Энергетические механизмы старения клетки - упрощенная версия

 

Полную версию статьи можно посмотреть здесь.

В данной версии уменьшена «детализация» объяснения ряда процессов, и убраны некоторые второстепенные факторы.

---

 

Все органы и ткани человека состоят из клеток. Под тканью понимается совокупность клеток определенного типа. «Запчасти» организма (внутренние органы, сосуды, кожа и др.), как правило, состоят из нескольких слоев разных тканей.

И если какой-то орган, сосуды и пр. описываются как больные или здоровые, это значит, что клетки отдельных составляющих этого органа или же все его клетки являются «больными» или «здоровыми». Это выражается в изменении определенных внутренних характеристик.

1. Производство энергии в клетке

1.1. Роль АТФ

Главной «энергетической разменной монетой» клетки является молекула АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты). Именно молекулы АТФ, а не исходный доставленный в клетку питательный материал (глюкоза, жиры) используется во всех внутриклеточных процессах как источник энергии.

АТФ «собирается» в специальной «энергостанциях клетки» - митохондриях из расщепления основных пищевых ресурсов (получаемых из углеводов, жиров и белков) при участии кислорода. Далее АТФ свободно «отплывает» от митохондрии.

Млекопитающие нашей планеты могут восстанавливать АТФ только в митохондриях, «сжигая» ресурсы при помощи кислорода. Идеи жизни человека без пищи и/или кислорода не могут быть реализованы в принципе.

Чем выше активность клетки, тем больше нужно АТФ. По мере повышения «требований к активности», а значит, к производству энергии на обеспечение этой активности, все митохондрии клетки начинают работать все более интенсивно. Конечно, важную роль играет количество имеющихся в клетке митохондрий. Поэтому, чем более энергоемкая работа требуется от клетки, тем больше в ней митохондрий – наибольше их количество содержится в клетках печени и сперматозоидах.

1.2. Потребность клеток в энергии

Энергия используется в клетке для:

- поддержания жизнедеятельности клетки

- обеспечения специальных клеточных функций.

Специальные функции – это задачи каждой клетки – нервной – проведение импульса, мышечной – сокращаться, эндокринной – производить нужный гормон и т.д. На все это нужна энергия. Но очень интересным оказывается рассмотрение вопроса, сколько энергии нужно для поддержания самого факта существования клетки, без учета ее «полезной» работы.

Итак, на что же тратиться большая часть энергии организма?

Низкое КПД организма.

Больее 75% энергии, потребляемой из пищевых ресурсов, рассеивается в виде тепла.

Поддержание мембранного потенциала.

Для своей жизнедеятельности клетка имеет разницу потенциалов на внутренней и внешней сторонах мембраны. Падение потенциала на клеточной мембране составляет фантастическую для живой ткани величину – около 100.000 В/см. Это обеспечивается разницей состава ионов (простых полярно заряженных молекул) внутри и снаружи клетки.

Работу по перемещению ионов осуществляют «ионные насосы».  Значительная часть этой статьи расходов приходится на нервную ткань. Для поддержания нервных элементов в состоянии готовности к работе требуется от 50% всей потребляемой ими энергии.

Обновление клеток и восстановление их структур.

Многие «системы» в клетке работаю по принципу «постоянной стройки». Так, значительная часть структуры клетки поддерживается микротрубочками, по которым «двигаются» молекулы. Так вот, эти трубочки постоянно «разваливаются» с одного конца и постоянно обновляются. Есть и другие примеры.

Многие клетки организма обновляются менее чем за 10 дней, клетки печени – 20 дней. Это очень большая частота обновления. Создание новых клеток требует интенсивной химической работы по синтезу молекул белка и нуклеиновых кислот, митохондрий, и т.д. В нормальной клетке постоянно происходят разрушительные процессы. И очень большая часть энергии организма уходит на восстановление клеточных структур после их «нормальных» повреждений. И чем выше повреждения, тем больше нужно энергии. Химическая работа по синтезу и обновлению белков, липидов и полисахаридов составляет около 90% химической работы клетки при ее относительном покое.

Каковы же основные механизмы клеточного повреждения?

