Медико-биологический
информационный портал
для специалистов
 
БИОМЕДИЦИНСКИЙ ЖУРНАЛ Medline.ru

СОДЕРЖАНИЕ ЖУРНАЛА:
Физико-химическая биология

Клиническая медицина

Профилактическая медицина

Медико-биологические науки


АРХИВ:

Фундаментальные исследования

Организация здравохраниения

История медицины и биологии



Последние публикации

Поиск публикаций

Articles

Архив :  2000 г.  2001 г.  2002 г. 
               2003 г.  2004 г.  2005 г. 
               2006 г.  2007 г.  2008 г. 
               2009 г.  2010 г.  2011 г. 
               2012 г.  2013 г.  2014 г. 
               2015 г.  2016 г. 

Редакционная информация:
        Опубликовать статью
        Наша статистика


 РЕДАКЦИЯ:
Главный редактор

Заместители главного редактора

Члены редколлегии
Специализированные редколлегии


 УЧРЕДИТЕЛИ:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
"Институт токсикологии Федерального медико-биологического агентства"
(ФГБУН ИТ ФМБА России)

Институт теоретической и экспериментальной биофизики Российской академии наук.

ООО "ИЦ КОМКОН".




Адрес редакции и реквизиты

199406, Санкт-Петербург, ул.Гаванская, д. 49, корп.2

ISSN 1999-6314

Российская поисковая система
Искать: 


ТОМ 3, СТ. 38 (стр. 273) // Декабрь, 2002 г.

СВОБОДНОРАДИКАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ СТАРЕНИЯ: ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК

В.К.Кольтовер

"Успехи геронтологии", 2000г., выпуск 4

Институт проблем химической физики РАН,
142432, Московская обл., Черноголовка,
E-mail: koltover@icp.ac.ru



В каждой науке время от времени возникает идея, которая надолго определяет развитие данной области знания или даже всей науки в целом. К их числу относится гипотеза о роли свободных радикалов в старении животных и человека. Выдвинутая в 1950-е годы, она предопределила не только развитие новой области знания - биогеронтологии, но и создание науки нового тысячелетия - биомедицины. Настоящая статья посвящена краткому изложению истории свободнорадикальной теории старения (СРТС) и основных положений этой теории.
Ключевые слова: старение, кислород, свободные радикалы, супероксид, антиоксиданты, надежность.
"Oxygen might burn the candle of life too quickly, and soon exhaust the animal powers within" (J. Priestley, "Experiments and Observations on Different Kinds of Air", 1775)

ВВЕДЕНИЕ
В 1773 г. Карл Шееле открыл кислород. Годом позже Джозеф Пристли и Антуан Лавуазье повторили открытие Шееле, научились выделять этот новый элемент в препаративных количествах и провели с ним первые в мире биохимические эксперименты. Пристли показал, что кислород - это именно та часть воздуха, которая необходима для жизни. Но оказалось также, что чистым кислородом - в отличии от воздуха - животные долго дышать не могли. "В кислороде свеча жизни сгорела бы слишком быстро" - написал Пристли в 1775 г. в своей книге. Так одновременно с открытием кислорода была открыта и его токсичность. По-видимому, Лавуазье первым указал на подобие процессов дыхания и горения: поглощается кислород и образуется углекислый газ. В XIX в. Юстус Либих впервые раздели питательные вещества, поступающие в "топку" организма, на жиры, белки и углеводы и показал, что in vitro они также необратимо окисляются кислородом. В 1897 г. русский биохимик А.Н. Бах, работавший тогда в Париже, сформулировап перекисную теорию биологического окисления.
К середине XX в. химикам стало ясно, что целый ряд реакций - горение, перекисное окисление углеводородов и жиров и многие другие - протекают таким образом, что вначале возникают активные частицы молекул - свободные радикалы (СР), которые имеют свободные валентности и поэтому очень реакционноспособны. Эти СР вступают в реакции, при которых вновь образуются те же или другие активные СР. Такая последовательность реакций, которые регулярно повторяются, получила название цепной реакции. Если в результате одного элементарного акта возникают два или больше активных свободных радикала, то процесс называется разветвленной цепной реакцией. Скорость разветвленной цепной реакции после некоторого периода индукции быстро возрастает вследствие прогрессирующего нарастани концентрации свободных радикалов - происходит "цепное воспламенение" [15]. Основы теории разветвленных цепных реакций, в том числе - свободнорадикальных механизмов горения и взрыва - были разработаны С. Хиншелвудом в Англии и Н.Н. Семеновым в СССР, за что они оба были удостоены Нобелевской премии по химии в 1956 г.
Параллельно пополнялись знания о биологическом "горении". В 80-е годы XIX в. Келликер одним из первых описал характерные гранулы в саркоплазме поперечнополосатой мышцы, названные позднее митохондриями, а в 1888 г. он первым выделил эти гранулы из мышцы насекомых. Михаэлис в 1898 г. показал, что митохондрии нефиксированных клеток восстанавливают окислительно-восстановительные индикаторы, такие, например, как янус зеленый. Варбург в 1913 г. обнаружил, что фракции внутриклеточных частиц способны к поглощению кислорода, а в конце 30-х годов украинский биохимик В.А. Белицер и американски Г. Калькар открыли, что цепь окислительно-восстановительных реакций процесса дыхания клетки сопряжена с синтезом богатых энергией фосфатных соединений - окислительным фосфорилированием. Так через полтора века после опытов Пристли и Лавуазье стало окончательно ясно, для чего мы и прочие аэробные организмы дышим: для того, чтобы синтезировать АТP из ADP и Pi. В 1949 г. Е.Кеннеди и А. Ленинджер впервые показали, что "силовыми станциями" аэробных клеток служат митохондрии, что именно в них энергия, высвобождающаяся при окислении поступающих в клетку веществ (субстратов окисления), превращается в энергию макроэргической связи АТP [9].
В 1883 г. физиолог Рубнер, измеряя интенсивность основного обмена у человека, мыши и домашних животных, обнаружил, что человек и сравнительно долгоживущие животные, например, лошади и коровы, характеризуются существенно меньшей удельной интенсивностью обмена (в расчете на единицу массы), чем животные короткоживущие, например, мышь. К настоящему времени существование обратной корреляции между величиной видовой продолжительности жизни и удельной интенсивностью поглощения кислорода установлено для десятков видов животных, включая сумчатых, птиц, рептилий, амфибий, рыб и даже беспозвоночных [4,17]. Таким образом, открылся второй поразительный факт: не только чистый кислород, как в опытах Пристли, но и обычное, повседневно необходимое дыхание сокращает жизнь.
В начале XX в. И.И. Мечников сформулировал концепцию клеточных ядов - цитотоксинов и высказал гипотезу, что старение происходит в результате постепенного отравления организма токсичными продуктами метаболизма микрофлоры кишечника (цит. по [10]).
По-видимому, к середине XX в. сумма накопившихся знаний достигла уже достигла некоторой "критической массы" и оставалось сделать всего один шаг. По сути дела, свободнорадикальная теория является дочерним вариантом теории Мечникова: организм отравляется побочными продуктами метаболизма собственных клеток - "внутриклеточного пищеварения". Но решающий шаг на пути создания великой теории всегда самый трудный и сделать его может только тот ученый, который имеет универсальные знания и особый, синтетический тип мышления. Этот шаг первым сделал Денгам Харман.

