Capitolul 8

  

TEORII PRIVIND CAUZELE PRIMARE ALE SENESCENŢEI

  

     Cunoscutul gerontolog Leonard Hayflick, întemeietorul citogerontologiei, scria într-una din lucrările sale (1983): 'Probabil că nu există un alt domeniu al cercetării biologice care să permită elaborarea unui număr atât de mare de teorii, cum este ştiinţa gerontologiei. Această situaţie se explică atât prin insuficienţa datelor privind procesul de îmbătrânire cât şi prin faptul că modificările ce survin pe măsura trecerii timpului afectează toate sistemele biologice la toate nivelele, începând cu cel molecular şi sfârşind cu cel al întregului organism. Este, de aceea, relativ uşor să construieşti o teorie a îmbătrânirii bazată pe analiza la nivel molecular, celular, tisular etc. a unei anumite diminuări în timp a performanţelor funcţionale ale vreunui sistem biologic. Principala întrebare va fi întotdeauna următoarea: este modificarea incriminată cu adevărat o cauză primară a îmbătrânirii sau este doar rezultatul unor schimbări care au avut loc la un nivel mai fundamental ?' Sau, aşa cum scrie Medvedev (1990) 'Constatăm, de pildă, că nivelul interconectării proteinelor creşte cu vârsta, dar oare de ce se întâmplă acest lucru ? Se acumulează tot mai multe enzime inactive, dar de ce sunt inactivate aceste enzime? Constatăm că au loc numeroase schimbări biochimice, dar de ce au loc aceste schimbări? Şi de ce aceste schimbări au loc doar în celulele somatice şi nu şi în cele germinale, care sunt capabile să treacă nealterate de la o generaţie la alta ? '

 

     Clasificarea teoriilor privind cauzele senescenţei

     Constatând abundenţa teoriilor gerontologice apărute în literatura de specialitate, Medvedev (1990) estimează numărul acestora la circa 300, observând, totodată, că aproape fiecare descoperire importantă din domeniul biologiei moleculare sau celulare a fost urmată de apariţia unor noi teorii ale îmbătrânirii sau a unor noi versiuni ale vechilor teorii.

     Înainte de a analiza principalele teorii privind cauzele primare ale senescenţei, este bine ca eventualului cititor al acestei cărţi să i se prezinte un tablou global al celor  aproximativ 300 de teorii, aşa cum încearcă să le clasifice Medvedev.

     1. Teorii ale programării genetice

       A.  Ipoteza programului activ morfogenetic - care declanşează moartea animalului la scurt timp după

                    încheierea actului de reproducere (la specii cum sunt somonul, şoarecele marsupial etc.) sau la  

                    puţin timp după anumite modificări ale proprietăţilor mediului ambiant (scurtarea zilei,

                    uscăciune etc.)

       B.  Ipoteza programului de sinucidere postreproductivă - cel mai adesea prin nealimentare (unele

                     insecte, nematode etc.)

       C.  Ipoteza îmbătrânirii pasive morfogenetice

                 -ipoteza îmbătrânirii ca o continuare a diferenţierii, ca o supradiferenţiere sau ca o creştere a

                          represării genelor

                 -ipoteza îmbătrânirii ca o disdiferenţiere cu dispariţia represării genelor şi disreglarea

                          transcripţiei  secvenţiale

                -ipoteza îmbătrânirii ca efect al represiei incomplete a programului de desvoltare

       D.  Ipoteza existenţei unor gene specifice sau nespecifice ale senescenţei

                -ipoteza dezechilibrului între acţiunea genelor mutatoare şi antimutatoare

                -ipoteza acţiunii tardive a unor gene pleiotrope

                -ipoteza sintezei programate a unor inhibitori mitotici sau a unor inhibitori ai transcripţiei şi    

                        translaţiei

                -ipoteza unor mutaţii care accelerează îmbătrânirea (teorii inspirate din  sindroamele de

                       îmbătrânire prematură la om)

       E.  Ipoteza existenţei unor gene specifice ale longevităţii        

                -ipoteze bazate pe identificarea unor gene ce prelungesc viaţa unor eucariote inferioare

                -ipoteze ce explică longevitatea superioară a omului faţă de cea a primatelor prin cele doar câteva

                         gene în plus ce apar la om în decursul evoluţiei

                 -ipoteze având ca punct de plecare identificarea genelor longevităţii la mamifere cu ajutorul

