курсова работа по биофизика
www.helix.hit.bg\biophysics\freeradicals+aging.htm
Съставил : Иван Атанасов Беджов
Курсов ръководител : доц.Галуцов
Обзор на свободната радикална теория на стареене………………….3
Произход на свободните радикали…………………………………………………..4
Действие…………………………………………………………………………………………………..4
Обекти на атака на оксидантите………………………………………………………..5
Предпазване и антиоксиданти…………………………………………………………….6 Окисление и болестно развитие………………………………………………………….7
Карцином (Рак)……………………… ………………………………………………………..7
Кардиоваскуларна Болест……………………………………………………………….8 Диабет……………………………………………………………………………………………….8 Болести на Централната Нервна Система………………………………………………..8 Болест на Алцхаймер……………………………………………………………………….9 Паркинсон………………………………………………………………………………………….9
Оксиданти и ядрени соматични мутации………………………………………..10 Оксиданти и митохондриални соматични мутации………………………10
In vitro стареене (сенесценс) и оксиданти…………………………………….11
Теломерна теория………………………………………………………………………………….12
Резюме……………………………………………………………………………………………………..14 Използвана литература……………………………………………………………………….15
В процеса на стареене, всеки орган, тъкан и клетка се променят по някакъв начин – обикновенно се наблюдава намаление на функционалния капацитет и увеличаване на уязвимостта на възрастовосързани болести . Трябва да се прави разлика между среден житейски диапазон, болести асоциирани с възрастта и стареенето само по себе си. Продължителността на живота зависи от много различни типове на смъртоносни събития, като например, инцидентността на инфекциозни болести и възрастовосвързани болести, които са органно специфични, докато процесът на стареене въздейства на всички системи. Правени са много опити, за да се разбере и задръжи процесът на стареене. Има много разнообразни теории, но не всички са взаимно изключващи се. Една теория преписва състаряването на генетични програми. Наистина, има много генетични програми, които инициират "смърт" в специфични клетки като част от нормалното развитие на тялото, процес известен като смърт на програмираната клетка .
Широко приетата теория днес отстоява това, че непоправено и натрупващо се клетъчно увреждане, причинено от свободни радикали, произведени при нормалното функциониране на метаболизма, е основата на стареенето. Първо предложена от Denham Harman (1956) и малко позната за около 40 години, тази теория е сега цитирана във всеки биологичен и медицински дневник, даже във вестници и списания.
Обзор на свободната радикална теория на стареене
В 1956, Denham Harman допуска, че свободните радикали произведени при аеробното дишане причиняват натрупващи се оксидативни поражения, водещи до стареене и смърт. Той отбеляза връзката между ефектите на стареенето и на йонизиращото лъчение, включително между мутагенезис, рак и общо клетъчно увреждане. По времето , когато бе открито, че при радиолиза на водата се продуцира хидроксилен радикал (.OH), ранните експерименти, използващи парамагнитна резонансна спектроскопия, установиха присъствието на .ОH и в живата материя. Harman построява хипотеза, че вътрешната кислороднорадикална продукция, in vivo, e вторичен продукт на ензимни редокси процеси.Той допуска, че тези ензими ще бъдат включени в дирекното използване на молекулярния кислород, особено тези съдържащи желязо. Също така той построява хипотезата, че следи от желязо и други метали биха катализирали оксидативна реакция в живия организъм и че тaзи пероксидативна верига от реакции e възможнa, по аналогия на принципите на инвитро полимерната химия. Всички тези допускания са потвърдени през изминалите 40 години.
