Қартаюдың молекулалық-генетикалық механизмдері. Қартаю процессі.

Пән: Биология
Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 10 бет
Таңдаулыға:

Жоспар.

Қартаю туралы негізгі түсінік. Қартаю процессі.
Қартаюдың негізгі механизмдері. Қартаюдың молекулалық-генетикалық механизмдері.
Қартаюдың жүру механизмдері жайлы идеялар мен теориялар.

Қартаю - табиғаттың заңдылық процессі, ол организмнің жылдан-жылға бұзылуы, және оның бейімделу әрекетінің төмендеуі. Қартаю процесі өлім мүмкіндігін жақындатады. Қартаю барлық организмдерге тән қасиет. Ол тірі жандар организмдерінде әр түрлі деңгейде өтеді. Олар молекулалық-генетикалық, клеткалық, ұлпалық, мүше деңгейі және біртұтас организм деңгейі.

Гератрия- қарт адамдарда аурудың даму ерекшеліктерін, ағымын, емін және алдын алу шараларын зерттейді. Геронтологияның басты міндеті адам өмірін ұзартумен қатар, қарт адамдардың еңбекке және қоғамдық қызметтерге белсене араласуына мүмкіндік беру болып табылады

Гетерохронды дегеніміз - әр түрлі клеткаларда, ұлпаларда және ішкі мүшелерде әр түрлі жылдамдықпен өтуі.
Гетеротопты - әр түрлі структурада сапа жағынан бірдей емес өзгеруі.

Адам мен жануарларда молекулалық-кинетикалық деңгейде қартаюдың жүргізуші механизмі болып мыналар саналады:

ДНҚ-ның қайтымсыз бұзылуы
РНҚ және белок синтезінің өзгеруі

Жасушалық деңгейде қартаюдың жүргізуші механизмі:

Жасушалардың бұзылуы және өлуі
Митоз белсенділігінің төмендеуі
Митохондриялар санының азаюы
Лизосомалардың бұзылуы
Жасушалар мембраналарының электрондық және иондық қасиеттерінің өзгеруі
Цитоплазма коллоидтарындағы дегидратациясы, яғни ондағы су мөлшерінің азаюы болып табылады.

Организм деңгейінде қартаю механизмдері болып табылады:

Нерв жүйесінің
Эндокринді

Және басқа жүйелердің атқаратын қызметінің төмендеуі.

Жүрек-қан тамырлар
Ас қорыту
Тыныс алу
Зәр шығару

Қартаюдың алғашқы механизмі клеткалардың генетикалық апараты жағдайының өзгеруімен байланысты. Барлық ұлпаларда қартаюдың нәтижесінде клеткалар саны азаяды және клеткааралық заттардың мөлшері көбейеді. Клеткааралық заттарда су мөлшері азаяды, соның нәтижесінде ферменттік реакциялар бұзылады.

Қартаюдың теломерлік теориясы.

Қартаюдың теломерлік теориясы 2 түрлі жағдайдың : ДНҚ-ның толық репликацияланбау проблемасы және жасуша (ұлпа) культурасынан табылған Хэйфлик эффектісі нәтижесінде А. М. Оловниковпен қалыптастырылды.

1969 жылы Хэйфлик эффектісінің ашылуы қартаюдың табиғаты жөніндегі жалпы көзқарасты түбегейлі өзгертті. Хэйфликтің тапқан заңдылықтары қартаюдың теломерлі теориясын құруға негіз болды. Сондықтан Леонард Хэйфликтің және оған дейінгі Алексис Каррельдің жұмыстарына тоқталайық.

Каррель мен Хайфлектің эксперименттері. Вейсманның идеялары.