                        selecţiei prin hibridizare

                -ipoteza existenţei unor programe genetice de corecţie care se declanşează numai în celulele

                       germinale şi nu în cele somatice

       F.  Ipoteze privind existenţa unor ceasuri biologice

                -ipoteza existenţei genelor temporale, ipoteza pierderii treptate a organizării temporale, ipoteze

                      bazate pe relaţii între senescenţă şi bioritmuri

                -ipoteza endotomiei (scurtării ADN în timpul diviziunii) şi a marginotomiei ADN în celulele

                      postmitotice

                -ipoteza metilării secvenţelor repetitive ale ADN

                -ipoteza potenţialului limitat al diviziunii celulare

                -ipoteza 'capitulării' celulare

                -ipoteze privind centrii neuroendocrini hipotalamici

     2.  Teorii ale leziunilor primare

                -ipoteza uzurii prin funcţionare

                -ipoteza autointoxicării

                -ipoteza sufocării prin produse de deşeu

                -ipoteza calcifilaxiei

                -ipoteza diminuării gradului de coordonare între căile metabolice

                -ipoteza erorilor în sinteza proteică

                -ipoteza efectelor secundare ale metaboliţilor intermediari

                -ipoteza efectelor secundare ale pierderii proteazelor lizozomale şi ale ADN-azelor

                -teoria radicalilor liberi

                -teoria microşocurilor termice

                -teoria mutaţiilor somatice

                -teoria entropică

                -teoria acumulării deuteriului

                -teoria acumulării izomerilor unor metaboliţi

                -teoria acumulării ionilor metalici

                -teoria efectelor senectogene ale radiaţiilor

                -teoria leziunilor prin stress

     3.  Teorii bazate pe analiza manifestărilor senescenţei la nivel molecular, celular şi organic

       A.  Teorii ale stabilizării structurale şi ale interconectării macromoleculelor

                -ipoteze bazate pe creşterea numărului de legături intercatenare (“cross-links”) în colagen, acizi

                        nucleici, complexe cromatinice şi în alte agregate macromoleculare, creşterea numărului de

                        punţi disulfidice

                -ipoteze bazate pe stabilizarea şi insolubilizarea proteinelor structurale intercelulare

       B.  Teorii bazate pe unele modificări calitative ale proteinelor din cauze post-translaţionale

                -ipoteza demetilării progresive a proteinelor

                -ipoteza deaminării rezidurilor de glutamină şi asparagină ale proteinelor

                -ipoteza inactivării enzimelor prin modificări conformaţionale

                -ipoteza scăderii gradului de acetilare şi fosforilare a proteinelor cromatinice

       C.  Teorii bazate pe schimbări cantitative ale proteinelor

                -ipoteza pierderii unor enzime de neînlocuit

                -ipoteza creşterii relative a concentraţiei de proteine metaplastice ce nu pot fi reînoite

       D.  Teorii bazate pe modificări în biosinteza proteinelor

                -teoria acumulării treptate de erori

                -teoria catastrofei erorilor

      E.  Teorii bazate pe modificări ale structurii acizilor nucleici

                -rupturi de lanţ ADN

                -scăderea nivelului metilării ADN

                -acumulare de ioni metalici legaţi de ADN

                -modificări în procesarea ADN

      4.  Teorii evoluţioniste

       A.  Teorii ale ratei trăirii (rate of living)

                -ipoteze bazate pe corelaţia inversă dintre durata de viaţă şi raportul rată metabolică /unitate de

                         creştere

                -ipoteze bazate pe corelaţia inversă între regimul termic şi durata de viaţă la poikiloterme

                -ipoteze bazate pe efectul longeviv al hibernării,  al stării de stupor şi al restricţiei alimentare

       B.  Teorii bazate pe corelaţii între rata creşterii şi rata îmbătrânirii

                -o perioadă mai lungă a creşterii (naturală sau provocată) determină o creştere a duratei de viaţă

       C.  Teorii bazate pe corelaţia dintre durata dezvoltării şi rata îmbătrânirii

                -o perioadă mai lungă de dezvoltare şi de maturizare necesită o viaţă mai lungă pentru a permite       

                         reproducerea

       D.  Teorii bazate pe corelaţii între dimensiunile organismului şi durata de viaţă

                -corelaţie pozitivă între greutatea corporală şi durata de viaţă la speciile de mamifere

                -corelaţie pozitivă între dimensiunea creierului şi durata vieţii

                -corelaţii pozitive între dimensiunile şi longevitatea arborilor

       E. Teorii bazate pe corelaţiile  dintre unele modificări la nivel molecular şi durata vieţii

                -fidelitate superioară în sinteza macromoleculelor şi în mecanismele de reparare la speciile

                            longevive şi la celulele din linia germinală

       F.  Teorii bazate pe corelaţiile dintre unele modificări la nivel genetic şi rata îmbătrânirii

                -ipoteze ce pleacă de la proporţionalitatea dintre rata mutaţiilor somatice şi rata îmbătrânirii

                -ipoteze bazate pe redundanţa sporită a genelor vitale la speciile longevive

                -ipoteze bazate pe corelaţia pozitivă între dimensiunile genomului şi longevitate

                -teorii ale unor gene de asigurare de viaţă (“life assurance genes”)

