Молекулярно-генетические механизмы старения

Карагандинская Государственная  Медицинская Академия.

Кафедра молекулярной биологии и медицинской генетики.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С.Р.С.

На тему: «Молекулярно-генетические механизмы старения.»

 

 

 

 

 

 

 

                                 Выполнила: студентка гр.1-066 ОМФ Капият Саним

                                                                        Проверил:Бритько В.В.

 

 

 

 

 

 

 

Караганда 2013г.

 

Содержание:

Введение.

Биология старения стала одной  из центральных проблем современного естествознания. Всё нарастающий  интерес исследователей к этой проблеме определяется рядом факторов. Во-первых, крупные достижения биологической науки, в первую очередь раскрытие механизмов передачи генетической информации, биосинтез белка, мембранных механизмов функции клеток, установление общих закономерностей регуляции обмена и функции организма, сделали реальной возможность познания ведущих механизмов старения. Во-вторых, экспериментальные исследования последних лет показали возможность пролонгирования жизни животных и обосновывают возможность перенесения некоторых результатов на человека. В-третьих, в высокоразвитых странах значительно растёт число пожилых и старых людей в обществе, развивается постарение населения, что приводит к возникновению ряда крупных социально-экономических проблем. В-четвертых, возрастные изменения обмена и функции организма – основа развития возрастной патологии, возникновением ряда заболеваний человека, являющихся основной причиной его смерти. Все это привело к тому, что проблемой биологии старения интересуются в последние годы не только биологи, но и клиницисты, экономисты демографы. К этой проблеме обращаются сотни творческих коллективов, многочисленные исследователи. Стало очевидным, что правильное понимание сущности старения необходимо для познания основных механизмов жизненных явлений, их становления и развития. Стало также очевидным, что исследования в области биологии старения приобретают большое значение для практики медицины и ряда социальных мероприятий.

 

Общие закономерности развития старения.

Старение — в биологии процесс постепенного нарушения и потери важных функций организма или его частей, в частности способности к размножению и регенерации. Вследствие старения организм становится менее приспособленным к условиям окружающей среды, уменьшает и теряет свою способность бороться с хищниками и противостоять болезням и травмам. Явление старения в той или иной мере наблюдается практически у всех живых организмов.

Старение характеризуется нарастающим  снижением надежности регуляции  гомеостаза, снижением возможного диапазона  приспособления. Это отчетливо, выявляется при использовании различных нагрузок, которые неизбежно и постепенно возникают в течение жизни. Вся жизнь представляет собой бесконечную цепь потрясений внутренней среды организма, постоянных нарушений гомеостаза. В ходе этих потрясений мобилизуются и совершенствуются адаптационно-регуляторные механизмы, способствующие сохранению гомеостаза. Так, например, оказалось, что крысы, длительно ограждаемые от обычных для животных умеренных стрессовых воздействий, живут меньше животных, подвергающихся периодически этим влияниям.

Для развития старения характерны гетерохронность, гетеротопность, гетерокинетичность, гетерокатефтенность. Гетерохронность — различия во времени наступления старения отдельных тканей, органов, систем. Так, атрофия тимуса у человека начинается в возрасте 13-15 лет, половых желез — в климактерическом периоде, а некоторые функции гипофиза сохраняются в глубокой старости. Гетеротопность —неодинаковая выраженность процесса старения в различных органах, в различных структурах одного и того же органа. Так, старение пучковой зоны коры надпочечника выражено меньше, чем клубочковой и сетчатой зон. Неодинаковые возрастные изменения наступают и различных полях коры головного мозга и т. д. Гетерокинетичность — развитие возрастных изменений с различной скоростью. В одних тканях, возникая довольно рано, они медленно и относительно плавно прогрессируют; в других — развиваются позже, но более быстро. И, наконец, гетерокатефтенность — разнонаправленность возрастных изменений, связанных с подавлением одних и активацией других жизненных процессов в стареющем организме.

Продолжительность жизни очень  сильно разнится между видами животных. Несколько факторов имеют свое влияние на неё. В большинстве случаев продолжительность жизни зависит от плодовитости животного: чем больше потомства оно даёт, тем меньше живёт. Кроме того, продолжительность жизни зависит от размера животного, размеру его мозга и метаболической активности. Например, как правило меньшие по размеру животные имеют меньшую, а большие по размеру — большую продолжительность жизни.