 

2. Роль свободнорадикального окисления в повреждении клетки

2.1. Образование свободных радикалов

Все слышали, что в нарушении работы клетки существенную роль играют свободные радикалы (СР). Свободными радикалами называют атомы кислорода или молекулы с его содержанием, имеющие неспаренный электрон, который делает их чрезвычайно реакциоспособными. Т.к. СР возникают в процессе реакций с участием кислорода, их также же называют активными формами кислорода (АФК).

Основными потребителями кислорода в организме являются процессы митохондриального окисления (85-95%).

Основной объем СР в организме производиться митохондриями в процессе производства ими энергии. Около 98% кислорода, потребляемого митохондриями при дыхании, превращается в воду и СО₂ в результате его полного восстановления. Около 2% дают агрессивные побочные продукты – АФК.

Митохондрия сама же и принимает «первый удар» образованных ею  АФК. Структурно-функциональные нарушения митохондриальных мембран приводят к еще большему нарушению их работы и свободные радикалы «выскакивают» чаще. Т.е. – чем выше уровень СР в митохондрии, тем сложнее с ним справиться, т.к. нарушения идут по нарастающей.

Именно окислительное повреждение митохондрий, признается одним из основных факторов старения и сопро­вождающих его дегенеративных болезней. Таких как рак, сер­дечно-сосудистые заболевания, болезни иммунной системы, дисфункции ЦНС, катаракта и ряд других. По мнению сторонников СРТС (свободнорадикальной теории старения), митохондрии являются молекулярными «часами» старения. В частности, именно митохондрии по существу отвечают за дефицит воды, который проявляется с возрастом в некото­рых тканях (печень, сердце).

Факторы, способствующие усилению генерации СР:

- Химические: прооксиданты, липофильные ксенобиотики, канцерогены, тяжелые металлы, пыль. Перекиси липидов – это достаточно устойчивые молекулы при физиологических температурах, но переходные металлы и комплексы металлов катализируют их расщепление. Такими металлами являются в основном железо и медь. При определенных условиях, стимулированное солями железа перекисное окисление, могут ускорять ионы кальция, алюминия и свинца.

- Гипероксия и гипоксия (избыток и недостаток кислорода);

- Физические: ионизирующее излучение, ультрафиолет, электромагнитное излучение, магнитные поля, СВЧ;

- Гипотермия и гипертермия (переохлаждение и перегрев);

- Психоэмоциональный стресс;

- Чрезмерные физические нагрузки;

- Бактериальные и вирусные инфекции;

- Неинфекционные заболевания, вызывающие ПОЛ (перекисное окисление липидов);

- Нарушение питания, гипокинезия (недостаток движения), алкоголь, курение.

- Лечение лекарствами, вызывающими ПОЛ;

- Неблагоприятные экологические и климато-географические условия.

- Низкий уровень pH (высокая кислотность).

2.2. Накопление продуктов повреждений клетки.

С возрастом в органах и тканях человека и животных накапливаются продукты окислительного повреждения субклеточных компонентов — ДНК, липидов, белков и других. В результате чего об­разуются «сшивки» этих продуктов с белками, фосфолипидами и нуклеиновыми кислотами. Продукты этих реакций могут по размеру в несколько раз превосходить исходные биомолекулы.

 

3. Противодействие свободнорадикальному окислению

Согласно некоторым оценкам, при абсолютной надежности антиокислительной системы организма продолжительность жизни человека могла бы достичь 250 лет. И развитие, и поддержание систем свободнорадикальной защиты – одна из главных задач программы здравоохранения и долголетия.

Антиоксидантная система (АОС) состоит из ферментативных  и неферментативных компонентов. С долей приближения можно сказать, что ферментативные производятся самой клеткой из «обычных» ресурсов, а многие неферментативные должны поступать с питание в «оригинальном» виде.

3.1. Ферментативные компоненты антиоксидантной защиты.

Наибольшее значение для предотвращения окислительного стресса  и борьбы с ним представляют эндогенные биооксиданты, т.е. синтезирующиеся в организме и эволюционно выработанные. А уже во вторую очередь биооксиданты, принимаемые с пищей.

Т.к. основной процент генераций АФК происходит при митохондриальном окислении, значительная часть ферментов антиоксидантной системы (АОС) располагается в митохондриях.