                -ipoteza numărului mai mare de gene benefice la speciile longevive

       G.  Teorii bazate pe corelaţiile dintre unele modificări la nivel celular şi longevitate

                -ipoteze sugerate de faptul că poliploidizarea creşte durata vieţii la celulele diferenţiate

                -ipoteze bazate pe faptul că niveluri mai mari ale enzimelor detoxifiante şi antioxidante precum şi

                          ale unor compuşi antioxidanţi cresc durata de viaţă

       H.  Teorii bazate pe corelaţiile dintre performanţele de regenerare tisulară sau de proliferare

                         celulară şi durata de viaţă

                -ipoteze bazate pe faptul că speciile cu durată foarte mică de viaţă cuprind organisme care, în faza

                         adultă, au în alcătuirea lor  doar celule post-mitotice, incapabile de diviziune (insecte,

                         nematode etc.)       

                -ipoteze bazate pe faptul că la speciile longevive activităţile  unor ţesuturi şi organe se suprapun

                        parţial (redundanţă)

                -teorii ale somei sacrificabile (disposable soma) privind întreruperea sau anularea proceselor

                        reparatorii pentru  economisirea energiei necesare reproducerii

                -ipoteze bazate pe capacitatea mai mare de proliferare a celulelor stem la speciile

     5.  Teorii ale îmbătrânirii, valabile numai pentru anumite ţesuturi

                -teoria colesterolului în ateroscleroză

                -teoria modificării proteinelor în îmbătrânirea cristalinului

                -teorii ale îmbătrânirii eritrocitelor

                -teorii ale uzurii dinţilor

     6.  Modele fizico-matematice ale îmbătrânirii

                -descriu aspecte legate de vârstă ale mortalităţii, ale efectelor radiaţiilor, aspecte cibernetice etc.

     7.  Teorii unificatoare

                -încearcă să combine elemente din diferite grupuri de teorii; se bazează, îndeosebi, pe

                 considerente teoretice (de exemplu, aşa numita  'network theory of aging' elaborată de Kowald 

                 & Kirkwood în 1994 care îmbină teoria erorilor cu teoria radicalilor liberi)

 

     În opinia majorităţii gerontologilor, senescenţa este, foarte probabil, un fenomen multicauzal şi multifactorial, la realizarea căruia participă numeroase mecanisme biofizice, biochimice şi biologice. Este greu de admis (se crede) că ar putea exista o cauză primară unică a senescenţei.

     Fiecare tip de celulă, ţesut, organ sau organism are propria sa traiectorie a îmbătrânirii. Cum este şi firesc, procesele senescente celulare stau la baza fenomenului global al îmbătrânirii, dar ele alcătuiesc, totodată, elementele componente ale unei reţele interactive ierarhic superioară a cărei integritate morfo-funcţională se deteriorează cu timpul. Există, deci, procese de senescenţă care afectează sisteme de diferite grade ierarhice. Aşa cum afirmă Cristofalo et al. (1994), îmbătrânirea trebuie studiată ca parte a unui întreg dar înţeleasă ca sumă a părţilor.

     Toussaint & Remacle (1994) încearcă să clasifice teoriile îmbătrânirii utilizând criteriul logic al dihotomiilor  genetic/ mediu ambiant sau deterministic/ stochastic.

     O clasificare a teoriilor senescenţei care pune accentul pe identificarea cauzelor primare ale îmbătrânirii poate utiliza drept principal criteriu originea genetică sau nongenetică a procesului de îmbătrânire.

     Teoriile conform cărora îmbătrânirea este programată genetic, atât în ceea ce priveşte momentul declanşării ei cât şi în ceea ce priveşte desfăşurarea propriu zisă a proceselor senescente, pot fi numite teorii genetice. Ele diferă esenţial de toate celelalte teorii care apreciază că îmbătrânirea este rezultatul unor cauze fizico-chimice primare inevitabile şi universale, programele genetice reuşind doar să întârzie, în limita posibilităţilor mecanismelor de apărare pe care le proiectează, ritmul în care avansează senescenţa către finalul cunoscut.

     Teorii genetice ale senescenţei

     Este neîndoielnic faptul că multe dintre fenomenele care survin pe măsura înaintării în vârstă a organismelor, fenomene cum sunt creşterea şi dezvoltarea, pubertatea şi menopauza etc., sunt declanşate şi controlate pe baza unor seturi precise de informaţii stocate în acizii nucleici.

     Ţinând seama de imensa capacitate de stocare informaţională a moleculei de ADN, nu poate fi exclusă ipoteza conform căreia şi procesele senescente sunt planificate a avea loc, atât la nivelul celulelor şi al structurilor extracelulare cât şi la cel al structurilor pluricelulare, exact în acele momente care le asigură o succesiune corectă şi o coordonare precisă.

