Как остановить старение и повернуть его вспять. Молекулярные механизмы старения и способы произвольного управления ими

5. Анализ гипотезы о решающей роли старения коллагена в старении млекопитающих

В любой клетке многоклеточного организма, пока она жива, происходит обмен веществами с окружающей клетку средой. Из околоклеточной среды клетка получает вещества, необходимые ей для построения своей структуры, для получения энергии на процессы своего самообновления и на выполнение той специфической деятельности, из-за которой клетка нужна организму. В процессе происходящих в клетке химических реакций в ней появляются химические вещества, которые клетка использовать не может. По утверждению И. А. Аршавского, такими веществами являются кислые продукты обмена клеток. Несомненно, что накопление в клетке любых веществ, которые она использовать не может, в том числе продуктов ее обмена, будет менять состав и характеристики внутриклеточной среды в неблагоприятном для клетки направлении. При этом неизбежно понизится уровень активности ферментов клетки, особенно если в результате накопления будет снижаться рН внутриклеточной среды. В результате нарушится нормальный ход ферментативных внутриклеточных процессов. По мере накопления продуктов обмена внутри клетки интенсивность нарушений будет возрастать, вызывая постепенно ускоряющееся старение клетки и ее гибель. Одним из путей выведения продуктов обмена из клетки является их диффузия по концентрационному градиенту в околоклеточную среду, то есть в зону их меньшей концентрации. Это значит, что во внутриклеточной среде всегда будут находиться подлежащие удалению продукты обмена в концентрации, превышающей внеклеточную. При прогрессирующем замедлении скорости их удаления из околоклеточной среды, чем бы это замедление ни вызывалось, неизбежно будет увеличиваться концентрация удаляемых веществ как вне, так и внутри клетки, все больше нарушая нормальный ход внутриклеточных процессов и вызывая ее старение. Этот предлагаемый И. А. Аршавским вариант старения клеток млекопитающих представляется автору данной книги вполне убедительным. Однако замедление скорости обновления околоклеточной среды чревато не только увеличением в ней продуктов обмена клеток. Каждая клетка внутри многоклеточного организма включена в систему обмена информацией между этой клеткой и соседними клетками. Каждая клетка оказывает постоянное или периодическое влияние как на соседние клетки, так и на находящиеся на удалении от нее. Для осуществления этих влияний клетка синтезирует массу специальных химических соединений, которые по мере их синтеза поступают во внутриклеточное и затем в околоклеточное пространство. Таким образом внутри клетки непрерывно появляются продукты ее обмена веществ, а также масса синтезируемых клеткой химических соединений, предназначенных для оказания регулирующих воздействий на другие клетки (паракринная регуляция) и для саморегулирующих влияний на саму выделяющую их клетку (аутокринная регуляция). Синтезируемые клеткой регулирующие вещества выделяются в околоклеточное пространство и далее диффундируют, так же как и продукты обмена клетки, в лимфу и кровь. При уменьшении скорости обновления околоклеточной среды, вне зависимости от того, вызвано ли оно изменением коллагена или другой причиной, в околоклеточной и внутриклеточной среде начнут накапливаться не только продукты обмена клеток, но и синтезируемые клеткой физиологически активные вещества. В результате скорость их синтеза внутри клетки будет постепенно уменьшаться и начнет снижаться эффективность регулирующих влияний клеток друг на друга. Таким образом, по мере уменьшения скорости обновления околоклеточной среды начнут все быстрее стареть клетки и одновременно все в большей степени начнет страдать интеграция между ними, приводя в конечном счете к ускоренной гибели клеток и всего организма.

В то же время, исходя из современных представлений о существовании СК, создающих новые клетки взамен ликвидируемым, организм при ликвидации состарившихся клеток, казалось бы, стареть не должен. Если интенсивность закисления околоклеточной и, соответственно, внутриклеточной среды будет, как считает И. А. Аршавский, постепенно увеличиваться на протяжении жизни млекопитающего, то степень исходного закисления околоклеточной среды каждой новой клетки, созданной в организме взамен погибшей, будет выше, чем у предшествующей. Соответственно, продолжительность жизни каждой новой клетки будет короче, и она будет ликвидироваться через более короткий промежуток времени. Чем раньше клетка будет ликвидирована, тем раньше ее место займет новая. Это значит, что увеличение скорости накопления в клетках продуктов их обмена и вызванное этим накоплением уменьшение продолжительности жизни клеток должно привести к постепенному увеличению доли все более молодых клеток в их общем количестве. В рамках этой вытекающей из гипотезы И. А. Аршавского логики получается абсурдный вывод: чем более неблагоприятна для клеток околоклеточная и, соответственно, внутриклеточная среда, тем клетки будут быстрее стареть и умирать, что вполне логично. При этом тем раньше место ликвидированной клетки будет занимать новая, молодая. В результате сам организм должен становиться моложе. Это логическое противоречие, существующее в гипотезе И. А. Аршавского, при ее дальнейшей разработке потребует своего разрешения.

