Гипотезы, объясняющие механизмы старения. Зависимость проявления старения от генотипа, условий и образа жизни презентация

Старение– многоэтапный процесс, включающий влияние факторов внешней и внутренней среды. Старение- общебиологическая закономерность «увядания» организма, свойственная всем живым существам.
Старость — естественный этап онтогенеза, заканчивающийся смертью. Старость – следствие старения.

Геронтология – наука о старости, изучающая основные закономерности старения на всех уровнях организации от молекулярного до организменного.
Геронтология знает не менее 500 гипотез, объясняющих и первопричину, и механизмы старения организма. Подавляющее большинство их не выдержало проверки временем и представляет чисто исторический интерес.
К ним, в частности, относятся гипотезы, связывающие старение с расходованием особого вещества клеточных ядер, страхом смерти, утратой некоторых невосполняемых веществ, получаемых организмом в момент оплодотворения, самоотравлением продуктами жизнедеятельности, токсичностью продуктов, образуемых под действием микрофлоры толстого кишечника.

o Гиппократ и Аристотель считали, что старение - это результат постепенного расходования «прирожденного тепла» («природного жара»).
o В эпоху средневековья и позже старение объясняли потерей «жизненной силы» («жизненной энергии»), «жизненной раздражимости», «творческой энергии», в сущности, это были те же представления о «природном жаре», но измененные в соответствии с эпохой.
o Рубнер считал, что причина старения - это медленное снижение обменных процессов в протоплазме и поэтому угасание жизненной энергии.
o Бючли - это результат израсходования какого-то неизвестного жизненного фермента.
o Лёб - постепенная утрата определенных химических веществ.
o Парацельс - впервые высказал мысль, что причина старения это интоксикация.
o Мечников - в «Этюдах оптимизма» - причина старения это аутоинтоксикация - есть отравления продуктами жизнедеятельности кишечной микрофлоры.

o Согласно более новым гипотезам - старение является следствием накопления вредных продуктов обмена веществ в клетках. Так, например, лауреат Нобелевской премии Алексис Каррель считал, что все клетки потенциально бессмертны, и что старение и смерть обусловлены изменениями в химическом составе жидкостей организма, которые проявляются вследствие неполного удаления побочных продуктов обмена.
o А. Каррель и Лекомт де Нойи - изучали заживление экспериментальных повреждений кожи в зависимости от возраста. Так, эпителизация стерильной раны в 20 см2 у 10-летнего ребенка длилась 20 дней, а у 60-летнего старика - 100 дней, т.е. в 5 раз дольше. Даже такой авторитет как А.Каррель ошибочно посчитал нарушение регенерации причиной старения.
o Нагорный - старение является результатом нарушения самообновления поврежденных клеток.
o Мюльман - старение происходит из-за пигментной атрофии нервных клеток в результате накопления липофусцина («старческого фермента»), вредного продукта обмена веществ. Но позже было показано, что липофусцин может быть и полезным, нужным для жизнедеятельности клеток. А накопление его обусловлено, скорее всего, ослаблением способности стареющих клеток расходовать его.
o Павлов - причина старения - функциональные нарушения высшей нервной деятельности.
o Броун-Секар (71 г.) - старение как результат первичной инволюции и гормональной недостаточности половых желез. Др. железы, особенно гипофиз тоже играют роль при старении.
o Пархон - старение - это дистрофический процесс, возникающий за счет гормональных нарушений.
o В XX в. вновь стала популярной «космическая теория», но теперь вместо влияния небесных тел и светил (т.е. старение - это воздействие положения планет на человека) стали говорить о вредном влиянии частиц космической пыли, радиации, ионных ветров и др.

Классификация современных гипотез старения
Гипотезы, представляющие научную ценность в наши дни, соответствуют одному из двух главных направлений:
«Стохастические» гипотезы
«Программные» гипотезы

«Стохастические» гипотезы
Некоторые авторы рассматривают старение как стохастический процесс возрастного накопления «ошибок», неизбежно случающихся в ходе обычных процессов жизнедеятельности, а также повреждений биологических механизмов под действием внутренних или внешних факторов. Стохастичность обусловливается случайным характером изменений во времени и локализации в организме.
В различных вариантах гипотез данного направления первостепенная роль отводится разным внутриклеточным структурам, от первичного повреждения которых зависят функциональные расстройства на клеточном, тканевом и органном уровнях. Прежде всего, это генетический аппарат клеток (гипотеза соматических мутаций).