     Celulele şi organismele pluricelulare dispun cu certitudine de mecanisme care generează bioritmuri şi sunt dotate cu 'ceasuri biologice' capabile să măsoare curgerea timpului şi să declanşeze la momente potrivite procese biologice specifice. Se cunoaşte, de exemplu, faptul că ritmul circadian al muştelor Drosophila melanogaster diferă de la unii mutanţi la alţii, existând chiar linii lipsite de acest bioritm. Au fost deja identificate locusurile unde sunt plasate genele care controlează bioritmul circadian al acestor muşte.

     Se ştie că unele organe, cum sunt timusul sau glanda pineală, pot juca rolul de ceasornice biologice. Lesnikov & Pierpaoli (1994) înlocuiesc glanda pineală a şoarecilor bătrâni cu glandă pineală prelevată de la şoareci tineri, obţinând o prelungire semnificativă a vieţii primitorilor. Operaţia inversă conduce la scurtarea vieţii şoarecilor tineri care au primit glandă pineală de la vârstnici.

     Jazwinski (citat în R.L.Rusting, 1992) susţine că în celulele umane se pot exprima gene foarte asemănătoare celor identificate la organisme inferioare (cum este Saccharomices cerevisiae), care pot prelungi durata de viaţă.

     Analiza genetică a fenomenelor senescente a ajuns la maturitate în ultimii zece ani, odată cu obţinerea  liniilor longevive de Drosophila melanogaster şi Caenorhabditis elegans. încercările de a identifica gena responsabilă pentru mutaţia cu efect longeviv la Drosophila au eşuat, deocamdată, probabil datorită manierii sexuate de reproducere a acestor insecte. în schimb, la Caenorhabditis elegans se ştie că o anumită mutaţie la nivelul genei age-1 creşte durata de viaţă cu 70%. Rezultă, deci, că gena age-1 este implicată în senescenţa organismului. Această genă se află pe cromosomul 1, bine delimitată de o altă genă, fer-15, implicată în fertilitate, fără ca între ele să existe vreo relaţie (contrar celor susţinute de unii gerontologi).

     Este mai presus de orice îndoială faptul că există gene mutante care au darul de a induce prelungirea vieţii. Aceasta, însă, nu înseamnă de loc că în prezent dispunem de informaţii privind existenţa unor gene capabile  să elimine în totalitate sau, cel puţin într-o măsură importantă, fenomenul senescenţei. Dacă asemenea gene ar fi apărut cândva, din întâmplare, la vreun organism, ele ar fi avut toate şansele să fie reţinute prin selecţie naturală iar astăzi ar avea o răspândire sesizabilă, ceea ce nu se întâmplă.

     Trebuie subliniat faptul că nu de puţine ori se uită că fenomenul propriu zis al îmbătrânirii biologice necesită o tratare  distinctă şi independentă de cea prin care sunt abordate aspecte particulare ale senescenţei (cum sunt ritmul îmbătrânirii şi durata medie şi maximă a vieţii diferitelor organisme sau structuri biologice).

     În ceea ce priveşte genele identificate ca fiind capabile să încetinească ritmul îmbătrânirii, mai toate s-au dovedit a fi gene care coordonează procesele de apărare biologică faţă de diverse forme ale presiunii timpului. Cel mai adesea este vorba de gene a căror expresie se manifestă prin creşterea nivelului enzimelor antioxidante ce conferă o protecţie sporită împotriva atacului radicalior liberi, reprezentaţi de speciile reactive de oxigen.

     În alte cazuri, aşa zisele gene ale longevităţii sunt răspunzătoare, în fapt, de anumite defecte care, într-un fel sau altul, împiedică organismul să se alimenteze normal. Astfel, genele vinovate de paralizia parţială a tubului digestiv al unor viermi sau de diminuarea chemotaxisului acestora supun animalul la un regim de restricţie alimentară printre ale cărui efecte se numără, după cum se ştie, şi o substanţială creştere a duratei vieţii.

     Majoritatea argumentelor aduse în favoarea teoriei genetice se bazează pe remarcabila constanţă a duratei maxime de viaţă caracteristică unei anumite specii şi pe valorile extrem de diferite ale acestei durate la specii diferite. Se ştie, de exemplu, că la mamifere raportul dintre cea mai mică şi cea mai mare durată maximă de viaţă la specii diferite este de 1/30 .

     Se ştie, de asemenea, că înăuntrul aceleiaşi specii, durata de viaţă depinde semnificativ de sex, cel mai adesea longevitatea reprezentantelor sexului feminin fiind superioară. în sfârşit, se ştie că ereditatea joacă un rol important în stabilirea duratei vieţii indivizilor, fapt de care ţin seama toate companiile de asigurare. Speranţa de viaţă a unui individ ai cărui părinţi au murit prematur din cauze neaccidentale este mai mică decât cea a descendenţilor unor părinţi longevivi (Kollman & Sander 1948, citaţi în Rokstein, 1974).

