Биохимия старения - Канунго М. С. (прочитать книгу TXT) 📗

Были сделаны попытки определить накопление ошибок в белках в зависимости от возраста культивируемых фибробластов. Холлидей и Террент [49] описали увеличение доли неактивной и термолабильной глюкозо-6-фосфат — дегидрогеназы на поздних пассажах фибробластов MRC-5. Лактатдегидрогеназа фибробластов поздних пассажей этой линии отличалась по антигенности от фермента ранних пассажных клеток [71]. Голдстайн и Мёрмен [37] представили сходные данные по трем ферментам фибробластов кожи человека. Имеются данные не только о значительном уменьшении точности работы ДНК-полимеразы в клетках поздних пассажей (что изучалось с помощью синтетических матриц), но и об уменьшении скорости элонгации репликона [73]. Большой процент ошибок, регистрируемый этими авторами, вряд ли присущ нормальным клеткам; поскольку он был бы для них катастрофичным, не исключено, что регистрируемая неточность считывания обусловлена использованием в качестве матриц синтетических полинуклеотидов. Мартин и др. [79] не обнаружили различий в термочувствительности и антигенности ферментов клеток ранних и поздних пассажей в культуре WI-38. Следовательно, иммунные и каталитические свойства, а также положение при электрофокусировании фосфоглицераткиназы, пируваткиназы типа М₂, глюкозофосфатизомеразы и глюкозо-6-фосфат — дегидрогеназы не отличаются у фибробластов ранних и поздних пассажей. Не изменяется также скорость, а следовательно, и надежность репликации вирусов.

Ферменты β-N-ацетилглюкозаминидаза, α-глкжозидаза и α-N-ацетилгалактозаминидаза лизосом и NADH-дегидрогеназа митохондрий молодых и старых фибробластов WI-38 имеют сходную термолабильность [52]. РНК-полимераза, которая участвует в синтезе белка и, согласно Оргелу, является одним из основных виновников появления ошибок, была изучена Ивенсом [25]. Он не нашел различий в термолабильности и удельной активности ферментов, полученных из молодых и старых клеток.

Гервин и др. [29] измерили ошибки считывания poly (U) in vitro в неочищенных препаратах, полученных в различное время из E. coli, растущей в присутствии дигидрострептомицина, который, как известно, вызывает ошибки трансляции. Они наблюдали значительное увеличение ошибок считывания poly (U), но их уровень достигал стабильных значений в присутствии антибиотика в течение нескольких генераций. Исследования Эделмена и Гелланта [24] in vivo дали сходные результаты. Оценка ошибочной трансляции (включение цистеина в флагеллин) у E. coli в присутствии стрептомицина показала, что частота ошибки становится в 50 раз выше, чем в норме, и затем стабилизируется на одном уровне (рис. 9.5). Таким образом, даже если ошибки появляются в процессе трансляции, то, как и предполагали Гоел и Икес [35], достигается стабилизация ее точности. Поэтому маловероятно, чтобы первопричиной старения было возникновение ошибок в процессе переноса информации.

Рис. 9.5. Кинетика частоты ошибки в присутствии и в отсутствие стрептомицина [24]. Культура АС92 была выращена в отсутствие стрептомицина, и в ней была измерена частота фоновой ошибки. В момент, отмеченный стрелкой, добавляли 5 мкг/мл стрептомицина и измеряли частоту ошибки на протяжении более чем восьми последующих генераций. После двух генераций в присутствии стрептомицина из культуры отбирали аликвоту, отмывали минимальной средой без добавок для удаления стрептомицина и ресуспендировали в среде с добавками. Снова вычисляли частоту ошибки. Культуру метили ³Н-аланином (53 Ки/ммоль) и ³⁵S-сульфатом (2 мКд/нмоль) и выделяли флагеллин, как описано ранее [24]. Сплошная линия и темные значки — частота ошибок в клетках, растущих в присутствии стрептомицина; штриховая линия и светлые значки — частота ошибок в клетках после удаления стрептомицина; светлые и темные кружки и треугольники обозначают данные, полученные в двух экспериментах. Длина горизонтальных линий на значках указывает на фракции той генерации, в пределах которой включалась метка

В заключение можно сказать, что существует очень много данных о снижении в пожилом возрасте на 30–70 % удельной активности альдолазы А и В [32, 33] и пероксид-дисмутазы у крыс [[98, 99], а также изоцитрат-лиазы [31, 100], фруктозобисфосфат-альдолазы [133], енолазы [111] и фосфоглицераткиназы [41] у Turbatrix aceti. Для нескольких ферментов установлены различия в термолабильности и антигенных свойствах. Вместе с тем удельная активность триозофосфатизомеразы Turbatrix aceti [40] и орнитиндекарбоксилазы печени крыс [86, 87] не изменяется.

