Супрамолекулярная термодинамика генов и старение

Представления о супрамолекулярной термодинамике генов сформулированы на основе термодинамической теории старения. Показана возможность мягкого адаптационного вмешательства химических соединений в функционирование генетического аппарата на супрамолекулярном уровне. Направленное изменение супрамолекулярной стабильности генетического аппарата позволяет положительно влиять на процессы старения организмов.

Ключевые слова: супрамолекулярная термодинамика, термодинамика генов, гены, хроматин, термодинамика старения.

"Теория производит тем большее впечатление, чем больше ее предпосылки, чем разнообразнее предметы, которые она связывает, и чем шире область ее применения. Классическая термодинамика: Это единственная физическая теория общего содержания, относительно которой я убежден, что в рамках применимости ее основных понятий она никогда не будет опровергнута."
А.Эйнштейн

Созданная в последние годы термодинамическая теория старения живых существ позволила объяснить многие известные факты и сформулировать принципиально новые рекомендации для практической геронтологии [1-4,6-8,10-12].
Благодаря открытию закона временн`ых иерархий стало возможным выделять квазизакрытые биологические системы заданных иерархий и создавать термодинамические модели эволюции (развития) этих систем. Теория опирается на принципы термодинамики близких к состоянию равновесия систем и равновесные (квазиравновесные) динамические модели открытых (кинетически квазизакрытых на определенных временах) систем [7,9].
Один из выводов термодинамической теории старения состоит в том, что в онтогенезе наблюдается стремление к наиболее отрицательному значению удельной величины функции Гиббса (или другой функции состояния, соответствующей используемым естественным независимым переменным) образования супрамолекулярных (надмолекулярных) структур организма . Выявлено, что эта тенденция является причиной изменения надмолекулярного и химического состава, а также морфологической структуры тканей при старении. Теория позволила сформулировать подходы к созданию диет и лекарственных препаратов, замедляющих старение. Эти подходы основаны на использовании принципа Ле Шателье-Брауна, применимого не только к закрытым, но, с известным приближением, и к квазизакрытым системам. Заметим, что согласно упомянутого принципа (в общем случае - принципа наименьшего принуждения) эволюционные процессы на любом иерархическом уровне протекают в направлении наибольшей "термодинамической востребованности".
Установлено, что величина , характеризуя термодинамическую стабильность супрамолекулярных структур, является критерием термодинамического возраста биообъектов, например, биотканей [1,9]. Отсюда следует, что природа пищи, пищевых добавок, а также медицинских и косметических препаратов влияет на значение тканей, меняя их супрамолекулярный и химический состав. Если величина в ходе онтогенеза становится менее отрицательной, то это означает, что ткань помолодела.
Омолаживание разных тканей при изменении природы и типа пищи, медицинских и косметических средств наблюдается на различных временах. Так, существенное омолаживание жировых компонентов биотканей (липидных структур) может проявиться уже спустя 1-2 месяца после начала изменения природы используемых в пище жиров [13]. Заметное омолаживание коллагеновой ткани должно наблюдаться только через несколько месяцев после введения в диету белков, содержащих повышенное количество коллагена молодых животных. Многие сравнительно низкомолекулярные вещества (гормоны, другие метаболиты, лекарства, косметические средства) могут проявлять омолаживающий эффект сравнительно быстро [3,4,14].
Есть основание полагать, что омолаживание липидных, белковых и других структур биомассы должно способствовать омолаживанию хроматина и ДНК. И это действительно так. Однако, вследствие высокой термодинамической стабильности супрамолекулярной структуры ДНК и ее белкового окружения эти процессы протекают крайне медленно и, как принято считать, практически не оказывают влияния на генном уровне. В то же время, работы в области генной инженерии и адаптивной эволюции ДНК и РНК показывают, что имеется возможность вмешательства в структуру генов не только посредством включения или удаления нуклеотидных последовательностей [9,16], но и путем воздействия химических веществ, влияющих на супрамолекулярную структуру неизменяемых генетических элементов [9]. Такими веществами прежде всего могут быть те соединения, концентрации которых высоки в тканях молодых организмов и эмбрионов [2,4,10,17]. Особую роль при этом должны играть величина РН, ионная сила, температура среды, окружающей комплексы ДНК с гистонами, негистонными белками и другими компонентами. В качестве химических веществ, воздействующих на стабильность генетических структур, могут быть названы химически инертные низкомолекулярные соединения, такие как диметилсульфоксид, определенные неорганические соединения (ионы металлов), различные метаболиты и биоактивные соединения, а также газы -компоненты атмосферы [1,5,18].
Отсюда следует вывод, что возможно "мягкое" омолаживающее вмешательство в супрамолекулярные (надмолекулярные) структуры ДНК (РНК) путем введения в ядра и другие клеточные элементы химических агентов. Подобное направленное воздействие может способствовать сохранению структуры генов, а также влиять на процессы их адаптационного приспособления к изменению условий окружающей среды.
В качестве количественной характеристики стабильности ДНК, хроматина и других супрамолекулярных структур in vivo целесообразно использовать величины , определяемые с помощью ДСК - измерений [5,9,10,15]. Соответствующие расчеты легко выполнять, применяя уравнение Гиббса - Гельмгольца,
где - удельная энтальпия (изменение удельной энтальпии) плавления - денатурации ; - температура плавления; - стандартная температура; - изменение теплоемкости надмолекулярной структуры при фазовом переходе.

Изучая изменение термодинамической супрамолекулярной стабильности "генетических структур" в ходе онтогенеза и влияние на нее различных агентов, легко формулировать соответствующие практические рекомендации.
Заметим, что известны многие факты [1,5,7,9,15-17], которые легко интерпретировать с позиции супрамолекулярной термодинамики генов. Однако, однозначным подтверждением теории является только сопоставление этих фактов с количественными изменениями термодинамической супрамолекулярной стабильности структур генетического аппарата in vivo [9].