     Intervalul care separă datele la care mor doi gemeni umani univitelini este în medie de 4 ani în cazul fraţilor şi de numai 2 ani pentru surori, şi aceasta chiar atunci când gemenii au trăit în localităţi diferite şi în condiţii de viaţă diferite.

     Alte argumente aduse în favoarea teoriilor genetice ale îmbătrânirii se bazează pe datele oferite de evoluţia post-reproductivă a unor organisme aparţinând câtorva specii, organisme care după îndeplinirea obligaţiei de a se reproduce intră într-un declin general şi abrupt care le conduce repede la moarte.

     Există insecte la care tranziţia de la stadiul larvar la cel adult se face în asemenea mod încât adulţii nu se mai pot hrăni deoarece, pur şi simplu, nu mai sunt dotaţi cu aparat bucal (cazul unor fluturi) sau cu alte organe necesare alimentaţiei (cazul viermelui Bombix mori). La alte specii se declanşează procese legate de secreţii hormonale sau de apărare imunitară, aşa cum se întâmplă la somon, la şoarecele australian  sau la alte animale care se reproduc doar odată în viaţă, procese care grăbesc sfârşitul organismelor care şi-au îndeplinit misiunea de a-şi perpetua specia. Este demn de reţinut că, dacă aceste animale sunt împiedicate să se reproducă, ele îşi continuă viaţa, îmbătrânind odată cu trecerea timpului şi amânându-şi cu o bună bucată de vreme pieirea.

     Nu trebuie omis nici faptul că genomul conţine seturi de informaţii care pot declanşa şi implementa moartea programată a unor celule. Acest proces sinucigaş, numit şi apoptoză (vezi capitolul 6), este activ şi poate fi pus în mişcare nu numai de factori externi, ci şi spontan. Este adevărat, însă, că apoptoza, frecvent întâlnită în procesele de creştere şi dezvoltare, nu pare să aibă prea multe în comun cu ceea ce se întâmplă în procesele senescente.

     Participarea genomului la declanşarea şi controlul senescenţei este, indirect, dovedită şi de existenţa unor sindroame care duc la îmbătrânire prematură. Printre ele se numără progeria sau sindromul Hutchinson-Gilford, ale cărui semne apar încă din copilărie, când părul se răreşte şi încărunţeşte, articulaţiile devin mai puţin mobile iar aspectul exterior al copilului, marcat de zbârcituri, de deshidratarea pielii şi de dispariţiei grăsimii subcutanate, devine asemănător celui al unor persoane foarte bătrâne.  Histologic şi biomecanic, arterele unui copil în vârstă de 7 ani, afectat de progerie, sunt asemănătoare cu cele ale unui bătrân de 70 de ani. Cei mai mulţi asemenea copii mor între 7 şi 13 ani ca urmare a infarctelor sau a accidentelor cerebrale iar până în prezent nu se cunoaşte vreun bolnav care să fi putut depăşi vârsta de 29 de ani. S-ar putea spune că progeria se caracterizează printr-o creştere de circa 10 ori a ritmului mediu de îmbătrânire. Cu toate acestea, copiii bolnavi de progerie nu manifestă toate semnele de bătrâneţe; ei nu fac cataractă şi nici nu regresează pe plan intelectual şi psihic. Mulţi cercetători, printre care Szamosi et al. (1984) apreciază progeria ca pe un model util al senescenţei, mai cu seamă atunci când se studiază rolul lipidelor în procesele de îmbătrânire.

     Sindromul Werner seamănă în multe privinţe cu progeria dar, spre deosebire de aceasta, apare şi se manifestă între 15 şi 20 de ani, iar pacienţii fac frecvent cataractă şi diabet, durata medie de viaţă fiind inferioară cu 20 sau 30 de ani faţă de cea normală. Fibroblaştii recoltaţi de la aceşti bolnavi secretă mai multă fibronectină decât cei prelevaţi de la oameni sănătoşi (Rasoamanantena et al., 1994).

     Şi sindromul Down se însoţeşte de semne ale unei îmbătrâniri premature; încărunţirea apare mai devreme iar la vârsta de 40 de ani creierul bolnavilor se aseamănă mult cu cel al pacienţilor afectaţi de demenţa senilă, astfel încât numai 3% dintre ei depăşesc vârsta de 50 de ani.

     Un sindrom de îmbătrânire precoce recesivă autosomală, foarte rar întâlnit, este sindromul Cockayne. O'Brien & Ginsberg (1994) descriu cazul unei fetiţe de 4 ani, oarbă, surdă, în greutate de 5,5 kg, cu osteoporoză şi hipertensiune, cu întârziere mintală şi incapabilă să vorbească.

     Şi în rândul animalelor au fost descoperiţi sau au fost creaţi mutanţi caracterizaţi printr-un ritm accelerat de senescenţă. Şoarecele cu îmbătrânire accelerată (“Senescence-accelerated mouse” SAM) este un astfel de model destinat studiului îmbătrânirii (Teramoto et al. 1994).