В качестве препятствия, постепенно уменьшающего скорость обновления околоклеточной среды и запускающего процесс старения клеток, И. А. Аршавский рассматривает основной структурный белок соединительной ткани – коллаген, находящийся, в частности, в околоклеточном пространстве. Выбор коллагена связан с особым генетически заданным свойством коллагена на протяжении времени определенным образом менять свои характеристики. Возрастает количество химических связей – «сшивок» между полипептидными цепями, образующими молекулу коллагена. Сами молекулы коллагена, находящиеся во ВКМ, обладают свойством вступать в химические взаимодействия между собой, обеспечивая самоорганизацию отдельных молекул в волокна. Таким образом, на протяжении жизни млекопитающего в его организме непрерывно определенным образом меняется молекулярная и надмолекулярная организация основного нерастворимого внеклеточного белка соединительной ткани коллагена. Меняются его физические и химические характеристики. При этом жесткость молекул коллагена и образуемых им волокон постепенно увеличивается. Поэтому выбор И. А. Аршавским белка коллагена в качестве триггера, запускающего накопление продуктов обмена клеток в их околоклеточном и внутриклеточном пространстве, вполне логичен. Однако И. А. Аршавский не приводит каких-либо доказательств того, что образование «сшивок» и процесс самоорганизации молекул коллагена могут уменьшать скорость обмена веществами между клетками и кровью, а сам факт такого влияния коллагена не только не кажется очевидным, но, наоборот, представляется маловероятным. Считается, что основной функцией коллагеновых волокон в организме является опорная (биомеханическая) функция. Его волокна образуют волокнистую основу, каркас всех органов. Присущая самим молекулам коллагена способность образовывать «сшивки» между полипептидами, входящими в состав молекулы, и способность самих молекул на протяжении времени взаимодействовать друг с другом и образовывать волокна направлены на повышение прочности коллагена. Соответственно, коллаген ни на каком этапе своих изменений непосредственно влиять на транспорт воды и растворенных в ней веществ, по-видимому, не должен. Поэтому гипотеза И. А. Аршавского о решающей роли старения коллагена в старении клеток и всего организма не кажется убедительной. В то же время спорность гипотезы о роли коллагена в возрастзависимом закислении организма не делает менее привлекательной идею о наличии в околоклеточных пространствах какого-то препятствия удалению продуктов обмена клеток в кровь, интенсивность которого с годами постепенно нарастает, и этот процесс не зависит от генома клеток. В этом случае неизбежно постепенное накопление в околоклеточном пространстве и в клетках продуктов обмена клеток, изменение характеристик внутриклеточной среды, в том числе снижение рН и постепенное уменьшение активности внутриклеточных ферментов. В результате – неизбежное ускорение старения клеток. Признанию гипотезы И. А. Аршавского о закислении клеток в качестве причины их старения и старения организма противоречат данные, приводимые самим И. А. Аршавским, об увеличении продолжительности жизни животных под влиянием двигательной активности. Известно, что повышенная двигательная активность млекопитающих сопровождается увеличением интенсивности обмена веществ соответствующих мышечных волокон и увеличением потребления ими кислорода. При каждом повышении двигательной активности возрастает, по сравнению с основным обменом, интенсивность обмена веществ не только в скелетных мышцах, но и в большинстве внутренних органов, прежде всего в сердце и в мышцах дыхания. Это значит, что двигательная активность должна увеличивать скорость образования кислых продуктов обмена веществ в клетках и, соответственно, более значительно смещать рН в клетках и в околоклеточной среде в кислую сторону. В результате снизится активность внутриклеточных ферментов, в том числе антиоксидантных. Увеличение интенсивности обмена веществ в скелетных мышцах, в мышцах дыхания и в сердце, обеспечиваемое аэробным, т. е. с участием кислорода, способом получения энергии вызовет увеличение скорости образования в них АФК. На начальном этапе любая двигательная активность имеет, как известно, не только аэробный, но и анаэробный, т. е. бескислородный, компонент производства энергии, сопровождающийся образованием молочной кислоты. Это неизбежно приведет к еще большему закислению внутриклеточной среды и к еще большему снижению активности ферментов, в том числе антиоксидантных. Таким образом, любая двигательная активность скелетных мышц и повышенная активность внутренних органов, сопровождающая повышение двигательной активности скелетных мышц, всегда будут сопровождаться понижением рН в клетках этих структур и в околоклеточных пространствах, окружающих активные клетки. Это значит, что в клетках с повышенной интенсивностью будут действовать оба фактора, вызывающих, согласно И. А. Аршавскому, старение клеток, а именно закисление внутриклеточной среды и появление в клетках не нейтрализованных антиоксидантными ферментами АФК. Одновременно в результате закисления внеклеточной среды и попадания в нее АФК будет ускоряться еще один процесс, имеющий, по мнению И. А. Аршавского, решающее значение в возникновении старения – это процесс образования «сшивок» в молекулах коллагена и образование волокон коллагена. Замыкается «порочный» круг. Двигательная активность снижает рН внутри работающих клеток, снижение рН понижает активность АОФ. В результате внутри клетки возрастает концентрация АФК, не нейтрализованных АОФ. Из клетки в околоклеточное пространство в повышенном количестве выходят кислые продукты обмена работающих клеток и АФК. Они ускоряют образование химических связей в молекулах коллагена и между молекулами. В результате этих изменений возрастает противодействие коллагена удалению продуктов обмена клеток, в том числе удалению кислых продуктов из околоклеточной среды. Накопление кислых продуктов обмена клеток в околоклеточной среде вызывает нарастание концентрации продуктов обмена внутри клеток и дальнейшее отклонение характеристик внутриклеточной среды по сравнению с оптимальной величиной. Круг замкнулся, и разорвать его может только прекращение двигательной активности. Отсюда, казалось бы, следует, что любая двигательная активность должна ускорять процесс старения вовлеченных в нее клеток и укорачивать жизнь млекопитающего. Однако в опытах И. А. Аршавского получен противоположный результат. Регулярная мышечная активность увеличивала продолжительность жизни подопытных животных. Это увеличение сопровождалось уменьшением интенсивности их основного обмена. Снижение основного обмена должно было замедлять скорость закисления организма в состоянии покоя. Однако ответ на важнейший вопрос, почему уменьшается основной обмен животных при увеличении их физической активности, в монографии И. А. Аршавского отсутствует.