Их способность защищать клетку от АФК зависит от уровня нагрузки на митохондрии. Чем выше нагрузка – тем хуже справляются компоненты АОС. Митохондриальная ДНК в наибольшей степе­ни подвергается атаке свободными радикалами, а их ДНК особенно чувствительна к окислению. Структурно-функциональные нарушения митохондриальных мембран и снижение вязкости мембранных липидов приводит к еще большему нарушению их работы и свободные радикалы «выскакивают» чаще. Поэтому митохондрии имеют достаточно мощную систему свободнорадикальной защиты, которая в норме «ловит» возникающие свободные радикалы и «обезвреживает». Но эта система защиты может справиться только с неким «нормальным» уровнем СР, но не с избыточным. Уровень произведения свободных радикалов увеличивается по мере увеличения интенсивности работы митохондрий, т.е. требования клетки к произведению энергии.

И тут мы подошли к одному из главных достижений физиологии в вопросе противодействия старению:

Доказано, что при увеличении количества митохондрий, падает рабочая нагрузка на каждую митохондрию и возрастает общая масса ферментов АОС в клетке. Значительно уменьшаются шансы «перегрузки» митохондрий и выхода уровня АФК за допустимый порог.

3.2. Неферментативные компоненты антиоксидантной защиты.

Вот основные антиоксиданты, и нужные для их составления вещества, которые рекомендуется регулярно потреблять с пищей:

Цинк, селен, метионин. Селен, необходим для эффективной деятельности ГПО, и для нормального всасывания витамина Е и задержки его в плазме.

Убихинон (существует препарат «коэнзим Q10»).

Витамин А (бета-картоин) – способствует правильному созреванию клеток эпителия, особенно ЖКТ и легких. Стимулирует иммунитет, обладает противоопухолевым эффектом в отношении вирусного, химического и радиационного канцерогенеза.

Витамин Е – предохраняет клетки от повреждающего эффекта распада жиров. Противодействует повреждению мембран и ДНК.

Витамин С – такие же действия, а так же противострессорное, уменьшает образование в желудке нитрозаминов (химических канцерогенов) из консервантов - белков и азотисты солей.

Витамины К и группы и Р (флавоноиды).

 

О состоянии АОС в общем можно судить по специальным анализам на активность  супероксиддисмутазы (СОД), глутатионпероксидазы (ГПО) и каталазы в крови; и анализам на содержание В-каротина, токоферола, глутатиона и мочевой кислоты в сыворотке крови.

 

4. Влияние интенсивности микродвижений на долголетие

В 1999г. вышла книга профессора Института Вычислительной Математики Российской Академии Наук И.Б. Погожева. «Беседы о подобии процессов в живых организмах…» (см. книгу здесь). Книга суммирует результаты многолетних исследований в области математического моделирования иммунофизиологических процессов. Эти исследования были начаты в 1974г. специально созданным для этой цели коллективом математиков и физиологов и продолжаются в настоящее время. Идеей работы стало понятие Параметра Подобия, который «характеризует относительную интенсивность микродвижений частиц в исследуемом организме по сравнению с базовым».

Для взаимодействия частиц друг с другом, а также с клетками органов и тканей организма необходим тесный контакт активных зон или групп рецепторов, расположенных на поверхностях частиц и клеток. Это достигается благодаря микродвижениям взаимодействующих частиц в межклеточном пространстве живого организма из-за сердечных пульсаций, дыхательных движений грудной клетки и других мышечных сокращений, а так же уровнем активности клеток.

Физиологи и врачи, исследующие экспериментально микроциркуляцию жидкостей в организме обнаружили сильную отрицательную статистическую связь между скоростью капиллярного кровотока, вязкостью крови, содержанием в ней В-липопротеидов, холестерина и др. Показано, что при повышении интенсивности микроциркуляции закономерно снижается вязкость крови, а также уменьшаются содержания в крови холестерина и В-липопротеидов. Следовательно, скорость капиллярного кровотока и интенсивность микроциркуляции связаны с метаболизмом.

По исследованиям, достаточная интенсивность микроциркуляции, а значит, общего  метаболизма - это важнейший «универсальный» показатель долголетия, затрагивающий все системы. У полностью здоровых людей микроциркуляция хороша, при проблемах со здоровьем и по мере «фактического» старения она заметно понижается.

Особенно важно отметить связанное с ухудшением микроциркуляции ухудшение работы иммунитета, т.к. для его работы очень важен «тесный контакт активных зон» иммунной клетки и антигена.