     Toate aceste boli, ca şi altele asemănătoare, au o clară determinare genetică. Se poate aprecia că dacă există anomalii genetice (cum sunt cele legate de modificările cantitative şi calitative ale acidului hialuronic, caracteristice progeriei) care duc la accelerarea îmbătrânirii, atunci nu este exclus, în principiu să poată fi produse modificări genetice care să conducă, dimpotrivă, la o încetinire a ratei îmbătrânirii; multe speranţe sunt legate de un astfel de tratament genetic al senescenţei, uitându-se faptul că mutaţii cu rezultat benefic în acest sens ar fi putut avea loc în mod natural şi ar fi fost selectate în decursul evoluţiei, fapt ce nu pare a se fi întâmplat.

     Singurul lucru care rezultă cu certitudine din toate cele menţionate mai sus este faptul că durata maximă de viaţă este, într-adevăr, programată genetic; aceasta, însă, nu presupune neapărat existenţa unui ceas biologic care să măsoare timpul hărăzit a fi trăit de un individ şi să dea comenzile necesare executării unui eventual program de senescenţă  existent în genom.

     Este mult mai probabil ca materialele biologice din care sunt construite organismele aparţinând diferitelor specii să reziste în mod diferit la atacul factorilor care realizează presiunea timpului. Cu alte cuvinte, ar fi posibil, de exemplu, ca fiabilitatea colagenului fabricat de nematodul Caenorhabditis elegans (organism care are o viaţă de 900 de ori mai scurtă decât cea a omului) să fie mult mai mică (poate tot de 900 de ori) decât fiabilitatea colagenului uman. Este deopotrivă posibil ca mecanismele de protecţie împotriva factorilor fizico-chimici de micro-stress să fie de, să zicem, 900 de ori mai eficiente la om decât la nematodul menţionat, tot aşa cum este posibil ca ambele situaţii să fie reale iar durata maximă de viaţă să fie o rezultantă a participării celor două fenomene la  împotrivirea organismului faţă de presiunea constantă a timpului.

     Se poate vorbi de coexistenţa unui control genetic activ al ratei îmbătrânirii (bazat pe un program morfogenetic) cu un control genetic pasiv (care se realizează prin atribuirea către proteine a unor  parametri superiori de rezistenţă şi durabilitate  faţă de factorii nocivi).

     Adepţii teoriei genetice a senescenţei excelează în a aduce argumente teoretice în sprijinul convingerilor lor dar reuşesc prea puţin să imagineze vreun mecanism propriu zis, prin care ADN-ul să controleze senescenţa şi moartea.

     Li & Wu (1984), de exemplu, a încercat să dezvolte un model care descrie acţiunea genelor în procesul de dezvoltare, model bazat pe programarea în timp a intrării în acţiune a diferitelor grupuri de gene. Fiecare grup de gene ar activa  următorul  grup şi, în acelaşi timp, s-ar autoinhiba după ce şi-a îndeplinit misiunea. Activarea şi inhibiţia genelor sunt privite de autori ca lanţuri de reacţie caracteristice dezvoltării. Conform modelului enunţat, senescenţa ar fi autoinhibiţia ultimului grup de gene activate în celulele somatice.

     Actualmente, nici un cercetător nu mai susţine existenţa unei gene unice care declanşează şi controlează senescenţa. Susţinătorii teoriei genetice se referă la un grup numeros de gene, după unii de ordinul miilor, care ar fi implicat în îmbătrânire; Johnson (1988, citat în Perlmutter M. & Hall E.,1992) consideră chiar că majoritatea genelor sunt implicate în stabilirea longevităţii organismelor.

     Se mai afirmă că, la un anumit moment  stabilit de programul genetic, genele care ar asigura păstrarea tinereţii sunt reprimate sau copleşite în efectele lor de către genele senectogene care se activează treptat odată cu înaintarea în vârstă.

     Există, cum era de aşteptat, şi versiunea conform căreia una şi aceeaşi genă poate avea atât efecte senectogene cât şi efecte de menţinere a tinereţii, dar ceea ce se exprimă din acea genă diferă în funcţie de vârstă.  

     Teorii nongenetice ale senescenţei

     Teoriile nongenetice exclud posibilitatea declanşării genetic controlate a proceselor senescente, fără, însă, a nega implicarea indirectă a programului genetic în stabilirea duratei maxime de viaţă a indivizilor diferitelor specii.

     Teoriile nongenetice iau în consideraţie acele cauze de natură fizico-chimică care pot induce variaţii ale concentraţiei unor componenţi celulari normali, deteriorarea unor macromolecule sau acumularea unor metaboliţi care nu mai pot fi eliminaţi din celule sau din organism.

