происходит уменьшение в старческом возрасте коллагенового матрикса при остеопорозе. Может ли произойти замена синтеза остеобластами коллагена типа I на синтез коллагена какого-либо другого типа? При врожденной болезни — osteogenesis imperfecta — при которой кости становятся очень хрупкими, фибробласты кожи в культуре синтезируют в большом количестве коллаген типа III. Некоторые связанные с коллагеном заболевания возникают из-за уменьшения уровня специфических ферментов, необходимых для его синтеза [42]. Происходит ли при этом сдвиг в синтезе или ингибирование синтеза коллагена типа I, неизвестно. Любое из этих изменений может повлиять на способность матрикса содействовать кристаллизации апатита, в результате чего кость может стать более хрупкой, так как известно, что все типы коллагена, кроме типа I, образуют аморфные волокна.
Структурные изменения коллагена при старении могут быть обусловлены несколькими факторами. Один из них, возможно, изменение в синтезе различных -цепей, кодируемых разными генами. В таком случае интересно выяснить, что является причиной включения гена -цепей одного типа и "выключения" гена -цепей другого типа? Вместе с тем с возрастом может меняться активность пролил- и лизилгидроксилазы, лизилоксидазы и гликозилтрансфераз, влияющих на образование поперечных сшивок, и это также может отражаться на возрастных структурных изменениях. Хорошо известно, что уровень этих ферментов с возрастом меняется. Тогда что определяет уровень их синтеза? Одним из определяющих факторов может быть обмен коллагена, который зависит от активности коллагеназы. Коллагеназа, когда в ней нет необходимости, существует в неактивной форме. Синтез этого фермента, а также синтез его ингибитора и активация неактивной коллагеназы могут определяться различными факторами, уровень которых в свою очередь может меняться с возрастом.
Таким образом, можно предположить, что структурные изменения коллагена, зависящие от возраста, происходят из-за изменения уровня некоторых ферментов и, следовательно, являются вторичными причинами старения. Какое-либо повреждение первичных центров, т. е. генома, в результате которого может измениться синтез ферментов, принимающих участие в синтезе -цепей, их деградации и модификации, может привести к нарушению структуры коллагена, а следовательно, и его функции. Отсюда вытекает необходимость изучения изменения в регуляции синтеза этих ферментов и разных типов -цепей на уровне генома; только тогда можно разобраться в молекулярных событиях, связанных с изменениями в структуре коллагена как функции возраста. Полиморфизм молекул коллагена и сдвиги в соотношениях типов коллагена в тканях, наблюдающиеся на протяжении жизни, похожи на те явления, которые имеют место для изоферментов лактатдегидрогеназы [4] и аланинаминотрансферазы [56]. Все это может объясняться разной активностью генов, кодирующих свойства -цепей разных типов. Активность генов может определяться факторами, уровень которых меняется на протяжении жизни. В пользу этой точки зрения свидетельствует тот факт, что синтез коллагена в период постэмбрионального развития свободно живущей нематоды Panagrellus silusiae имеет прерывистый характер, и каждая очередная его вспышка совпадает с увеличением уровня пролилгидроксилазы [43].
Некоторые исследователи делали попытки замедлить возрастные изменения в коллагене с помощью гормонов. Так, введение гормона роста, пептида из передней доли гипофиза, стимулирует пролиферацию фибробластов, образование соединительной ткани и синтез коллагена. При гипофизэктомии не только замедляется рост крыс, но уменьшается содержание коллагена и тормозится его синтез в различных тканях [17]. Значительно замедляются также превращение лизина в полуальдегид -аминоадипиновой кислоты и полимеризация коллагена [73]. Оказалось также, что после гипофизэктомии уменьшается синтез лизилаксидазы.
Другие гормоны — тироксин, АКТГ, кортикостероиды и половые гормоны — оказывают влияние на метаболизм коллагена. У гипотиреоидных крыс содержание коллагена уменьшается, а введение тироксина его нормализует [17]. Катаболизм коллагена сильно уменьшается и при гипертироидизме, и при гипотироидизме. Кортикостероиды в основном ингибируют синтез коллагена. Аналогичным образом влияет АКТГ. Тестостерон усиливает синтез коллагена. У кастрированных самцов крыс синтез коллагена в коже уменьшается, а доля нерастворимого коллагена увеличивается. Эффект эстрогена на метаболизм коллагена неясен. Механизм действия всех этих гормонов еще необходимо установить. При этом следует учесть, что очень важно правильно дозировать вводимый гормон: нефизиологические дозы могут вызвать различные побочные эффекты и привести к ошибочным результатам.
Для изучения влияния гормонов на молекулярную структуру коллагена либо удаляли специфические эндокринные железы, либо вводили гормоны. Синтез коллагена и других белков после гипофизэктомии замедляется. Спустя три недели после этой операции в сухожилии хвоста крыс сильно уменьшается доля -цепей (рис. 4.10). Кроме того, вообще уменьшается количество вновь синтезируемого коллагена, а его физические свойства становятся похожими на свойства коллагена у старых крыс, т. е. растворимость коллагена понижается, точка разрыва повышается, а развивающееся напряжение увеличивается. Однако коллаген, экстрагированный из тканей крыс значительно позже, имеет свойства, подобные коллагену молодых крыс. Крысы, у которых гипофиз был удален в возрасте 800 сут, имели волокна коллагена с такой же растворимостью (рис. 4.2) и такими другими физическими свойствами, какие наблюдаются у крыс 400-дневного возраста. Гипофизэктомия замедляет также старение коллагена кожи крыс [91]. Полагают, что после удаления гипофиза замедляется превращение лабильных поперечных сшивок в стабильные, но как это происходит, неизвестно. Данное предположение подтверждается тем фактом, что у крыс, лишенных гипофиза, лизилоксидаза не определяется, но ее активность приближается к норме, если крысы получают гормон роста и кортизон [38]. При гипофизэктомии, однако, уменьшается продолжительность жизни крыс. Так как крысы после операции едят меньше, чем в норме, можно предположить, что замедление старения их коллагена связано с более низким потреблением пищи. Однако, когда сравнивают коллаген этих крыс с коллагеном интактных животных, получавших такие же количества пищи, оказывается, что старение замедляется у первых гораздо сильнее. Следовательно, гипофиз играет определенную роль в старении коллагена.
Рис. 4.10. Уменьшение количества -субъединиц во вновь синтезируемом коллагене 25 дней спустя после гипофизэктомии, свидетельствующее об уменьшении синтеза коллагена [20]
Тироидэктомия, как и гипофизэктомия, сначала ускоряет старение коллагена, а позже — замедляет. Начальный эффект может заключаться в понижении синтеза коллагена. Если крысам, подвергнутым тироидэктомии, дают тироксин, то коллаген стареет, причем это происходит только тогда, когда возрастает потребление пищи. Эстроген стимулирует активизацию лизилоксидазы и ускоряет созревание коллагена. Он способствует увеличению содержания коллагена в костях и в матке [69].