Текст книги "Биохимия старения"
Автор книги: Роберт Сапольски
сообщить о нарушении
Текущая страница: 7 (всего у книги 19 страниц)
345. Tatchell K., Holde K. E. Van. Biochemistry, 16, 5295–5303 (1976).
346. Teng C., Hamilton T. H. Biochem. Biophys. Res. Commun., 40, 1231–1238 (1970).
347. Teng C. S., Teng C. T., Allfrey V. G. J. biol. Chem., 246, 3597–3609 (1971).
348. ThakurM. K. Biochemistry of Aging: Modifications of chromosomal proteins of the brain of the rat, Ph. D. Thesis, Banaras Hindu University (1978).
349. Thakur M. K., Das R., Kanungo M. S. Biochem. Biophys. Res. Commun., 81, 828–831 (1978).
350. Thomas G., Lange H. W., Hempel K. Eur. J. Biochem., 51, 609–615 (1975).
351. Thompson J. A., Stein J. L., Kleinsmith L. J., Stein G. S. Science, 194, 428–430 (1976).
352. Tidwell T., Allfrey V. G., Mirsky A. E. J. biol. Chem., 243, 707–715 (1968).
353. Tsanev R., Russev G. Europ. J. Biochem., 43, 257–263 (1974).
354. Ts'o P. O. P. (Ed.) Molecular Biology of the Mammalian Genetic Apparatus, Vols. I and II, North-Holland, Amsterdam (1977).
355. Turkington R. W. Biochim. Biophys. Acta, 213, 478–483 (1970).
356. Ueda K., Omachi A., Kawachi M., Hayaishi O. Proc. nat. Acad. Sci. (USA), 72,205–209 (1975).
357. Uy R., Wold F. Science, 198, 890–896 (1977).
358. Yanyushin B. F., Nemirovsky L. E., Klimenko V. V., Vasiliev V. K., Belozersky A. N. Gerontologia, 19, 138–152 (1973).