Чем выше двигательная активность животного на протяжении суток, тем больше должна быть за сутки суммарная величина его обмена веществ, т. е. величина валового обмена за сутки. Для суммарной оценки интенсивности обмена за сутки и, следовательно, интенсивности повреждающих организм процессов необходимо определять удельную величину всего валового обмена за сутки, типичную для жизни млекопитающего в условиях конкретной среды его обитания. Очевидно, она должна быть выше у видов животных, имеющих более высокий уровень двигательной активности на протяжении суток, а именно у белок и зайцев по сравнению с крысами и кроликами. Более интенсивная двигательная активность на протяжении суток должна в большей степени увеличивать валовый обмен, повышать титруемую кислотность мочи, уменьшать ее титруемую щелочность и в результате уменьшать продолжительность жизни животного. Исследования И. А. Аршавского показали, что двигательная активность на самом деле вызывает противоположные процессы. Регулярные физические нагрузки не повышали, а снижали основной обмен, увеличивали титруемую щелочность мочи и снижали ее титруемую кислотность и увеличивали продолжительность жизни. Каким образом физическая активность вместо ожидаемого увеличения закисления организма, наоборот, приближает рН к оптимальным величинам, остается совершенно неясным и не находит какого-либо объяснения со стороны И. А. Аршавского. Таким образом, исходя из представлений И. А. Аршавского, эти результаты и, в частности, увеличение продолжительности жизни животных под влиянием физической нагрузки объяснить нельзя.

