Mechanizmy starzenia sie

Mówiąc o starzeniu, mamy zwykle na myśli okres, w którym procesy kataboliczne (rozkładu) przeważają nad anabolicznymi (syntezy), a mechanizmy odnowy i regeneracji, które mogłyby skutecznie powstrzymać postępujące zniszczenia komórek i tkanek, nie nadążają z naprawą uszkodzeń. W ujęciu biomedycznym śmierć organizmu zawsze jest wynikiem choroby bądź zespołu wielu chorób. Jednak i samo starzenie się jest przez wielu specjalistów postrzegane jako proces chorobowy, tylko tym różniący się od innych, że dotyczy wszystkich. Istnieje wiele hipotez i teorii próbujących wyjaśnić przyczyny starzenia się człowieka. Nie ma jednak wątpliwości, że u podstaw tego zjawiska leży starzenie się i obumieranie pojedynczych komórek, z których są zbudowane ludzkie tkanki i narządy.Wiąże się to z większą częstością występowania wielu chorób, m.in. artretyzmu, chorób serca, choroby Alzheimera, osteoporozy, nowotworów i wielu innych.


Teoria wolnych rodników

Wolne rodniki to atomy lub cząsteczki posiadające jeden niesparowany elektron na zewnętrznej powłoce elektronowej. Powoduje to dużą aktywność tych cząsteczek, które pragnąc oddać ten elektron, łączą się z cząsteczkami kwasu DNA, białek, lipidów czy węglowodanów. W wyniku tego dochodzi do zmian w makrocząsteczkach komórkowych, co prowadzi do zaburzeń w funkcjonowaniu komórek i zmian starczych, a w konsekwencji do ich śmierci. Toksyczne działanie wolnych rodników polega na uszkadzaniu materiału genetycznego (mutacje, nowotwory), utlenianiu wielonienasyconych kwasów tłuszczowych (miażdżyca) oraz na przyspieszaniu procesów starzenia się komórek (inaktywacja enzymów, uszkodzenie kolagenu, śmierć komórki).

Do wolnych rodników zaliczamy głównie reaktywne formy tlenu (RFT), czyli: tlen singletowy, ozon, rodnik wodoronadtlenkowy, anionorodnik ponadtlenkowy, nadtlenek wodory, rodnik hydroksylowy, tlenek azotu, dwutlenek azotu, kwas nadtlenoazotawy i jego anion. Równie ważny jest nadtlenek wodoru, który nie jest wolnym rodnikiem, ale odgrywa ważną rolę w procesach oksydacyjnych powstawania wolnych rodników. (Ze względu na dużą reaktywność rodników ich czasy połowicznego rozpadu są bardzo krótkie, np.: O2•- w 37 st.C - 1*10-6 s, OH• w 37 st. C - 1*10-9 s.) Nadtlenek wodoru powstaje w wyniku redukcji tlenu cząsteczkowego lub w wyniku dysmutacji rodnika ponadtlenkowego przez SOD. Redukowany jest przez katalazę do wody i O2. Czas połowicznego rozpadu jest uzależniony od aktywności katalazy i peroksydazy glutationowej, dlatego jego czas trwania jest na tyle długi, że może przenikać przez błony komórkowe i „wędrować” po całym organizmie. Prekursorem kaskady reakcji wolnorodnikowych jest anionorodnik ponadtlenkowy: O2•- Powstaje on w wyniku jednoelektronowej redukcji tlenu cząsteczkowego. Jest produktem końcowym lub pośrednim wielu reakcji enzymatycznych. Powstaje głównie w łańcuchu oddechowym, w przemianach enzymatycznych katalizowanych przez oksydoreduktazy (oksydazę ksantynowa, aldehydową, dihydroorotanową, diaminową, oksydoreduktazę NADPH, czyli cytochrom P-450, mieloperoksydazę z leukocytów), samoutlenianie zredukowanych form związków biochemicznych (flawin, chinonów nukleotydów, aminokwasów aromatycznych, pterydyn, ferredoksyny, związków tiolowych, m.in. glutationu, adrenaliny, dopaminy). Rodnik hydroksylowy jest najbardziej niebezpieczny dla ludzkiego organizmu. Głównym źródłem rodników hydroksylowych w organizmie jest reakcja Fentona, w której katalizatorami są kationy żelaza i miedzi:
H2O2 + Fe2+ = OH• + OH- + Fe3+