ПРОШЛОЕ И НАСТОЯЩЕЕ CРТС
По воспоминаниям Хармана, старением он впервые заинтересовался в декабре 1946г., когда его жена Хелен показала ему статью "Завтра ты сможешь помолодеть" в "Ladies' Home Journal" [29]. Автор статьи - научный обозреватель газеты "Нью-Йорк Таймс" Лоуренс с восторгом рассказывал о работах советского ученого А.А. Богомольца и его антиретикулярной цитотоксической сыворотке. "Эликсиром молодости" эта сыворотка, конечно, не была, но она широко использовалась в годы Великой Отечественной войны для ускорения срастания переломов и заживления ран. Английский перевод книги А.А. Богомольца "Продление жизни" был в тот год издан в Нью-Йорке и можно утверждать, что Харман - как геронтолог- сформировапся под влиянием идей А.А. Богомольца. Когда 1-го июля 1954 г. Харман был принят на работу в Доннеровскую лабораторию медицинской физики Калифоpнийского унивеpситета в Беpкли, за плечами 38-летнего ученого были годы учебы в химическом колледже Калифорнийского университета в Беркли, 15 лет работы в химических лабораториях нефтяной компании "Шелл", из которых последние 7 лет он изучал свободнорадикальные реакции окисления соединений фосфора и серы, курс биологии и медицины, прослушанный в Стэнфордском университете, и даже опыт практической работы в окружной больнице Сан-Франциско. Харман вспоминает, что мысль о свободнорадикальных реакциях как универсальной причине прогрессирующего накопления повреждений в живых системах осенила его в ноябре 1954 г. [29]. Первой его публикацией на эту тему был препринт, изданный радиационной лабораторией Калифорнийского университета 14 июля 1955 г., который назывался "Старение: теория, основанная на свободнорадикальной и радиационной химии". Были публикации тезисов о роли СР в старении, канцерогенезе и атеросклерозе в журнале "Clinical Research" и, наконец, ему удалось опубликовать в ведущем геронтологическом журнале Америки свою гипотезу о СР как причине старения и о возможности замедлять старение с помощью химических радиопротекторов как ингибиторов свободнорадикальных реакций [26]. Но проблема старения мало интересовала тогда сотрудников Доннеровской лаборатории и ее руководителя Дж. Лоуренса, которые были заняты решением вполне конкретных задач радиационной биофизики и синтезом химических радиопротекторов. В июле 1958 г. Харман перехал в Университет штата Небраска, где он возглавил кафедру экспериментальной кардиологии.
Радиохимики в середине 50-х годов уже знали, что в воде под действием ионизирующего излучения возникают активные СР, в том числе - гидроксильный радикал (OH.). Идея о СР кислорода как причине его токсичности была высказана Ребеккой Гершман и Даниэлом Гилбертом в 1954 г. (цит. по [25]). В 1954 г. Коммонеp, Таунсенд и Пэйк обнаpужили сигналы электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) свободных pадикалов в печени и дpугих тканях животных и в дрожжевых клетках [22]. О роли СР в канцерогенезе и росте злокачественных новообразований высказывались в те годы и другие ученые по обе стороны тогдашнего "железного занавеса" [3,16,20.
В 1954 г. Б.Н. Тарусов и сотрудники руководимой им кафедры биофизики МГУ установили, что в тканях животных под действием ионизирующей радиации появляются токсичные продукты свободнорадикального окисления липидов - перекиси ненасыщенных жирных кислот [16]. На этой же кафедре впервые в мире были применены методы привитой радикальной сополимеризации и хемилюминесценции для регистрации свободных радикалов в тканях.
В те же годы Н.М. Эмануэль выдвинул гипотезу о том, что свободные радикалы могут играть роль в онкогенезе и росте опухолей [20]. Он исходил из опыта многолетних исследований pеакций окисления углеводоpодов в жидкой фазе, которые проводились в Институте химической физики АН СССР под его pуководством, а также из аналогии между кинетическими закономерностями роста злокачественных опухолей и кинетикой разветвленных цепных реакций. Н.М. Эмануль и его сотрудники первыми в СССР успешно применили ингибиторы свободнорадикальных реакций для замедления старения экспериментальных животных [11,12,20] и в медицинской практике - в онкологии, для лечения ожогов, в травматологии и военной медицине [12].
Однако именно Харман был первым, кто сформулировал концепцию о роли СР в старении. В настоящее время гипотезы о роли СР в радиационном поражении клетки и в онкогенезе сохранили главным образом исторический интерес, тогда как идеи Хармана о роли СР в старении, атеросклерозе, сердечно-сосудистых заболеваниях, болезни Альцгеймера за почти полвека своего существования получили экспериментальное подтверждение.
В первых же работах Харман предложил использовать ингибиторы свободнорадикальных реакций - антиоксиданты для продления жизни [26]. В экспеpиментах самого Хармана и его последователей было показано, что пpиpодные и синтетические антиоксиданты пpи pегуляpном добавлении к пище или питьевой воде действительно могут пpодлевать жизнь экспериментальных животных. Рекордные эффекты были достигнуты в экспериментах с 2-меркаптоэтиламином (2-MEA) - 29% прирост средней продолжительности жизни (СПЖ) мышей LAF1, водорастворимым антиоксидантом эпигидом (2-этил-6-метил-3-оксипиридин) - 38% прирост СПЖ мышей SHK, а также в экспериментах с дибунолом (он же - ионол, 4-метил-2,6-дитретбутилфенол) и сентрофеноксином на дрозофилах - 39% прирост СПЖ (см., обзоры [12,17,30]). Более того, если самки мышей получали 2-MEA в период беременности и кормления, то даже их детеныши жили дольше по сравнению с контролем: 15% прирост СПЖ у самок и 8% прирост у самцов [28].
Однако, попытки продлить жизнь животных с помощью альфа-токоферола (витамина E) оказались неудачными. Появились даже сообщения о сокращении ПЖ в опытах с добавлением к рациону животных природных (*-токоферол, аскорбиновая кислота, метионин) и синтетических (дибунол) антиоксидантов [17].
А главное, оставались без ответа простые, но важные вопросы: какие активные радикалы возникают в клетке, сколько их и действительно ли в живых системах возможны цепные свободнорадикальные процессы? Свободные pадикалы, сигналы ЭПР котоpых впервые наблюдали Коммонеp и соавтоpы, а затем и многие другие, оказались "стандартными" семихинонными состояниями простетических групп флавопpотеидов и митохондpиального коэнзима Q. Такие радикалы не более "токсичны", чем полностью восстановленные или окисленные фоpмы этих же соединений [1]. Неудачей закончились попытки Хармана обнаружить в годы его работы в Доннеровской лаборатории радикал OH. в реакции разложения H2O2 каталазой (теперь известно, что эта ферментативная реакция, в отличии от аналогичной гомогенной, идет не по радикальному механизму). Несмотря на многолетние усилия, ни сотрудникам Н.М. Эмануля, ни их зарубежным коллегам не удалось обнаружить пероксидные радикалы (ROO.) в мембранных липидах.
Вероятность свободнорадикальных цепных реакций в живых системах была поставлена под сомнение. Механизм геропpотектоpного действия "антиоксидантов" in vivo оказался так же не столь очевидно антиоксидантным, как пpедполагалось в pанних pаботах (см., например, [5,7]). Отношение к СРТС однако изменилось после того, как Мак-Корд и Фридович открыли в 1969 г. биологическую фунцию эритрокупреина [23]. Этот белок был известен с 1938 г., но не была известна его функция. Например, предполагалось, что он депонирует и переносит ионы меди. На самом же деле, он оказался ферментом, катализирующим in vitro реакцию дисмутации анион-радикалов супероксида (О2-) [23]:
O2- + O2- + 2H+ = H2O2 + O2.