«Программные» гипотезы
Второе направление представлено генетическими или программными гипотезами, согласно которым процесс старения находится под прямым генетическим контролем. Указанный контроль, согласно одним взглядам, осуществляется с помощью специальных генов. По другим взглядам, он связан с наличием специальных генетических программ.
Генетические программы, в том числе и индивидуального развития, являются всегда результатом эволюции, закрепляемым в генофонде вида вследствие естественного отбора.

Основные гипотезы старения
Генно-регуляторная гипотеза
Нейроэндокринные гипотезы
Молекулярно-генетические гипотезы
Гипотеза «старения по ошибке» и катастрофы накопления неисправленных ошибок в ДНК
Теория старения в результате накопления мутаций (или соматическая мутационная теория старения)
Теория «клеточного мусора» Теория антагонистической плейотропии (Williams, 1957)
Теория «старения от поперечных сшивок»
Гипотеза аутоиммунного старения

Генно-регуляторная гипотеза
Согласно этой концепции первичные изменения происходят в регуляторных генах - наиболее активных и наименее защищенных структурах ДНК. Предполагается, что эти гены могут определять темп и последовательность включения и выключения тех генов, от которых зависят возрастные изменения в структуре и функции клеток.
Установлено, что первичные механизмы старения связаны с нарушением генной регуляции. Ее изменения ведут к сдвигу соотношения синтеза разных белков, снижению потенциальных возможностей белоксинтетических систем. Это ограничивает пластическое обеспечение клетки и, в конце концов, ее приспособительных возможностей. Чрезвычайно важно то, что изменение генной регуляции может привести к активации репрессированных, ранее «молчавших» генов.

Нейроэндокринные гипотезы
Нейроэндокринная система человека является основным регулятором его жизненных функций. Поэтому с самого начала в геронтологии активно разрабатывались гипотезы, связывающие ведущие механизмы старения на уровне организма с первичными сдвигами в нейроэндокринной системе, которые могут привести к вторичным изменениям в тканях. При этом, более ранним представлением о первичном значении изменений деятельности той или иной конкретной железы (гипофиза, щитовидной или, особенно половых желез и т.д.) приходят на смену взгляды, согласно которым при старении изменяется функция не одной какой-либо железы, а изменяется вся нейроэндокринная ситуация организма.
Довольно широкую известность получили гипотезы, связывающие старение с первичными изменениями в гипоталамусе.

Молекулярно-генетические гипотезы
Наибольшее внимание обычно привлекают молекулярно-генетические гипотезы, объясняющие процесс старения первичными изменениями генетического аппарата клетки. Большую их часть можно подразделить на два основных варианта. В первом случае возрастные изменения генетического аппарата клеток рассматриваются как наследственно запрограммированные, во втором - как случайные. Таким образом, старение может являться запрограммированным закономерным процессом, логическим следствием роста и созревания, либо результатом накопления случайных ошибок в системе хранения и передачи генетической информации.

Гипотеза «старения по ошибке» и катастрофы накопления неисправленных ошибок в ДНК
Была впервые предложена Л. Оргелем (1963). Она основывается на предположении, что основной причиной старения является накопление с возрастом генетических повреждений в результате мутаций, которые могут быть как случайными (спонтанными), так и вызванными различными повреждающими факторами (ионизирующая радиация, стрессы, ультрафиолетовые лучи, вирусы, накопление в организме побочных продуктов химических реакций и другие). Гены, таким образом, могут просто терять способность правильно регулировать те или иные активности в связи с накоплением повреждений ДНК.
В то же время существует специальная система репарации, обеспечивающая относительную прочность структуры ДНК и надежность в системе передачи наследственной информации. В опытах на нескольких видах животных показана связь между активностью систем репарации ДНК и продолжительностью жизни. Предполагается ее возрастное ослабление при старении. Эта ошибочная репликация ДНК в некоторых поврежденных типах клеток (но не во всех) приводит к накоплению ошибок в синтезе белка и может быть усилена такими факторами, как загрязнение окружающей среды и неправильная диета. Роль репарации отчетливо выступает во многих случаях преждевременного старения и резкого укорочения длительности жизни. Это относится, прежде всего, к наследственным болезням репарации (прогерия, синдром Тернера, некоторые формы болезни Дауна и другие).