Drugim źródłem rodników hydroksylowych jest reakcja Habera-Weissa:
O2•- + H2O2 = O,,2 + OH• + OH-

Obecność wolnych rodników wielu reakcjach biologicznych jest niezbędna. W warunkach homeostazy powstające pośrednie formy tlenu lub inne związki o charakterze wolnych rodników są szybko unieczynniane i nie wywołują swojego destrukcyjnego działania. Organizm posiada bowiem wiele możliwości enzymatycznych i nieenzymatycznych, które unieczynniają wolne rodniki. Do układów enzymatycznych odpowiedzialnych za usuwanie wolnych rodników ze środowiska komórki należą:

* katalaza (CAT)
* peroksydaza glutationowa
* dysmutaza ponadtlenkowa

Obronę tę wspomagają w komórce niskocząsteczkowe nieenzymatyczne związki przeciwutleniające takie jak:

* alfa-tokoferol
* kwas askorbinowy
* zredukowany glutation
* beta-karoten
* retinol
* selen itp.

Wolnorodnikowa teoria starzenia się jest oparta na sprawności reakcji łańcucha oddechowego. Z wiekiem jego sprawność jest coraz niższa, czego skutkiem jest wzmożona produkcja anionorodników ponadtlenkowych O2•-, które same inicjują łańcuch reakcji wolnorodnikowych lub z których to powstają rodniki hydroksylowe. W wyniku reakcji wolnorodnikowych RFT ze związkami organicznymi powstają, związki chemiczne o nieznanej strukturze i własnościach biochemicznych, które mogą być przyczyną powstania wielu patologii.


Starzenie się a mitochondria

Zgodnie z jedną z hipotez w mitochondriach wraz z wiekiem powstaje coraz więcej uszkodzeń co powoduje spadek produkcji ATP a jednocześnie pociąga za sobą wzmożone wytwarzanie wolnych rodników przyspieszając tym samym niszczenie składników komórki.




Cały układ do produkcji energii w mitochondriach składa się przede wszystkim z łańcucha transportu elektronów. Łańcuch ten zbudowany jest z dwóch dużych i dwóch małych kompleksów enzymatycznych. Kompleksy I i II zabierają elektrony z substancji odżywczych i przenoszą je na ubichinon, miejsce najintensywniejszej produkcji wolnych rodników. Ubichinon przekazuje elektrony dalej wzdłuż łańcucha do kompleksów III i IV, gdzie reagują one z tlenem i wodorem tworząc cząsteczki wody. Przepływ elektronów wywołuje ruch protonów kierunku syntazy ATP- który korzystając z enegii dostarczonej przez protony wytwarza ATP. Wolne rodniki powstają gdy elektrony wydostają się poza łańcuch oddechowy i łączą z tlenem w jego najbliższym otoczeniu.

ZEGAR TELOMEROWY


Ponieważ wszystkie procesy zachodzące w komórce wymagają obecności białek, zmiana ekspresji genów powoduje zmiany ilości wytwarzanych białek. Komórki stare przestają się dzielić, bo zaczyna w nich brakować białek umożliwiających podziały, a komórki rakowe dzielą się, choć powinny przestać. Chromosom może występować w dwóch zasadniczych postaciach: w postaci euchromatyny, gdy geny są łatwo dostępne, i heterochromatyny, gdy geny są ściśle upakowane i "schowane". Wydaje się, że długi telomer sprzyja "maskowaniu" genów okołotelomerowych, a więc jego skracanie powoduje z czasem ich uaktywnienie. Ich działanie ujawnia się w starszych komórkach i może polegać np. na zmniejszeniu produkcji czynnika EF ( elongation factor ), odpowiedzialnego za wydłużanie łańcucha białkowego. To oczywiście może zmieniać tempo procesów w organizmie, oczywiście spowalniając je. W efekcie zmniejszanie "okrywy" telomerowej może powodować zwiększanie ekspresji jednych genów i zmniejszanie ekspresji innych. Organizm funkcjonuje wolniej, tempo przemiany materii zmniejsza się, tkanki i narządy zaczynają się starzeć.