359. Vidali G., Boffa L. C, Bradbury E. M., Allfrey V. G. Proc. nat. Acad. Sci. (USA), 75, 2239–2243 (1978).
360. Vincent R. A., Huang P. C. Expl. Cell. Res., 102, 31–45 (1976).
361. Walker J. M., Hastings J. R. B., Johns E. W. Nature, 271, 281–282 (1978).
362. Wallace R. B., Sargent T. D., Murphy R. F., Bonner J. Proc. nat. Acad. Sci. (USA), 74, 3244–3248 (1977).
363. Walwork J. C., Quick D. P., Duerre J. A. J. biol. Chem., 252, 5977–5980 (1977).
364. Wang T. Y. Expl. Cell Res., 61, 455–460 (1970).
365. Watson G., Langan T. A. Fed. Proc, 32, 588 (1973).
366. Weintraub H. Nature, 240, 449–453 (1972).
367. Weintraub H., Groudine M. Science, 193, 848–856 (1976).
368. Weintraub H., Lente F. Van. Proc. nat. Acad. Sci. (USA), 71, 4249–4253 (1974).
369. Weintraub H., Worcel A., Alberts B. Cell, 9, 409–417 (1976).
370. Welch S. L., Cole R. D. J. biol. Chem., 254, 662–665 (1979).
371. Whitlock J. P., Stein A. J. biol. Chem., 253, 3857–3861 (1978).
372. Wilhelm F., Wilhelm M. L., Erard M., Daune M. P. Nucl. Acid. Res., 5, 505–521 (1978).
373. Wilson M. C., Melli M. J. molec. Biol., 110, 611–535 (1977).
374. Wong N. C. W., Poirier G. G., Dixon G. H. Eur. J. Biochem., 77, 11–21 (1977).
375. Worcel A., Han S., Wong M. L. Cell, 15, 969–977 (1978).
376. Yabuki H., Iwai K. J. Biochem., 82, 679–686 (1977).
377. Yaffe D., Fuchs S. Devi. Biol., 15, 33–50 (1967).
378. Yamaizumi M., Uchida T., Okada Y., Furusawa M., Mitsui H. Nature, 273, 782–784 (1978).
379. Yarbo J. W. Biochim. Biophys. Acta, 145, 531–534 (1967).
380. Yoshihara K., Hashida T., Tanaka Y., Ohgushi H., Yoshihara H., Kamiya T. J. biol. Chem., 253, 6459–6466 (1978).
381. Yoshihara K., Tanigawa Y., Koide S. S. Biochem. Biophys. Res. Commun., 59, 658–665 (1974).
382. Yu S. S., Li H. J., Goodwin G. H., Johns E. W. Eur. J. Biochem., 76, 461–468 (1977).
383. Yu S. S., Li H. J., Goodwin G. H., Johns E. W. Eur. J. Biochem., 78, 497–502 (1977).
384. Zhelabov S. M., Berdyshev G. D. Expl. Gerontol., 7, 313–320 (1972).
385. Zlatanova J., Swetly P. Nature, 276, 276–277 (1978).
Глава 3. Изменение ферментов в процессе старения
Введение
Ферментами называются белки, катализирующие различные реакции в организме. Они состоят из одной или нескольких полипептидных цепей, или субъединиц. Каждая субъединица представляет собой специфическую последовательность аминокислот, которая кодируется соответствующим геном. Обычно субъединица содержит более 100 аминокислот. Каталитический, или активный, центр фермента состоит из нескольких аминокислотных остатков, расположенных в различных местах линейной последовательности, или первичной структуры, но сближенных друг с другом в результате свертывания цепи. Специфическая последовательность аминокислот необходима не только для соответствующей укладки цепи, но также для обеспечения каталитической активности фермента. Перестройка последовательности аминокислот вызывает изменение активности фермента.
Все биологические реакции в организме катализируются ферментами, т. е. ферменты необходимы для осуществления различных функций организма. Следовательно, изменения их свойств в процессе старения могут приводить к изменениям функциональных способностей организма. Накоплено значительное количество данных, показывающих, что после полового созревания содержание одних ферментов снижается, а других – повышается. Вместе с тем есть ферменты, содержание которых не меняется. Изменения количества различных ферментов наблюдаются также на ранних стадиях жизни, таких, как дифференцировка и развитие. Поскольку ферменты ответственны за специфические функции организма, начало, продолжительность и окончание различных периодов, таких, как дифференцировка, развитие и половое созревание, могут зависеть от появления, исчезновения или изменений содержания специфических ферментов или их изоферментов. Каждый фермент или изофермент кодируется обычно одним или двумя генами. Следовательно, изучение различных аспектов функционирования ферментов – их содержания, строения изоферментов, индукции и молекулярных свойств, может помочь в выяснении механизма старения на генетическом уровне.