Теория старения в результате накопления мутаций (или соматическая мутационная теория старения)
Впервые была выдвинута в 1954 г. физиком Лео Сцилардом, который пришел к этому выводу, наблюдая за действием радиации на людей и животных, сокращавшим их жизнь. Радиация вызывает множественные мутации ДНК, а также ускоряет появление таких признаков старения, как седина или раковые опухоли. Из этого Сцилард сделал вывод, что именно мутации являются причиной старения людей и животных

Теория «клеточного мусора»
Старение происходит с накоплением балластных веществ, образующихся как побочный продукт нормальной клеточной деятельности. К ним относится липофусцин и молекулярные соединения, называемые свободными радикалами.
Бесконтрольные свободные радикалы могут причинить серьезный вред клеточным мембранам, а также молекулам ДНК и РНК. Это обстоятельство делает их определяющим фактором биологического старения. Один из способов борьбы со старением, в котором пошиты свободные радикалы - применение так называемых антиоксидантов.
Еще один путь предотвращения старения, вызванного свободными радикалами - разнообразные диеты.

Теория антагонистической плейотропии (Williams, 1957)
Теория антагонистической плейотропии утверждает, что некоторые гены могут давать преимущества на раннем этапе жизни и служить источниками неприятностей в пожилом возрасте.
Итак, предположим, что в молодые годы проявлялся ген, отвечающий за обильную выработку тестостерона и склонность к набору веса. Это было бы преимуществом для мужской особи, стремящейся добиться доминирования за счет агрессивности и физической силы. Однако в пожилом возрасте такие качества значительно увеличили бы риск возникновения сердечно-сосудистых заболеваний и могли бы привести к неизбежной смерти. Вплоть до совсем недавнего времени оборотная сторона медали не была очевидной.

Теория «старения от поперечных сшивок»
Юхан Бьёркстен предположил, что старение живых организмов обусловлено случайным образованием «сшивания» мостиков между молекулами белков, которые репарирующие ферменты клетки уже не в состоянии разорвать. Продолжая работать над теорией сшивок, Бьёркстен определил, что имеется еще один тип сшивок - в молекулах ДНК. По его мысли между двумя цепочками поперечные сшивки не могут быть разрушены нормальными репарационными системами клетки. Этот неустранимый «мостик» мешает синтезу РНК и ДНК, что, в свою очередь, нарушает процесс образования жизненно необходимых белков, которые должна производить РНК. Кроме того, сшивки препятствуют участию ДНК в процессе деления клетки и таким образом препятствуют возобновлению клеток.
Образование сшивок в белках и ДНК может быть вызвано многими химическими веществами, которые обычно находятся в клетках в виде продуктов процесса обмена, или загрязнителями вроде свинца или компонентов табачного дыма.

Гипотеза аутоиммунного старения
При старении функция иммунной системы снижена, она теряет свою эффективность в выполнении ряда специфических задач. С этим связано повышение восприимчивости организма к ряду заболеваний, особенно к так называемым аутоиммунным болезням. У пожилых людей процент различных аутоантител, вырабатывающихся против собственных белков, значительно повышен. В период от 40 до 80 лет он может увеличиваться в 6-8 раз. Все это ведет к саморазрушению и старению организма, его «иммунологическому разрушению».

Зависимость проявления старения от генотипа:
Представления о величине продолжительности жизни получают, определяя коэффициент наследуемости. Он отражает меру сходства между родственниками по изучаемому признаку.
При отсутствии специальных генов или целой программы, прямо определяющих развитие старческих признаков, процесс старения находится под генетическим контролем путём изменения его скорости.

Называют разные пути такого контроля:
1)Плейотропное действие, свойственное многим генам.
Например, один из плейотропно действующих генов оказывает выраженное положительное влияние на ранних стадиях индивидуального развития, но ряд связанных с ним фенотипических проявлений носит отрицательный характер. Для сохранения полезных свойств гена и ослабления вредных в генотипе появляются и закрепляются отбором гены – модификаторы, ослабляющие неблагоприятное действие в раннем онтогенезе. В пострепродуктивном периоде онтогенеза действие модификаторов, уже не поддерживаемое отбором, снижается. Это даёт возможность неблагоприятным свойствам гена проявить себя, ускоряя старение.