Фермент, названный супероксиддисмутазой (СОД), увеличивает константу скорости этой реакции до ~2.109 л.моль-1c-1 (на семь порядков по сравнению с ее величиной в отсутствии фермента). Фермент был найден во всех аэробных организмах - в цитозоле (Cu,Zn-СОД), митохондриях (Mn-СОД) и в аэробных бактериях (Fe-СОД) [23].
Вслед за тем был обнаружены и потенциальные источники субстрата СОД - анион-радикалов О2-. В принципе, ими могли бы служить способные к автоокислению гемоглобин и миоглобин; NADPH-цитохром-с-редуктаза и цитохром P-450 эндоплазматического ретикулума; аскорбиновая кислота; глутатион (GSH) и другие SH-группы пептидов и белков; лейкофлавины; биогенные амины; ксантиноксидаза; ферменты метаболизма арахидоновой кислоты; флавиновые гидроксилазы; моно- и диаминоксидазы; липоксигеназа; D-галактозоксидаза; оксидаза D-аминокислот; дигидрооротатдегидрогеназа; триптофандиоксигеназа; альдегидоксидазы; наконец, - полиморфоядерные лейкоциты [14,23].
Опасность О2- in vitro была доказана многочисленными экспериментами: О2- инициирует реакции перекисного окисления липидов, вызывает окисление белков, нуклеотидов и полисахаридов, однонитевые разрывы и деспирализацию ДНК и даже портит целые клетки [4,14,23,40]. СОД ингибировала вредные эффекты О2-, а еще лучший защитный эффект оказывало совместное применение СОД и каталазы [23,40]. При обсуждении механизма вредоносности О2- общепринято ссылаться на химическую реакцию:
О2- + H2O2 = OH- + OH. + O2.

