БИОЛОГИЯ СТАРЕНИЯ

Насколько сильно меняется эпигеном с возрастом в зависимости от внешних факторов, наглядно показали исследования ДНК близнецов, выполненные испанскими учеными, Марио Фрага и его коллегами. Изучая монозиготных (однояйцевых) близнецов, они определили, что близнецы в возрасте трех лет идентичны не только генетически, но и эпигенетически. А вот у 50-летних — по-прежнему одинаковых генетически — людей возникают существенные эпигенетические различия. Причем тем больше, чем внушительнее географическая дистанция между местами их проживания и, следовательно, разница в условиях проживания. Это может говорить о том, что подобные различия возникают не случайно, а зависят от условий, в которых живут люди.

Теперь что представляет собой метилирование ДНК. Это результат процессов, в ходе которых на определённые нуклеотиды в составе ДНК садится или же наоборот удаляется метильная группа. Такая метильная группа может исполнять роль метки-закладки, информирующей белковые комплексы как им себя вести относительно этого участка ДНК. Например, если метильные метки расположены на промоторе (последовательности нуклеотидов ДНК на которую садится РНК-полимераза чтобы начать синтез РНК) гена, то это обычно приводит к ингибированию (репрессии) данного гена. Удаление с промотора метильных групп (деметилирование) приводит к активации (дерепрессии) такого гена.

Метилирование ДНК заключается в присоединении метильной группы к цитозину в составе CpG-динуклеотида в позиции С5 цитозинового кольца. Метилирование в промоторной зоне гена, как правило, приводит к подавлению соответствующего гена. Метилированный цитозин может затем окисляться особыми ферментами, что в конечном итоге приводит к его деметилированию обратно в цитозин.

Отсюда следует вывод, что метилирование ДНК происходит в течение всей жизни, так как метилирование гомеостазный процесс биологической сферы. У человека за процесс метилирования ДНК отвечают три фермента, называемые ДНК-метилтрансферазами 1, 3a и 3b (DNMT1, DNMT3a, DNMT3b), соответственно. Предполагается, что DNMT3a и DNMT3b — это метилтрансферазы de novo, которые осуществляют формирование модели метилирования ДНК на ранних стадиях развития, а также её изменения в процессе дифференцировки клеток. Существует гипотеза о том, что метилирование ДНК de novo вызывается, в частности, интерферирующими РНК при помощи РНК-зависимого метилирования ДНК — процесса, возникшего в ходе эволюции с целью репрессии мобильных элементов генома. DNMT1 является ДНК-метилтрансферазой, которая поддерживает метилированное состояние ДНК, присоединяя метильные группы к одной из цепей ДНК в точках, где другая, комплементарная ей цепь, метилирована.

Уже известно, что возрастные изменения эпигенома тесно связаны с другими возрастными явлениями, такими как увеличение продукции активных форм кислорода, укорочение теломер и т.д. Активные формы кислорода (АФК) и связанные с ними процессы с легкой руки знаменитого американского биолога Денгама Хармана (и не менее знаменитого российского биолога В.П. Скулачёва) рассматриваются сегодня некоторыми учеными в качестве одного из основных факторов старения. Хотя сами АФК участвуют во многих физиологических процессах (особенно по части иммунной системы), с возрастом может происходить опасноеповышение их уровня. Обладая большой химической активностью, АФК потенциально способны повреждать мембраны клеток, митохондриальную и ядерную ДНК . Они задействованы во многих возрастных процессах и связанных с ними патологиях: атеросклерозе, болезни Альцгеймера и др. Так, к примеру, при сердечно-сосудистых болезнях АФК блокируют производство белков-сиртуинов (в частности, SIRT1), что ведет к цепи отклонений и развитию патологий. При болезни Альцгеймера АФК участвуют в патологических процессах образования амилоида, а также способствуют активации провоспалительных факторов — например, ядерного фактора транскрипции NF-kB.

Если взять наугад любую патологию из длинного списка возрастных болезней (таких, как атеросклероз, болезнь Паркинсона, диабет или ревматоидный артрит), то совершенно точно обнаружится непосредственное участие эпигенома в их развитии. Этот вопрос сегодня хорошо изучен и уже ни у кого не вызывает сомнений. К примеру, у больных атеросклерозом обнаруживается повышенный уровень токсичного для артерий гомоцистеина. И причина этого — сбой в работе сложного биохимического процесса под названием фолатный цикл, который тесно связан с метилированием ДНК и эпигеномом.