Исходя из статистических и аналитических данных, сведенных И.Б. Погожевым, получается, что:

Если H-параметр уменьшится на 1%, то уровень глюкозы в крови должен повыситься на 0,5%, а смертность от рака и сердечно-сосудистых заболеваний увеличится на целых 15%!

 

На интенсивность микродвижений влияют:

1.   Величина потребления кислорода.

Удельная интенсивность метаболизма, которую измеряют обычно по скорости поглощения кислорода единицей массы тела в состоянии физиологического покоя, должна определять «размах», или амплитуду колебаний жидкости в межклеточном пространстве, так как чем выше скорость потребления кислорода, тем сильнее должны биться сердце и дышать легкие.

2.   Количество митохондрий

Интенсивность микродвижений связана с плотностью митохондрий в клетках сравниваемых организмов. Это поистине фундаментальное достижение научных исследований. Количество митохондрий не только предохраняет клетки от нарушений во время повышенной активности, но и свидетельствует об общей «достаточной» активности организма, выраженной в системе микроциркуляции.

Плотность митохондрий в клетках организма соответствует средней интенсивности процессов метаболизма. Там, где интенсивность метаболизма высока, их больше, а где низка  - меньше. Так, например, в клетке печени может быть до 2500 митохондрий, в клетке почки  около 300, у сперматозоида  2025, а у зрелых эритроцитов их нет вовсе.

Что интересно, митохондрии яйцеклетки делятся самостоятельно, и молекулы ДНК митохондрий отца в этом процессе не участвуют.

3.   Удельная жизненная емкость легких.

Удельная жизненная емкость легких и плотность митохондрий изменяются пропорционально так же, как и эффективные объемы взаимодействий. Митохондрии в клетках снабжаются кислородом, который доставляют организму легкие.

4.   Продолжительность сердечного цикла.

И у мыши, и у человека, и у слона происходит примерно одинаковое число сердечных сокращений (около 4,5) за каждый дыхательный цикл. Поэтому сердечный цикл можно рассматривать как естественный масштаб времени для разных физиологических процессов, или как «физиологическое время».

5.   Состояние гладкомышечной мускулатуры, в т.ч. лимфатической.

Когда мы находимся в состоянии физиологического покоя, то движение лимфы, помимо сердечных пульсаций и дыхательных движений, поддерживают, например, перистальтика кишечника, а также сокращения гладкомышечных клеток в лимфатических сосудах и узлах. Потому участки лимфатических сосудов и узлов, имеющие такие гладкомышечные клетки, являются как бы микролимфатическими сердцами.

6.   Гормональный фон.

Гормональный фон управляет интенсивностью всех процессов метаболизма. Он же определяет активность, внутреннюю структуру, а также плотность митохондрий в клетках организма. Стабильно низкие показатели уровня гормонов надпочечников, щитовидной железы, гормона роста (СТГ) и стабильно высокий уровень инсулина будет говорить об общем понижении метаболизма.

7.   Метаболический фон

Важной является статистически достоверная обратно пропорциональная связь интенсивности микроциркуляции с такими базовыми показателями метаболизма, как уровень в крови глюкозы, холестерина, жирных кислот, а также с уровнем антител. Все эти факторы (кроме антител)  повышают вязкость и уменьшают активность многих взаимодействий между частицами крови и клетками тканей.

Так же стабильно повышенный метаболический фон меняют чувствительность регуляторных систем организма к метаболическим показателям, и такой повышенный уровень принимается за «норму» и фиксируется. Поэтому, чем дальше заходит ожирение, тем труднее от него избавиться.

8.   Электромагнитные факторы.

Электромагнитные поля, потоки заряженных частиц, концентрация в воздухе положительных и отрицательных ионов, а также кислотность воды влияют на величину электрического потенциала митохондрий. А значит, и на их число, на интенсивность синтеза ими АТФ, и на интенсивность всех процессов в организме. Подробнее этот вопрос будет рассмотрен в отдельной  статье.

 

5. Уровень клеточной активности

В индотибетской медицине существует разделение активности организма и всех болезней на преобладание «Жара» и «Холода». С точки зрения современной медицины это соотноситься с избыточном или недостаточной активностью систем организма и групп клеток.

5.1. Недостаточная клеточная активность.