6. Два принципиальных вопроса, на которые гипотезы старения не дают ответа: почему отсутствует старение организма в период роста и почему двигательная активность животного увеличивает продолжительность его жизни

В гипотезе старения организма млекопитающих, предложенной И. А. Аршавским, как и в большинстве гипотез старения, существующих в настоящее время, процесс старения характеризуется постепенным развитием, начиная с появления зиготы – первой клетки будущего организма. Уже в зиготе, как и в любой другой клетке организма, идет процесс образования АФК, а в ее околоклеточной среде идет процесс старения коллагена и, исходя из гипотезы И. А. Аршавского, процесс прогрессирующего накопления продуктов обмена в ее околоклеточной и внутриклеточной среде. Соответственно, в появляющихся клетках будет непрерывно на протяжении всей их жизни идти с возрастающей скоростью процесс их старения. Известно, что клетки большинства органов и тканей на протяжении времени стареют, ликвидируются и замещаются новыми. Продолжительность жизни клеток некоторых тканей составляет несколько дней, клеток других тканей – недели, месяцы и годы. Процесс регулярной гибели клеток и замены их такими же новыми происходит после рождения млекопитающего на протяжении всей его жизни, свидетельствуя о непрерывно происходящем в организме процессе старения образующих его клеток. Тем не менее И. А. Аршавский и некоторые другие авторы считают, что в период от момента рождения млекопитающего до завершения его роста организм не стареет. Интегральным показателем старения организма считается снижение его приспособительных адаптивных возможностей. Увеличение роста характеризуется увеличением размеров организма и всех или большинства входящих в его состав органов. Следовательно, в период роста организма синтетические процессы в нем преобладают над процессами распада. Этот период характеризуется, по представлению И. А. Аршавского, негэнтропийными процессами, т. е. процессами, противоположными энтропийным. Энтропийные процессы приближают организм к смерти, негэнтропийные – удаляют от нее. Пока организм растет, его функциональные и адаптивные возможности увеличиваются. Если старение – процесс, приближающий организм к смерти, то в период роста организм отдаляется от нее. По мнению И. А. Аршавского, максимум негэнтропийности достигается к взрослому детородному периоду. Время окончания роста организма и время достижения им детородного периода примерно совпадают, и это имеет очевидный биологический смысл. Именно на пике своих физических и физиологических возможностей организм способен произвести наиболее жизнеспособное потомство и обеспечить наибольшую вероятность его выживания. Благодаря совпадению времени окончания роста организма и времени наступления детородного периода эволюция через естественный отбор может обеспечить наиболее высокие шансы на выживание тех особей вида, которые имеют наибольшие адаптивные возможности. Детородный период продолжается какое-то время. Его некоторые авторы определяют как период зрелости. Очевидно, в этот период времени адаптивные возможности организма сохраняются на предельно высоком уровне. Затем наступает период старости. В нем доминируют энтропийные процессы. Они характеризуются преобладанием процессов распада, приводящих организм к смерти. Такая последовательность событий характерна для большинства млекопитающих. В соответствии с этими данными у кроликов в опытах И. А. Аршавского повышение кислотности мочи и нарастание в крови и тканях молочной кислоты начиналось только с конца детородного периода. По представлениям И. А. Аршавского нарастающее закисление организма – обязательный элемент процесса старения. Однако у кроликов в период их роста ацидотический сдвиг кислотно-щелочного равновесия отсутствовал. Он появлялся только после остановки роста в последней трети детородного периода. С этого времени начинала постепенно снижаться титруемая щелочность и увеличиваться титруемая кислотность мочи кроликов, а также начинало постепенно увеличиваться количество молочной кислоты в крови и тканях. Если процесс старения организма происходит непрерывно, начиная с рождения млекопитающего, то в организме должно непрерывно происходить его постепенно увеличивающееся закисление. Отсутствие закисления в период роста кролика, появление его только после остановки роста и последующее постепенное нарастание закисления позволило И. А. Аршавскому считать, что в период роста млекопитающего старения его организма не происходит.