Фолатный цикл представляет собой каскад биохимических реакций, в котором задействовано большое количество ферментов. Для нормального протекания фолатного цикла необходимы витамины B9 (фолиевая кислота), В6 и В12. В этом цикле происходит перенос метильных групп, которые присоединяются к гомоцистеину, а избыток гомоцистеина превращается в метионин. Метионин переходит в свою активную форму, S-аденозилметионин (SАМ), который в клетке служит основным донором метильных групп, необходимых для синтеза и метилирования ДНК, РНК, белков и фосфолипидов.

FAH входит в число гидроксилаз аминокислот. Тирозинаминотрансфераза (TAT), 4-гидроксифенилпируватдиоксигеназа (HPD), гомогентизат-1,2-диоксигеназа (HGD), фенилаланин-4-гидроксилаза (PAH), малеилацетоацетат-изомераза (GSTZ1) и другие аминокислотные катаболические гидроксилазы представляют собой пары процесс гидроксилаз также. Подпуть FAH составляет часть деградации L-фенилаланина основной аминокислоты. Для принятого фенилаланина оборот синтеза белка FAH напрямую связан с методологией лечения. Активность фумарилацетоацетат-фумарилгидролазы печени человека определяли с фумарилацетоацетатом в качестве субстрата. Как врожденная ошибка метаболизма, тирозинемия типа I возникает из-за недостаточности ферментативного катаболического пути фумарилацетоацетатгидролазы (FAH). В настоящее время сообщаемые мутации включают молчащие мутации, замены аминокислот в пределах замены одного основания, бессмысленные кодоны и дефекты сплайсинга. Мутации, распространяющиеся по гену FAH, наблюдаются за кластерами аминокислотных остатков, таких как остатки аланина и аспарагиновой кислоты. Наследственная тирозинемия 1 типа - это нарушение обмена веществ с аутосомно-рецессивным типом наследования. Заболевание вызвано дефицитом фумарилацетоацетатгидролазы (FAH), последнего фермента в пути распада тирозина. 15-я хромосо́ма челове́ка — одна из 23 человеческих хромосом. Хромосома содержит более 102 млн пар оснований, что составляет от 3 до 3,5 % всего материала ДНК человеческой клетки. Данные по количеству генов на хромосоме в целом разнятся из-за различных подходов к подсчёту. Вероятно, она содержит от 700 до 900 генов.

Фумарилацетоацетатгидролаза (FAH) представляет собой гомодимер белка, который расщепляет фумарилацетоацетат по его углерод-углеродной связи во время реакции гидролиза. Как критический фермент в метаболизме фенилаланина и тирозина, 4-фумарилацетоацетатгидролаза катализирует заключительную стадию катаболизма 4-фумарилацетоацетата и воды в ацетоацетат, фумарат и H + соответственно. Эти гидролитические реакции необходимы во время метаболизма ароматических аминокислот в организме человека. Более того, FAH не имеет известных гомологов белковой последовательности с другими нуклеотидами или аминокислотами. Активный центр FAH содержит Ca 2+, который связывает субстрат, и функционирует каталитическая триада Glu-His-Water, где имидаксольное кольцо His133 активирует нуклеофильную молекулу воды, чтобы атаковать углерод-углеродную связь фумарилактоацетата, образуя таким образом фумарат и ацетоацетат. Подобно фенилаланин-ассоциированным путям, молекулярная основа реакции имеет решающее значение для метаболизма млекопитающих, о чем свидетельствует наблюдаемая активность печеночного фермента при дефиците FAH во время наследственной тирозинемии типа 1. У людей этот фермент в основном экспрессируется в печени.