Теорията печели доверие с откриването през 1969г. на ензима супероксид дисмутаза (SOD), който осигури първото неоспоримо доказателство за генерирането на супероксиден анион (O2-.) in vivo , и спомогна за последващото изясняване на сложни антиоксидантни защити. Използването на SOD като инструмент за локализиране на субклетъчни места на генериране на O2- подкрепи теория за свободните радикали, а именно, че митохондриите са главен източник на оксиданти. Геронтолозите имат сведения, че видове с високи метаболични показатели имат по-кратък максимален обхват на житейския потенциал (MLSP),т.е. те остаряват по-бързо. Предложено бе, че употребата на енергия всъщност е отговорна за стареенето, понятие наречено хипотеза "норма на живот". Схващането, че енергийната консумация може да предизвика O2- продукция свърза теорията на свободните радикали и теорията “норма на живота” неоспоримо - по-висок показател на дишане, асоциирано с по-голямо продуциране на кислородни радикали, ускорява стареенето. Сега двете концепции по същество са слети.
Произход на свободните радикали
Има много източници на свободни радикали и от външната и от вътрешната околна среда на клетките. Много се произвеждат при нормалния метаболизъм, особено от електронната транспортна система в митохондриите и от множеството нормално функциониращи ензими (например ксантин оксидаза , цитохром p450 , моноамин оксидаза , азотен оксид синтетаза) . В мозъка, свободните радикали се произвеждат от автоокислението на норепинефрин и допамин. Bruce Ames и неговите колеги, водещи учени в областта, са на мнение, че оксидантите произведени от митохондриите са главния източник на оксидативни повреди , който се натрупва с годините. Радиация и следи от метали, особено олово, живак, желязо и мед, дори и цигареният дим, са също така големи източници на свободно радикалово генериране.Нормално диетите, съдържащи растителни храни с големи количества от известни съчетания като например феноли и даже кофеин, могат да допринесат за екзогенното снабдяване на тялото с оксиданти.
.
Действие
Кислородните радикали или ROS са участват в процесите при много болести, включително нервнодегенеративни болести (АLS, Паркинсон, Алцхаймер), катарактогенезис, атеросклероза, захарен диабет, както и в процеса на стареене сам по себе си. Това създава впечатление, че всички свободни радикали са силно поразяващи. По задълбоченото изучаване на свободните радикали, разкрива диапазон на уникални функции в нормалната физиология и даже в информационната обработка в мозъка. Тъй като свободните радикали могат да отдават електрон на подходящ акцептор (редукция) или да сдвоят единичния си електрон чрез привличане на друг от подходящ донор (окисление) ,те оказват влияние главно върху така нареченото "редокси състояние" в клетките , което е важно за нормалните регулационни реакции. Главните цели на атака са молекулярни комплекси, които лесно се повреждат или придобиват единичен електрон, например, онези със сулфохидрил/дисулфиди или с парамагнитни метали (желязо, мед). На практика всеки тип на молекула - ДНК, протеин, липид, въглехидрат, може да бъде атакувана и така да бъде повредена от високо реактивен радикал. Но е трудно да се измерят силно реактивните видове in vivo, ето защо повечето от доказателствата за тяхната роля е от идентификацията на продукти или от промяната идуцирана от антиоксидантни. Това до голяма степен е косвено доказателство.
Обекти на атака на оксидантите
Трите главни класа биологични макромолекули (липиди, нуклеинови киселини и белтъци) са податливи на радикална атака и има достатъчно доказателства, че всички са подложени на оксидативно увреждане.
Най-ранните изследвания върху разрушаването на биомолекулите от оксиданти включват и липидите. Химиците, занимаващи се с храните установяват, че гранивостта на мазнините е резултат от пероксидна верижна реакция в липидите (автоокисление). Липидният хидропероксилов радикал извлича водородния атом от двойната връзка на съседния ненаситен липид, формирайки ходропероксиден и алкилов радикал, който по-късно се свързва с О2 за да регенерира липиден хидропероксилов радикал, способен да инициира друг кръг на окисление. В основата си вътрешномолекулните реакции дават циклични ендопероксиди и ненеаситени алдехиди, по-късно тези, които са реактивоспособни могат да действат като мутагени или да деактивират ензими, могат и да действат като ендогеннни фиксатори, реагирайки с протеини и нуклеинови киселини като формират хетерогенни кръстосани връзки. Освен това, първоначалният ефект на пероксидната липидна реакция е понижение на течливостта на мембраната, което оказва влияние на свойствата ù и може значително да разруши мембранно свързаните белтъци.