Изменения в содержании ферментов
В некоторых работах сравнивали содержание или активность ферментов у животных среднего возраста и у старых животных. Однако анализ этих данных затруднен по следующим причинам. 1) Разные авторы использовали различные методики исследования, которые дают разные значения измеряемых параметров для одних и тех же ферментов. 2) Ферменты в основном исследовались при насыщающих концентрациях субстрата, т. е. в условиях, сильно отличающихся от нормальных физиологических. 3) Некоторым ферментам свойственны циркадные ритмы, следовательно, при измерении их активности в разное время суток должны получать разные результаты. 4) Разные авторы использовали разные единицы для измерения содержания фермента: на 1 г сырого веса, на 1 г сухого веса, на 1 мг белка или на 1 мг ДНК. Поскольку уровень большинства этих факторов, кроме ДНК, с возрастом меняется, сравнение активности ферментов при двух различных возрастах провести очень трудно. Нельзя сделать правильные заключения, если активность одного фермента в метаболическом пути выражена в Ед. на 1 мг белка, а других ферментов – на 1 г сухого веса. 5) Разные авторы считали старческим разный возраст животных, например некоторые рассматривали 60-не-дельных (15-16-месячных) крыс как старых, на самом же деле это животные в стадии поздней зрелости. Другие считали старыми 100-недельных крыс. 6) Из одинакового хронологического возраста двух популяций, содержащихся на разном рационе и в разных условиях окружающей среды, вовсе не следует, что особи этих популяций имеют одинаковый физиологический статус. Если не контролируются все параметры эксперимента, данные двух разных лабораторий сравнивать нельзя. 7) Результаты, полученные для одного пола, иногда нельзя сравнивать с результатами, полученными для другого пола. 8) Данные для одной линии животных трудно сопоставлять с данными для другой. 9) Для сравнительных исследований в основном использовали печень млекопитающих. В любой момент приблизительно 0,01 % клеток печени находится в процессе деления, т. е. печень содержит гетерогенную смесь делящихся и неделящихся клеток. Следовательно, данные для печени несравнимы с данными для мозга и скелетных мышц, в которых клетки не делятся. 10) Выбор ферментов для изучения, по-видимому, определяется имеющимися средствами.
По перечисленным выше причинам в настоящее время нет сопоставимых данных для всех ферментов хотя бы одного метаболического пути в каком-либо организме в зависимости от его возраста. У нас нет также достаточной информации о ключевых регуляторных ферментах различных метаболических путей, уровень которых определяет скорость процессов данного метаболического пути. Регуляция и содержание таких ферментов при различных физиологических состояниях и разных возрастах могут иметь гораздо большее значение, чем регуляция и содержание конститутивных ферментов того же пути, имеющихся обычно в избытке. Например, изучение активности глюкокиназы, фосфофруктокиназы, пируваткиназы, а также пируваткарбоксилазы, фруктозо-бисфосфатазы и глюкозо-6-фосфатазы, которые являются ключевыми регуляторными ферментами гликолиза и глюконеогенеза соответственно, могло бы иметь большое значение для понимания влияния старения на метаболизм глюкозы.
Появилось несколько обзоров, посвященных возрастным изменениям активности ферментов, в которых она выражена в единицах (Ед.) на 1 сырого веса, на 1 г сухого веса, на 1 мг белка (удельная активность) или на 1 мг ДНК [32, 34, 52, 112]. Для того чтобы собрать воедино и сопоставить данные по активности ферментов для разных животных, были использованы различные подходы. Те ферменты, активность которых была выражена в Ед.·мг-1 белка или Ед.·мг-1 ДНК, были подобраны в соответствии с их классом на основании номенклатуры ферментов с целью выяснить, не проявляются ли специфические изменения для каждого класса. Ферменты были также сгруппированы в соответствии с их локализацией в клетке. Старыми считались крысы старше 80 нед и мыши старше 70 нед, так как в этом возрасте самки этих видов теряют способность к воспроизведению потомства.
Табл. 3.1 показывает, что даже в пределах одного класса активность некоторых ферментов, выраженная в Ед.·мг-1 белка и Ед.·мг-1 ДНК, у старых животных ниже, чем у животных среднего возраста, тогда как активность других – выше. Вместе с тем есть ферменты, для которых изменений не наблюдается. Таким образом, в пределах одного класса ферментов для старческого возраста единой закономерности не обнаружено. Более того, с возрастом содержание некоторых ферментов повышается в одних тканях и понижается в других. Однако количество изученных ферментов еще весьма мало для того, чтобы делать какие-либо обобщения. Из полученных данных следует, что после окончания репродуктивного периода активность ферментов, ответственных за окисление, снижается в постмитотических тканях – в сердце, скелетных мышцах и мозгу, тогда как для ферментов, расположенных в различных частях клеток, никакой закономерности в изменении активности не обнаружено.
Таблица 3.1. Активность ферментов, выделенных из различных органов и органелл млекопитающих, как функция возраста
1) Сравнение проводили между двумя возрастами, приведенными в столбце «Возраст».