Все гены в геноме человека, а также детерминанты их экспрессии организованы в 46 хромосом, расположенных в ядре, плюс митохондриальная хромосома. Каждая хромосома состоит из единственной двойной спирали непрерывной ДНК; т.е. каждая хромосома в ядре — длинная, линейная спиральная двойная молекула ДНК, и ядерный геном состоит, следовательно, из 46 молекул, включающих более чем 6 млрд нуклеотидов. Хромосомы, тем не менее, не просто двойная спираль ДНК. В каждой клетке геном упакован в виде хроматина, в котором ДНК объединена с несколькими классами хромосомных белков. За исключением фазы деления клетки, хроматин распределен по всему ядру и под микроскопом представляется сравнительно гомогенным. Когда клетка приступает к делению, геном конденсируется и появляются видимые под микроскопом хромосомы. Хромосомы, таким образом, видны как дискретные структуры только в ходе деления клеток, хотя они сохраняют свою целостность и между делениями. В хромосоме молекула ДНК существует в виде хроматина, в комплексе с семейством основных хромосомных белков, называемых гистонами, и с разнородной группой негистоновых белков, значительно хуже охарактеризованных, но, как установлено, определяющих соответствующие условия для нормального поведения хромосом и влияющих на экспрессию генов.

Нарушение цикла клетки начинается с изменения функций мембраны, которая под внешними факторами приводит к нарушению АТФазы норма состояния. Также внутренних регуляторных реакций, которые отвечают за полную цепочку ДНК хромосомы. Каждая клетка, их насчитывается порядка 220 видов, имеет регуляторных механизм деления, который отвечает за само строение и процессную функцию.

Белковые молекулы и липиды клеточной мембраны при толщине 75 ангстрем создают активную немного подвижную стенку, которая может сокращаться. Этот факт позволяет клетке при изменении цитоскелета пульсировать её мембране не только при движении, но и при анаэробное дыхании.

Мембраны состоят из липидов трёх классов: фосфолипиды, гликолипиды и холестерол. Фосфолипиды и гликолипиды (липиды с присоединёнными к ним углеводами) состоят из двух длинных гидрофобных углеводородных «хвостов», которые связаны с заряженной гидрофильной «головой». Холестерол придаёт мембране жёсткость, занимая свободное пространство между гидрофобными хвостами липидов и не позволяя им изгибаться. Поэтому мембраны с малым содержанием холестерола более гибкие, а с большим — более жёсткие и хрупкие. Также холестерол служит «стопором», препятствующим перемещению полярных молекул из клетки и в клетку.

Важную часть мембраны составляют белки, пронизывающие её и отвечающие за разнообразные свойства мембран. Их состав и ориентация в разных мембранах различаются. Рядом с белками находятся аннулярные липиды — они более упорядочены, менее подвижны, имеют в составе более насыщенные жирные кислоты и выделяются из мембраны вместе с белком. Без аннулярных липидов белки мембраны не работают.

Клеточные мембраны часто асимметричны, то есть слои отличаются по составу липидов, в наружном содержатся преимущественно фосфатидилинозитол, фосфатидилхолин, сфингомиелины и гликолипиды, во внутреннем — фосфатидилсерин, фосфатидилэтаноламин и фосфатидилинозитол. Переход отдельной молекулы из одного слоя в другой затруднён, но может происходить спонтанно, примерно раз в 6 месяцев или с помощью белков-флиппаз и скрамблазы плазматической мембраны. Если в наружном слое появляется фосфатидилсерин, это является сигналом для макрофагов о необходимости уничтожения клетки.

Клеточные мембраны обладают избирательной проницаемостью: через них медленно диффундируют глюкоза, аминокислоты, жирные кислоты, глицерол и ионы, причем сами мембраны в известной мере активно регулируют этот процесс — одни вещества пропускают, а другие нет. Существует четыре основных механизма для поступления веществ в клетку или вывода их из клетки наружу: диффузия, осмос, активный транспорт и экзо- или эндоцитоз. Два первых процесса носят пассивный характер, то есть не требуют затрат энергии; два последних — активные процессы, связанные с потреблением энергии.

Избирательная проницаемость мембраны при пассивном транспорте обусловлена специальными каналами — интегральными белками. Они пронизывают мембрану насквозь, образовывая своего рода проход. Для элементов K, Na и Cl есть свои каналы. Относительно градиента концентрации молекулы этих элементов движутся в клетку и из неё. При раздражении каналы натриевых ионов раскрываются, и происходит резкое поступление в клетку ионов натрия. При этом происходит дисбаланс мембранного потенциала. После чего мембранный потенциал восстанавливается. Каналы калия всегда открыты, через них в клетку медленно попадают ионы калия.