Сам по себе О2- химически мало активен, как и продукт его дисмутации пероксид водорода, но в этой реакции, открытой Габером и Вейсом в 1934 г., возникает чрезвычайно сильный окислитель - радикал ОН.. К тому же, реакция Габера-Вейса катализируется ионами металлов переменной валентности, которые должны присутствовать в клетке, по крайне мере, в следовых количествах [14].
Но поскольку до 99% всего кислорода, потребляемого клетками аэробного организма, утилизируется митохондриями, то можно было ожидать, что основное количество О2- возникает именно в митохондриях. В статье 1972 г. Харман высказал предложение, что счетчик биологического времени находится в митохондриях [27]. Эта идея была быстро подхвачена и митохондрии были даже названы "ахиллесовой пятой клетки". Поэтому большой резонанс имела статья Нооля и Хегнера, в которой впервые было показано, что митохондрии способны генерировать О2-, и - более того - сообщалось, что митохондрии, изолированные из сердца старых крыс, генерируют существенно больше радикалов, чем митохондрии молодых животных [37]. Однако, мало кто из цитировавших эту работу (тогда и сейчас) обратил внимание на то, что в этих экспериментах использовался специфический ингибитор электрон-транспортных цепей (ЭТЦ) митохондрий - антимицин А. Интактные митохондpии (хаpактеpизующиеся высокими значениями биоэнеpгетических паpаметpов) способны генеpиpовать заметное количество О2- лишь в пpисутствии антимицина А. В этих условиях - весьма далеких от физиологических - электронный транспорт блокируется на уровне коэнзима Q и последнему ничего не остается, как "сбрасывать" электроны на кислород с одноэлектронным восстановлением последнего до О2- [4] Таким образом, в экспериментах Нооля и Хегнера отнюдь не была доказана способность митохондрий генерировать супероксид в физиологических условиях.
Функция митохондриальных ЭТЦ заключается в осуществлении последовательности окислительно-востановительных реакций переноса электронов от субстратов окисления (NADH или сукцината) на кислород как конечный акцептор электронов. Энергия, высвобождаемая при окислении субстратов, используется для синтеза ATP [1,9]. Но при этом происходит двухэлектронное восстановление O2 до Н2О и поэтому радикалы не должны возникать. Откуда же берутся О2-?
По-видимому, впервые ответ на этот вопрос был дан в наших работах. Мы исходили из того, что митохондриальные ферменты - это молекулярные конструкции - машины, в основе работы которых лежит их способность изменять свою конформацию [1,2]. Эти "машины" имеют молекулярные размеры; кроме того, они функционируют в условиях воздействия на них различных случайных факторов - флуктуаций температуры и т.п. Все это ограничивает их надежность.
Поэтому нормальный перенос электронов в митохондриях (двухэлектронное восстановление О2) неизбежно чередуется со случайными сбоями -рекуррентными отказами молекулярных конструкций ЭТЦ, при которых происходит одноэлектронное восстановление О2 и возникают радикалы О2- [5].
Интенсивность потока "свободнорадикальных отказов" (скорость генерации О2-, возникающих при случайных сбоях ЭТЦ) прямо пропорциональна скорости потребления кислорода при дыхании: I = q.V, где q - коэффициент пропорциональности [4-7]. При абсолютно надежной работе ЭТЦ этот коэффициент был бы равен нулю, чего по-видимому не бывает. В хороших митохондриях величина q очень мала и поэтому обнаружить О2- не удается (кроме тех случаев, когда экспериментатор делает q равным 1, блокируя ЭТЦ с помощью антимицина А).
Надежность биоконструкций снижается, когда условия их работы (температура, обеспечение субстратами и т.п.) отличаются от тех оптимальных, на которые они изначально были настроены генетически [4,34]. Поэтому любая причина, нарушающая нормальные условия работы митохондрий, может вызвать снижение надежности их "молекулярных машин" (рост параметра q). Действительно, в митохондриях сердца, испытавших острый дефицит кислорода (гипоксию) или ишемию, интенсивность генерации О2- настолько возрастает, что их удается зарегистрировать и без антимицинового блока [38]. Используя метод ЭПР, нам удалось показать, что интенсивная генерации О2- в этих опытах была вызвана увеличением вероятности автоокисления одного из важнейших компонентов ЭТЦ - коэнзима Q, что - в свою очередь - было вызвано снижением микровязкости мембранных липидов. Таким образом, физической причиной снижения надежности работы митохондриальных ЭТЦ после гипоксии/ишемии служил рост флуктуационной подвижности мембранных белков, с которыми связаны молекулы коэнзима Q [8,38]. Гипоксия - это характерное состояние тканей старых животных, в особенности - сердца и скелетных мышц, и если принять во внимание, что с возрастом снижается эффективность репарационных процессов в клетках и тканях [17], то можно заключить, что митохондрии могут быть интенсивными генераторами О2- не только in vitro, но in vivo так же.
Помимо СОД, важными компонентами защиты клеток от активных форм кислорода (антиоксидантной защиты, АОЗ) служат каталаза (катализирующая разложение Н2О2 до воды и кислорода) и глутатионпероксидаза (делающая то же самое, но с использованием GSH в качестве второго субстрата), альфа-токоферол, предположительно, перехватывающий пероксиды ROO2. (если таковые действительно возникают in vivo) и аскорбиновая кислота, существующая, предположительно, для реактивации *-токоферола [8,23,40]. Имеются, однако, основания полагать, что низкомолекулярные антиоксиданты, в особенности - GSH, служат не столько для перехвата активных радикалов, сколько выполняют регуляторную функцию как система слежения за уровнем радикалов кислорода в клетках и тканях [4,5].