Оксидативното увреждане върху нуклеиновите киселини включва притегляне на бази и захарни групи, начупвания в скелета на единични и двойни вериги, и напречни връзки с други молекули.
Окислението на белтъците не е толкова добре характеризирано, но няколко типа поражения са документирани. Те включват окисление на сулфхидрилови групи, редукция на дисулфиди, реакции с алдехиди, белтък-белтък напречни свързвания и фрагментация на пептиди. Особено интригуващo е откритието, че група ензими притежаващи активни участъци от железно-сулфидни групи са силно чувствителни към инактивация от О2-. Например, ензимът аконитаза от E.coli се инактивира от О2- със скоростна константа 109 М-1s-1. Митохондрийна аконитаза от бозайници се дезактивира in vitro и in vivo, чрез манипулации, които увеличават митохондрийната О2- продукция. Заради това, че аконитазата участва в цикъла на лимонената киселина, очаква се нейното инхибиране да има плейотропен ефект. Освен това, механизма на аконитазното инхибиране показва, че включва и освобождаването на свободното желязо от ензима. Свободните железни атоми каталитично влошават оксидния стрес, ето защо е допуснато, че супероксидната токсичност е функция от способността ù да освобождава белтъчносвързаното желязо.
В контекста на стареенето, особено важен аспект от кислородната токсичност е повишаването ù от някои метали и от увеличаването на О2 парциално налягане. Желязото и медта катализират хомолитичното разкъсване на ROOH (Фентонова реакция), което води до образуване на OH. Това е най-реактивоспособния оксидант, взаймодействащ в дифузионно-ограничени стойности. Каталитичните особености на желязото и медта обясняват защо клетките притежават металносвързващи се белтъци като феритин и трансферин, които намаляват концентрацията на редокс-активните метали. При хората, съдържанието на желязо се увеличава с възрастта (при мъжете през целия живот, а при жените след менопаузата). Предположено е, че това натрупване може да увеличи риска от кислородно увреждане. Също така, кислородния стрес in vivo сe влошава от увеличаването на О2 парциално налягане, дължащо се на по-изразения поток на митохондриален супероксид. Следователно, парциално налягане е относително просто средство, което се използва за тестване на теорията на свободните радикали.
Предпазване и антиоксиданти
При нормални статуси вредните въздействия на ROS са намалени от много клетъчни защитни и корегиращи механизми, включително много ензими (например супероксид дисмутаза, каталаза), и редокс-активни молекули (например, глутатион, тиоредоксин). В допълнение има много профилактични субстанции в храните. Зеленчуците и плодове, в частност, имат широк спектър на профилактични молекули (например витамините C и E). Много изследвания доказват, че диета в която преобладават зеленчуци и плодове понижава риска за някои сериозни възрастово-свързани болести (сериозен извод,че те са също така важни при забавяне на процеса на стареене). Тъй като, зеленчуците и плодовете са най-ефективни и богати на антиоксиданти, изследването е фокусирано върху изразените антиоксиданти в тези храни. Два мощни антиоксиданта, лутеин и ликопен, спадащи към каратеноидите, са обект на изучаване като предпазващи от рак. Обаче, in vivo ефективността на много хранителни съставки (например, полифенол), не е съвсем ясна. Химията на живия организъм е много комплексна и антиоксидантите при необичайни обстоятелства могат да станат про-оксиданти. Това е възможно в случайте, когато желязото или медта не са в техния нормален не-каталитичен статус. Това се среща при някои болести (например, хемахроматозис) . Така че, има съмнения относно чистите преимущества на антиоксидантите. Успехът на прилагането им при забавяне на стареенето или при възрастово-асоциираните болести е все още под разширено изучаване. В този случай е ясно, че предпазването срещу оксидативното увреждане, като имащо отношение към стареенето, се осигурява най-добре от диета с зеленчуци и плодове.
