В ходе дублирования отрезков обеих цепей двойной спирали и распределения новых цепей по дочерним клеткам ДНК распадается на мельчайшие фрагменты, называемые хромосомами.
Количество хромосом у всех видов животного мира разное.
Так, ядра человеческих клеток содержат сорок шесть хромосом.
У каждой своя форма.
Генетическая информация не всегда передается безошибочно и в полном объеме.
Некоторые погрешности клетка исправляет самостоятельно, но от поколения к поколению процент брака неумолимо возрастает.
Накапливание погрешностей приводит сначала к уменьшению количества делений, а затем и к полному прекращению процесса воспроизводства — в соответствии со степенью изношенности индивидуальных клеточных часов.
Чем безупречнее действует механизм воспроизведения ДНК, тем дольше основные гены будут передаваться по наследству.
Клеточное деление и теломеры
Гипотеза о разрегулировании «клеточных часов», наступающем после определенного числа делений, в конце концов, получила экспериментальное подтверждение.
В 1988 году в Сан-Франциско биолог Элизабет Блэкберн, молодая специалистка из Калифорнийского университета, подтвердила обоснованность гипотезы, выдвинутой русским биохимиком А. М. Оловниковым и несколькими американскими учеными, лауреатами Нобелевской премии.
Речь в ней шла о защитной роли теломеров, то есть концевых групп хромосом.
Гипотеза явилась результатом наблюдения за нестабильным поведением распавшихся на фрагменты хромосом.
Дело в том, что при клеточном делении ДНК сначала развертывается, а затем воспроизводится, однако процесс создания собственной копии начинается до завершения развертывания ДНК, а поэтому дочерняя клетка получается несколько укороченной.
В ходе последующих делений и соответствующего неизбежного укорачивания ДНК клеточная «династия» вымирает из-за исчезновения жизненно важных генов.
Особое внимание Элизабет Блэкберн решила уделить защитной роли теломеров в существовании хромосом.
Для этого она сравнила длительность жизни хромосом, лишенных теломеров, — укороченных кольцевых хромосом — с линейными хромосомами, обладающими теломерами.
Результаты измерений убедительно доказали, что последние живут значительно дольше.
И наконец последний эксперимент, расставивший все точки над «i»: под действием энзимов у линейных хромосом были отделены теломеры и «приклеены» к окончаниям тех хромосом, у которых они отсутствовали.
Новые хромосомы оказались весьма устойчивы, что свидетельствует о высокой эффективности защитных свойств теломеров ( к сожалению, срок защитного действия теломеров ограничен, поскольку именно они являются жертвами укорачивания цепочки ДНК.
Со временем они исчезают, оставляя гены без защиты ).
А сравнительно недавно Кароль Грайдер, ученице Элизабет Блэкберн, из лаборатории под Нью-Йорком удалось обнаружить в одном из микроорганизмов новый энзим, названный ею «теломеразой».
Благодаря своей удивительной способности добавлять новые серии теломеров к окончаниям хромосом он восстанавливает утраченные в ходе клеточного деления теломеры.
Это поистине революционное открытие высветило широчайшие перспективы в области увеличения сроков клеточного деления, недаром в последнее время так активно ищут ген теломеразы у человека.
Смерть клеток запрограммирована?
Однако вернемся к разговору о клетках.
Современный уровень развития генетики и молекулярной биологии позволил ученым прийти к парадоксальному выводу: смерть клетки нередко напоминает самоубийство.
Выполняя заложенную в нее генетическую программу, клетка сама отдает приказ на самоуничтожение.
В начале 1992 года коллектив исследователей Массачусетского Технологического института обнаружил ген, предохраняющий клетку от смерти.
Как же удалось сделать это основополагающее открытие?
Объектом изучения биологов служил крохотный червячок.
В определенный момент развития его организма сто тридцать одна клетка вдруг ни с того ни с сего самоликвидировались.
Почему? Приказ запустить генетическую программу смерти был отдан по меньшей мере двумя генами.
После чего в них стал вырабатываться некий сильный яд.
Возникает вопрос: как контролируется деятельность генов смерти?
Американским исследователям удалось выделить особый ген, названный ими «сеd 9», который, похоже, регулирует активность смертоносных генов.
Пока он на страже, гены-убийцы заблокированы.
Но стоит ему случайно или «произвольно» отключиться, как тут же начинают вырабатываться токсичные молекулы.
Исследователи обратили внимание на то, что в организме человека есть ген, очень напоминающий защитный ген червя.
Не являются ли, таким образом, многие человеческие недуги, сопровождающиеся перерождением организма, следствием нарушения деятельности гена, защищающего клетки от запрограммированной гибели?