     Există, într-adevăr, numeroşi factori fizico-chimici care pot ataca într-un fel sau altul moleculele şi structurile moleculare ce alcătuiesc sistemele biologice; aceşti factori pot deveni cauze primare ale îmbătrânirii numai în condiţiile în care efectele lor dăunătoare persistă în timp, în sensul că nu sunt imediat corectate de mecanismele de apărare de care dispun celulele. Acolo unde au loc concomitent procese de lezare şi de reparare a structurilor biologice, o formulare mai potrivită a unei eventuale cauze primare a senescenţei ar trebui să ia în cosideraţie rezultanta acestor procese. Cauza primară a senescenţei ar deveni, astfel, eventuala valoare subunitară a raportului dintre nivelul leziunilor şi cel al reparării acestora, indiferent dacă este vorba de un exces al factorilor nocivi sau de o insuficienţă a proceselor de reparare. Nu trebuie uitat, de asemenea, că în procesele senescenţei există situaţii în care molecule care nu sunt în nici un fel deteriorate pot provoca disfuncţii celulare prin simpla reducere sau creştere a numărului lor. în acest caz, cauza primară a îmbătrânirii va fi aceea care generează alterarea raportului dintre sinteza şi eliminarea metabolică a respectivelor molecule, aşa dar, cea care conduce la modificarea turnoverului acestor substanţe. Numai acolo unde nu există mecanisme de reparare sau de eliminare şi înlocuire a moleculelor lezate, singur factorul care produce lezarea acestora ar putea fi acceptat drept cauză primară a îmbătrânirii.

     De asemenea, un factor fizico-chimic poate fi acceptat ca o cauză primară ipotetică a senescenţei numai dacă se dovedeşte a fi capabil să determine acumularea progresivă în sistemul afectat a acelor molecule şi structuri moleculare anormale, identificate în sistemele senescente şi inexistente în cele tinere sau, cel puţin, să fie capabil să altereze proporţiile în care se găsesc anumite componente normale ale celulei, conducând la o distribuţie caracteristică sistemelor senescente. Se înţelege că o asemenea schimbare a proporţiei componentelor are efecte şi asupra structurilor în alcătuirea cărora intră moleculele respective, structuri care se realizează în bună parte spontan şi depind de concentraţiile relative ale moleculelor.

     O cauză primară a senescenţei ar putea acţiona direct, producând prin propria sa energie modificări senescente sau ar putea fi doar un factor declanşator (“trigger”) al unor procese active celulare prin care celula însăşi eliberează energia necesară propriei sale distrugeri, similar modului în care se petrec lucrurile în apoptoză. în plus, pe lângă faptul că trebuie să coincidă cu alterările identificate în celulele îmbătrânite, modificările ce pot fi induse de cauza primară incriminată trebuie să aibă şi un caracter cert detrimental, în sensul că ele trebuie să poată deveni cauze ale unor alte procese care, la rândul lor, să ducă la creşterea vulnerabilităţii sistemelor biologice în faţa diverselor agresiuni ale mediului.

     Fiecărei cauze primare invocate ar trebui să-i corespundă un mecanism celular specific de apărare, destinat a elimina efectele dăunătoare ale respectivei cauze. Identificarea unor asemenea mecanisme devine o atestare în plus a caracterului detrimental al modificărilor produse de cauza primară incriminată şi, aşa cum s-a spus, deplasează centrul de greutate al cauzei primare de la factorul fizico-chimic propriu zis la alterarea raportului dintre leziuni şi reparări.

     Desigur, situaţia se simplifică mult în cazul în care celulele nu dispun de nici un mecanism de protecţie faţă de un anumit factor nociv şi, în principiu, aici sunt cele mai mari şanse de de identificare a adevăratei cauze primare a senescenţei (dacă aceasta există), întrucât este de presupus, şi multe date experimentale o confirmă, că atunci când o celulă dispune de un mecanism de apărare faţă de un factor nociv, ea îşi supradimensionează efortul de autoprotecţie până la acel nivel care asigură imediata şi deplina înlăturare a neajunsurilor provocate de acel factor şi permite menţinerea permanentă a constanţei parametrilor celulari.

     Alterarea proprietăţilor unor celule postmitotice este, cel puţin la om, atât de lentă şi atât de regulată în progresia ei în timp, încât este greu de presupus că se datorează doar unui infim dezechilibru între nivelul leziunilor şi cel al reparărilor acestora. Se ştie că lipofuscina se acumulează treptat în neuronii cerebrali ajungând să ocupe la vârsta de 100 de ani între 6 şi 10% din volumul acestora. Un calcul aproximativ arată că, pe tot parcursul vieţii, în fiecare minut este reţinută în celulă o moleculă de lipofuscină. Acceptând ipoteza conform căreia apariţia lipofuscinei este unul dintre efectele atacului radicalilor liberi reprezentaţi de speciile reactive de oxigen, rezultă că eficienţa mecanismelor antioxidante care se opun lipogenezei este cu extrem de puţin mai mic decât 100%. Este greu de crezut că eficienţa mecanismelor de apărare împotriva efectelor radicalilor liberi poate fi menţinută toată viaţa la o valoare, să zicem, de 99,9999999% , nici mai mare şi nici mai mică, pentru a genera acumularea constantă de lipofuscină. Dacă totuşi ar fi aşa, ar trebui căutată cauza care determină valoarea acestui procent iar această cauză ar deveni adevărata cauză primară a senescenţei.

