Старение как закономерный этап онтогенеза. Проявления старения на молекулярно-генетическом, клеточном, тканевом и организменном уровнях.

Процесс старения свойственен всему живому на Земле - и животным и растениям и затрагивает все уровни организации живого - от молекулярно-генетического до организменного и популярного.
На организменном уровне старение имеет прежде всего фенотипические проявления, которые изменяют как внешний вид организма, так и его внутренний органы. Например, у человека формирование органов и систем заканчивается к 25 годам, и с этого возраста уже можно наблюдать у него многие признаки старения. Как правило, после 40-50 лет эти признаки становятся более четкими, стойкими и необратимыми.
Признаки старения наружных кожных покровов известны всем: снижается эластичность кожи, и как следствие, появляются морщины, пигментные пятна, папиломы, бородавки. Потовые железы выделяют меньше секретов - появляется сухость и шершавость кожи. Из-за нарушения кровоснабжения волосяных луковиц нарушается пигментация волос - волосы седеют.
Признаки старения сердечно-сосудистой системы становятся заметными к 40 годам. На стенках сосудов откладываются липиды (холестерин), разрастается соединительная ткань, что снижает эластичность сосудов, а это ведет к повышению риска таких заболеваний, как инфаркт миокарда (некроза сердечной мышцы в результате нарушения сосудистого питания), инсульт (кровоток по сосудам головного мозга 75-летнего человека по сравнению с 25-летним уменьшен на 25 %).
В основе функциональных расстройств дыхательной системы лежит разрушение межальвеолярных перегородок, что сокращает дыхательную поверхность, - в итоге с возрастом падает жизненная емкость легких, которая к 75 годам достигает всего 56 % от уровня возраста 25-30 лет.
Легко заметной в системе пищеварения является потеря зубов. Для многих хищных млекопитающих (волки, лисицы и др.) в природе потеря зубов стоит жизни - старое животное проигрывает по этой причине в борьбе за пищевые ресурсы.
Наиболее трудно переносятся пожилыми людьми изменения со стороны мышечной системы и скелета. Снижается сила сокращений поперечнополосатой мускулатуры, быстро наступает утомление, наблюдается атрофия мышц и разрежение костной ткани. Пожилые люди чаще получают переломы даже вследствие минимальных ударов, а мышечная слабость бывает в такой степени, что человеку бывает трудно перенести вес чайника.
Изменение нервной системы в процессе старения включает нарастающую гибель нейронов (до 75 %), снижается синтез медиаторов и нейрогормонов, нарушается снабжение нервными импульсами как самого головного мозга, так и органов всего тела. В стареющем организме с большим трудом вырабатывается условный рефлекс, приобретаются новые навыки. Это ведет прежде всего к глубоким психологическим нарушением, этим объясняется и снижение с возрастом способности к обучению и познанию. Считается, что интеллектуальные способности человека складываются к 30 годам и сохраняются такими же до возраста 55-70 лет, а в возрасте 55-60 лет наблюдается второй пик в творческой деятельности мозга.

«Большой вклад» в процесс старения вносит деятельность щитовидной железы, регулируемая гипоталамусом и «главной» железой - гипофизом. Обнаружено, что к старости падает содержание в крови трийодтиронина и тироксина - гормонов «щитовидки», затрудняется их перенос к тканям. Само проявление гипотиреоза - недостаточности функций щитовидной железы - во многом напоминает старение. Первые его симптомы - слабость, медлительность движений, восприимчивость к инфекционным заболеваниям, эмоциональная неустойчивость, сухая, шершавая, бледная кожа, выпадение волос, тугоподвижность суставов. Некоторые исследования указывают на то, что более 15 % людей старше шестидести лет имеют проявления гипотериоза, а соответственно, и стареют с высокой скоростью.
В процессе старения организма существенные изменения происходят в репродуктивной системе. Нарушается и выработка гамет, и выработка половых гормонов - тестостерона и эстрогена (менапауза и андропауза). Нарушается деятельность иммунной системы: вилочковая железа, вырабатывающая Т-лимфоциты (Т-лимфоциты образуют иммунные антитела, защищающие от возбудителей различных заболеваний), начинает уменьшаться в размерах с отрочества и к пятидесяти годам исчезает совсем. С уменьшением тимуса происходит рост ассоциируемых со старением болезней, включая онкологические, аутоиммунные, инфекционные.