Таким образом, увеличение титруемой кислотности и снижение титруемой щелочности мочи подопытных животных в опытах И. А. Аршавского, вне зависимости от причины этих изменений, соответствовали как данным об отсутствии старения животных в период роста, так и постепенному их старению на протяжении последующей жизни. Эти данные, по мнению И. А. Аршавского, должны подтверждать гипотезу о прогрессирующем закислении организма как причине его старения. Кроме того, эти данные свидетельствуют в пользу положения, согласно которому в жизни млекопитающих необходимо выделять два принципиально отличающихся между собой периода – период роста организма и последующий период его жизни. В период роста организм не стареет. Процесс старения организма начинается только после остановки роста и продолжается всю остальную жизнь. В то же время процессы, которые, по представлению И. А. Аршавского, вызывают старение клеток, постоянно происходят в организме на протяжении всей жизни и, следовательно, должны происходить в период роста организма и вызывать его старение. Таким образом, утверждение И. А. Аршавского, что в период роста организм млекопитающего не стареет, и его же гипотеза о механизмах старения противоречат друг другу. Старение организма, по мнению И. А. Аршавского, запускается старением его коллагена. Поскольку в период роста организм не стареет, то необходимо признать, что в период роста млекопитающего его коллаген не стареет и, следовательно, в этот период не может происходить запускаемого старением коллагена прогрессирующего закисления околоклеточной и внутриклеточной среды. Однако прогрессирующее старение молекул коллагена – это свойство, присущее самим этим молекулам. Это значит, что молекулы коллагена должны стареть на протяжении всей жизни млекопитающего. Следовательно, исходя из гипотезы И. А. Аршавского, старение коллагена должно на протяжении всей жизни вызывать старение организма. Таким образом, гипотеза И. А. Аршавского о решающей роли старения коллагена в старении организма противоречит другому его утверждению, согласно которому в период роста организм млекопитающего не стареет. В то же время отсутствие старения млекопитающих в период их роста и отсутствие в этот период закисления их организмов не противоречат гипотезе о решающей роли закисления околоклеточной среды в старении млекопитающих. Однако при этом необходимо допустить, что закисление организма отсутствует в период его роста, а начинается и прогрессирует после остановки роста. Такое допущение в монографии не только признается, но для его подтверждения приводятся определенные факты. У кроликов повышение кислотности мочи и нарастание в крови и тканях молочной кислоты начиналось только с конца детородного периода, т. е. только после окончания их роста. Почему процесс закисления организма отсутствовал в период роста и начинался только после его окончания – этот вопрос в монографии не обсуждается и, естественно, ответа на него в монографии нет.

Подводя итоги анализа гипотезы И. А. Аршавского, можно заключить, что в ней автор дает убедительное, логически обоснованное представление:

1) о причине возникновения старения;

2) о механизмах его развития;

3) о неизбежности старения клеток и всего организма;

4) об обязательном ускорении старения на протяжении жизни организма;

5) о независимости старения от генетического аппарата клеток.

Однако приводимые И. А. Аршавским в пользу гипотезы экспериментальные данные об изменениях рН мочи у подопытных животных являются косвенными. В какой степени они отражают изменения рН околоклеточной и внутриклеточной среды – неизвестно.

Основным положением гипотезы является предположение о причинной роли коллагена в возникновении и прогрессировании старения. Однако доказательств этого предположения И. А. Аршавский не приводит. В то же время, исходя из свойств коллагена и его функциональной роли в организме, предположение, что непосредственно коллаген препятствует обмену веществами между клетками и кровью капилляров, представляется маловероятным. В то же время любая гипотеза, действительно претендующая на объяснение механизмов старения, должна отвечать как минимум на следующие вопросы:

1) почему продолжительность жизни млекопитающих увеличивается по мере увеличения их размеров;

2) почему увеличивается продолжительность жизни видов животных, имеющих при одинаковых размерах более высокую двигательную активность;

3) почему отсутствует старение млекопитающих в период роста их тела;

4) почему при едином механизме старения клеток продолжительность жизни разных видов клеток в пределах одного организма различается в огромное количество раз.

Ни на один из этих вопросов гипотеза старения, предлагаемая И. А. Аршавским, ответа не дает. Вместе с тем она заслуживает особого внимания и дальнейшей разработки по нескольким причинам.

1. Данная гипотеза выводит проблему старения человека из зоны, в которой полностью или почти полностью господствует генетика, т. е. из зоны, на которую человек осознанно влиять почти не может, во внеклеточную зону, на характеристики которой человек может оказывать целенаправленное воздействие.

2. Делает понятным и неизбежным процесс старения и гибели клеток, а также постепенное возрастзависимое ускорение этого процесса. В основу гипотезы И. А. Аршавским положена оригинальная идея, согласно которой причиной старения клеток является некая околоклеточная структура или некий внеклеточный процесс, которому присуще свойство «замедлять» скорость удаления продуктов обмена клеток из их околоклеточной среды и постепенно увеличивать интенсивность этого замедления. Наличие такой структуры должно неизбежно вызывать возрастзависимое накопление в клетках и в околоклеточной среде продуктов обмена веществ клеток, старение клеток и их гибель.

3. При доказательстве наличия такой структуры или такого процесса открывается возможность поиска путей, препятствующих старению и увеличивающих продолжительность жизни клеток и организма.