2)Со временем в генотипах соматических клеток, особенно в области регуляторных нуклеотидных последовательностей, накапливаются ошибки ( мутации). Следствием этого является нарастающее с возрастом нарушение работы внутриклеточных механизмов, процессов репликации, репарации, транскрипции ДНК.
3)генетические влияния на скорость старения могут быть связаны с генами предрасположенности к хроническим заболеваниям, таким, как ишемическая болезнь сердца, атеросклероз сосудов головного мозга, гипертония, наследуемым по полигенному типу.

Влияние на процесс старения условий жизни
Условия жизни относятся к категории понятий, отличающихся широтой и некоторой размытостью границ. Если для животных оно включает природно-географические, прежде всего климатические факторы, то в отношении человека необходимо учитывать также и социально экономические факторы.
В исследованиях зависимости скорости старения от условий жизни, проводимых на лабораторных животных, используют следующие признаки:
1)состояние белков соединительной ткани коллагена и эластина;
2)показатели сердечной деятельности и кровообращения;
3)содержание пигмента липофусцина в клетках нервной системы и сердца;
4)показатели произвольной двигательной активности;
5)способность к обучению.

Изучали влияние на скорость старения многих условий жизни: пониженной температуры окружающей среды, изменённого режима двигательной активности, воздействий ионизирующим облучением, повышенного парциального давления кислорода.
В опытах на плодовых мухах установлено, что влияние в атмосфере в 3 раза концентрации кислорода приводит к ускоренному старению.
В другом опыте кроликов с раннего возраста систематически и длительно подвергали повышенным двигательным нагрузкам. В этих условиях у них замедлялся ритм сердечных сокращений, снижалось артериальное давление. Это даёт судить о снижении скорости старения животных.

Влияние социально – экономических условий на длительность жизни может быть оценено путём сравнения названного показателя для одной и той же популяции, но в разные исторические периоды или же путём сопоставления продолжительности жизни в двух популяциях, различающихся по жизненному уровню и сосуществующих в одно и то же историческое время.
Например, в начале ХХ века средняя продолжительность жизни жителей России составляла 32 года, в 1987 г.-64 года у мужчин и 73 года у женщин. В экономически развитых странах средняя продолжительность жизни в целом превышает 70 лет, однако во многих развивающихся странах и в настоящий исторический период она не достигает40 лет.
Испытания атомного и водородного оружия, развитие ядерной энергетики и технологий повышают уровень радиационного фона. Воздействие на живые ткани ионизирующего облучения приводит к образованию в них свободных радикалов, которые повышают риск развития сердечно – сосудистых заболеваний и рака. Нарастание риска этих заболеваний является показателем скорости старения.
Определённые, хотя и ограниченные представления о влиянии условий жизни на процесс старения даёт изучение субпопуляций долгожителей. Долгожительство характеризует определённые этнические группы, проживающие в основном в сельской местности, для которых можно предполагать достаточно высокий уровень брачной изоляции.

Влияние на процесс старения образа жизни:
Осознание учёными зависимости скорости старения от особенностей питания изначально связано с результатами экспериментальной геронтологии. Контролируемая диета представляет собой важнейший фактор здорового долголетия. Пища должна иметь пониженную калорийность с ограничением жирного, сладкого и солёного, но высоким содержанием клетчатки и пектиновых веществ. Основной источник калорий – белки и углеводы растительного происхождения, однако полного исключения продуктов животного происхождения не требуется. При этом пища должна быть разнообразной, содержать достаточное количество витаминов и микроэлементов.

Для любой категории продуктов находятся заболевания, частота которых связана с их преимущественным потреблением. Так, преобладание в диете продуктов в основном животного происхождения (мясо, яйца, масло, молоко) свойственно популяциям с высокой смертностью от ишемической болезни сердца, рака толстого кишечника и молочной железы. Преобладание продуктов растительного происхождения (рис, бобовые, пшеница, овощи, фрукты) характеризует диету популяций с высокой смертностью от туберкулёза органов дыхания, язвенной болезни, цирроза печени, нефрита, рака полости рта, гортани, пищевода, желудка).
Приведённые данные говорят в пользу питания, сбалансированного по основным компонентам.