Существенным вкладом в СРТС были работа Келлога и Фридовича, обнаруживших повышенную активность Mn-СОД в мозге долгоживущей линии мышей по сравнению с короткоживущей [23], и работа Катлера и сотрудников, которые измерили активность Cu,Zn-СОД в гомогенатах мозга, сердца и печени животных 13 видов и человека и установили, что ткани человека и долгоживщих животных характеризуется более высокой активностью СОД, чем ткани животных с меньшей продолжительностью жизни [41]. Cледует так же отметить работу Орра и Сойхеля, которым удалось методом генной инженерии удалось вывести мух Drosophila с повышенной экспрессией СОД и каталазы и показать, что такие мухи жили существенно дольше, чем контрольные [40].
В органах и тканях, не затронутых какой-либо патологией, активность СОД и других компонентов АОЗ с возрастом снижается, по крайней мере, - в очень старом возрасте (см., например, обзор [8]). По-видимому, это отражает возрастное снижение интенсивности окислительного метаболизма, поскольку СОД и каталаза являются индуцибельными ферментами (т.е., их активность регулируется количеством субстратов [23]). Когда старение сопровождается какой-либо патологией, то активность СОД и других компонентов АОЗ может не снижаться или даже несколько повышаться с возрастом, что отражает, по-видимому, интенсификацию свободнорадикальных процессов в затронутых патологией тканях и органах [8]. Следует также иметь в виду, что на АОЗ, как и другие ферментные системы организма, влияет эндокринная система [24].
Низкая вероятность возникновения радикалов кислорода и существование эффективной системы АОЗ заставляют думать о невозможности разветвленных цепных СР-реакций в живых Вследствие случайного характера таких событий имеется конечная вероятность просачивания радикала через систему АОЗ. Cогласно нашим оценкам, сделанным в рамках математической модели "размножения и гибели", в цитозоле печеночной клетки вероятность просачивания радикала О2- через Cu,Zn-СОД равна 4.10-6 (4 из миллиона), а в митохондриях 2 радикала из каждых 100000 просачиваются через Mn-СОД [4,5]. Иными словами, надежность работы АОЗ ограничена. Ограничена надежность ферментной системы репарации ДНК и других клеточных систем защиты и восстановления. Поэтому с возрастом в органах и тканях человека и животных накапливаются продукты окислительного повреждения субклеточных компонентов - липидов, белков и других.
По вполне понятным причинам особое внимание привлекают продукты окислительного повреждения ДНК. Прекрасный обзор этих работ можно найти в [39]. В ДНК животных и человека обнаружен 8-окси-2'-дезоксигуанозин (8-OH-dG). Формально это - аддукт присоединения радикала ОН. к основанию. В ядерной ДНК гепатоцитов крыс и лимфоцитов человека их детектируется около 7500 на клетку. В митохондриальной ДНК обнаруживается на порядок больше 8-OH-dG, чем в ядерной, что объясняется, во-первых, тем, что мтДНК связана с внутренней митохондриальной мембраной, которая несет ЭТЦ, генерирующие радикалы кислорода, и, во-вторых, тем, что митохондрии имеют существенно менее эффективную, чем ядро, ферментную систему репарации ДНК [39].
Установлено, что 8-OH-dG и другие окислительные повреждения ДНК - важные факторы мутагенеза в соматических клетках, например, - возникновения делеций ДНК [39,40]. Но физиологическое значение подобных возрастных приобретений не ясно. Например, содержание 8-OH-dG в мтДНК сердца одного 97-летнего человека оказалось равным 0.51%, что однако не помешало ему достичь столь почтенного возраста [39].
Все еще не ясны химические механизмы цитотоксичности О2-. Радикал OH., который возникает в реакции Габера-Вейса, является настолько сильным окислителем, что он реагирует с любыми органическими молекулами почти с одинаково высокой константой скорости, близкой к диффузионному пределу, 1010-1011 л.моль-1c-1 [15]. Это делает мало вероятным "прямое попадание" радикала OH. в ДНК. Предполагается, что О2- способен восстанавливать ионы железа в железо-серных белках и тем самым способствовать их освобождению из этих белков с последующим катализом реакции Габера-Вейса [23,30]. Но роль О2- как воссстановителя то же маловероятна, поскольку в клетках существуют другие восстановители, например, NAD(P)H и притом - в существенно большем количестве [8].
По-видимому, СР кислорода оказывают свое вредоносное действие каким-то косвенным образом. В настоящее время общепризнана роль радикала окиси азота (NO) в качестве вторичного мессенджера [31]. Между тем, известно, что растворимая гуанилатциклаза активируется также радикалом О2- и перекисными соединениями. Регуляторная система NO-cGMP может работать биологическим усилителем "свободнорадикального шума", создаваемого теми О2-, которым - пусть даже в небольшом числе - удается пpоскользнуть чеpез СОД-защиту [6-8].