2) Полушария головного мозга.
3) Мозжечок.
В табл. 3.2 показаны возрастные изменения содержания ферментов различных классов в аорте человека и в некоторых других органах. Хотя приведенные данные в большинстве своем выражены в Ед.·г-1 сырого веса, они представляют определенный интерес, так как относятся к человеку. В основном с возрастом снижается содержание оксидоредуктаз, тогда как для других классов ферментов какой-либо закономерности в изменении активности не наблюдается.
Таблица 3.2. Изменение ферментов в организме человека в процессе старения
Вместе с тем у беспозвоночных обнаружены определенные возрастные изменения активности ферментов. Активность некоторых оксидоредуктаз понижается, тогда как других повышается, а третьих не изменяется. В то же время активность всех до сих пор изученных трансфераз понижается, а активность большинства гидролаз повышается. Исследования на беспозвоночных имеют тот большой недостаток, что измерения проводились на целом организме животных. Вряд ли можно делать определенные заключения, если опыты проводятся не на отдельных органах.
Таблица 3.3. Изменение ферментов у беспозвоночных
Хотя содержание некоторых ферментов было изучено как функция возраста, полученные данные мало что дали для выяснения механизма старения. Ясно, однако, что изменения активности ферментов в старости должны оказывать влияние на функциональные возможности организма.
Изменения в наборе изоферментов
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 α2ε2-типу. В течение последующего периода беременности (от 2 до 10 мес) он заменяется на гемоглобин типа α2γ2 (HbF). Гемоглобин новорожденного относится к типу α2β2 (HbA) и сохраняется до конца жизни (рис. 3.1). Субъединицы α, ε, γ и β кодируются отдельными генами. Следовательно, последовательное изменение типа гемоглобина происходит благодаря активации одних генов и одновременной репрессии других. В этом аспекте интересно следующее: а) α-ген активен в течение всего периода жизни, тогда как ε-, γ– и β-гены активируются один за другим в указанной последовательности; б) когда активируется γ-ген, репрессируется ε-ген; когда активируется β-ген, репрессируется γ-ген; в) длительность активного состояния генов различна: α-ген активен в течение всей жизни, в то время как ε-ген активен только 1 мес, γ-ген – 8 мес, а β-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 α2ε2, α2γ2, α2β2 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 17β-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 – α и β; ее молекулярная структура α2β2. Аминокислотный анализ фингерпринтов двух субъединиц после расщепления бромцианом показывает, что обе субъединицы почти идентичны; β-цепь отличается от α-цепи лишь несколькими модифицированными аминокислотами в области COOH-конца. По-видимому, обе субъединицы кодируются одним геном, но β-цепь образуется в результате модификации после трансляции. На ранних стадиях развития, в течение примерно двух месяцев после рождения, преобладает α-цепь. Однако по прошествии третьего месяца содержание обеих цепей становится одинаковым [72]. Причина повышения содержания β-субъединицы на определенной стадии развития неизвестна, но, очевидно, это повышение обусловлено физиологическими потребностями, возникающими на этой стадии.
Происходят ли такая последовательная активация и репрессия генов и последовательные изменения в формах изоферментов только на ранней стадии жизненного периода или они распространяются также на старческий возраст? Некоторые исследования показывают, что подобные изменения происходят не только в раннем периоде, но и на протяжении всей жизни. Формы изоферментов некоторых ферментов как функция возраста были исследованы на Drosophila. Электрофорез в крахмальном геле гексозофосфат-изомеразы мужских и женских особей D. melanogaster показал, что из пяти изоферментов относительное содержание трех, медленно движущихся, в старости (67 дней) значительно выше. У женских особей два быстро движущихся изофермента, имеющиеся в молодости, в старости исчезают [45]. Таким образом, количество изоферментов зависит также от пола.
