Страница: 2/2
С кислородом нужно обращаться осторожно
Есть еще один фактор, определяющий продолжительность жизни, — это парциальное
давление кислорода. Концентрация кислорода в воздухе составляет 20,8 процента.
Уменьшение или увеличение этой цифры возможно только в узких рамках, иначе живые
организмы погибают. То, что нехватка кислорода губительна для живого, хорошо
известно. А вот об опасности его избытка осведомлены немногие. Чистый кислород
убивает лабораторных животных в течение нескольких дней, а при давлении 2—5
атмосфер этот срок сокращается до часов и минут. Так что этот газ не только
необходим для жизни, он может быть и страшным универсальным ядом, убивающим
все живое. Многие ученые считают, что атмосфера Земли в ранний период ее развития
не содержала кислорода, и именно это обстоятельство способствовало возникновению
жизни на нашей планете. По приблизительным оценкам специалистов, насыщенная
кислородом атмосфера Земли образовалась около 1,4 миллиарда лет назад в результате
жизнедеятельности примитивных организмов, способных к фотосинтезу. Они поглощали
солнечную энергию и углекислый газ и выделяли кислород. Их существование и создало
предпосылки для возникновения других видов живых организмов — потребляющих кислород
для дыхания. Однако живым существам нужно было позаботиться о том, чтобы нейтрализовать
токсичность этого вещества.
Сама по себе молекула кислорода и продукт ее полного восстановления водородом — вода — не токсичны. Однако восстановление кислорода протекает таким образом, что почти на всех ступеньках процесса образуются продукты, повреждающие клетки: супероксидный анион-радикал, перекись водорода и гидроксильный радикал. Их называют активными формами кислорода. Организмы, использующие кислород для дыхания, с помощью ферментов и белковых катализаторов предотвращают выработку этих веществ или снижают их вредное действие на клетки.
Американские биохимики Дж. Мак Корд и И. Фридович в 1969 году обнаружили, что основную роль в такой защите играет фермент супероксиддисмутаза. Этот фермент превращает супероксидные анион-радикалы в более безобидную перекись водорода и в молекулярный кислород. Перекись водорода тут же разрушается другими ферментами — каталазой и пероксидазами.
Открытие механизма обезвреживания активных форм кислорода дало ключ другим исследователям к пониманию проблем радиобиологии, онкологии, иммунологии и геронтологии. Английский исследователь Д. Харман выдвинул так называемую свободнорадикальную теорию старения. Он предположил, что возрастные изменения в клетках обусловлены накоплением в них повреждений, вызываемых свободными радикалами — осколками молекул, которые имеют неспаренный электрон и в силу этого обладают повышенной химической активностью. Такие свободные радикалы могут образовываться в клетках под действием радиации, некоторых химических реакций и перепадов температуры. Но главным источником свободных радикалов в организме является восстановление молекулы кислорода. Поэтому можно сказать, что старение в целом — это следствие разрушительного, ядовитого действия кислорода на организм, которое постепенно нарастает с возрастом.
Биохимия старения
После того как стало ясно, что супероксиддисмутаза играет роль “фермента антистарения” в клетке, исследователи задались вопросом: не является ли активность этого фермента ключевой причиной возрастных изменений и различий в продолжительности жизни? Следовало ожидать, что с возрастом активность фермента падает, а разрушительное влияние кислорода увеличивается. Оказалось, однако, что активность супероксиддисмутазы в большинстве случаев меняется с возрастом весьма незначительно.
Накопление возрастных изменений в клетках зависит от соотношения двух процессов: образования свободных радикалов и их обезвреживания. “Фабриками” свободных радикалов служат маленькие продолговатые тельца внутри клетки — митохондрии, ее энергетические станции. Эти структуры Д. Харман назвал молекулярными часами клетки: чем быстрее идет в них выработка радикалов, тем быстрее крутятся стрелки на часах и тем меньше времени остается жить клетке. У видов с низкой продолжительностью жизни митохондрии работают очень активно, больше образуется радикалов и быстрее накапливаются повреждения структур клетки, приводя к ее преждевременному старению. Например, у комнатной мухи митохондрии вырабатывают радикалы в 24 раза интенсивнее, чем у коровы. Исследователи провели опыт: комнатных мух содержали в атмосфере чистого кислорода (это значительно ускоряет старение) и наблюдали, что происходит с митохондриями. Система защиты от активных форм кислорода работает достаточно надежно, но через нее все же постоянно проскальзывают отдельные радикалы, которые не успели вступить во взаимодействие с антиокислительными ферментами. Причиной такой неполадки служит, по-видимому, второй закон термодинамики, который исключает стопроцентную эффективность энергетических процессов. Возникнув в клетке, радикалы повреждают ее внутренние структуры, а также оболочки самих митохондрий, что усиливает утечку. В результате становится все больше и больше активных форм кислорода, и они постепенно разрушают клетку. Происходит то, что мы называем старением.