Старение имеет свои проявления и на молекулярно-генетическом и на клеточном уровнях. Считается, что старение биологически заданный процесс, и если бы не существовало биологически управляемого старения, то все живое было бы бессмертным. В свидетельствах этому недостатка нет. Клетки тела стареют точно так же, как стареет само тело.
Самые недавние свидетельства указывают на то, что в каждой клетке также существуют «часы» или «счетчики», управляемые участком ДНК, известным как теломер и расположенным в конце каждой хромосомы. После деления клетки теломер становится чуть-чуть короче. Когда теломер укорачивается на какую-то критическую величину, клетка больше делиться не может. Ее метаболизм замедляется, она стареет и умирает.

С возрастом ДНК становится жертвой того же процесса старения, который поражает всю клетку. Нарушаются процессы транскрипции и трансляции ДНК, становятся неравномерными реакции синтеза РНК и белков. Изменяются структура и функционирование и других частей клетки. Например, наиболее заметна возрастная перестройка высокоспециализированных клеток - нейронов и кардиомиоцитов. Для стареющих нервных клеток типично обеднение цитоплазмы мембранами, сокращение объема эндоплазматической сети, снижение выработки медиаторов веществ, ответственных за скорость передачи нервного импульса от одной нервной клетки к другой.

34. Реализация генетической информации. Взаимосвязь между геном и признаком. Центральная догма молекулярной биологии.

· Реализация генетической информации.

Процесс реализации наследственной информации (биосинтез белка) включает следующие этапы:

Транскрипция

Процесс переписывания информации о первичной структуре белка с молекулы ДНК на про-и-РНК называется транскрипцией. Синтез про-и-РНК начинается с обнаружения РНК-полимеразой особого участка в молекуле ДНК, который называется промотором - он указывает место начала транскрипции. РНК-полимераза обеспечивает раскручивание участка ДНК, соответствующего транскрибируемому гену, разрушение водородных связей между тяжами ДНК, рождение тяжей, осуществление синтеза про-и-РНК. Сборка рибонуклеотидов в цепь происходит с соблюдением их комплементарности нуклеотидам ДНК. РНК - полимераза способна собирать полинуклеотид от 5' конца к 3' - концу, матрицей для транскрипции может служить только одна из цепей ДНК, та, которая обращена к ферменту своим 3' - концом (3' → 5'). Такую цепь называют кодогенной. Антипараллельное соединение двух полинуклеотидных цепей в молекуле ДНК позволяет РНК полимеразе правильно выбрать матрицу для синтеза про-и-РНК. Транскрипция осуществляется до тех пор, пока РНК-полимераза не встретит специфическую последовательность нуклеотидов - терминатор транскрипции. В этом участке РНК - полимераза отделяется как от ДНК, так и от вновь синтезированной молекулы про-и-РНК. Затем про- и-РНК - специальными ферментами отделяется с ДНК. Образуемая в ходе транскрипции молекула про-и-РНК является точной копией гена и отражает его интрон-экзонную структуру. Тройки рядом стоящих нуклеотидов, шифрующие аминокислоты называют кодонами. На специальных генах синтезируются и два других вида РНК: т-РНК и р-РНК. Начало и конец синтеза всех типов PНK на матрице ДНК строго фиксирован специальными триплетами, которые инициируют запуск и остановку (терминацию) синтеза. Процессинг - это созревание и-РНК. Происходит удаление из первичных транскриптов неинформативных для данного блока интронных участков, размер которых варьирует от 100 до 1000 нуклеотидов. На долю интронов приходиться около 80 % всей про-и-РНК. Удаление интронов с последующим соединением экзонных участков называют сплайсингом. Закономерность вырезания интронов обеспечивается благодаря налипанию на их концы специфических нуклеотидных последовательностей, опознаваемых определенными ферментами. После сшивания смысловой части и-РНК осуществляется ориентация ее концов: на 5' – конце происходит метилирование азотистых оснований, образуется колпачок – КЭП, обеспечивающий узнавание молекул и-РНК малыми субчастицами рибосом. На 3' - конце первичного транскрипта присоединяется последовательность, состоящая из 100 - 200 остатков адениловой кислоты (поли А). Поли А определяет кратность трансляции. К тому же эта последовательность способствует выходу зрелой м-РНК из ядра.