Төменде сипатталатын жұмыстардың тарихы «терістеуді терістеу» принципінен қалыптасты. 1881 жылы цитологияны классигі Август Вейсман өзінің пастулаттарын ұсынды: организмде болатын қартаю процессінің себебі соматикалық жасушалардың бөліну арқылы көбею қабілетінің мәңгі, шексіз еместігінде. Басқаша айтқанда клеткалар тозып, әрі қарай бөліну арқылы жаңара алмайды, сондықтан да өлімге ұшырайды.

Вейсман тек жыныс клеткаларына немесе ұрықтық плазмаға ерекшелік тән деді: олар оның ойынша қартаймайды. Қазіргі уақытта оны былайша түсіндіреді: жыныс клеткаларында (ұрықтық геноциттерінен бастап жетілген жыныс клеткаларына дейін) ешқандай жасы үлкен-кішілігіне қарай өзгерістер болмайды. Егер өзгерістер болса ол аномалия деп саналады.

Вейсманның идеялары қандай да болмасын эксперименттерге негізделген жоқ(ол уақытта бұл мүмкін емес еді), тек ғалымның болжамы болды.

Вейсманның бірінші ережесі(соматикалық клеткалар жөнінде) көптеген зерттеушілермен көп жылдар бойы «қатал» қадағаланып тексерілді. Ал екінші ережесі (жыныс клеткалар жөнінде) әрқашанда дәлелсіз қалып отырды.

Вейсманның бірінші постулатының Каррельмен теріске шығаруы.

ХХ ғасырдың басында жаңа тиімді әдіс пайда болды - ұлпа кесегін культурада өсіру.

Каррельдің эксперименттері (Нобель сыйлығына ие болған) келесідей болды.

Ол тауықтың жүрек ұлпасынан 1, 5 мм кесекшесін алып, оны эмбрионалды экстракт пен плазмадан тұратын қоректік заты бар шыны ыдысқа салды. Және оны термостатта инкубациялауға қойды.

Ұлпа кесекшесіндегі шеткі клеткалар (фибробластар) бөлініп бірнеше күннен кейін кесекше әр жағының 3мм-ге кеңейіп өсіп отырды (ауданы 2 есе өсті) . Оны екіге бөліп, бір бөлігін келесі бір қоректік заты бар ыдысқа орналастырды.

Каррель бойынша мұндай процесстерді көп, шексіз жүргізуге болады, яғни фибробластар бөліну қасиеттерін көп жылдар бойы жоғалтпайды. Бұл эксперимент 34 жылға созылды(1912 жылдан 1946 жылға дейін) және де Карельдің әріптестерімен аяқталды (ол уақытта Каррель қайтыс болған) .

Басқаша айтқанда, Каррель бойынша соматикалық клеткалар өз-өзінен қартаймайды: қолайлы жағдайда шесіз бөліне отырып көбейе алады. Қартаю тек көпжасушалы, үлкен организмдерге тән.

Кейін бұл көзқарастар кең тарап, көп жылдар бойы нағыз шындық болып саналды. Басқа да лабораторияларда жасушалар ертелі-кеш өліп жатса да, оны культивациялануының қолайсыз жағдайымен түсіндірді. Сондытан да қартаюдың себептерін ғалымдар жасушадан емес одан тыс жерлерден іздеді. Мысалы, орыс ғалымы Безредка бойынша қартаю дәнекер ұлпасының және жасушааралық заттардың бұзылуы нәтижесінде басталады. Мұндай идеялар көп болды.

Каррельдің Хейфликпен терістенуі.

1961 жылы Л. Хейфлик П. Мурхетпен бірге адам эмбрионынан алынған фибробластар культурасымен жұмыс жасады. Ол уақытта ондай эксперименттер тәсілдері айтарлықтай өзгерді. Енді ұлпа кесекшесін алдын-ала трипсинмен өңдей бастады(ұлпаны жеке жасушаларға ажырату үшін) . Өңделген клеткаларды жалпақ шыны ыдыстарға орналастырды. Екіншіден басты мәселе қоректік заттың құрамының өзгешілігінде болды. Онда эмбрион экстрактысы мен плазмасының орнына төменгі молекулалы қоректік заттар (амин қышқылдар, тұздар және т. б) мен бұқа қанының сарысуы қолданылды.