Пълният брой, разгръщащи се защити се различава не само между организмите или тъканите, но дори и между клетъчните компартменти. Например, глутатион пероксидазата играе важна роля при бозайниците, но отсъства при птиците и нематодите. При хората съществуват три форми на SOD, кодирани и регулирани независимо, а някои от тях са високо консервативни . Факта, че антиоксидантните защити не са еднакви, се използва за обяснение на различията на жизнения обхват при отделните видове.
Окисление и болестно развитие
За съжаление, защитната система на тялото става по-малко ефективна с възрастта, което води до натрупване на оксидативно увреждане и развитие на хронични дегенеративни болести като артрит, хипертония, атеросклероза, диабет, карцином и болести на централната нервна система, като инсулт, Алцхаймерова болест и Паркинсонова болест. Изчерпването на антиоксиданти може също така да доведе до разнообразни хронични болести. Връзката между оксидативното увреждане и стареенето е двустранна. От една страна, оксидативно увреждане на ДНК, липиди, протеини и други макромолекули се оказва главен подпомагащ фактор при стареенето, докато в същото време, това оксидативно увреждане се натрупва с възрастта, въпреки опитите на индивидуалния клетъчен апарат да го коригира.
Например кръвните нива на глутатиона, главният клетъчен антиоксидант в тялото, спадат с възрастта. Ниските нива на глутатион са асоциирани с висока инцидентност на болести в по-напреднала възраст. Всъщност, концентрации на глутатион в кръвта могат да се използват не само за предсказване на болестна податливост , но също така като маркер за биологична възраст.
Голямо значение за доказването ролята на свободните радикали при стареенето и свързаните с него болести имат антиоксидантите, които използуват за успешно лечение или предотвратяване тези болести.
Карцином (Рак)
Свободните радикали са включени в две явления - в процеса на стареене и в развитието на рак. Те атакуват нуклеинови киселини и причиняват структурно увреждане на клетъчната ДНК. Тези структурни промени се проявяват като точкови мутации и хромозомни изменения в раково-свързани гени. Следователно, възрастните хора са предразположени към развитието на карцином. За щастие антиоксидани като витами C и E, могат да предотвратят значително увреждането на ДНК и така да намалят способността на оксидантите да индуцират рак.
Ф
иг.1 Адхезивни контакти на клетки - нормална(вдясно) и туморна(вляво).
Кардиоваскуларна Болест
Едно от най-значителните открития в съвременното изследване на кардиоваскуларна болест е по какъв начин активността на свободните радикали допринася за болестта. Тези открития са направени, чрез използване на два различни подхода. Единият подход, използвайки епидемиологични изследвания, показа, че кардиоваскуларната болест е асоциирана с ниски плазматични концентрации на антиоксидантни витамини. Другият подход, използвайки експериментални данни, осигурява доказателството, че свободните радикали окисляват ниско плътностен липопротеин (LDL) — лошата форма на холестерола. Модифицираните LDL молекули тогава лесно се улавят от бели кръвни телца наречени макрофаги (фагоцити) за да формират “клетъчна пяна” и плаки в кардиоваскуларната стена, причинявайки втвърдяване и стесняване на кръвоносните съдове, което влошава кръвния поток и лишава сърцето от кислород и хранителни вещества. Също така, явлението известно като реперфузионно увреждане е причинено от недостатъчно снабдяване с вътреклетъчни антиоксиданти. Реперфузионното увреждане е поражение на клетки, които се появяват успоредно с възстановяването на кръвта и снабдяването с кислород на сърцето след период на исхемия (недостатъчно снабдяване с кръв). Антиоксидантите са способни да предотвратят или намалят силата на този тип тъканно увреждане.
