Лептин, клітинні мембрани і мітохондрії

Современний погляд на елеваціонний теорію Дільмана.

Учение вже давно звернули увагу на цей факт, що людська старість пов'язана з певними захворюваннями, частіше за інших виникають на заході життя. Першим, хто у другій половині ХХ століття найбільш повно і добре вивчив це питання зчеплення найпоширеніших хвороб зі старінням, був російський учений В. М. Дильман. За твердженням Дільмана, саме ті процеси, які на початку життя служать для нормального розвитку організму, з плином часу приводять його до загибелі. Дані своїх спостережень і досліджень він поклав в основу так званої елеваціонной теорії старенія.

Ключевую роль у своїй теорії Дильман відводив віковим порушень роботи розташованої в мозку гіпоталамо-гіпофізарної системи - головного координатора процесів в ендокринній системі. На його думку, основна причина старіння полягає у підвищенні з віком порогу чутливості гіпоталамуса до регуляторних сигналам, надходять від нервової системи і залоз внутрішньої секреції. Через такого вікового зміни в роботі гіпоталамуса порушуються численні механізми саморегуляції нашого організму, побудовані за принципом зворотного зв'язку, коли секреція одних гормонів та ферментів повинна пригнічувати активність інших.

В результаті цього з віком в організмі неухильно і нестримно зростає рівень деяких речовин, наприклад, таких гормонів, як інсулін і кортизол, а також глюкози, жирних кислот і холестерину. Разом з цим спостерігається зниження фізіологічного рівня інших речовин (статевих гормонів, нейромедіаторів та ін.) Все це разом створює умови для запуску цілого каскаду біохімічних реакцій, результатом яких стає розвиток таких вікових патологій, як атеросклероз, гіпертонія і діабет. Для всіх цих патологій є одне об'єднуюче їх стан - окіслітельний стрес, визванний посиленням генерації активних форм кисню. Після того, як окислювальний стрес, набравши необхідної мощі, почне загрожувати тяжелимі ушкодженнями ДНК, в організмі почнуться процеси, підсумком яких може стати прискорене старіння і загибель організму.

Так, сьогодні встановлено, що в літньому віці в клітинах підвищується вміст продуктів окисного пошкодження макромолекул, у тому числі ДНК. Відомо, що апоптоз, процес самознищення клітини, в першу чергу індукується в клітинах, які мають нерепарірованное (тобто не усунення) пошкодження ДНК: два білки, р53 і р21, діючи синхронно, зупиняють мітотичний цикл і запускають процес самознищення. Ліквідація такої клітини покликана не допустити її поділу і появи нових клітин-мутантів, які можуть привести організм до загибелі. Головний зберігач геному, білок р53, забезпечує генетичну стабільність і однорідність соматичних клітин. Його завдання - жорстко стежити за тим, щоб клітина, в якій сталися невиправні пошкодження і відхилення, обов'язково припинила б своє існування і на світ не з'явилися б генетично мутував нові клітини.

Преждевременний відхід з життя не дав можливості Дільманов ознайомитися з результатами досліджень останніх років, які багато в чому підтверджують його теоретичні припущення про вікові зміни в гіпоталамічної системі. Так, було встановлено, що вікове підвищення рівня в крові вільних жирних кислот може викликати загибель нейронів гіпоталамуса за типом апоптозу, що, природно, порушує регулювання їм ендокринної системи. Як правильно сформулював Дильман, якщо на початку життя людини жирні кислоти і холестерин служать для його росту і розвитку, будучи структурними компонентами для побудови клітин, то після закінчення періоду активного зростання їх рівень починає нестримно рости, сильно збільшуючись під впливом зовнішніх факторів.

Важную роль у цих вікових процесах відіграє гормон жирової тканини лептін і залежна від нього АМР-активована протеінкіназа (АМРК). Лептин - це основний гормон жирової тканини, за допомогою якого відбувається регуляція жирових запасів в організмі. За допомогою АМРК лептин сприяє метаболізму жирних кислот у клітинах, регулюючи рівень їх ?-окислення. При нестачі енергетичних запасів у вигляді жирів рівень лептину починає падати, що шляхом складних механізмів зворотного зв'язку через гипоталамическую систему викликає почуття голоду. Відповідно, коли енергетичного субстрату є в достатній кількості, рівень лептину зростає, що призводить до почуття насичення і до підвищення окислення жирних кислот в мітохондріях.