Содержание изоферментов эстеразы Drosophila также меняется с возрастом. Три медленно движущихся изофермента, отсутствующие в молодом возрасте, появляются в старости (49 дней) [45]. Из пяти изоферментов алкогольдегидрогеназы (АДГ) АДГ3 и АДГ5 присутствуют в течение всего периода зрелости, в то время как АДГ2 – только в первые 12 дней после вылета [27]. Возможно, что АДГ2 специфически необходима на ранней стадии развития. Все описанные здесь изменения являются суммарными для изоферментов, содержащихся во всех органах Drosophila. Поскольку в разных органах могут происходить различные изменения в какой-либо период жизненного цикла, из этих исследований нельзя сделать каких-либо общих заключений. Трудности изучения изоферментов в отдельных органах такого маленького организма, как Drosophila, очевидны, но факт возникновения или исчезновения определенных изоферментов в старости ясно говорит о репрессии и активации в этом возрасте определенных генов в одном или нескольких органах. Не исключено, что подобные изменения влияют на физиологическое состояние организма в старческом возрасте. В отличие от исследований форм изоферментов эстеразы на Drosophila, изоферменты эстеразы у пятидневного и пятимесячного таракана, Periplaneta americana, изучали в грудной мышце и мышцах конечностей. При разделении в геле были обнаружены восемь полос. В данном случае не нашли никаких различий в формах изоферментов ни как функции возраста, ни как функции пола. Не обнаружено также количественных различий в формах изоферментов в гемолимфе.
В исследованиях цитоплазматической аланинаминотрансферазы (цААТ) из печени крысы четко показано, что явление последовательной смены форм изоферментов распространяется и на старческий возраст [56, 87]. цААТ является димером, состоящим из субъединиц двух типов – А и В. Существуют два активных изофермента: цААТ-А и цААТ-В. Электрофорез очищенной цААТ из печени 5-, 52– и 100-недельных самок крыс в полиакриламидном геле показывает, что печень незрелых крыс содержит только цААТ-А, а старых – только цААТ-В. В печени зрелых крыс присутствуют оба изофермента, но уровень цААТ-А ниже (рис. 3.6). Две субъединицы, А и В, детерминируются двумя отдельными генами [24]. Очевидно, последовательное появление и исчезновение двух изоферментов цААТ на протяжении жизни указывает на последовательное активирование и репрессию генов, ответственных за их синтез. Какие факторы определяют активность этих генов – неизвестно, но возможно, что, как и в случае гемоглобина, активируют или репрессируют гены эндогенные факторы, возникающие в различные периоды жизни, и это приводит к появлению или исчезновению соответствующих полипептидных цепей.
Рис. 3.6. Электрофорез кристаллической растворимой аланинаминотрансферазы незрелых (5 нед), среднего возраста (52 нед) и старых (100 нед) крыс в 7,5 %-ном полиакриламидном геле (0,082 М трис-боратный буфер, рН 8,9). В каждом случае наносили 50 мг белка.
А – аланинаминотрансфераза А; В – аланинаминотрансфераза В [56]
Несмотря на то что к настоящему моменту накоплено еще мало информации, очевидно, исследования изоферментов имеют большое значение для понимания возрастных изменений, происходящих на генетическом уровне. Изоферменты различаются по Км для определенного субстрата, и тонкий контроль метаболических механизмов может осуществляться благодаря изменению соотношения изоферментов. В результате происходящих в различные периоды жизни изменений эндогенных и экзогенных факторов путем модуляции активности соответствующих генов может меняться их относительное содержание. Это в свою очередь может влиять на скорости метаболических реакций и, следовательно, на функциональные возможности организма.
Индукция ферментов
Как было показано выше, с возрастом меняется не только активность ферментов – в определенные периоды жизни меняется также набор изоферментов. Отсюда возникают следующие вопросы:
1) Являются ли эти изменения необратимыми?
2) Возможно ли эти изменения направить вспять и можем ли мы регулировать их уровни в различные периоды жизни?
3) Какие факторы ответственны за эти изменения?