В последние годы горячей темой стали исследования роли митохондрий в программированной гибели клеток - апоптозе [18]. В межмембранном пространстве митохондрий был обнаружен особый белок, который при нарушении целостности внешней мембраны выходит в цитозоль и вызывает апоптоз [35]. Более того, открывание мегапор, через которые выходит этот сигнальный белок, провоцируется ростом концентрации О2- и его продуктов [35]. Химически активные продукты окисления в небольших концентрациях стимулируют апоптоз, а в больших - некроз. Так может осуществляться выбраковка клеток с плохими митохондриями, генерирующими слишком много радикалов.
Инициирование апоптоза требует активации ряда конкретных генов, некоторые из которых уже известны. Недавно было показано, что у мышей при мутации одного из этих генов, p66shc продолжительность жизни животных увеличивается на 30% по сравнению с контрольными [36]. Оказалось также, что фибробласты мутантных мышей (p66shc-/-) существенно более устойчивы к действию Н2О2 и параквата (известного внутриклеточного генератора О2-) по сравнению с клетками контрольной линии [36]. Цитируемая работа имеет принципиальное значение для СРТС, поскольку в ней впервые экспериментально была найдена связь между величиной продолжительности жизни животных и степенью устойчивости их клеток к активным формам кислорода.
Необходимость пополнения клеточного пула заставляет делиться стволовые клетки. Однако репликативный потенциал клеток ограничен. Например, фибробласты человека могут поделиться примерно 50 раз, а фибробласты перепелки - не более 10 раз, после чего клетки либо гибнут, либо мутируют в раковые (так называемый "предел Хэйфлика" [19]). Так - через апоптоз и некроз - CР кислорода могут служить причиной истощения пула функционально компетентных клеток в тканях и органах. Обобщенная теория старения, связывающая СРТС с "пределом Хэйфлика" и теломерной гипотезой старения, может быть создана на основе теории надежности [34].
На той же теоретико-надежностной основе находит свое объяснение обратная корреляция между удельной интенсивностью поглощения кислорода при дыхании и продолжительностью жизни животных: так как интенсивность потока "свободнорадикальных отказов" прямо пропорциональна скорости потребления кислорода, то чем ниже скорость дыхания, тем меньше возникает радикалов и, соответственно, дольше длится жизнь. Развитая на этой основе теоретическая модель позволила сделать следующую оценку: мозг человека мог бы работать 250 лет, если бы надежность СОД защиты была абсолютно совершенной [32,34]. Роль СР кислорода в патогенезе болезни Альцгеймера была недавно подтверждена экспериментально [21].
Очевидно, что один из путей увеличения продолжительности жизни состоит в увеличении надежности митохондриального транспорта электронов - надо понизить частоту сбоев ЭТЦ. По-видимому, таким образом продлевают жизнь некоторые антиоксиданты, например, - дибунол. Действие подобных соединений в качестве ингибиторов СР-реакций in vivo маловероятно, так как константы скоростей их реакций с радикалами кислорода и их концентрации в крови и тканях недостаточно велики для того, чтобы успешно конкурировать за СР с природными антиоксидантными ферментами [4,8]. Между тем, было показано, что после инъекций крысам дибунола увеличивается степень оксигенации митохондрий в сердце животного [33]. Поскольку при гипоксии, характерной для тканей старых животных, митохондрии портятся, превращаясь в генераторы О2-, то дибунол - повышая степень их оксигенации - тем самым предотвращает вызываемое гипоксией снижение надежности работы митохондриальных ЭТЦ. По сути, антиоксидант лечит митохондрии миокарда от гипоксии. Это непрямое антиоксидантное действие опосредовано, по-видимому, через NO и гормональную регуляцию редокс-гомеостаза [24,33].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
"В начале было Слово". Любое творчество начинается с идеи. Но ученый - в отличии, например, от архитектора - выдвинув даже очень хорошую идею, должен дождаться окончания множества экспериментов по ее проверке, прежде чем он узнает, как в действительности отозвалось его слово. Здание "свободнорадикальной геронтологии" еще не достроено. Не ясны ни биофизические механизмы сбоев в электронном транспорте, ни химические и биохимические "детали" токсичности кислородных радикалов in vivo; не ясно, как свободнорадикальные удары по геному реализуются в функциональных нарушениях клеток и тканей, каковы молекулярно-генетические механизмы регулирования свободнорадикальных процессов и как на них влияют антиоксиданты.
Биологические системы не совершенны и это несовершенство имеет очевидный смысл: природе по вполне понятным причинам не нужны бессмертные организмы. Поэтому биосистемы на всех уровнях организации имеют ограниченную надежность. Все мы, таким образом, являемся жертвами генетически запрограммированного дефицита надежности работы молекулярно-клеточных машин [6,7,34].
Помимо свободнорадикальных, существуют и другие типы отказов: нарушения селективности ферментов транскрипции и трансляции генетической информации, ошибки узнавания рецепторами "своих-чужих" молекул и, наконец - концевая недорепарация ДНК [13]. Но свободные радикалы кислорода это, по-видимому, - все-таки наиболее унивеpсальное сpедство pеализации одной из важнейших идей бытия, некогда блестяще сформулированной И. Гете в его "Фаусте": "Достойно гибели все то, что существует".