Как тільки енергетичних запасів стає істотно більше, ніж це потрібно для нормального існування людини (як це часто буває при малорухомості і старінні), лептин втрачає свої регулюючі властивості і виникає лептинорезистентності. Встановлено, що є критична позначка рівня лептину, складова 30 нг / мл, після досягнення якої його дію на лептінзавісімие ділянки мозку припиняється. Гіпоталамус перестає отримувати і посилати сигнали, що регулюють апетит, і рівень жирних кислот, окислювання яких через резистентності до лептину зменшується, починає показувати неухильне зростання.

Ета вікова резистентність до лептину завжди сусідить з ще однієї вікової резистентністю, до іншого регуляторному гормону, інсуліну. Швидше за все, вони виникають практично одночасно, так як регулюють одні й ті ж метаболічні шляхи - шляхи запасання і витрачання енергії і дуже тісно пов'язані між собою. Крім усього іншого, їх об'єднує кілька загальних інгібіторів, блокуючих сигнальні шляхи як інсуліну, так і лептину - такі, як, наприклад, супрессор сигнального шляху 3 (SOCS3) і протеін-тирозин-фосфатаза-1 (PTP1). Також нещодавно було встановлено, що блокування ключовою кінази в сигнальному шляху інсуліну, фосфатіділінозітол-3-кінази, забезпечує надходження глюкози в клітини, одночасно «вимикає» і дія лептину.

Закрепівшісь на якийсь тривалий час, інсуліннезалежний лептіновая резистентність викликає стабільне підвищення рівня жирних кислот (ЖК) і накопичення їх в нежирових тканинах - у печінці, скелетних і серцевих м'язах, підшлунковій залозі, тимусі. Всі ці органи і тканини виявляються дуже вразливими і, по суті справи, беззахисними перед негативним впливом надлишку ЖК. Цей надлишок призводить до парадоксальної ситуації: на тлі наявного великого (а іноді - і величезного) запасу енергетичних субстратів (РК і глюкози) клітини організму знаходяться на постійному енергетичному «Голодному» пайку, оскільки порушується синтез енергетичного носія в клітинах, аденозінтріфосфата (АТФ). Це порушення синтезу АТФ, викликане надлишком жирних кислот, сьогодні є твердо встановленим фактом.

Все справа в тому, що РК є потужними факторами, инициирующими процес роз'єднання окислення від фосфорилювання. І ось як це відбувається. Всім добре відомо, що повні люди легко переносять холод, набагато краще, ніж протилежне кліматичне явище - спеку. Легко справлятися з холодом їм допомагає жірозавісімий механізм роз'єднання окислення і фосфорилювання, який є нормальним фізіологічним процесом, покликаним не дати організму замерзнути. Як тільки температура навколишнього середовища знижується, відбувається активація ферменту під назвою ліпаза, яка розщеплює наявні в організмі жирові запаси. Так починається ліполіз - вивільнення жирних кислот з жирових відкладень. Жирні кислоти спрямовуються в кров і починають накопичуватися в мітохондріальної мембрани. Таке накопичення призводить до того, що процес окислення і фосфорилювання роз'єднується: жирні кислоти роблять мітохондріальну мембрану негерметичної і проникною, як решето. Через це протонний потенціал, який потрібен для синтезу АТФ, не може накопичитися всередині мітохондрій, а весь розсіюється, перетворюючись на тепло.

Етот процес має таку послідовність: аніон жирної кислоти (RCOO-) приєднує на зовнішній поверхні мітохондріальної мембрани іон Н +, відкачуваний з мітохондрій ферментами дихального ланцюга; потім відбувається дифузія протоновану жирної кислоти (RCOOH) до внутрішньої поверхні мітохондрій; слідом за цим здійснюється дисоціація RCOOH з утворенням RCOO-і іона Н + всередині мітохондрії; і заключний етап - перенесення RCOO-за допомогою АТФ / АДФ-антіпортера або роз'єднує білка до зовнішньої поверхні мітохондріальної мембрани.