Благодаря преобразованиям, происходящим с про-и-PНK в ходе процессинга, зрелая и-РНК эукариот характеризуется большой стабильностью. После завершения процессинга зрелая иРНК проходит отбор перед выходом в цитоплазму, куда попадает всего 5% иРНК. Остальная часть расщепляется не выходя из ядра.

2) Трансляция - это процесс считывания наследственной информация с последовательности нуклеотидов иРНК на последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Процесс обеспечивается взаимодействием тРНК и иРНК. Осуществляется на рибосомах. В рибосомах имеется две бороздки: одна удерживает растущую полипептидную цепь, другая – и-РНК. Кроме того в рибосомах имеются два участка, связывающих тРНК. В аминоацильном участке (А - участке) размещается аминоацил тРНК, несущая определенную аминокислоту. В пептидильном участке (П - участок) располагается обычно тРНК, которая нагружена цепочкой аминокислот, соединенных пептидными связями. Образование А и П участков обеспечивается обеими субчастицами рибосомы. При реализации генетической информации каждая тРНК распознает, присоединяет и переносит в рибосому свою аминокислоту. Этот процесс называется рекогниция. Специфическое соединение тРНК со своей аминокислотой протекает в два этапа и приводит к образованию соединения, называемого аминоацил - тРНК. Процесс этот происходит при участии специфического фермента (аминоацил - тРНК синтетазы).

В ходе трансляции можно выделить 3 фазы: инициацию, элонгацию и терминацию.

3) Фаза инициации, или начало синтеза пептида. Заключается в объединении большой и малой субчастиц рибосомы на определенном участке и-РНК и присоединении к ней первой аминоацил тРНК. В молекуле любой и-РНК вблизи ее 5' - конца имеется участок, комплементарный р-РНК малой субчастицы рибосомы и специфически узнаваемый ею. Рядом с ним располагается стартовый кодон (инициирующий) АУГ, шифрующий аминокислоту метионин. Малая субъединица рибосомы соединяется с иРНК таким образом, что стартовый кодон АУГ располагается в области, соответствующей П - участку. При этом только инициирующая тPHK, несущая метионин способна занять место в недостроенном П - участке малой субчастицы рибосомы и комплементарно соединиться со стартовым кодоном. После этого происходит объединение большой и малой субчастиц рибосомы с образованием ее пептидильного и аминоациального участков.

К концу фазы инициации П участок занят аминоацил-тРНК, связанной с метионином, а в А-участке рибосомы располагается следующий за стартовым кодон.

Процессы инициации, трансляции катализируются особыми белками - факторами инициации, которые подвижно связаны с малой субчастицей рибосомы.

4) Фаза элонгации, или удлинения пептида. Включает в себя реакции от момента образования первой пептидной связи до присоединения последней аминокислоты. Представляет собой циклически повторяющиеся события, при которых происходит специфическое узнавание аминоацил-тРНК очередного кодона, находящегося в А - участке, комплементарное взаимодействие между кодоном и антикодоном. Благодаря особенностям строения тРНК при соединении ее антикодона с кодоном и-РНК, транспортируемая ею аминокислота, располагается в А - участке поблизости от ранее включенной аминокислоты, находящейся в П – участке. Здесь между аминокислотами образуется пептидная связь, катализируемая особыми белками, входящими в состав рибосомы В результате предыдущая аминокислота теряет связь со своей т-РНК и присоединяется к аминоацил-т-РНК, расположенной в А - участке. Находившаяся в этот момент в П – участке тРНК высвобождается и уходит в цитоплазму.

Перемещение т-РНК, нагруженной пептидной цепочкой из А - участка в П участок сопровождаемся продвижением рибосомы по и-РНК на шаг, соответствующий одному кодону. Затем следующий кодон входит в контакт с А - участком, где он будет специфически «опознан» соответствующей аминоацил-тРНК, которая разместит здесь свою аминокислоту. Такая последовательность событий повторяется до тех пор, пока в А - участок рибосомы не поступит кодон - терминатор, для которого не существует соответствующей т-РНК. Скорость элонгации зависит от различных факторов, в том числе и от t°.