Мұндай ортаға енгізілген қалыпты соматикалық клеткалар бірнеше сағаттан кейін ыдыстың түбіне бекініп, моноқабат түзіліп, бір күннен кейін бөліне бастайды. Ыдыстың түбінде бос орын қалмағанда және жасушалар түйіскенде бөлінулер тоқтайды. Контактты тежелу - ісік емес клеткаларға тән ең басты қасиет.

Әдетте келесі егуді культурадағы жасушалар саны 2 есе көбейгенде жасайды. Ол үшін моноқабаттағы жасушаларды бір-бірінен және ыдыстың бетінен ажырату үшін трипсинмен өңдейді. Түзілген жасушалар суспензиясының жартысын алып, оны келесі ыдысқа егеді.

Бұл эксперименттерден келесі қорытынды шығады: адам эмбрионынан алынған қалыпты фибробластар шексіз бөліне алмайды және культураның өлуі қолайсыз жағдайға байланысты емес, бұл қайталанатын заңдылық: бөлінулер 50 егуден кейін тоқталады. Жасушалар популяциясы циклі 3 кезеңге бөлінеді. Оның ішіндегі соңғы 3 кезеңде жасушалар бөліну жылдамдығы төмендейді де соңында жасушалар өледі.

Бұдан Каррельге қарсы, бірақ Вейсманның 1 ережесіне толығымен сәйкес келетін қорытынды шығады. Соматикалық жасушалардың бөлінуі шексіз емес, қартаю - бұл жасушаның өзіне тән қасиеті (ол 3 кезеңде де байқалады), ол тіпті жасуша геномында жазылған. Сондықтан жасуша тек қана белгілі мөлшерде бөлінеді де соңында өледі.

Бұл бөлінулер саны - Хейфлик лимиті деп аталады. Хейфликтің нәтижелерін ешкім қолдамады, себебі ол Каррельдің классикалық эксперименттерін теріске шығарды.

Хейфликтің ойынша Каррель мен оның серіктестері жағынан фальсификация болды, немесе мәселе әдістемелік қателікте.

Каррельдің тәжірибесінде культураны күнде тауық эмбрионының экстрактімен қоректендіріп отырды. Бұл экстрактты алдын ала жасушаларжан ажырату үшін центрифугадан өткізген болса да, бірді-екілі жасушалар қалып, культураға түсіп отыруы әбден мүмкін еді. Яғни культура ылғи да жаңа жасушалармен толықтырылып отырған, нәтижесінде олардың бөлінулері культураның тіршілігі мәңгілік екенін көрсетіп, қателестіріп отырған. Бұл оқиға келешекке сабақ болды.

Зерттеушілер үшін әрбір пайдаланылатын әдіс қатал да, ұқыпты анализді талап етеді.

Хейфликтің қосымша дәлелдері. Алғашқы зерттеулерде адам эмбрионынан алынған клеткалар (фибробластар) 50 рет бөлініп отырды. Егер фибробластарды ересек адамнан алса, онда популяцияның өліміне дейінгі клеткалардың бөліну саны 50-ден төмен болады, яғни донордың жасына тәуелді: донордың жасы жоғары болған сайын бөліну саны азаяды.

Мұндай заңдылық көптеген ғалымдармен әр түрлі клеткалардан табылды, соның ішінде эпителиоциттер, миоциттер және лимфоциттер де бар. Яғни in vivo жағдайындағы клеткалардың бөліну сандарын бақылайтын бір «санауыштар» бар. Және де клеткаларды in vivo жағдайына ауыстырғанда ол есепті басынан бастамай жалғастыра береді.