Лучше всего исследована зависимость  продолжительности жизни от таксономической  группы среди млекопитающих. Протяженность жизни зависит от трёх отдельных факторов: веса мозга, веса тела, и скорости обмена веществ (метаболизма)¹. Зависимость продолжительности жизни от этих факторов может быть выражена в форме эмпирического уравнения: L = 5,5 E^0,54 S^-0,34 M^-0,42. Продолжительность жизни (L) млекопитающих в городах зависит от веса мозга (E) и веса тела (S) в граммах и от скорости обмена веществ (М) в калориях на грамм за час. Позитивный показатель степени для E (0,54) показывает, что долговечность млекопитающих сильно и положительно коррелирует с размером мозга независимо от размера тела или скорости обмена веществ. Отрицательный коэффициент кореляции со скоростью обмена веществ показывает, что продолжительность жизни уменьшается с ростом активности организма. Отрицательная корреляция с весом тела указывает, что тенденция, что большие животные живут дольше, является результатом не большого размера тела, а большей массы мозга.

Общие признаки и физиология старения.

После достижения половой зрелости, организм млекопитающих, включая человека, проходит через ряд структурных изменений, вызванных старением. Большая часть изменений, вероятно, является результатом постепенной деградации тканей и генетической программы, направленной на преодоление этой деградации, хотя были предложены и другие механизмы возникновения старения. На протяжении веков люди пытались найти способ остановить этот процесс, а начиная с середины ХХ века эти попытки приняли форму направленных биологических и медицинских исследований. Хотя исследования физиологии старения, как представляется сегодня, не дадут возможность понять причины процесса старения, исследователи надеются замедлить этот процесс за счёт «лечения» отдельных признаков.

На клеточном уровне старение проявляется в замедлении деления клеток. Частично этот эффект является результатом так называемого предела Хейфлика деления соматических клеток. Эта граница связана с отсутствием активной теломеразы, в результате чего конечные участки хромосом, теломеры, сокращаются при каждом делении. У человека соматическая клетка может делиться около 52 раз, после чего теломеры исчезают, и в клетках запускается программа апоптоза, «альтруистического самоубийства» клеток. Однако, хотя граница Хейфлика и считается основной причиной уменьшения уровня клеточного деления, даже стволовые клетки, в которых эта граница отсутствует, становятся менее активными, замедляют свое деление и не так часто дифференцируются в соматические клетки.

Вес и состав тела. Основная масса тела, которая складывается из массы мышц и тканей, после достижения половой зрелости постоянно уменьшается и в глубокой старости составляет около двух третей от максимального значения в молодости. Полная масса тела, напротив, обычно возрастает с возрастом, так как возрастает количество накопленного жира и воды. Относительное количество внеклеточной жидкости, которое уменьшается на протяжении эмбрионального и постнатального развития, возрастает с возрастом на протяжении взрослой жизни. Несмотря на внешний вид, все ткани, даже кожа, содержат больше воды вследствие старения.

Уменьшение основной массы тела сопровождается уменьшением уровня метаболической активности. Основной обмен (метаболизм) наибольший на протяжении периода самого быстрого роста массы, после чего он быстро снижается до достижения половой зрелости, а потом снижение замедляется.

Изменения в структурных тканях. Структурная целостность позвоночного организма в первую очередь зависит от двух типов белковых волокон — коллагена и эластина. Коллаген, который составляет почти треть от общей массы всех белков тела, находится в коже, костях и сухожилиях. После синтеза клетками-фибробластами, коллаген находится в растворимой форме (тропоколлаген). Постепенно растворимый коллаген полимеризуется, превращаясь в стойкую форму, которая может сохраняться в тканях на протяжении большей части жизни животных. Скорость синтеза коллагена высока в молодости и снижается на протяжении жизни, таким образом, что соотношение концентраций филаментарного и растворённого коллагена возрастает с возрастом. Филаментарный коллаген с возрастом превращается в белковую сеть, которая напоминает кристаллин линзы глаза. С увеличением возраста число связей между молекулами коллагена возрастает, приводя к созданию кристаллической жёсткой структуры, которая приводит к общему возрастанию жёсткости тканей тела. С возрастом также происходит потеря эластичности сосудов, в первую очередь из-за фрагментации коллагена.

Ещё одним изменением, которое сопровождается старение, является относительное уменьшение количества гликозаминогликанов, которые являются комплексами белков и углеводов. Важное последствие этих изменений — уменьшение проницаемости тканей к растворённым питательным веществам, гормонам и антителам.

Перекрёстные связи между молекулами коллагена химически подобны перекрёстным связям, которые образуются в кожах при дублении. Благодаря этой схожести было предложено использовать для замедления старости химические вещества, которые мешают процессам полимеризации. Тем не менее, из-за их высокой токсичности, использование таких веществ на животных пока ещё невозможно.