ЛИТЕРАТУРА
1. Блюменфельд Л.А. Проблемы биологической физики. - М.: Наука, 1977. - 336 c.
2. Блюменфельд Л.А., Кольтовер В.К. Трансформация энергии и конфомационные переходы в митохондриальных мембранах как релаксационные процессы. //Мол. биол. - 1972. - Т. 6. - C. 161-166.
3. Горди В. Свободные радикалы как возможная причина мутаций и рака. //Теория информации в биологии. - М.: ИЛ.- 1960. - C. 344-348.
4. Гродзинский Д.М., Войтенко В.П., Кутлахмедов Ю.А., Кольтовер В.К. Надежность и старение биологических систем. - Киев: Наукова думка, 1987. - 172 с.
5. Кольтовер В.К. Надежность ферментативной защиты клетки от супероксидных радикалов и старение. //Докл. АН СССР. - 1981. - Т. 256. - © 1. - С. 199-202.
6. Кольтовер В.К. Детерминированная надежность ферментов и стохастическая природа старения. //Надежность биологических систем. - Киев: Наукова думка. - 1985. - С. 148-161.
7. Кольтовер В.К. Генетическая детерминированность молекулярных конструкций клеток и стохастическая реализация программы старения. //Надежность и элементарные события процессов старения биологических объектов. - Киев: Наукова думка. - 1986. - С. 38-52.
8. Кольтовер В.К. Свободнорадикальная теория старения: современное состояние и перспективы. //Успехи геронтологии. - 1998. - Вып. 2. - C. 37-42.
9. Ленинджер А. Митохондрия. - М.: Мир, 1966. - 315 с.
10. Мечников И.И. Этюды оптимизма. - М.: Наука, 1988..
11. Обухова Л.К., Эмануэль Н.М. Роль свободноpадикальных pеакций окисления в молекуляpных механизмах стаpения живых оpганизмов. //Успехи химии. - 1983. - Т. 52. - С. 353-372.
12. Обухова Л.К. Вклад академика Н.М. Эмануэля в развитие отечественной геронтологии: свободноpадикальные механизмы в процессе стаpения. //Успехи геронтологии. - 1999. - Т. 3. - С. 27-31.
13. Оловников А.М. Старение как универсальная хроническая "болезнь количественных признаков": клеточное старение и РНК-зависимая ионная модуляция продуктивности генов. //Успехи геронтологии. - 1999. - Вып. 3. - С. 65-67.
14. Прайор У. Роль свободнорадикальных реакций в биологических системах. //Свободные радикалы в биологии. - М.: Мир, 1979. - Т. 1. - С. 13-67.
15. Семенов Н.Н. Цепные реакции. - М.: Наука, 1986. - 535 с.
16. Тарусов Б.Н. Основы биологического действия радиоактивных излучений. - М.: Медгиз, 1954. -140 с.
17. Фролькис В.В., Мурадян Х.К. Экспериментальные пути продления жизни. - Л.: Наука, 1988. - 248 c.
18. Хансон К.П. Роль апоптоза в старении и возрастной патологии. //Успехи геронтологии. - 1999. - Вып. 3. - С. 103-110.
19. Хейфлик Л. Смертность и бессмертие на клеточном уровне. //Биохимия. - 1997. - Т. 62. - С. 1380-1393.
20. Эмануэль Н.М., Липчина Л.П. Лейкоз у мышей и особенности его pазвития пpи воздействии ингибитоpов цепных окислительных пpоцессов. //Докл. АН СССР. - 1958. - Т. 121. - С. 141-144.
21. Bonilla E., Tanji K., Hirano M. et al. Mitochondrial involvement in Alzheimer's disease. //Biochem. et Biophys. Acta. - 1999. - V. 1410. - P. 171-182.
22. Commoner B., Townsend J., Pake G.E. Free radicals in biological materials. //Nature. - 1954. - V. 174. - P. 689-691.
23. Fridovich I. Superoxide anion radical (O2- radical anion), superoxide dismutases, and related matters. //J. Biol. Chem. - 1997. - V. 272. - P. 18515-18517.
24. Frolkis V.V., Gorban E.N., Koltover V.K. Effects of antioxidant butylated hydroxytoluene (BHT) on hormonal regulation and ESR signals in adult and old rats. //AGE. - 1990. - V. 13. - P. 5-8.
25. Gilbert D.L. (ed.). Oxygen and Living Processes: An interdisciplinary approach. - New York: Springer-Verlag, 1981. - 401 p.