Результаты наблюдений проливают совершенно новый свет на все еще загадочный механизм клеточных часов.
Старение неделящихся клеток
Вышеописанные процессы касаются в основном клеток делящихся.
Однако, как известно, далеко не все клетки организма представляют собой непрерывно размножающиеся митотические клетки, подобные фибробластам кожи или клеткам — производителям белых и красных кровяных телец.
Исполнив свою миссию, постмитотические клетки утрачивают способность деления.
Классическим примером является нейрон, особая клетка нервной системы.
Связь между нейронами обеспечивает своеобразная длинная «рука» — аксон, — имеющаяся у каждой нервной клетки.
Такое соединение называется синапс.
С возрастом количество таких соединений сокращается.
Опять же почему?
Всестороннее исследование выявило, что клетки постепенно теряют свои соединительные мембранные структуры.
Мало-помалу они перестают поддерживать их в надлежащем состоянии и вообще как-то о них заботиться, что приводит к постепенному накоплению отходов, а точнее, гранулезного пигмента липофусцина, занимающего порой до 60% объема клетки.
Горы «мусора» являются результатом сложных внутренних процессов, о которых мы еще поговорим.
Лет десять назад считалось, что, перейдя сорокалетний рубеж, человек ежедневно теряет около сорока тысяч нервных клеток.
Сегодня подобная цифра представляется всем сильно завышенной.
Проведенные в последнее время исследования доказали, что процесс отмирания нервных клеток действительно происходит, однако протекает он, во-первых, медленнее, чем общее старение организма, а во-вторых, избирательно.
Если в ряде церебральных зон потери клеток весьма значительны, то в других едва заметны.
По-видимому, прав профессор Ладислав Робер, утверждая в своей книге «Биологические часы», что сокращение наших физических возможностей и упадок умственных способностей связаны скорее с функциональными изменениями нервных клеток, нежели просто с их гибелью.
Из всего вышесказанного можно сделать следующий вывод:
внутренние часы, определяющие продолжительность жизни постмитотических и митотических клеток, ходят совершенно по-разному.
Старение органов
После краткого рассказа о механизмах старения клеток перейдем к отдельным «деталям» нашего тела.
Такие жизненно важные органы, как печень, сердце или легкие, представляют собой совокупность клеточных групп, служащих для выполнения какой-либо конкретной функции.
Одинакова ли скорость старения различных органов?
Или наше тело похоже на машину, у которой одни детали всегда изнашиваются быстрее других?
Одинакова ли скорость старения различных органов?
Разумеется, нет.
Старение человеческого тела происходит далеко не равномерно, точно так же как, скажем, у автомобиля шины приходят в негодность несравнимо быстрее, чем ветровое стекло.
Справедливость данного утверждения убедительно доказал Натан Шок из американского города Балтимор.
Измерив скорость угасания ряда основных функций человеческого организма у большого числа испытуемых пожилого возраста, он установил следующее:
скорость распространения нервного импульса уменьшается очень медленно;
чуть быстрее сокращается потребление кислорода человеком в состоянии покоя (основной обмен веществ);
еще быстрее — максимальный объем воздуха, поглощаемого легкими во время глубокого вдоха (жизненная емкость легких);
и наконец, очень быстро уменьшается и скорость кровообращения.
Итак, изучение возрастных изменений функциональных показателей различных органов убеждает, что старение последних происходит неравномерно и разным образом.
Внутренние часы органов
Наиболее заметно происходит ослабление жизнедеятельности органов кровообращения и дыхания.
Скорее всего, это связано с тем, что на них приходится самая большая нагрузка: 70—80 сокращений в минуту у сердца, около 16 вздохов в минуту у легких.
Характер работы — легко ли денно и нощно перекачивать кровь и воздух? — заставляет их иметь в изобилии мелкозернистое межклеточное вещество — матрицу, а главное — эластичные ткани.
Процесс старения вышеназванных органов напрямую связан со скоростью деградации внеклеточной эластичной ткани.
Со временем матрица видоизменяется: ее коллагеновые волокна растягиваются, эластин, соединительнотканный белок, дробится.
У матрицы свой собственный и, значит, индивидуальный срок старения.
Все происходящие в ней изменения улавливаются так называемыми интегринами — мембранными рецепторами, соединяющими клетку с межклеточным веществом.
Ритмы внутренних часов матрицы и клетки накладываются друг на друга.
Их оптимальная синхронизация ведет к установлению Минимальной скорости старения.
И наоборот: стоит каким- нибудь часам заспешить, как тут же ускоряют ход и другие, в результате преждевременно старится весь орган.