Диабет
Диабетът е мулти-системно заболяване причинено от недостатък в метаболизма на глюкозата . Ненормално високите захарни нива са главната клинична отличителна черта на болестта, която се съпътства обикновено от ускорено настъпване и прогресия на атеросклероза и други болести. Оксидативното увреждане е една от причините за развитието на болестта, както и за многото усложнения. Оксидантите спъват метаболизма на глюкозата в гликолитичната верига и нивото на оксидативно фосфорилиране, посредством това, причинява захарно претоварвне на кръвта. Медицинският термин за високи захарни нива е хиперглицемия. Увеличените нива на кръвна захар водят до автоокисляване на глюкозата и гликозилиране на белтъци, които са замесени в развитието на диабетични усложнения. Следователно не е изненадващо, че употребата на антиоксиданти — особено витамини C и E, и lipoic acid e здравословно за пациенти страдащи от диабет.
Болести на Централната Нервна Система
Оксидативното увреждане се разглежда при мозъчното стреене също, както няколко дегенеративни болести на централната нервна система (CNS). Много механизми са определени и те обясняват причинно-обусловената роля на свободни радикали в нервнодегенеративните болестите. Първо, оксидантите могат да активизират ензим на нервните клетки (poly ADP-ribose synthetase) и да причинят увеличаване на вътреклетъчната концентрация на калциеви йони, което е вредно за невроните. Второ, пренасищането с кислород на мозъчните клетки, следвайки периодът на исхемия, допринася за оксидантната вреда върху централната нервна система. Трето, извесни области на мозъка, например, globus, pallidus и substantia nigra , често съдържат големи количества желязо. Излишъкът от желязо усилва оксидативните реакции и последователното увреждане на невроните. Следователно не е изненадващо. че прилагането на антиоксиданти е успешно използвано за подобряване функционирането на мозъка едновременно при хората, които нормално остаряват, също така при пациенти страдащи от нервнодегенеративни болести, като например, инсулт, Алцхаймер и Паркинсон.
Болест на Алцхаймер
Болестта на Алцхаймер е мозъчна болест на напредналата възраст. Тя може да бъде разпозната по прогресивното изгубване на паметта и други аспекти на познавателно функциониране. Нейните характерни патологични отличителни черти включват вбримчвания на нервни фибри, старчески плаки (които съдържат алуминий, желязо, и калций) и загуба на мозъчни клетки. Оксидативното увреждане се разглежда при болестта на Алцхаймер поради много причини. Първата от тях е, че мозъкът има най-високо ниво на кислородна консумация, в сравнение с който и да било орган, висока концентрация от лесно окисляващи се липиди и относителен недостиг на антиоксидативни ензими (в сравнение с други тъкани).Втората е че, желязото, което играе важна роля в свободното радикално генериране, е установено във високи концентрации в мозъка при болестта на Алцхаймер. Третата - прилагането на антиоксиданти често подобрява действието на паметта при стари хора.
Паркинсон
Същността на Паркинсоновата болест е дегенериринето на част от мозъка наречена substantia nigra — мозъчен дял, който произвежда епинефрин (адреналин) и норепинефрин (норадреналин). Има два механизъма, които са предложени като възможни причини за това невронно уврeждане. Първият е, че увеличената продукция на оксиданти причинява увреждане на тази жизнено важна част от мозъка (substantia nigra) при протичането на желязозависими свободни радикални реакции. При Паркинсон, често съдържанието на желязо в substantia nigra е повишено, докато съдържанието на феритин (желязосвързващия белтък) е ниско и произтичащото от това увеличение на свободни железни йони усилва зависимата от тях липидната пероксидация и уврежда нервните клетки. Вторият механизъм е влошената невронна митохондриална функция , която води до намаляване на енергетичната продукция и негативни промени в метаболизма на нервните клетки.
Има няколко взаимноопорни връзки между този два механизма. Както по-рано бе отбелязано, митохондриите са критична цел за атака от свободни радикали. Също така, увреждането на митохондриите може да причини по-нататъшно увеличение на генерирането на свободни радикали. Друга връзка между двата механизма е глутатиона. Мозъците на пациентите с Паркинсонова болест имат ниски нива на този мощен интра-клетъчен антиоксидант,което води до високи нива на свободно радикална активност. И двата механизма допринасят за увреждането на невроните, чрез изменения в нивата на глутатиона.