W zasadzie telomer stabilizuje chromosom tak długo, jak długo istnieje. Można jednak wyobrazić sobie sytuację, gdy telomer przestaje istnieć. Zmiany wówczas zachodzące w komórce są bardziej gwałtowne i spektakularne niż w przypadku opisanym wyżej. Chromosomy bez telomerów są lepkie, lepią się do innych chromosomów, ale także do białek DDBP (damaged DNA binding proteins), których zadaniem jest wykrywanie uszkodzeń DNA, a co za tym idzie zapobieganie dziedziczeniu uszkodzonego materiału genetycznego. Gdy telomer znika i dochodzi do odsłonięcia ostatnich sekwencji TTAGGG, białka DDBP gromadzą się na uszkodzonym chromosomie, a tym samym stają się niedostępne dla reszty komórki. Inne białka, normalnie regulowane obecnością DDBP, zaczynają się uaktywniać. Są to białka regulatorowe, takie jak p53, CDK2, cyklina E, p21. Zaczyna się lawina zdarzeń mających doprowadzić do zatrzymania cyklu komórkowego, dzięki czemu nie dochodzi do replikacji uszkodzonego DNA. W zdrowych komórkach telomeraza wytwarzana jest tylko w okresie życia płodowego. Z chwilą narodzin geny sterujące jej produkcją są wyłączane. Pewne mutacje mogą jednak sprawić, że telomeraza syntetyzowana jest cały czas. Komórki, w których to nastąpiło, dzielą się bezustannie i stają się nieśmiertelne – to komórki nowotworowe. Pozostałe komórki naszego ciała mogą podzielić się najwyżej 70 razy. Każdemu podziałowi towarzyszy nieznaczne skrócenie się telomerów. Powyżej określonej liczby podziałów telomery skracają się tak, że dochodzi do uszkodzenia chromosomów i śmierci komórki. To naturalne zabezpieczenie naszego organizmu przed nowotworzeniem. To także powód jego starzenia się.

Apoptoza – zaprogramowana śmierć komórki



Apoptoza to zaprogramowana śmierć komórki - dzięki temu mechanizmowi usuwane są zużyte lub uszkodzone komórki. Można ją przyrównać do zaplanowanego samobójstwa komórki w organizmie wielokomórkowym mające na względzie dobro całego organizmu. W odróżnieniu od martwicy, gdzie dochodzi do uszkodzenia jakimś zewnętrznym czynnikiem, apoptoza jest zjawiskiem naturalnym w rozwoju i życiu organizmów. Apoptozę charakteryzuje szereg specyficznych zmian morfologicznych i biochemicznych.. Komórka obkurcza się i oddziela od sąsiednich. W jądrze komórkowym dochodzi do kondensacji i fragmentacji chromatyny. DNA jest cięte przez endonukleazy. W kolejnym etapie dochodzi do fragmentacji cytoplazmy. Od błony komórkowej odpączkowuja tzw. "ciałka apoptotyczne". Są to, otoczone błona fragmenty komórki zawierające resztki cytoplazmy, organelle komórkowe oraz fragmenty chromatyny. Apoptotyczna śmierć komórki trwa zwykle kilka do kilkunastu godzin, a ciałka apoptotyczne są szybko fagocytozowane przez komórki żerne. Tego rodzaju śmierć komórki nie wywołuje stanu zapalnego. Nekroza (z greckiego - necrosis - martwica) jest biernym procesem degeneracyjnym. Następuje wówczas, gdy komórki zostają poważnie uszkodzone, np.: przez czynniki fizyczne lub niedotlenienie. Dotyczy często dużych zwartych grup komórek. Charakterystyczną cechą śmierci martwiczej jest pęcznienie komórki zapoczątkowane poszerzeniem siateczki śródplazmatycznej i obrzękiem mitochondriów. Nastepnie dochodzi do zniesienia aktywnego transportu jonów przez błonę. W kolejnym etapie błona komórkowa ulega perforacji. Woda i jony wnikają do wnętrza komórki powodując jej obrzęk. Zaktywowane endonukleazy tną DNA na przypadkowe fragmenty o zróżnicowanej wielkości. W ostatnim etapie martwicy dochodzi do rozpuszczenia komórki pod wpływem uwolnionych enzymów lizosomalnych. Powstałe produkty rozpadu komórki wywołują miejscowy stan zapalny.



We wszystkich komórkach zwierzęcych funkcjonuje podobny układ odpowiedzialny za ten rodzaj kontrolowanej śmierci samobójczej. Składa on się z rodziny proteaz , które same są aktywowane proteolitycznym rozcięciem będącym odpowiedzią na sygnały indukujące programowaną śmierć komórki. Zaktywowane proteazy rozcinają i tym sposobem aktywują inne proteazy należące do tej samej rodziny białek, co razem stanowi kaskadę proteaz wzmacniającą efekt początkowy. Proteazy rozcinają następnie inne kluczowe białka w komórce, zabijając ją szybko i sprawnie. Na przykład jedna z proteaz rozcina jądrowe białka laminy powodując nieodwracalny rozpad blaszki jądrowej.