Когда запасів жирів в організмі стає значно більше, ніж це передбачено природою, все перевертається з ніг на голову, і корисний адаптивний механізм терморегуляції стає постійним чинником виникнення дефіциту енергії через зниження синтезу АТР. А все тому, що в клітинах жирової тканини, адипоцитах, через їх резистентності до інсуліну посилюється той самий ліполіз, в нормальних умовах придушений інсуліном, в наслідок чого відбувається постійне вивільнення жирних кислот з жирових запасів. А це, у свою чергу, веде до того, що вони будуть накопичуватися у внутрішній мітохондріальній мембрані, постійно роз'єднуючи окислення і фосфорилювання. Виникне характерне для літнього віку стан - дисфункція мітохондрій.

Ето підтверджують дослідження скелетних і серцевих м'язів літніх або огрядних людей, для яких характерна велика зниження функції мітохондрій, а також порушення їх біогенезу. Так, у своїх дослідженнях японський вчений Т. Озава показав, що дефіцит нормальних мітохондрій в тканинах серця літніх людей може доходити до 90%. Основними причинами, які формують дисфункцію мітохондрій є: а) перевантаження дихального ланцюга електронами в умовах гіпоксії; б) зниження активності цитохромоксидази і Mn-супероксиддисмутази (як наслідок, збільшення продукції супероксидного радикала дихальними комплексами); в) виснаження мітохондріального пулу відновленого глутатіону (як наслідок, зниження здатності ключових мітохондріальних ферментів протистояти окислювальним пошкоджень).

Жірние кислоти можуть роз'єднувати окислювання від фосфорилювання ще одним способом: за допомогою перекисного окислення ліпідів (ПОЛ). Як відомо, надлишок в організмі РК призводить до збільшення генерації активних форм кисню (АФК), що тягне за собою виникнення ланцюгової реакції ПОЛ. Продукти ПОЛ у свою чергу, впливаючи на ліпідну фазу мембран, роблять її проникною для іонів водню і кальцію, що і призводить до роз'єднання окислення і фосфорилювання.

І ще одним віковим патогенним фактором, який негативно впливає на синтез АТР, виступає холестерин: накопичуючись з віком в мембранах еритроцитів, він ущільнює її і ускладнює проникнення кисню, ніж послаблює основну, кіслородонесущую функцію еритроцитів. Підвищення вмісту в еритроцитах глікозильованого гемоглобіну, спостережуване з віком, також негативно позначається на перенесенні ними кисню. Як справедливо зауважив академік Ю. А. Владимиров, для розвитку патологічних процесів в організмі характерне утворення «порочних кіл» (а також ланцюгових реакцій), коли одне виниклопорушення призводить до виникнення іншого, яке, у свою чергу, починає посилювати і поглиблювати найперше, породжуючи все нові і нові відхилення. Так само відбувається і у випадку з віковою дисфункцією мітохондрій: виникнувши на тлі надмірного накопичення жирних кислот і холестерину, така дисфункція у свою чергу призводить до посилення окисного стресу і ще більшого накопичення жирних кислот, оскільки порушується їх нормальне окислення.

Как вірно вказував у своїх роботах Дильман, в старості спостерігається неконтрольоване і неприродне підвищення апетиту, пов'язане, крім описаної вище резистентності до лептину, ще й із зменшенням синтезу АТФ у клітинах печінки, рівень якого діє в них як головний датчик енергетичного стану в організмі. Крім цього, на ненормальне підвищення апетиту впливає вікове зниження рівня нейромедіаторів. У результаті всього цього відбувається збій в регулюванні апетиту гіпоталамусом: вікове зменшення фізичної активності тягне за собою не зниження апетиту (що має відбуватися в нормі), а, навпаки, його підвищення.

Вместе із зменшенням синтезу АТФ і підвищенням апетиту, в печінці починається процес глюконеогенеза, згубність якого часто недооцінюється багатьма фахівцями. Коли в скелетних м'язах, головних споживачах глюкози, виникає вікова або патологічна несприйнятливість до інсуліну, клітини починають сигналізувати в мозок про енергетичне дефіциті. У відповідь на це в печінці запускається процес синтезу молекул глюкози з підручних засобів, і основними підручними засобами у цьому процесі виявляються білки м'язової тканини, а також білки лімфоцитів. Таке ослаблення імунітету через вилучення білків лімфоцитів, звичайно ж, не проходить для організму даром і разом з віковою інволюцією головного органу імунної системи, тимуса, виллється згодом у важкі імунно-депресивні стани.

