Читать книгу Как остановить старение и повернуть его вспять. Молекулярные механизмы старения и способы произвольного управления ими - Валерий Еремеев - Страница 12

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.