Скорость “поставки” радикалов в клетку увеличивается и в разных органах млекопитающих по мере старения организма. Количество свободных радикалов, образующихся в клетке, по-видимому, тем больше, чем выше уровень потребления кислорода, или интенсивность обмена веществ. Американский геронтолог Р. Катлер и его сотрудники показали, что продолжительность жизни животных и человека определяется соотношением активности супероксиддисмутазы к интенсивности обмена веществ. Стало ясно, почему у некоторых видов с высоким уровнем затраты энергии, в том числе и у человека, продолжительность жизни не укладывается в энергетическое правило поверхности Рубнера. Высокий уровень активности супероксиддисму тазы защищает человека и животных с интенсивным обменом веществ от преждевременного старения.
Ответы на вопросы
Новая теория старения позволила найти объяснение некоторым фактам, хорошо известным
геронтологам, но остававшимся непонятыми. Например, почему животные, которых
кормили малокалорийной, но сбалансированной пищей, живут дольше, чем те, что
питались вдоволь? Ответ напрашивался сам собой — потому что ограниченное питание
уменьшает интенсивность обмена и соответственно замедляет накопление повреждений
в клетках. Стала ясна и зависимость скорости старения от температуры окружающей
среды у животных, не способных регулировать температуру тела. Высокая температура
поддерживает у них высокий уровень обмена веществ. Так, плодовая мушка дрозофила
при температуре 10 градусов вылупляется из личинки и развивается до взрослого
насекомого, стареет и умирает в течение 177 дней, а при температуре 20 градусов
— в течение 15 дней. У дождевого червя при повышении температуры его тела с
15 градусов до 30 в 2,5 раза повышается потребление кислорода. При этом на 28
процентов возрастает активность супероксиддисмутазы, но жизнь червя все равно
укорачивается.
Большая продолжительность жизни женщин по сравнению с мужчинами (в среднем на 10 лет) оказалась связана с более низкой интенсивностью обмена веществ у прекрасной половины человечества. Феномен долгожительства в горных районах тоже хорошо объясняется меньшей интенсивностью обмена веществ у людей, живущих в разреженном воздухе: содержание кислорода там меньше, чем на равнине.
Оказалось, что разный срок отпущен и клеткам внутри одного человеческого организма: чем больше в клетках супероксиддисмутазы, тем меньше степень повреждения клетки активными формами кислорода, тем дольше живут клетки. Поэтому некоторые клетки крови, например, живут несколько часов, другие — несколько лет.
Удалось объяснить и любопытное явление, которое достаточно давно обнаружили исследователи: изменения организма при естественном старении похожи на действие ионизирующей радиации. Причина стала очевидной: ведь при воздействии радиации происходит разложение воды с образованием активных форм кислорода, которые начинают повреждать клетки.
Все это позволило выработать стратегию поиска средств против старения. Например, удалось увеличить в полтора раза жизнь лабораторных животных, вводя в их рацион сильные антиоксиданты. Особенно эффективно должны действовать антиоксиданты типа супероксиддисмутазы, являющиеся ферментами. Введение в организм животных супероксиддисмутазы защищало их от токсического действия кислорода и увеличивало продолжительность их жизни. Это дает надежду, что антиоксиданты могут быть использованы и в борьбе против старения человека. Возможно, через некоторое время пожилые люди будут принимать их так же, как витамины, чтобы улучшить свое самочувствие и замедлить процессы старения.
Литература
Амосов Н. Моя система здоровья. “Наука и жизнь” №№ 5—7, 1998.
Фролькис В. Геронтология на рубеже веков. “Наука и жизнь” № 11, 1998.
Виленчик М. М. Биологические основы старения и долголетия. М., “Знание”, 1987.
Гладышев Г. П. Термодинамика старения. “Известия Академии наук. Серия биологическая” № 5, 1998.
Реферат опубликован: 1/06/2005 (4734 прочтено)