Нақты сандық тәуелділік те анықталған: адамның(донордың) жасы 1 жылға ұлғайған сайын культурадағы фибробластардың бөліну саны орташа есеппен 0, 2-ге төмендейді.

Бұдан қызықты қорытынды шығады: адамның 100 жылғы өмірінде фибробластардың репликативті потенциалы 20 бөлінуге ғана төмендейді. Ал потенциал толығымен (сондай ырғақты сақтағанда) 250 жылдан кейін бірақ жұмсалады.

Қандай болмаса да жоғарыда келтірілген фактілер өткен(немесе қалған) клеткалар бөліну сандарының есте сақталып қалатындығын көрсетеді. Бұл жөнінде тіпті клеткаларды ұзақ мерзімге төменгі температурада қатырған жағдайда да есте сақталады (10 жылға созылған уақытта да) . Ерітуден кейін клеткалар бөліну қабілетіне келіп, қалтыруға дейін қанша рет бөліну қалса, сонша рет бөлінеді.

Сонымен қатар түрдің өмір ұзақтылығы мен культурадағы клеткалардың бөліну санының арасында тығыз байланыс бар. Мысалы, 50 рет бөліну - бұл адамның Хейфлик лимиті, тышқанда бұл азырақ(15-20), тасбақада көбірек (175) болуы мүмкін.

Үшінші кезеңге жеткен клеткаларды зерттеу маңызды аргумент болып табылады. Көбеюдің тоқталуынан бірнеше бөлінулерден бұрын популяцияның өсуі біртіндеп баяулайды да клеткалардың морфологиясы өзгереді: олардың көлемі ұлғаяды(бөлінулер арасындағы уақыттың созылуынан) және әйнектің бетіне жайылып кетеді(тургордың төмендеуінен) . Сонымен қатар көптеген биохимиялық көрсеткіштер төмендейді: ферменттердің белсенділігі, макромолекулалардың синтезі және т. б. Соған ұқсас өзгерістер in vivo жағдайында да кездеседі(организм толығымен қартайғанда) . Бұның барлығы in vivo жағдайында клеткалардың қартаюын көрсетеді.

Жоғарыда келтірілген фактілер адам мен басқа жануарлардың шынымен де генетикалық детерминацияланған бөліну лимиті бар екендігін көрсетеді.

Клеткалар иесі

Жануарлар тіршілігінің максималды ұзақтығы

Культурадағы клеткалардың бөліну саны.

Клеткалар иесі: Жаңа туған тышқандар

Жануарлар тіршілігінің максималды ұзақтығы: 3 жыл

Культурадағы клеткалардың бөліну саны.: 15-20 рет

Клеткалар иесі: Жаңа шыққан балапандар

Жануарлар тіршілігінің максималды ұзақтығы: 12 жыл

Культурадағы клеткалардың бөліну саны.: 25 рет

Клеткалар иесі: Адам эмбрионы

Жануарлар тіршілігінің максималды ұзақтығы: 100 жыл

Культурадағы клеткалардың бөліну саны.: 50 рет

Клеткалар иесі: Галапагос тасбақасы

Жануарлар тіршілігінің максималды ұзақтығы: 175 жыл

Культурадағы клеткалардың бөліну саны.: 110 рет

1971 жылы Хейфликтің ашқан заңдылығы көпшілікке белгілі болды. Сол уақытта А. М. Оловников ДНҚ-ны теломерлі бөлімдерінің репликациясының механизмдеріне назарын аударды. Ол арнайы механизм болу керек деп айтты. Осы жағдай оны маргинатомия теориясына итрмеледі(оны қартаюдың теломерлі теориясы деп атады) . Ол теория бойынша организмнің барлық соматикалық клеткаларының хромосомдарында теломерлердің репликациялану механизмі жоқ, сондықтан хромосомдардың теломерлері әр бөлінуден кейін біртіндеп қысқарып отырады. Теломерлер қысқарып ұзындықтары ең томенгі деңгейге жақындағанда клеткалар қартая бастайды да, соңында өледі.