Как тільки в організмі виникне стійкий дефіцит енергії, АТФ, в клітці порушиться робота іонних насосів, викачують з неї натрій і кальцій. Подальше за цим збільшення вмісту внутрішньоклітинного кальцію активує фосфоліпазу А2, яка знаходиться у внутрішній мембрані мітохондрій. Фізіологічна функція фосфоліпази А2 - видалення з мембрани ділянок, окислених АФК. Після активації кальцієм фосфоліпаза А2 може стати причиною загибелі мітохондрії. Вона розщеплює фосфоліпіди мітохондріальної мембрани, через пошкодження ліпідного шару мембрана втрачає свої фізіологічні властивості: у ній утворюються пори, через які в мітохондрії «хлинуть» катіони з навколишнього простору. Разом з катіонами буде спостерігатися неприродне накопичення фосфатів і збільшення вмісту води всередині мітохондрії. Таке накопичення рідини може закінчитися набряком і розривом мембрани мітохондрії, що, природно, призведе до загибелі останньої.

Как вже говорилося вище, свій внесок у вікове зниження вироблення АТФ вносять патологічні зміни в мембранах еритроцитів. Взагалі, треба сказати, що вікові зміни в мембранах майже всіх клітин людського організму дуже схожі між собою, так як викликаються одними і тими ж причинами: підвищенням рівня холестерину і заміщенням у мембранних фосфоліпідах (ФО) ненасичених жирних кислот насиченими. Такі зміни завжди приводять до одного і того ж наслідку: накопичення в мембрані холестерину і збагачення ФО насиченими жирними кислотами підвищує мікров'язкість мембрани, в слідстві чого порушуються численні сигнальні каскади всередині клітини.

Проще кажучи, загрубілі і затверділа мембрана стає погано або зовсім непроникною для сигналів різноманітних гормонів, регулюючих внутрішньоклітинні процеси. Клітка стає як би «тугий на вухо», а такий стан - перший крок до запрограмованої загибелі, апоптозу. Розглянемо більш докладно, як саме розвиваються вікові патологічні зміни в мембрані клітин.

Біологіческімі мембранами «закутаний», немов діти турботливою материнської рукою, всі клітини і внутрішньоклітинні структури: ядра, мітохондрії, пероксисоми, фагосоми, сінаптосомах, лізосоми, ендоплазматичнийретикулум, апарат Гольджі. Об'єднуючим властивістю всіх мембран є ліпідний бішар (бімолекулярний шар ліпідів), основне призначення якого - служити перешкодою від проникнення всередину клітини або органели іонів і молекул і бути структурною основою для функціонування численних рецепторів і ферментів, за допомогою яких регулюються внутрішньоклітинні процеси. Білкові молекули, вбудовані в ліпідний бішар, виконують роль своєрідних шлюзів, утворюючи т.зв. селектівние канали, за допомогою яких вибірково пропускають всередину через мембрану ті або інші іони і молекули. Також вбудовані білки служать в якості перекачувальних іони насосів, за допомогою яких підтримується певне співвідношення іонів між клітиною і позаклітинної середовищем, необхідне для функціонування внутрішньоклітинної регуляції та обміну сигналами у формі електричного імпульсу між клітинами.

Каждая різновид мембрани відрізняється певним набором білків і білкових сполук, що виконує роль рецепторів. Ці білки вбудовуються в ліпідний бішар, немов у матрицю, і забезпечують безліч різноманітних життєво важливих функцій: накопичення АТФ, активацію гормонами внутрішньоклітинних сигнальних шляхів, розпізнавання чужорідних білків і пр. Не буде великим перебільшенням сказати, що всі основні біохімічні процеси в клітині, а значить - і в організмі людини, регулюються за допомогою мембран. До складу мембранного ліпідного шару входять три основні компоненти: фосфоліпіди, сфінгомієліни і холестерін. Фосфоліпіди, в яких відбуваються головні вікові зміни, поділяються на п'ять основних видів: фосфатіділхолін, фосфатіділсерін, фосфатидилетаноламін, фосфатіділінозіт і кардіоліпін. Всі вони складаються з гліцерину, двох жирних кислот, фосфорної кислоти, а також індивідуального для кожного фосфоліпіду «придатку»: холіна, серину, етаноламіну, інозітола та ін