Обновление клеток. Ткани тела делятся на две группы в зависимости от того, происходит ли обновление клеток ткани. В некоторых тканях клетки совсем не обновляются, например в нервах и скелетных мышцах. В других тканях, таких как кишечный эпителий и кровь некоторые типы клеток обновляются каждые несколько дней и заменяются сотни раз на протяжении жизненного диапазона даже недолгоживущих животных. Между этими примерами находится много органов, такие как печень, кожа, эндокринные органы, где клетки заменяют медленнее, с периодами от недель до лет у человека.

Обновляющиеся ткани обычно состоят  из популяции пролиферирующих клеток, которые сохраняют способность к делению, и популяции зрелых клеток, которые возникают из пролиферирующих клеток и имеют ограниченный жизненный диапазон. Производство этих клеток должно компенсировать их потери, в том числе неожидаемые потери, вызванные повреждением или болезнью. Таким образом, каждая ткань имеет один или более путей контроля производства согласно потребностям. Старение таких тканей выражается несколькими способами, в частности уменьшением в количестве пролиферирующих клеток, уменьшением скорости деления клеток и уменьшения в активности систем контроля.

Например, неповреждённая кожа обновляет свои клетки каждые несколько недель, обладая способностью временно увеличивать скорость производства клеток в ответ на повреждение. Однако, скорость залечивания ран постепенно уменьшается с возрастом.

Важная составляющая механизма  обновления — стволовые клетки. Эти клетки, которые обычно продолжают свободно делиться на протяжении всей жизни, в условиях увеличенного спроса переходят в фазу быстрой пролиферации. Кроветворная ткань содержит популяцию стволовых клеток, которая быстро отвечает на повреждения в молодости, но её активность уменьшается с возрастом. Учащение случаев анемии в старости и замедление ответа на потерю крови обычно поясняют истощением стволовых клеток кроветворных органов.

Морфология тканей. Значительные изменения происходят с возрастом и в морфологии тканей. Например, обычна небольшая степень атрофии тканей. Наиболее заметно сокращение размера тимуса, особенно учитывая его роль в имунной защите. Постепенное уменьшение объёма клеточной ткани и её замена жировой или соединительной тканью самое значительное — в костном мозге и коже. В почках утрачиваются целые секреторные структуры (нефроны). Секреторные клетки поджелудочной железы, щитовидной железы и некоторых других органов также уменьшаются в количестве.

Важное изменение во время старения — накопление пигментов и инертных и, возможно, вредных материалов между клетками. Пигмент липофусцин накапливается в границах клеток сердечной мышцы — обычно он отсутствует до 10 лет после рождения человека, но его количество увеличивается почти до 3 процентов объёма клеток в 90-летнем возрасте. Небольшие количества металлов также накапливаются в разных тканях с возрастом, и хотя эти количества невелики, некоторые металлы могут вызвать отравление ферментативных систем, стимулировать мутации или вызвать рак.

Изменения отдельных систем организма.

Кровеносная система. Изменения в кровеносной системе зависят от вида млекопитающих, но очень сильно проявляются у человека. Главными физиологическими изменениями кровеносной системы является атрофия сердечной мышцы, особенно левого желудочка, кальцификация сердечных клапанов, потеря эластичности сосудов и отложения инертных материалов в сосудах (атеросклероз). Последствиями этого являются снижение кровотока и замедление ответа на временные изменения в потребности крови, что приводит к снижению поступления кислорода, снижению активности почек и печени и общее снижение поступления питательных веществ в клетки тела.

Нервная система. Потеря психологических и нейрофизиологических возможностей с возрастом — вне сомнений, в значительной мере результат потери нейронов, но в этот процесс вовлечены и изменения в метаболических процессах живых клеток. Способность глаза к адаптации к темноте уменьшается с возрастом, но часть этого уменьшения может быть восстановлена при вдыхании чистого кислорода. Известно, что умственные способности пожилых людей также улучшаются с помощью вдыхания кислорода. Установление нервных связей, ассоциированное с памятью, требует синтеза белков, таким образом снижение белкового синтеза за счёт снижения потребления кислорода с возрастом может быть важным фактором ослабления памяти и способностей к обучению пожилых людей.

Эндокринная система. Общей характеристикой старения эндокринной системы является уменьшение чувствительности клеток, которые отвечают на действия гормонов. Тем не менее, пока ещё неизвестно, какие именно процессы отвечают за это снижение чувствительности. В результате этих изменений резервы организма, чувствительность к изменениям окружающей среды, стрессу и токсичности химических веществ снижаются.

Скелет.  В старости кости постепенно теряют кальций и становятся менее крепкими. Это может привести к остеопорозу, увеличивая вероятность переломов. Утоньшение позвонков также приводит к сокращению высоты тела. Кроме того, позвонки отвердевают, что приводит к увеличению жёсткости всего позвоночника и потере манёвренности.