Сонымен Хейфлик эффектісі хромосомдардың қысқарылуымен түсіндіріледі, қартаюдың негізгі мәнісі де соған негізделінеді.

Сол уақытта м-РНҚ молекуласының қызметін түсіндіруде «билетиктер» теоремасы да шыққан. М-РНҚ-ның бір шетінде генетикалық информациялары жоқ полиА-фрагменттері болады. «Билетиктер» гипотезасы бойынша м-РНҚ рибосомада әрбір оқылған сайын оның полиА-фрагменті 10-15 нуклеотидке қысқарып (бір билет үзіліп отыратын сияқты) . ПолиА-фрагментінің ұзындығы қатты қысқарғанда (50 нуклеотидке дейін), РНҚ-азалар м-РНҚ-ны ыдыратып жібереді. Осыдан қартаюды түсіндіруде қабылданған маргинатомия теориясы «билетиктер» теориясына ұқсас екенін көреміз, тек м-РНҚ -ға емес ДНҚ-ға негізделген.

Сонымен маргинотомия теориясы Хейфлик феноменін түсіндірді. Вейсманның бірінші ережесін эксперименталды тұрғыдан дәлелдеді(соматикалық клеткалардың шексіз бөліне алмауын) және Вейсманның екінші ережесіне де қатысты болды (жыныс клеткаларының қартаймауы) .

Вейсманның ережелерін толығымен қабылдай отырып, маргинотомия теориясы барлық жыныс клеткаларда теломерлердің ұзындығын қалпына келтіріп отыратын механизм бар деп болжады. Тек осы жағдай айтылған клеткалардың «мәңгілік жастығын» қамтамасыз етеді деп ойлаған.

Теорияны дәлелдейтін фактілер .

Соматикалық клеткаларда теломерлердің қысқаруы жөніндегі болжамдар толығымен дәлелденді. Культурадағы қалыпты клеткалардың әрбір бөлінуінде теломерлердің бөлінуінде теломерлердің ұзындығы 50-100 нуклеотидке қысқаратындығы анықталды. Адам фибробластысы 50 рет бөлінуінде 2-3 мың нуклеотидке қысқарады.

Осы уақытқа дейін бұл культурадағы клеткалардың теломерлерінің қысқаруы жөнінде сөз қылып келдік. In vivo жағдайындағы клеткаларға тән де ұқсас мәліметтер бар.

Мысалы лимфоциттердің теломеразалық белсенділігінің болуына қарамастан адам жасы ұлғайған сайын теломерлер де қысқарып отырады, орташа есеппен жылына 40 нуклеотид.

Лимфоциттердің ерте иммундық қартаюымен ерекшеленетін Даун ауруымен ауыратын адамдарда теломердің қысқару жылдамдығы жоғары, жылына 133 нуклеотид.

Жыныс клеткалары да зерттелген. Жыныс клеткасының теломерлері басқа соматикалық клеткаларға қарағанда ұзынырақ екен. Сонымен қатар адам жасына қарамастан жетілген жыныс клеткаларының теломерлері күткендей тұрақты болады екен.

Көптеген бөлініп жатқан соматикалық клеткаларды теломерлер қысқарып жатады. Бірақ шынымен де осы жағдай аяғанда популяцияның бөлінуін шектеп, өлімге әкеле ме?

Шынымен де солай болып шықты. Ол жақын арадағы (1998ж. ) экмперименттерде дәлелденді. Культурадағы клеткаларға (гендік инженерия әдістерімен) теломеразаның каталатикалық субденешігін кодтайтын TERT гені енгізілді. Нәтижесінде клеткалар Хейфлик лимитін өсірді (жоқ дегенде 20 бөлінуге), яғни теломерлердің ұзындығын қалпына келтіріп отыру бөлінуді тоқтатпай культураның өлімін болдырмады.