Возрастное зменшення синтезу АТФ разом з окислювальним стресом стають причиною підвищення вмісту на поверхні клітини одного з фосфоліпідів, фосфатіділсеріна. Така клітина сприймається імунними клітинами як «хвора» і знищується. Лейкоцити, які розпізнають фосфатіділсерін на зовнішній стороні клітинної мембрани, відправляють клітку в примусовий апоптоз. Даний згубний сценарій реалізується за допомогою спеціальних речовин, що виділяються лейкоцитами - перфорінов і гранзімов. Цей апоптогенних механізм нагадує собою постріл з гармати кумулятивним снарядом, пропалює броню танка і вибухає всередині: спочатку перфорин проробляє отвір в клітинній мембрані, в яке потім входять гранзіми і запускають процес самознищення. Крім цього, поява фосфатидилсерина у зовнішній плазматичної мембрані, по всій видимості, запускає процес апоптозу шляхом активації специфічного рецептора, який шле всередину клітини Апоптотичні сигнал. Не випадково академік Скулачов, багато років присвятив вивченню механізмів апоптозу, визначив проапоптотическими роль фосфатидилсерина як «зловісну».

І знову ми тут можемо спостерігати виникнення чергового «порочного кола», коли спочатку виник надлишок жирних кислот і дефіцит енергії призводить до активації вільно-радикального окислення, що, у свою чергу, пошкоджує білки і ліпіди мембран і ще більше погіршує дефіцит енергії. Втратила після всіх змін свою нормальну мікров'язкість, клітинна мембрана стає нездатною виконувати свої фізіологічні функції, порушуючи роботу численних сигнальних шляхів. Порушується функціональна активність клітин та їх здатність до поділу, знижується чутливість клітин до ростовим факторів. Зменшується кількість нормально функціонуючих рецепторів і білкових структур, таких, як транспортер глюкози GLUT, який через зрослу в'язкості не зможе здійснювати потрібні конформаційні зміни своєї молекули, необхідні для здійснення переносу глюкози всередину клітини.

Ну, і найголовніше: викликана порушенням властивостей мембрани нездатність клітини реагувати на зовнішні сигнали - це прямий шлях до запуску механізму самознищення клітини. Клітка будь-якої тканини не може існувати ізольовано, у відриві від «колективу», і, залишившись одна, наглухо відгороджена затверділої мембраною, неминуче кінчає з собою. Це відбувається тому, що на поверхні клітинної мембрани, крім усього іншого, розташовані антиапоптозних рецептори, які активуються сигналами від спеціальних позаклітинних антіапоптіческіх білків, специфічних для кожної тканини. Без такого сигналу клітина існувати не може, оскільки його зникнення створює негативний баланс між антиапоптозних і проапоптозние системами, в результаті чого і відбувається активація процесу самознищення.

Етот механізм підтримки життя клітини за допомогою спонукають її до життя зовнішніх сигналів з деякою часткою ймовірності можна спроектувати і на підтримання життя всього організму. Адже, як відомо, люди, що відчувають свою потрібність і соціальну значимість, живуть набагато довше усіма забутих ізгоїв і одинаків. Переважна кількість довгожителів доживає до глибокої старості, оточені турботою люблячих дітей, онуків і правнуків.

Хорошім прикладом у цьому сенсі можуть служити судді Верховного Суду США, яких обирають довічно і які, можливо, не в останню чергу, завдяки цьому є рекордсменами за кількістю довгожителів серед представників усіх професій в Америці. В одній зі своїх робіт академік В.П. Скулачов висловив вельми логічне припущення, що саме наявність таких соціально значущих сигналів служить однією з причин суттєвої різниці в тривалості життя жінок і самок приматів, коли перші, втративши свою репродуктивну функцію, можуть прожити ще тривалий час, передаючи свій досвід підростаючому поколінню, а другі (самки приматів) вмирають відразу після закінчення репродуктивного періоду, зробившись тягарем для свого оточення.