* Układ śmierci samobójczej jest regulowany sygnałami z innych komórek. Niektóre działają jak sygnały zabijania, aktywując mechanizm samobójstwa komórki. Inne działają jako sygnały przeżycia, hamując samobójstwo, by utrzymać komórkę przy życiu.

W organizmie wielokomórkowym programowana śmierć komórki jest zdarzeniem zwyczajnym, normalnym i ogólnie łagodnym. Natomiast niewłaściwa proliferacja i przeżywanie zbędnych komórek stanowią rzeczywiste niebezpieczeństwo – prowadzą do powstania nowotworów. W hamowaniu podziałów uszkodzonych komórek i w uruchamianiu samobójczej śmierci komórki bierze udział białko p53. Wiadomo, że uszkodzenia DNA prowadzą do gromadzenia się cząsteczek p53 w jądrze komórkowym, a to z kolei pobudza produkcję białka p21, które wyłącza kinazy cyklinozależne - białka potrzebne komórce do przechodzenia przez kolejne fazy cyklu komórkowego. Naukowcy przekonali się, że duże uszkodzenia DNA komórki dodatkowo zmieniają właściwości białka p53. W takich beznadziejnych przypadkach p53 uruchamia produkcję białka AIP1. To białko łączy się z mitochondriami i uwalnia z nich cząsteczki pobudzające kaspazy - główne enzymy apoptozy. Komórka zaczyna wytwarzać białko AIP1 dopiero po kilkunastu godzinach od chwili uszkodzenia DNA; jeśli zniszczenia genów zostaną wcześniej naprawione, to nie dochodzi do apoptozy. W uszkodzonych komórkach najpierw zwiększa się produkcja p21, białka, które hamuje cykl komórkowy, a dopiero potem - produkcja AIP1, białka niszczącego najbardziej chore komórki. Oba mechanizmy kontrolne są bezpośrednio zależne od genu p53. Nic dziwnego, że białko p53 jest jednym z najważniejszych genów supresorowych nowotworów - mutacje genu p53 można wykryć w co drugim guzie rakowym...

GŁODÓWKA NA DŁUGOWIECZNOŚĆ

Liczne badania potwierdzają, że dieta niskokaloryczna (zawierająca mniej niż połowę standardowej dawki energii) spowalnia tempo przemiany materii i „odciążając” mitochondria, wydłuża życie zwierząt (m.in. myszy i robaków Caenorhabditis elegans). Badacze z Rosedale Center for Metabolic Medicine (USA) opracowali już nawet specjalną dietę, która ma spowalniać starzenie u ludzi. Po trzech miesiącach takiego żywienia u osób po 50. roku życia zaobserwowano nie tylko spadek masy ciała (średnio o 8%), ale także poziomu glukozy we krwi (o 8,3%) i stężenia insuliny, a stosunek miażdżycorodnych trójglicerydów do „dobrego” cholesterolu HDL obniżył się nawet o połowę. Poprawiły się zatem te parametry krwi, które we współczesnym społeczeństwie są wskaźnikiem zaawansowania procesu starzenia. Związek pomiędzy tempem metabolizmu a intensywnością wytwarzania reaktywnych form tlenu może tłumaczyć pewne intrygujące prawidłowości biologiczne stwierdzone już na początku naszego wieku. Jeśli pomnożyć ilość energii wytwarzanej przez różne zwierzęta w przeliczeniu na każdy gram masy ciała przez długość życia zwierzęcia, otrzymamy wielkość, która jest nazywana potencjałem metabolicznym. Okazuje się, że wartości potencjału metabolicznego obliczone dla tak różnych ssaków jak koń, krowa, kot, pies i świnka morska są bardzo zbliżone (około 840 kJ/g). Raymond Pearl podsumował w 1928 roku tę prawidłowość w postaci tzw. teorii "tempa życia" - długość życia zwierząt jest określona przez szybkość wytwarzania (czy też zużywania) energii przez zwierzę. Współczesne wytłumaczenie tej prawidłowości zakłada, że im wyższe tempo metabolizmu, tym szybciej powstają reaktywne formy tlenu, a więc i powodowane przez nie uszkodzenia.