7. Геном клетки допускает возможность ее бессмертия

Считается, что признаком живого организма является обязательное наличие у него набора определенных свойств, объединенных под названием «основные свойства живого». К ним относят следующие свойства:

1) обмениваться с окружающей средой веществом и энергией;

2) расти;

3) размножаться;

4) воспроизводить себя в потомках, т. е. обладать способностью передавать свои свойства потомкам;

5) приспосабливаться к изменениям окружающей среды, т. е. адаптироваться к ней;

6) обновлять свои структуры при утрате ими нативных характеристик, т. е. самообновляться;

7) передавать потомкам возникающие в них изменения.

Живые организмы, ныне живущие на Земле, являются либо одноклеточными, либо многоклеточными организмами. Первыми на Земле появились одноклеточные организмы около 3 миллиардов лет назад. Им уже были присущи основные свойства живого. Считается, что клетка может произойти только от клетки. Это значит, что от первых одноклеточных организмов произошли все ныне живущие на Земле одноклеточные и многоклеточные организмы и все образующие многоклеточные организмы клетки. Для обеспечения каждого из одних и тех же основных свойств живого все клетки имеют принципиально схожие программы построения сходных структур клетки и программы деятельности этих структур по обеспечению основных свойств живого. Эти свойства потому и относят к основным свойствам живого, что благодаря именно их совокупности живые организмы существуют и непрерывно изменяются на протяжении миллиардов лет. Набор программ во всех клетках находится в молекулах ДНК, устроенных по единому для всех клеток плану. Он закодирован в определенных участках ДНК, получивших название «гены». Вся совокупность генов образует генетическую программу или геном клетки. Следовательно, весь огромный период времени существования живых организмов на Земле генетическая информация не исчезала и потом не появлялась заново, а благодаря свойству наследственности непрерывно переходила от родителей к детям. При этом благодаря свойству изменчивости генетические программы постепенно усложнялись, повышая устойчивость живых организмов к неблагоприятным воздействиям окружающей среды. Исходя из этих фактов, по-видимому, можно считать, что эволюция живых организмов – это процесс, направленный на сохранение генетической информации и на изменения, направленные на повышение надежности ее сохранения.

Этих результатов эволюция достигает прежде всего с помощью обязательного размножения живых организмов. Без размножения не может быть эволюции как одноклеточных, так и многоклеточных организмов.

Организм взрослого человека состоит из несколько триллионов клеток и производимого клетками межклеточного вещества, образующего ВКМ. Каждая из триллионов клеток организма выполняет определенную необходимую организму функцию. Совокупная деятельность всех клеток обеспечивает все функции организма. Предельные функциональные возможности клеток по выполнению своих функций определяют предельные функциональные возможности всего организма. Старение организма – это процесс, обязательным интегральным показателем которого является снижение функциональных возможностей организма. Очевидно, старение организма должно являться результатом снижения функциональных возможностей образующих его клеток, т. е. результатом старения клеток. Поэтому, чтобы понять механизмы старения организма, необходимо понять процесс старения образующих организм клеток.

Клетки всех живых организмов представляют собой объемные образования, состоящие из оболочки и расположенной внутри клетки протоплазмы. Оболочка построена из липидов, белков и углеводов. Она отделяет содержимое клетки от внешней околоклеточной среды. Внутри клеток находятся молекулы ДНК, РНК и молекулы различных белков и белковых комплексов с углеводами, липидами и нуклеиновыми кислотами, а также вода и различные ионы. Растворы, находящиеся внутри клеток, близки по своему химическому составу и существенно отличаются от состава окружающей их околоклеточной среды. Из белков и их комплексов внутри клеток построены структуры, предназначенные для обеспечения основных свойств живого. Большинство этих структур присутствует во всех клетках. Это ядро, аппарат Гольджи, рибосомы, эндоплазматический ретикулум и др. Строение и функции этих структур во всех клетках однотипны. Для синтеза белков и их комплексов с углеводами, липидами, нуклеиновыми кислотами все клетки используют одни и те же более простые органические соединения: аминокислоты, жирные кислоты, простые углеводы, нуклеотиды, поступающие в клетки из околоклеточной среды. Для осуществления синтетических процессов необходима энергия. Энергию клетки получают путем расщепления поступающих в нее из околоклеточной среды тех же органических соединений до более простых химических соединений. При получении энергии в процессе соответствующих химических реакций во всех клетках образуется тепло и синтезируются молекулы одного и того же химического соединения – АТФ, а также образуются конечные продукты обмена органических соединений. АТФ является универсальным аккумулятором энергии для всех живых организмов, их энергетической «валютой». Именно с помощью АТФ внутри всех клеток происходит передача энергии от мест ее образования к местам потребления. Таким образом, клетка получает энергию, расщепляя одни химические соединения, и с помощью этой энергии из более простых органических соединений, находящихся внутри клетки, синтезирует нужные ей более сложные химические соединения, из которых строит свою структуру.