26. Harman D. Aging: A theory based on free radicals and radiation chemistry. //J.Gerontol. - 1956. - V. 11. - P. 298-300.
27. Harman D. The biological clock: The mitochondria? //J. Amer. Geriatrics. Soc. - 1972. - V. 20. - P. 145-147.
28. Harman D. Free radical theory of aging: Beneficial efects of adding antioxidants to the maternal mouse diet on the life span of offspring; possible explanation of the sex difference in longevity. //Age. - 1979. - V. 2. - P. 109-122.
29. Harman D. Free radical theory of aging: History. //Free Radicals and Aging (ed. I.Emerit and B.Chance). - Basel: Birkhauser, 1992. - P. 1-10.
30. Harman D. Aging: Minimizing free radical damag. //J. Anti-Aging Medicine. - 1999. - V. 2. - P. 15-36.
31. Hobbs A.J., Ignarro L.J. Nitric oxide cyclic GMP signal transduction system. //Nitric Oxide, Pt. B (Methods in Enzymology). - 1996. - V. 269. - P. 134-148.
32. Koltover V.K. Free radical theory of aging: view against the reliability theory. // Free Radicals and Aging (ed. I.Emerit and B.Chance). - Basel: Birkhauser, 1992. - P. 11-19.
33. Koltover V.K. The antihypoxic action of antioxidant BHT mediated via nitric-oxide: A study of EPR signals in tissues of rats of different ages. //AGE. - 1995. - V. 18. - No. 3. - P. 85-89.
34. Koltover V.K. Reliability concept as a trend in biophysics of aging. //J. Theor. Biol. - 1997. - V. 184. - No. 2. - P. 157-163.
35. Kroemer G. Mitochondrial implication in apoptosis. Towards an endosymbiont hypothesis of apoptosis evolution. //Cell Death and Differentiation. - 1997. - V. 4. - P. 443-456.
36. Migliaccio E., Giorgio M., Mele S. et al. The p66shc adaptor protein controls oxidative stress response and life span in mammals. //Nature. - 1999. - 402. - P. 309-313.
37. Nohl H., Hegner D. Do mitochondria produce oxygen radicals in vivo? //Eur. J. Biochem. - 1978. - V. 82. - P. 863-867.
38. Nohl H., Koltover V., Stolze K. Ischemia/reperfusion impairs mitochondrial energy conservation and triggers O2- release as a byproduct of respiration. //Free Radical Res. Comms. - 1993. - V. 18. - P. 127-137.
39. Ozawa T. Genetic and functional changes in mitochondria associated with aging. //Physiol. Rev. - 1997. - V. 77. - No. 2. - P. 425-464.
40. Sohal R.S., Weindruch, R. Oxidative Stress, Caloric Restriction, and Aging. // Science. - 1996. - V. 273. - P. 59-63.
41. Tolmasoff J., Ono T., Cutler R.G. Superoxide dismutase: correlation with life span and specific metabolic rate in primate species. //Proc. Nat. Acad. Sci. USA. - 1980. V. 77. - P. 2777-2781.

V.K. Koltover
Free Radical Theory Of Aging: An Historical Synopsis
Institute of Problems of Chemical Physics, Russian Academy of Sciences,
Chernogolovka, Moscow Region.
E-mail: koltover@icp.ac.ru

Free radical theory of aging (FRTA), that was put forward by D. Harman in fifties of this century, has determined the most heuristic lines of investigations in biomedicine and biomedical gerontology of the present time. This mini-review is designed to outline the historical principal points of FRTA and the main facts that form the basis for this theory.
Key words: aging, reliability, oxygen, free radicals, superoxide, antioxidants, senescence.
Страница 273 вверх

Свидетельство о регистрации сетевого электронного научного издания N 077 от 29.11.2006
Журнал основан 16 ноября 2000г.
Выдано Министерством РФ по делам печати, телерадиовещания и средств массовых коммуникаций
(c) Перепечатка материалов сайта Medline.Ru возможна только с письменного разрешения редакции

Размещение рекламы

Rambler's Top100