При недостаточной стимуляции работы тканей определенного органа или участка тела в результате уменьшения запросов на клеточную активность в ней уменьшается синтез ферментов, потребление кислорода и питательных веществ. Значительная часть окружающих орган или участок ткани капилляров начинает закрываться.

При недостаточной активности всего организма падает запрос на потребление кислорода, снижается интенсивность микроциркуляции. Повышается риск увеличения уровня  холестерина, сахара и жирных кислот в крови.

Наиболее распространенные факторы повышения «холода» - это повышенная вязкость крови, в т.ч. из-за уровня сахара и холестерина в крови, общая пониженная теплопродукция (холодные конечности) и наличие пониженного пульса и/или давления. Так, пульс 65 и ниже, а давление 110/70 и ниже в большинстве случаев говорят о понижении микроциркуляции в организме, если только это не явилось следствием регулярной практики  достаточно интенсивной тренировочной нагрузки (в т.ч. гипоксической). В последнем случае понижение пульса у некоторых людей до 60 является нормальной реакцией на очень хорошее поглощение кислорода клетками.

Подробнее о проблемах «жара» и «холода» см. в разделе «Аюрведические конституции».

5.2. Избыточная клеточная активность и недостаток ресурсов

Повышенная активность клеток происходи в результате общего стресса организма, в т.ч. тренировочного, при борьбе с болезнью, при выводе вредных соединений и т.п. Значительную роль в избыточной активности организма играет повышенный уровень стрессовых гормонов в крови (адреналин, кортизол, гормоны щитовидной железы и др.).

Повышенная активность требует от митохондрий клетки повышенного производства энергии. Важным моментом является то, что при этом происходит повышенная генерация свободных радикалов и нужна еще дополнительная энергия на восстановление клетки после повреждений. А значит, митохондрии работают еще активнее, и СР появляется еще больше – и так по замкнутому кругу.

Таким образом, крайне важно обеспечить клеткам кислород и нужные питательные вещества. Особенно важны строительные аминокислоты и антиоксиданты. И вспомним одну из ключевых идей данной статьи – чем больше митохондрий, тем легче клетка справляется с избыточной активностью и тем меньше производиться СР.

5.3. Должный уровень клеточной активности и обеспечение ресурсами.

Исходя из вышесказанного приходим к следующим заключению:

Каждая клетка организма должна хорошо обеспечиваться кислородом, питательными веществами, строительными материалами (аминокислоты, фосфолипиды и пр.) и антиоксидантами. Длительное голодание будет в большинстве случаев негативно.

Следует максимальное огранить клетку от повреждающего воздействия (если это не предусмотрено «позитивной» тренировкой). В первую очередь это обеспечивается хорошей работой иммунной системы. В случае инфекционного заболевания постараться вылечиться максимально быстро, чтобы минимизировать уровень нарушений в организме. Т.е., если нужен домашний или больничный режим и прием препаратов – обеспечить, а не затягивать болезнь надолго. Чем дольше длиться болезнь, тем больше нарушений усевает произойти в клетках тех или иных органов. Так же нужно следить за отсутствием избытка производимых организмом разрушительно действующих на ткани соединений – например, постоянно повышенного уровня соляной кислоты в желудке.

Каждая клетка должна регулярно иметь достаточный уровень активности, чтобы не «деградировать», но и не должна долго «перерабатывать».

Каждая клетка нуждается тренировке ряда систем, и в первую очередь – количества митохондрий, обеспечивающих ее энергией. Особенно важно это по отношению всех органов, производящих интенсивную работу и интенсивно использующих кислород - это печень, почки, сердце и нервная ткань. Как уже обсуждалось, чем больше митохондрий, тем легче клетке обеспечить повышенный уровень энергии в случае необходимости. Само по себе увеличенное  количество митохондрий не требует от клетки активности в спокойном состоянии органа. Они нормально функционируют и при малой активности.

Тренировка избыточно нагружает клетку, однако это должно происходить очень ограниченное время, с благоприятными условиями для восстановления. Подробнее об адекватной тренировке клеток организма см. в статье «Стрессовая адаптация» (статья сейчас в работе).

Работа клетки зависит от должного уровня многих соединений в крови. Это гормоны, ионный состав, питательные ресурсы, белки-переносчики и т.п.