4) Какое значение эти изменения имеют для различных функций организма и для старения?
Получен ряд данных, позволяющих ответить на часть этих вопросов. Известно, что вторичные клетки флоэмы моркови, культивируемые in vitro, дают начало целому растению [107]. Следовательно, высокодифференцированные клетки флоэмы подвергаются дополнительной дифференциации, давая начало клеткам новых типов. На животных клетках подобные эксперименты пока не проводились. Митохондриальная малатдегидрогеназа (мМДГ) индуцируется кортизоном в печени молодых крыс, у которых удален надпочечник, и не индуцируется у старых [53]. Однако, если печень старой крысы регенерирует в результате гепатэктомии, то кортизон вызывает индукцию мМДГ. Таким образом, в этом случае способность к индукции восстанавливается и печень старой крысы функционирует так же, как печень молодой. Из данных экспериментов следует, что изменения макромолекул, происходящие при старении, не являются необратимыми. Содержание ферментов, понизившееся в старости, может быть увеличено путем индукции, и повреждения таким образом могут быть устранены.
Известно, что индукция, или повышение содержания ферментов, вызывается несколькими индукторами, или эффекторами. Индукция является специфическим ответом на специфический стимул, или индуктор, которым может быть субстрат, гормон, метаболит или даже экзогенный фактор – например температура, т. е. индукция – это адаптивный процесс. Как известно, адаптивность организма к условиям окружающей среды в старости снижается. Поэтому представляется интересным исследовать изменения адаптивности или индуцибельности ферментов с возрастом. Поскольку каждый фермент кодируется специфическим геном, подобные исследования могут помочь в выяснении таких функций специфических генов, как транскрипция специфических мРНК и регуляция этой транскрипции. Проводя их, можно также решить вопрос о том, происходят или не происходят изменения в экспрессии генов в старости.
В работах по индукции синтеза ферментов в тканях крысы путем введения различных гормонов было показано, что при одинаковых условиях эксперимента индукция у старых крыс в общем ниже, чем у животных в зрелом возрасте. Такие результаты были получены для глюкозо-6-фосфатазы и фруктозобисфосфат-альдолазы [101], фосфофруктокиназы [102, 103] и гексозофосфат-изомеразы [103], пируваткиназы [21], малатдегидрогеназы [53] и ацетилхолинэстеразы [81]. Для нескольких ферментов в зрелом возрасте и в старости получены одинаковые значения индукции – это триптофанпирролаза [42], аланинаминотрансфераза (ААТ) [87] и тирозинаминотрансфераза (ТАТ) [91], а индукция аргиназы [90] у старых животных оказалась выше (табл. 3.4), чем у животных в среднем возрасте.
Таблица 3.4. Индукция ферментов
Обозначения в Таблице: ↓ уменьшение; ↑ увеличение; "-" нет эффекта; Н – норма; К – кортизон; ГК – гидрокортизон; а – удаление надпочечника; б – удаление семенников; в – удаление яичников; Э50-Э100 – введение эстрадиола в количестве 50 и 100 мг·г-1 веса тела; Т50 и Т100 – введение тестостерона в количестве 50 и 100 мг·г-1 веса тела; П – полушария головного мозга; М – мозжечок.
Некоторые ферменты, например глюкокиназа и тирозинаминотрансфераза из печени мыши, индуцируются при голодании [2]. Было показано также, что тирозинаминотрансфераза печени индуцируется при низкой температуре [33]. В этих исследованиях установлено, что индукция у старых и молодых животных одинакова, но у первых время, необходимое для индукции, больше (табл. 3.4).
В общем, индукция оксидоредуктаз в старости понижается, а трансфераз – повышается или не изменяется. Индукция гидролаз и лиаз печени млекопитающих в старческом возрасте понижается, так же как и индукция трансфераз и гидролаз мозга. Однако пока число исследованных ферментов невелико, нельзя с уверенностью сделать заключение о закономерностях индукции определенных ферментов.