При измерении других параметров перечисленных ферментов: К_м, K_i, электрофоретической подвижности и молекулярной массы никаких существенных различий не обнаружено. Каковы же причины возрастных изменений свойств ферментов? Использование совершенной методики типа изоэлектрофокусирования, с помощью которой можно разделять белки, отличающиеся только суммарным электрическим зарядом, не выявило никаких отличий между пероксид-дисмутазами молодых и старых крыс [39, 98, 99]. Более того, когда провели двумерное картирование белков верхних шейных нервных узлов молодых и старых крыс, также не нашли никаких различий, причем в одном направлении белки разделялись в соответствии с их изоэлектрической точкой, а в другом — в соответствии с их молекулярной массой [129]. Триптические карты актина и миозина скелетной мышцы молодых и старых крыс оказались одинаковыми [117].

Таким образом, имеются убедительные данные, которые показывают, что с увеличением возраста ошибки типа замещения аминокислот в белках не возникают в сколько-нибудь существенном количестве ни in vivo, ни in vitro. Появление ошибок является случайным процессом, и если бы они возникали, то существовали бы белки с замещенными аминокислотами, однако такие белки не обнаружены. Кроме того, более или менее постоянную продолжительность жизни видов и постепенное ослабление функции с увеличением возраста нельзя объяснить теорией ошибок, так как для того, чтобы иметь отношение к упомянутым феноменам, ошибки должны возникать с определенной скоростью. Приходится предполагать, что частота ошибок регулируется генами или другими факторами, что противоречит основной идее теории ошибок. Следовательно, маловероятно, чтобы причиной старения было нарастание ошибок в функциональных макромолекулах с возрастом.

Что же тогда служит причиной снижения удельной активности и увеличения термолабильности ферментов, наблюдаемых я пожилом возрасте? Считают, что эти изменения могут появляться в результате незначительных посттрансляционных модификаций белков типа гликозилирования, метилирования и т. д., которые не меняют суммарного электрического заряда молекулы [30]. Это возможно в том случае, если увеличение с возрастом времени полужизни T_½ ферментов обусловлено снижением скорости их деградации. В этом случае молекулы сохраняются дольше и в большей степени подвергаются действию трансфераз, трансаминаз и т. д. Величина T_½ белков будет возрастать, если снижается активность протеаз. Следовательно, необходимо объяснить, почему в старческом возрасте снижается активность ферментов деградации типа протеаз. Таким образом, рассмотренные гипотезы (теория ошибок и посттрансляционных изменений) являются поверхностными, они не вскрывают основной причины старения.

Эта теория основана на предположении, что надежность трансляции в клетках зависит от точности считывания триплетных кодонов в молекуле мРНК. [2, 120, 121]. За точное считывание кодонов ответственны в основном тРНК и аминоацил-тРНК — синтетазы. Для кодирования двадцати аминокислот используется 61 триплетный кодон, причем генетический код является вырожденным, т. е. несколько аминокислот кодируются двумя или большим числом кодонов, которым соответствуют две или более изоакцепторных тРНК. Способность к аминоацилированию у разных изоакцепторных тРНК различна. Поэтому количественные изменения в спектре изоакцепторных тРНК могут влиять на скорость считывания и трансляцию. Используются те триплетные кодоны, для которых имеются в наличии соответствующие аминоацил-тРНК. Известно, что молекулы тРНК подвергаются посттранскрипционным модификациям оснований типа метилирования цитозина. Колебания степени этих модификаций могут влиять на аминоацилирование, а следовательно, и точность считывания кодонов мРНК во время трансляции.