Биологические основы старения и долголетия

Взаимодействие между этими комплементарными парами оснований определяется гораздо более слабыми связями, чем те ковалентные, которые объединяют отдельные звенья каждой полимерной цепи. Это существенное свойство ДНК, так как позволяет ей изменять характер взаимного расположения ее цепей (ее конформацию, вторичную структуру) без разрушения самих цепей (первичной структуры ДНК — хранилища генетической информации). Ведь чтобы произошло удвоение генетического вещества (редупликация ДНК) в материнской клетке, делящейся на 2, каждая из двух цепей должна стать матрицей, на которой синтезируется комплементарная ей цепь. (Отсюда и второе название процесса синтеза ДНК — репликация.) Очевидно, что это может осуществляться лишь в том случае, если в месте редупликации материнской ДНК, ее комплементарные цепи разойдутся.

Таким образом, каждый ген — своего рода молекулярная лестница, перекладинами которой служат пары нуклеотидов АТ и ГЦ. Остов же этой лестницы составляют остатки молекулы дезоксирибозы и фосфорной кислоты, причем нуклеотиды присоединены к остову посредством ковалентной связи между азотами колец А, Т, Г или Ц и определенным атомом дезоксирибозы. Эта связь называется гликозильной (старое название, нередко еще встречающееся даже в специальных работах, — гликозидная связь). Запомнить название этой связи нужно обязательно хотя бы потому, что именно эта связь оказывается слабым местом в первичной структуре ДНК, и поэтому разрыв ее может быть одной из молекулярных основ старения всего организма и увеличения его предрасположенности к некоторым тяжелым заболеваниям.

ДНК организована не только в форме лестницы, эта лестница еще и завита в правую спираль. Такова структура знаменитой двойной спирали, открытой Уотсоном и Криком в 1953 году. Считается общепринятым, что в живой клетке ДНК, как правило, находится именно в такой (канонической) конформации.

Структура двойной спирали ДНК, находящейся в В-форме, организована согласно принципу "золотого сечения". Так шаг спирали ДНК равен 33,8 Å, а ее диаметр 21,1 Å, и, следовательно, диаметр составляет приблизительно 0,62 величины шага. Как известно, нахождение "золотого сечения" отрезка длиной "а" сводится к решению уравнения

Таким образом, ДНК построена еще и красиво. Ведь принципы "золотого сечения" легли в основу композиционного построения великих произведений мирового искусства, прежде всего произведений архитектуры античности и Возрождения (термин "золотое сечение" ввел Леонардо да Винчи).

Однако в последние годы было установлено, что определенные участки двойной спирали ДНК могут принимать и другую конформацию, в частности они могут находиться в форме левой спирали. Сначала была доказана потенциальная возможность существования такой неканонической формы ДНК и лишь в последние годы получено доказательство ее существования в клетке. Это свойство ДНК нужно тоже запомнить, чтобы понять нижеприводимые факты о том, что с возрастом отдельные участки ДНК могут изменять свою конформацию.

Кстати, одно из первых доказательств того, что ДНК в клетке (in vivo) может находиться в форме не только правой спирали, но и в левоспиральной конформации, было получено при исследовании ДНК, выделенной из тканей очень старых животных, и при сравнении ее с ДНК, выделенной из тех же тканей молодых животных. Следовательно, для понимания механизмов старения необходимо не только знание структуры ДНК, но и исследование возрастных изменений ДНК — один из подходов для обнаружения новых свойств ДНК.

Хранение и передача генетической информации в ряду поколений организмов осуществляются половыми клетками, в которых содержание ДНК и хромосом в 2 раза меньше, чем в остальных (соматических) клетках организма. После оплодотворения генетические структуры мужской и женской половых клеток интегрируются, и вслед за этим начинается процесс деления и дифференцировки образующихся клеток.

Так как процессу деления клеток предшествуют удвоение содержания ДНК (ее дупликация) и строго равномерное распределение по дочерним клеткам, то обычно полагают, что все клетки содержат одну и ту же генетическую информацию. Реализуется же эта информация в различных клетках отнюдь не одинаково. Под реализацией генетической информации понимают синтез на ДНК, как на матрице (этот процесс называют транскрипцией), другой нуклеиновой кислоты — рибунуклеиновой (РНК). Специальные молекулы РНК — информационные — определяют, какие белки синтезируются в клетке, а от последних в конечном счете зависит характер ее жизнедеятельности. Следовательно, структура и функция клетки (ее фенотип) зависят от того, какие ее гены активны, а какие нет.

Многовековой и нередко драматический опыт эмпирического поиска средств преодоления старения позволяет утверждать, что вероятность "случайного" открытия таких средств очень мала. Для того чтобы это сделать, необходимо знать, как стареет организм человека, каковы биологические основы этою явления.

Именно поэтому около 60 лет назад наш замечательный соотечественник И. И. Мечников, а затем президент Украинской академии наук А. А. Богомолец ратовали за развитие новой науки — биологии старения. Они исходили из того, что биофизические, биохимические, генетические и основные физиологические процессы, протекающие в организме человека, не отличаются существенно от процессов, происходящих в организме эволюционно близких нам видов животных — млекопитающих. Следовательно, причины замедления и нарушения этих процессов в старости у животных и человека также должны быть в основном аналогичны.

Можно привести много примеров, подтверждающих сформулированное заключение. Я не делаю этого по той простой причине, что в дальнейшем разговор как раз и будет идти о физиологических, клеточных и молекулярных изменениях, которые лежат в основе старения организма и человека, и других видов млекопитающих.

Но каждый из этих организмов обладает различной и вполне определенной продолжительностью жизни. Ее величина столь определенна, что служит характеристикой вида и даже генетической линии животных. И значительное увеличение продолжительности жизни человека, достигнутое за последние десятилетия, пока связано лишь с тем, что все большее число людей достигает "видового предела".

Приблизиться к пониманию того, чем же ограничивается видовая продолжительность жизни человека, мы можем, ответив на вопрос: почему видовая продолжительность жизни человека значительно превышает продолжительность жизни мыши, крысы, собаки и многих других млекопитающих? В самой общей форме ответ на этот вопрос состоит в том, что эти организмы стареют с различной скоростью. Следовательно, средства борьбы со старением человека и средства резкого увеличения его продолжительности жизни, увеличения периода молодости и зрелости можно искать, экспериментируя на животных. Таким образом, проблема старения с точки зрения биологии является проблемой разрешимой.

Теперь мы попытаемся понять глубже связь между пределом продолжительности жизни и старением. Для этого полезно вспомнить закономерность распада радиоактивных ядер.

Продолжительность жизни радиоактивных ядер, как мы знаем, тоже ограничена. Так, если в определенное время где-то было 1 г радия, то через 1627 лет его останется 0,5 г, еще через 1627 лет — 0,25 г и т. д. Это значит, что, хотя каждое ядро в принципе является нестабильным, эта нестабильность, вероятность распада каждого оставшегося ядра остаются неизменными. И хотя мы не знаем, какое ядро распадается в данный момент, а какое нет, известно: в случае достаточно большого числа радиоактивных ядер за определенный промежуток времени количество нераспавшихся ядер уменьшается в определенное число раз. Иначе говоря, скорость их распада является величиной постоянной.