Для протекания внутриклеточных химических реакций синтеза и распада требуются, кроме непосредственных участников реакции и энергии в виде АТФ, дополнительные вещества – ферменты, или энзимы. Ферменты представляют собой белки или их комплексы с углеводами и липидами. Ферменты – это природные биокатализаторы. Они управляют всеми обменными процессами в клетке, в огромное число раз увеличивают скорость химических реакций в ней и уменьшают количество энергии, необходимой для их осуществления. При этом сами ферменты не расходуются в ходе химических реакций. Входящие в состав разных клеток ферменты синтезируются самими клетками, выполняют сходные функции и схожи по строению. Активность ферментов зависит от характеристик внутриклеточной среды, ее рН, наличия и концентрации различных ионов, температуры и т. д. Для нормального протекания внутриклеточных процессов внутриклеточная среда всех клеток имеет сходный генетически заданный состав и температуру, при которых активность ферментов близка к максимальной. Малейшие отклонения характеристик внутриклеточной среды от генетически заданных величин снижает активность ферментов и нарушает ход внутриклеточных химический реакций. Поэтому все клетки имеют сходные структуры и механизмы, с помощью которых с затратой энергии они обеспечивают поддержание характеристик внутриклеточной среды на уровне, близком к оптимальному для активности ферментов.

Для обеспечения каждого из одних и тех же основных свойств живого ДНК всех клеток имеют принципиально схожие программы создания соответствующих сходных структур и программы деятельности этих структур по обеспечению основных свойств живого. Реализация каждой программы осуществляется во всех клетках однотипным трехступенчатым процессом. Он включает в себя «снятие» с определенных участков ДНК, с генов, с помощью молекул РНК информации о первичной линейной структуре молекулы определенного белка, закодированной в определенном участке или участках ДНК в виде определенной последовательности определенных нуклеотидов. На основе этой информации, полученной в виде определенной молекулы РНК, соответствующие ферменты синтезируют из определенных аминокислот, находящихся внутри клетки, первичную линейную молекулу определенного белка. Эта молекула в условиях оптимальной внутриклеточной среды самопроизвольно меняет свою конфигурацию, образуя в конечном счете третичную или четвертичную структуру белка. Именно в таком виде белок обладает свойствами, позволяющими ему находить в клетке нужную белковую структуру, встраиваться в нее и участвовать в выполнении тех функций, для осуществления которых эта структура предназначена. Даже минимальные отклонения характеристик внутриклеточной среды от оптимальных величин может нарушить превращение исходной линейной молекулы белка в форму, необходимую клетке. В результате такая молекула не сможет найти и занять предназначенное для нее место в той или иной структуре клетки, не сможет участвовать в выполнении функции, для которой она создана генетическим аппаратом клетки, и становится помехой, нарушающей жизнедеятельность клетки. Таким образом, для реализации основных свойств живого, обеспечения генетически заданных характеристик, заложенных в ДНК, белковой молекуле необходимо наличие в клетке определенных оптимальных характеристик внутриклеточной среды. Отклонение характеристик внутриклеточной среды может быть вызвано внешними причинами или генетически незапрограммированными внутренними причинами. Внешние причины связаны с физическими и (или) химическими воздействиями окружающей клетку среды. Они не зависят от клетки, и на них клетка влиять не может. Внешние причины носят случайный характер и не оказывают на клетки постоянного негативного воздействия. Отклонение характеристик внутриклеточной среды от оптимальных величин может быть связано прежде всего с наличием во внутриклеточной среде продуктов обмена клеток. Обмен веществ происходит в клетке непрерывно. Это значит, что в ней постоянно находится какая-то концентрация продуктов обмена, которая может нарушать генетически заданные характеристики внутриклеточной среды.

Вторым непрерывно происходящим в клетке и независимым от нее процессом, способным вызвать нарушение оптимальных характеристик внутриклеточной среды и структур клеток, является образование в клетках АФК. Отклонение характеристик внутриклеточной среды неизбежно должно приводить к нарушению одного из основных свойств живого, а именно процессов самообновления клетки.