Приемането на антиоксидативни витами и лекарства е полезно за пациенти с тази болест, особено витамин E и deprenyl, а N-acetyl cysteine (NAC) подпомага продукцията на глутатион.
Оксиданти и ядрени соматични мутации
Оксидантите два пъти са премахвани от соматичната мутационна теория на стареене, докато се удоволетворят две изисквания за смисъла на оксидантите: 1) оксидантите трябва да обяснят значителна част от мутациите и 2) мутациите трябва да обясняват значителна част от феномена стареене. Вторият критерий е комплексен. Задоволително е да се каже, че до известен смисъл рака е дегенеративна болест на възрастта. Остава да се установи дали свързаните с възрастта дегенеративни промени, които не включват неоплазия, са също резултат от мутации.
Оксиданти и митохондриални соматични мутации
Има причини да се смята, че делециите на мтДНК може би се дължат на оксидативно увреждане. Te се натрупват експоненциално с възрастта при хората. Високата честота на тези изменения в мозъчни проби се свързва с болест на Хънтингтън, Алцхаймер и други дегенеративни болести на старостта. При повечето случаи натрупването на делеции се наблюдава в напреднала възраст и е свързано главно с постмитотични тъкани.
In vitro стареене (сенесценс) и оксиданти
Растежът на нормален диплоиден фибробласт in vitro е ограничен. След специфичен брой размножителни деления (PDs), характерни за вида, тъканта и възрастта на донора, в клетките престава да се извършва репликация, което води до жизненоспособна, неделяща се популация с характерна възрастова морфология.
In vitro senescence е тясно свързан със скъсяването на теломерния участък от ДНК. В човешки соматични клетки средната дължина на теломерната ДНК се скъсява с ~ 50 bp/PD in vitro и ~15 bp/yr in vivo.
Оставяйки настрана въпроса за смисъла на репликативния сенесценс, питаме имали някакви доказателства, че оксидативното поражение го подпомага? Както по-рано в средата на 70-те, тази хипотеза бе изпитана, чрез култивиране на човешки фибробласти при условия на ниско О2 парциално налягане и средата съдържаща антиоксиданта α-токоферол, с малко двусмислени резултати. През 80-те редица изследвания документират увеличената чувствителност на клетки към хипероксиднo излагане, което скъсява продължителността на живота им, in vitro. По-късни изследвания не могат да обяснят тези наблюдения. Също така е установена и влошена способност на клетките да инициират ДНК синтеза след хипербарично кислородно излагане. Неотдавна въпросът е преразгледан и е показано, че кратко излагане на H2O2 индуцира внезапнo, подобнo на сенесценс, задържане на растежа в диплойдни човешки фибробласти. При клетки, с възстановено клетъчното делене, е установено, че имат подчертано по-къс живот. Краткосрочен оксидантен стрес води до продължителна загуба на способността за делене. Инхибирането на пероксидното задържане на растежа от метали показва, че участват ОH радикали получени при Фентоновата реакция. Също така е предположено, че оксидантното увреждане на ДНК и неговото детектиране от checkpoint контролите на клетъчния цикъл може би се отразява във фенотипа. Действително размерите на окислителните уврежданията показват, че по-възрастни индивиди са застрашени повече отколкото по-младите и че прибавянето на антиоксиданта PBN (N-tert-butyl--phenylnitrone) към средата удължава продължителността на живот по начин зависещ от дозата. В тези и други изследвания, е показано, че култури подложени на ниско кислородно излагане са по-дългоживеещи и че инхибирането на каталазата удължава живота на фибробластите, включвайки ендогенния пероксид в репликативния сенесценс.
Липофусцина се натрупва във фибробластите in vitro както и in vivo. Култувирането при умерени хипероксидни условия (40 % O2 парциално налягане) увеличава продължителността на живота и стимулира липофусцинната акумулация. Директното снабдяване с синтетични липофусцинoви частици на фибробластите, които фагоцитират и акумулират материала, симулира сенесценс.