Прічіни, що ведуть до підвищення вмісту насичених жирних кислот і холестерину в клітинних мембранах, сьогодні вже добре вивчені. До заміщенню у фосфоліпідах ненасичених жирних кислот більш насиченими призводить, перш за все, надлишок останніх в організмі і їх окислення поза мітохондрій. У наслідок цього активізуються процес перекисного окислення ліпідів. Головною «жертвою» цього процесу стають ненасичені жирні кислоти, що входять до складу мембран і легко піддаються окисленню. Дефіцит так званих ессенціальних поліенових кіслот, викликаний особливостями дієти (перевагою в ній жирних м'ясних і молочних продуктів і малою кількістю морепродуктів), також сприяє накопиченню насичених жирних кислот у фосфоліпідах.

Еще однією причиною накопичення в клітинних мембранах насичених жирних кислот виступає блокада їх поглинання клітинами активним шляхом - за допомогою спеціальних апо-Е/В-100 рецепторів. Таку блокаду часто можна зустріти в літньому віці і при різних патологіях, таких, наприклад, як атеросклероз і діабет. Через блокування активного шляху поглинання, насичені жирні кислоти починають надходити в клітини пасивним шляхом, здійснюється в кілька етапів: гідроліз в крові тригліцеридів, вивільнення і взаємодія жирних кислот з альбуміном і їх транспорт до клітин.

В результаті цього насичені РК формують у мембрані клітини своєрідні «пропускні пункти» - локальні ділянки, через які починає здійснюватися пасивна дифузія одно-і двовалентних катіонів по градієнту концентрації. Така дифузія призводить до дисбалансу катіонів: збільшення рівня натрію і кальцію і зменшення вмісту калію і магнію. А, як ми пам'ятаємо, підвищення рівня внутрішньоклітинного кальцію веде до активації фосфоліпази А2 і до загибелі мітохондрій.

Чтоби протистояти небажаного накопичення натрію і кальцію, в клітці починає розвиватися відповідна реакція. Для того, щоб відкачати їх з цитозолю, активуються спеціальні Na-і Ca-АТФ-ази і підвищується синтез ендогенного (тобто внутрішнього) холестерину. Це підвищення рівня холестерину носить спочатку позитивний адаптивний характер і забезпечує тимчасове блокування вільного доступу натрію і кальцію в клітку, вбудовуючись в мембрані в «пропускні пункти», сформовані жирними кислотами, і знижуючи в них вміст води. Довгострокове ж підвищення вмісту холестерину в мембрані робить її все більш щільною і порушує функції інтегральних білків.

Справедлівості заради, слід сказати, що й протилежне явище - великий вміст самих ненасичених кислот у мембранах, також може негативно позначатися на долі клітини і величиною тривалості життя. Існує чітка кореляція між рівнем насиченості жирних кислот в мембранах і тривалістю життя тварин: чим більше в мембрані ненасичених кислот, тим менше тривалість життя тварини. Іспанська біолог Р. Памплоні зі своїми колегами наводить таку послідовність, показує збільшення терміну життя при одночасному зменшенні вмісту в мембранах самої ненасиченої докозагексаєнової ?-3 ЖК: миша> щур> кролик> чоловік> кит. Таку закономірність легко пояснити, адже ненасичені ЖК є головними «жертвами» перекисного окислення ліпідів. Таким чином, жирнокислотний склад мембран тварин, яким властива більш тривала тривалість життя, демонструє «золоту» середину: малу кількість зовсім ненасичених докозагексаеновую 22:6 ?-3 ЖК і переважання менш ненасичених ліноленової 18:03 ? -3 РК, що створює той самий баланс, який забезпечує як захист від впливу активних форм кисню, так і збереження необхідної плинності мембрани.

Подготовіл: Олексій Ржешевський

• Как химические реакции истощают питательные вещества в растительных напитках
• Двухразовая инъекция снижает риск ВИЧ на 96%
• Будущее контрацепции: на что надеяться в ближайшие годы
• Контрацепция и религия: как соблюсти баланс?
• Эволюция контрацептивов: от древних методов до современных технологий
• Жажда как индикатор обезвоживания: насколько она точна?
• Учёные объяснили рост тяжёлых инфекций, вызываемых Streptococcus
• Платформа искусственного интеллекта повышает точность диагностики рака легких