Рис. 13. Влияние адреналина на активность аденилатциклазы в миокарде старых (1) и взрослых (2) крыс

Существует закономерная последовательность событий в клетке — сперва она возбуждается, а возникшее возбуждение вызывает специфическую функцию. Долгое время не был ясен механизм этой связи. Сейчас для мышечных клеток он открыт и получил название электромеханического сопряжения. Связь между электрическими (возбуждение) и механическими (сокращение) явлениями достигается при участии ионов кальция (рис. 14). Кальций при возбуждении проникает внутрь клетки и, кроме того, высвобождается из клеточных депо ионов кальция — саркоплазматического ретикулума. В результате резко возрастает концентрация кальция внутри клетки, и это через систему сократительных белков ведет к сокращению мышечной клетки. Вслед за сокращением благодаря активным, энергозависимым механизмам кальций вновь захватывается, связывается саркоплазматическим ретикулумом. Концентрация его внутри клетки падает, и это приводит к расслаблению. При старении страдает механизм электромеханического сопряжения — снижается способность саркоплазматического ретикулума связывать и освобождать кальций, меняется работа кальциевых каналов. В результате страдают процессы сокращения и расслабления сердца. Кроме того, нарушения возникают и в самих сократительных белках, сказываясь на работе мышечных клеток.

Рис. 14. Нарушение механизмов электромеханического сопряжения в миокардиоцитах

Функция клеток отличается друг от друга. Однако, как показал А. М. Уголев, она осуществляется в разных клетках за счет близких по своему характеру блоков. При старении возникают нарушения в блоках восприятия информации, передачи ее на "рабочие" структуры, в блоках, обеспечивающих специфическую функцию. На рис. 15 схематически представлены данные об изменении мембранных процессов при старении. Все это важно не только теоретически, но и практически. Дело в том, что в современной клинике для лечения ряда заболеваний успешно применяются блокаторы рецепторов, ионных каналов. Они используются при инфаркте миокарда, артериальной гипертонии, ряде заболеваний мозга. Изменение свойств клеток, состояния их мембраны требует пересмотра дозировок лекарственных препаратов, используемых для пожилых людей.

Рис. 15. Изменение структуры и функции клеточной мембраны в старости

Системный анализ — это не просто поиск суммы возрастных изменений, а установление взаимосвязи между ними, осуществляемой по принципу саморегуляции. С возрастом изменяется связь между геномом клетки и состоянием ее мембраны, и это становится важным механизмом старения. При старении изменяется синтез мембранных белков. Н. С. Верхратский показал, что в мембранах клеток печени суммарное обновление белка у старых животных на 35 % меньше, чем у взрослых. За этой общей величиной возрастных изменений синтеза белков скрываются неравномерные сдвиги в образовании различных белковых молекул. Белки мембраны — это расположенные в ней ферменты, ионные каналы, рецепторы. Вот почему изменение их синтеза существенно влияет на функцию клеток. Так, сдвиги в синтезе белков влияют на состояние клеточной мембраны, а ее изменение нарушает деятельность клетки.

В нашей лаборатории был открыт важный общефизиологический механизм связи между активностью генома клетки и состоянием клеточной мембраны. Речь идет о закономерности, объясняющей многие механизмы деятельности клетки. В опытах на различных клетках — нервных, печеночных, миокардиальных, скелетно-мышечных — было показано, что при активации в них генома, биосинтеза белка возникает гиперполяризация клеточной мембраны, т. е. растет величина ее электрического заряда, МП. Рост величины МП отмечался при активации биосинтеза белка различными факторами — гормонами, медиаторами, регенерацией, кровопотерей и др. О связи гиперполяризации с биосинтезом белка свидетельствует то, что введение веществ, препятствующих активации генома, ингибиторов биосинтеза белка (актиномицин, оливомицин, пуромицин и др.), предупреждает развитие гиперполяризации (рис. 16).

Рис. 16. Изменение связи между электрическими свойствами клеточной мембраны и биосинтезом белка в клетке в старости.

_{А — влияние актиномицина-D на развитие гиперполяризации мышечных волокон, вызываемой инсулином, 1 — инсулин; 2 — актиномицин-D; 3 — инсулин + актиномицин-D. К — контроль. Б — рост интенсивности биосинтеза РНК (1) и белка (2) в печени при воздействии гиперполяризации. Белые столбики — взрослые животные, заштрихованные — старые}

Все эти вещества блокируют разные этапы синтеза белка: одни — считывание информации с ДНК, другие — сборку белка в клеточной цитоплазме — в рибосомах. Они были использованы в дозах, которые сами по себе не изменяют электрического заряда клеточной мембраны, однако предупреждали его рост при активации синтеза белка.

Увеличение электрического заряда клеточной мембраны — гиперполяризация — изменяет многие важные свойства клетки: проницаемость многих веществ, включая и аминокислоты, нужные для построения белков: возбудимость клетки, энергетический потенциал клетки и др. Стойкое повышение МП тормозит деление клетки. В клетках старых животных возможная величина гиперполяризации меньше, чем у взрослых, и это сказывается на многих сторонах деятельности клеток. Кроме того, у старых животных меньшие дозы ингибиторов биосинтеза белка подавляют развитие гиперполяризации, т. е. в старости связь эта менее прочная.

Можно предполагать, что развитие гиперполяризации клеток связано с активацией биосинтеза определенного белка, влияющего на состояние ионных каналов. Об этом свидетельствуют результаты наших опытов о возможности перенесения эффекта с одной группы клеток на другие.

Нами было показано, что в клетке существует важный механизм саморегуляции: активация биосинтеза белка вызывает гиперполяризацию клеточной мембраны, а возникшая гиперполяризация по принципу обратной связи подавляет биосинтез белка. Система эта имеет очень важное значение, так как стабилизирует обмен и функцию клеток, не "позволяет" им безгранично делиться, активизировать биосинтез белка.

Мы показали это в следующей постановке опытов. Различными факторами в клетке активировался биосинтез белка, и на этом фоне через специальный электрод повышался заряд клеточной мембраны, т. е. развивалась ее гиперполяризация. Возникшая гиперполяризация сдерживала рост биосинтеза белка. Важно то, что сдерживающее, подавляющее влияние в большей мере выражено у старых животных. Это один из механизмов, ограничивающих систему биосинтеза белка в старости.

Возможны и принципиально другие условия в клетке — гиперполяризация может возникать первично, без предшествующей активации генетического аппарата синтеза белка. В организме это достигается благодаря действию ряда физиологически активных веществ на мембраны, на состояние ее каналов, транспорт ионов. В опытах электрическим током воспроизводили рост величины МП. Различие в двух сериях опытов состояло в том, что в первом случае гиперполяризация вызывалась на фоне высокого синтеза белка; во втором — на фоне его нормального уровня. Во втором случае возникала резкая стимуляция генетического аппарата — росло содержание активного хроматина, синтез РНК и белков (рис. 16). У старых животных это активирующее влияние на все звенья системы синтеза белка выражено слабее, чем у взрослых. Следовательно, в зависимости от исходного состояния клетки гиперполяризация может активировать или подавлять синтез белка.