Теломерна теория
Открито е, че клетки умрат, като че ли следват разписание. В експеримент изпълнен през 1961, генетика Leonard Hayflick демонстрира, че фибробластни клетки развиващи се в тъканната култура се делят само известен брой пъти. След около 50 популационни удвоявания, клетъчното делене спира, клетъчният цикъл блокира точно преди репликацията на ДНК. Ако клетъчната проба се вземе след 20-то делене и се замрази, когато се размрази се подновява растежа за още 30 удвоявания и тогава деленето спира.
Обяснение е предложено през 1986 когато Howard Cooke пръв забелязва допълнителна дължина на ДНК в краищата на хромозомите. Тези теломерни региони, около 5,000 нуклеотиди, се състоят се от няколко хиляди повторения на последователността TTAGGG. Cooke открива, че теломерният регион е по същество по-кратък в телесните хромозоми отколкото в зародишни клетки , яйцеклетките и сперматозоидете. Той достига до извода, че в телесните клетки част от теломерната последователност се губи от хромозомата при всеки цикъл на репликация на ДНК.
Клетъчният апарат, който отговаря за репликацията на ДНК на всяка хромозома е позициониран на последните 100 единици на ДНК в крайчеца на хромозома и така не може да копира това парченце. Така всеки път когато клетката се дели хромозомите и стават малко по-къси. В крайна сметка, след около 50 цикъла на репликация, защитната теломерна "шапка" се изразходва и клетъчната линия навлиза във фазата на стареенето и не е способна повече да се размножава.
Как сперматозоидите и яйцеклетките избягват този капан, делейки се непрекъснато за десетилетия? Учените неотдавна откриха, че всички човешки клетки съдържат ензим наречен теломераза, който удължава теломерите. Този ензим е активен в сперматозоидите и яйцеклетките, подържайки техните хромозоми в постоянна дължина. В телестните клетки теломеразният ген е неактивен.
Използвайки методите на генното инженерство, групи от изследователи от Калифорния и Тексас пренесят в човешки клетъчни култури ДНК фрагмент, който активира теломеразния ген. Резултатът е еднозначен. Нови теломерни "шапки" (cap) се добавят към хромозомите и клетките с изкуствено удължени теломери не стареят, продължавайки да се делят в повече от 20 допълнителни поколения.
Тези изследвания несъмнено показват ,че загубата на теломерната ДНК в крайна сметка възпрепятсва способността на човешки клетки да се размножават чрез делене. И все пак всяка човешка клетка притежава копие на теломеразния ген, което ако се експресира би възстановило теломера. Защо нашите клетки приемат да остареят? Отговора, изглежда е, да избегнат карцином. Ограничавайки броя на деленията на клетъчната линия, организма се застрахова, че някоя клетка може да продължи да се дели неконтролируемо. Супресията на теломеразния ген задържа карцинома . Когато учени изучават ракови клетки, те обикновено откриват, че техните теломеразни гени са активизирани и подържат теломерите в пълна дължина. Така скъсяването на теломера е тумореноподтискащ механизъм, един от ключовите защити на тялото срещу карцином.
Стареенето, тогава, е най-малко стратегия да се избегнат генни мутации, които рано или късно водят до карцином. Мощен причинител на такива мутации са свободните радикали. И тъй като свободните радикали са много разрушителни, всяка клетка има многобройни механизми да ги контролира и да ги елиминира . Ако въпреки всичко клетката не успее да ги обезвреди, тя активира втора ключова защита срещу карцином - ген наречен p66, който води до клетъчно самоунищожение, вместо да допусне свободни радикали да увредят ДНК и да причинят рак.
Най-интригуващо е може би разкритието, че 40 % О2 култивиране води до бърза загуба на теломерна ДНК, както и до други цитогенетични изменения характерни за възрастни клетки и постоянна загуба на репликативна способност, напомнящо задържането на растежа с H2O2. Размерът на прекъсванията в единичните вериги на ДНК в теломерните секвенции на такива клетки разкрива увеличение под хипероксиа. Доказано е също така, че поправката на индуцирани от ултравиолетова светлина пиримидинови димери в теломерната ДНК е по-малка при фибробласти от стар донор отколкото от млад.