Функции мембраны:

• Барьерная — обеспечивает регулируемый, избирательный, пассивный и активный обмен веществ с окружающей средой Например, мембрана пероксисом защищает цитоплазму от опасных для клетки пероксидов. Избирательная проницаемость означает, что проницаемость мембраны для различных атомов или молекул зависит от их размеров, электрического заряда и химических свойств. Избирательная проницаемость обеспечивает отделение клетки и клеточных компартментов от окружающей среды и снабжение их необходимыми веществами.

• Транспортная — через мембрану происходит транспорт веществ в клетку и из клетки. Транспорт через мембрану обеспечивает: доставку питательных веществ, удаление конечных продуктов обмена, секрецию различных веществ, создание ионных градиентов, поддержание в клетке оптимального pH и концентрации ионов, которые нужны для работы клеточных ферментов. Частицы, по какой-либо причине неспособные пересечь фосфолипидный бислой (например, из-за гидрофильных свойств, так как мембрана внутри гидрофобна и не пропускает гидрофильные вещества, или из-за крупных размеров), но необходимые для клетки, могут проникнуть сквозь мембрану через специальные белки-переносчики (транспортёры) и белки-каналы или путём эндоцитоза. При пассивном транспорте вещества пересекают липидный бислой без затрат энергии так как происходит перенос веществ из области высокой концентрации в область низкой, то есть против градиента концентрации (градиент концентрации указывает направление увеличения концентрации) путём диффузии. Вариантом этого механизма является облегчённая диффузия, при которой веществу помогает пройти через мембрану какая-либо специфическая молекула. У этой молекулы может быть канал, пропускающий вещества только одного типа. Активный транспорт требует затрат энергии, так как происходит перенос веществ из области низкой концентрации в область высокой, то есть по градиенту концентрации. На мембране существуют специальные белки-насосы, в том числе АТФаза, которая активно вкачивает в клетку ионы калия (K+) и выкачивает из неё ионы натрия (Na+).

• Матричная — обеспечивает определённое взаиморасположение и ориентацию мембранных белков, их оптимальное взаимодействие.

• Механическая — обеспечивает автономность клетки, её внутриклеточных структур, также соединение с другими клетками (в тканях). Большую роль в обеспечении механической функции имеют клеточные стенки, а у животных — межклеточное вещество.

• Энергетическая — при фотосинтезе в хлоропластах и клеточном дыхании в митохондриях в их мембранах действуют системы переноса энергии, в которых также участвуют белки.

• Рецепторная — некоторые белки, находящиеся в мембране, являются рецепторами (молекулами, при помощи которых клетка воспринимает те или иные сигналы). Например, гормоны, циркулирующие в крови, действуют только на такие клетки-мишени, у которых есть соответствующие этим гормонам рецепторы. Нейромедиаторы (химические вещества, обеспечивающие проведение нервных импульсов) тоже связываются с особыми рецепторными белками клеток-мишеней.

• Ферментативная — мембранные белки нередко являются ферментами. Например, плазматические мембраны эпителиальных клеток кишечника содержат пищеварительные ферменты.

• Осуществление генерации и проведения биопотенциалов. С помощью мембраны в клетке поддерживается постоянная концентрация ионов: концентрация иона К+ внутри клетки значительно выше, чем снаружи, а концентрация Na+ значительно ниже, что очень важно, так как это обеспечивает поддержание разности потенциалов на мембране и генерацию нервного импульса.

• Маркировка клетки — на мембране есть антигены, действующие как маркеры — «ярлыки», позволяющие опознать клетку. Это гликопротеины (то есть белки с присоединёнными к ним разветвлёнными олигосахаридными боковыми цепями), играющие роль «антенн». Из-за бесчисленного множества конфигурации боковых цепей возможно сделать для каждого типа клеток свой особый маркер. С помощью маркеров клетки могут распознавать другие клетки и действовать согласованно с ними, например, при формировании органов и тканей. Это же позволяет иммунной системе распознавать чужеродные антигены.