Даже при оптимальных характеристиках внутриклеточной среды белки и белковые комплексы с углеводами и липидами, образующие клетки, со временем самопроизвольно теряют свои исходные, генетически заданные свойства – белки «стареют», происходит их денатурация. Эти изменения белковых молекул на протяжении времени происходят спонтанно. Они не зависят от ДНК клетки, не требуют для своего осуществления специальных ферментов и не требуют затрат энергии со стороны клетки. В то же время появление и накопление измененных молекул также может нарушать характеристики внутриклеточной среды. Для противодействия любым генетически не санкционированным внутриклеточным процессам в клетке существуют специальные генетически заданные механизмы, в частности, механизмы выявления измененных и чужеродных молекул, а также генетически заданные механизмы их разрушения и выведения за пределы клетки или складирования внутри клетки в специальных структурах.

Нарушения в генетически заданной структуре молекул белков и их комплексов с углеводами, липидами и нуклеиновыми кислотами происходят в клетках непрерывно. Столь же непрерывно происходят их обнаружение и ликвидация. Соответственно, непрерывно в клетках идет процесс синтеза новых молекул взамен ликвидированных. Это значит, что в клетке непрерывно происходит процесс распада одних молекул, входящих в состав клетки и утративших свою генетически заданную структуру, и синтез на их место таких же новых молекул, имеющих необходимое клетке строение. Процесс синтеза новых молекул требует присутствия во внутриклеточной среде всего комплекса исходных веществ, необходимых для синтеза, а именно: определенных аминокислот, жирных и нуклеиновых кислот, углеводов, причем в концентрациях, соответствующих потребностям клетки. Кроме того, для осуществления синтетических процессов необходимы ферменты, т. е. белковые структуры, строение которых также генетически задано и которые также подвержены спонтанному изменению и требуют постоянного обновления с помощью непрерывно происходящих процессов распада входящих в их состав молекул и синтеза новых. Для осуществления синтетических процессов необходима энергия, появляющаяся в клетке только при распаде АТФ. Это значит, что клетка должна непрерывно синтезировать все новые молекулы АТФ для восполнения энергии, израсходованной клеткой на синтетические процессы. АТФ клетка может образовывать только с помощью определенных ферментов из глюкозы, жирных кислот и аминокислот. Для получения клеткой необходимого ей количества энергии и, следовательно, АТФ необходимо, чтобы внутри клетки находились соответствующие концентрации этих элементов. Уровень активности ферментов зависит от характеристик внутриклеточной среды, ее рН, наличия и концентрации различных ионов и т. д. Какие вещества должны находиться внутри клетки и в каких концентрациях – все это определяется информацией, находящейся в ДНК клетки. Таким образом, при наличии оптимальной внутриклеточной среды, характеристики которой заданы ДНК клетки, и благодаря генетически заданным процессам самообновления клетки в условиях оптимальной околоклеточной среды должны жить сколь угодно долго. Однако на самом деле срок жизни одноклеточных организмов, срок жизни большинства клеток многоклеточных организмов, а также самих многоклеточных организмов ограничен. Почему? Старение многоклеточных организмов – это старение образующих его клеток. Соответственно, механизм старения одноклеточных организмов и клеток многоклеточного организма, по-видимому, один и тот же.

8. Почему геном клетки исключает возможность бессмертия одноклеточного организма?

Ограничителями долгой жизни одноклеточного организма являются два генетически заданных и связанных между собой основных свойств живого – размножения и роста. Одноклеточные организмы размножаются делением. Материнская клетка делится на определенном этапе роста на две обычно равные по величине и составу дочерние клетки. Каждая из 2 дочерних клеток получает половину каждой из структур, входящих в состав материнской клетки и половину содержимого ее внутриклеточной среды. Исключение составляет двуспиральная молекула ДНК материнской клетки, в которой находится весь план развития клетки. Перед делением материнской клетки активируются гены, на основе которых создаются ферменты, обеспечивающие разделение двуспиральной молекулы ее ДНК на две отдельные одинаковые спирали. После этого каждая спираль служит матрицей для создания аналогичной новой спирали. В результате в каждую из дочерних клеток при делении материнской попадает двуспиральная молекула ДНК, аналогичная материнской. Соответственно, в каждой дочерней клетке одна спираль является «старой», сопровождавшей материнскую клетку на протяжении ее жизни, а вторая – такая же спираль, но вновь образованная. Одновременно при делении в каждую дочернюю клетку переходит половина от всего комплекса структур, обеспечивавших реализацию генетической информации, заложенной в ДНК материнской клетки.