Продължават да се натрупват доказателства, че стареенето е резултат от високи нива на свобднорадикална активност. Откритието, че радикалите имат отношение към скъсяването на теломерната ДНК свързва теорията на свободните радикали с теломерната теория, което дава по ясна представа за процесите на стареене. Акумулирането на грешки в митохондрийната и ядрената ДНК, увреждането на клетъчни компартменти и макромолекули, причинено от реактивните кислородни видове, води до редица сериозни заболявания. С напредване на възрастта, индивидите стават все по-податливи на радикалното влияние. Ето защо е необходимо тяхното по-задълбочено изследване и използване на методи от различни области на човешкото познание.
Резюме
Широко приетата теория днес отстоява това, че непоправено и натрупващо се клетъчно увреждане, причинено от свободни радикали, произведени при нормалното функциониране на метаболизма, е основата на стареенето. Тя е предложена от Denham Harman през 1956 г.
Има много източници на свободни радикали и от външната и от вътрешната околна среда на клетките. Много се произвеждат при нормалния метаболизъм. Радиация и следи от метали са също така големи източници на свободно радикалово генериране.
На практика всеки тип молекула може да бъде атакувана и така да бъде повредена от високо реактивен радикал. Трудно е, обаче, да се измерят силно реактивните видове in vivo, ето защо повечето от доказателствата за тяхната роля е от идентификацията на продукти или от промяната идуцирана от антиоксидантни.
Вредните въздействия на радикалите са намалени от много клетъчни защитни и корегиращи механизми, включително много ензими и редокс-активни молекули. В допълнение има много профилактични субстанции в храните.
За съжаление, защитната система на тялото става по-малко ефективна с възрастта, което води до натрупване на оксидативно увреждане и развитие на хронични дегенеративни болести като артрит, хипертония, атеросклероза, диабет, карцином и болести на централната нервна система, като Алцхаймерова болест и Паркинсонова болест.
Кръвните нива на глутатиона, главният клетъчен антиоксидант в тялото, спадат с възрастта. Ниските нива на глутатион са асоциирани с висока инцидентност на болести в по-напреднала възраст.
Кратко излагане на H2O2 индуцира внезапнo, подобнo на сенесценс, задържане на растежа в диплойдни човешки фибробласти. Краткосрочен оксидантен стрес води до продължителна загуба на способността за делене. Предполага се, че оксидантното увреждане на ДНК и неговото детектиране от checkpoint контролите на клетъчния цикъл може би се отразява във фенотипа.
Неотдавна е открито, че всички човешки клетки съдържат ензим наречен теломераза, който удължава теломерите. Този ензим е активен в сперматозоидите и яйцеклетките, подържайки техните хромозоми в постоянна дължина. В телесните клетки теломеразният ген е неактивен.
Загубата на теломерната ДНК в крайна сметка възпрепятсва способността на човешки клетки да се размножават чрез делене. Ограничавайки броя на деленията на клетъчната линия, организма се застрахова да не би някоя клетка да продължи да се дели неконтролируемо.Стареенето, тогава, е най-малко стратегия да се избегнат генни мутации, които рано или късно водят до карцином. Мощен причинител на такива мутации са свободните радикали.
Използвана литература
-
“The Free Radical Theory of Aging Matures” by Kenneth B. Beckman and Bruce N. Ames; Physiological Reviews, vol.78, No.2, April 1998
-
www.accessexcellence.org/LC/ST/bgfreerad.html
-
www.rice.edu/~jenky/sports/antiox.html
-
www.ephca.com/frp-ucci.htm
-
www.intelegen.com/nutrients/free_radicals_and_aging_1.htm
-
www.intelegen.com/nutrients/free_radicals_and_aging_2.htm
-
www.lifeplusvitamins.com/antioxidants.htm
-
www.healthy.net/library/books/chaitow/chap8.htm
-
www.ephca.com/frp-ucci.htm
-
www.aeiveos.com/books/0132220350/
Сподели с приятели: |