Исходя из описания энергодефицита, при функции клеточной мембраны проводимости биопотенциалов, возникает естественный вопрос: как связаны биохимический состав в отношении теломер хромосом и полный биоэлектретный заряд клетки. Здесь нужно ещё раз обратиться к описанию биоэлектрета и разницы потенциалов между наружной и внутренней поверхности мембраны. Ионизационный потенциал приводит в ритм пульса клетки, что даёт возможность активного перехода электронов молекулярных орбиталей между молекулами, которые представляют собой состав клетки. Энергетическое поле распространяется на ядро клетки, в которых находятся хромосомы ДНК. Исходя из этого, молекулярные орбитали активируются и происходит присоединение кислот к молекулам ДНК как соединение разных частей по свойствам пар свободных электронов и дырок в молекулярных орбиталях. Это свойство есть функция регенерации организма.

При рассмотрении процесса рождения и гибели клеток имеет смысл обратиться к лемнискате Каменкова, которая описывает квантовый подход к составу ядра клетки по внутренним энергетическим контурам ДНК хромосомы.

Во-первых, хочется отметить факт образования новой структуры нервной системы клеток при митозе и апоптозе, когда каждая клетка иннервируется в состав иннофизимальной структуры за счёт изменений окончания геля нервного волокна. Этногенез морфологии клетки имеет характеризующие физические свойства. Это позволяет за счёт электронно-протонного кода клетки находится в заданных положениях, формируя ткань. Во-вторых, каждая клетка имеет входные и выходные рецепторы, которые определяют лемнискату Каменкова соединения рецепторов клетки вида "О-><-О"... Таким образом, клетка имеет постоянную расстояния до n клеток. В-третьих, лемнискатная связь определяет систему точек клеток, как объект трансгрессии, в пространстве, причём точки связаны между собой протонными каналами лемнискатной щели между рецептором-донором и рецептором-реципиентом.

За счёт фосфолирования АТФ клетки происходит энергетический обмен между внеклеточной и внутриклеточной субстанции за счёт обмена натриево-калиевого насоса. В этом положении определяются: а) протонные обменники и б) электронные обменники.

Применяя волновое уравнение f(t)=A(t)Sin(wt-s), где A(t) модуляция такта биоритма периода времени, имеем скользящее из ионного градиента. Так как протонный канал используется для формирования оптического спектра положения L,D изомеров для молекулярной электронной оболочки, то для f(t) возможно записать уравнение Дирака для свободной частицы ihdf(t)/dt=summa[ec^2q[i]+eq[i]p[i];1,n]f(t), где q координаты, p импульс. Тогда такт биоритма организма, исходя из трансгрессии df(t)/dt+integral[f(t)dt], будет иметь скользящее.

Другими словами, лемниската Каменкова имеет протонную эмиссию, которая в терминах нерелятивистской квантовой механики, основывается на положениях квантов на орбиталях атома водорода, где окисление – донор, восстановительные функции рецептор. Если говорить о квантах электрически нейтрального атома водорода, то его электронная формула (1s1) при валентности +1. Электрическая нейтральность водорода говорит об его возможности к присоединению атома кислорода при клеточном дыхании, то есть возможность проходить протонному спектру через лемнискатную щель, что даёт определение связи между клетками через рецептор-донор и рецептор-реципиент.

Уравнение Дирака для свободной частицы имеет в своём базовом положении выражение Шредингера волнового дуализма. Это говорит о том, что рецептор-донор поставляет определенный массив протонов водорода для рецептора-реципиента в определенной последовательности. Этногенез клетки по обмену протонных каналов говорит о выделении ферментов в нервную систему через массив атомов водорода с окислением кислородом, что даёт электронно-протонную формулу взаимодействия клетки с остальной средой.

Электронная орбиталь атома водорода имеет валентность +1, что позволяет отдавать электрон во внешнее соединение, оставляя протонную орбиталь вакантной для протонно-электронной эмиссии, что в совокупности означает импульс в уравнении Дирака для соседней клетки и гемолитических каналов, включая рецептор-донор для эфферентного нервного сигнала.

Очевидно, что математика биоритма имеет точки сопряжения к составу внешнего энергетического шума. При отсутствии внешнего энергетического поля рядом с наложением омега-спектра на клеточном уровне происходит перераспределение вероятности жизни человека, которое составляет, исходя из значения гуморали трансгрессионного моделирования, примерно 120 лет при управлении поляризации цепочек ДНК хромосом.