     Ipotezele conform cărora cauza primară a senescenţei ar fi creşterea în timp a raportului dintre nivelul producerii de leziuni moleculare şi cel al reparării acestora, ar putea deveni teorii coerente numai dacă s-ar identifica o lege care să prezică creşterea în timp a acestui raport. Pe lângă dificultatea găsirii unei astfel de legi, se pare că mecanismele de reparare au, chiar în celulele senescente, un nivel ce depăşeşte confortabil necesarul pentru neutralizarea leziunilor moleculare care se produc în mod curent.

     Totul este atât de bine pus la punct încât o celulă post-mitotică ce funcţionează perfect într-un anumit moment, va funcţiona la fel de bine şi după un interval de timp de multe mii de ori mai mare decât perioada medie a interacţiunilor provocate de  mişcările ce au loc la nivel molecular în celulă. Graţie multiplelor lor posibilităţi de autoreparare şi autoînoire, celulele post-mitotice îşi păstrează neschimbate performanţele lor funcţionale nu numai de-a lungul unor intervale de timp de ordinul secundelor, minutelor sau orelor ci (în funcţie şi de specia investigată) chiar de ordinul zilelor, anilor şi deceniilor, lăsând, într-adevăr, impresia că au fost proiectate pentru a funcţiona perfect un timp nelimitat.

     Cu toate acestea, aşa cum s-a mai menţionat,  datele de care dispunem arată că, în realitate, existenţa celulei post-mitotice nu este veşnică.

     Lucrurile se petrec ca şi cum peste procesele extraordinar de rapide ce caracterizează la nivel molecular viaţa celulei (unde moleculele se mişcă cu viteze de ordinul sutelor de metri pe secundă) se suprapun alte procese, pe cât de lente pe atât de implacabile în producerea unor modificări de structură şi de compoziţie chimică, modificări ale căror efecte detrimentale asupra funcţiei celulei se acumulează pe măsura trecerii timpului.

       Există motive întemeiate să se creadă (ignorând, pentru moment, ipoteza unei senescenţe genetic determinată) că îmbătrânirea este provocată de cauze exterioare celulei iar aceste cauze trebuie căutate în forţe de natură diferită faţă de cea a forţelor care pun în mişcare şi menţin funcţionarea normală a celulei. Această  stare de lucruri poate fi prezentată sugestiv apelând la o comparaţie ce poate părea, e drept, forţată, între viaţa unei celule şi evoluţia în timp a unei particule de praf aflată în mediu gazos.

     Sub acţiunea impulsurilor mecanice primite de la moleculele de gaz care o ciocnesc (aflându-se în agitaţie termică), particula de praf se deplasează în zig-zag prin mişcări dezordonate şi imprevizibile. La prima vedere s-ar părea că mişcarea  browniană va menţine particula veşnic suspendată în gaz deoarece nici o direcţie de deplasare nu pare privilegiată. Cu toate acestea, forţa de atracţie gravitaţională, oricât de neînsemnată ar fi ea pentru mica particulă de praf, se va compune de fiecare dată cu fiecare dintre forţele generate în urma ciocnirilor cu moleculele de gaz. Aproape insesizabil, dar inevitabil, firul de praf va evolua în mişcarea sa dezordonată tot mai aproape de sol, pe care, în cele din urmă, se va depune, chiar dacă vor fi necesare secole pentru a se ajunge aici.

     Se poate face o analogie între existenţa în stare de suspensie a particulei şi starea de viaţă a celulei, agitaţiei termice eterne a moleculelor de gaz corespunzându-i  forţele ce pun în mişcare mecanisme genetic determinate care asigură viaţa celulei.

     Coborârea lentă dar inexorabilă a particulei este comparată cu procesul de senescenţă celulară, iar căderea definitivă pe sol, cu moartea celulei. în sfârşit, cauza senescenţei poate fi comparată cu cauza care determină căderea particulei, în cazul de faţă cu forţa de atracţie gravitaţională.

     Dacă această comparaţie este permisă, atunci cauza primară a senescenţei celulare trebuie căutată într-un proces care să întrunească trei atribute şi anume: (a) să fie  imposibil de evitat, (b) să se realizeze prin mecanisme total diferite de cele programate genetic care asigură viaţa celulei şi (c) să fie un proces care să se conducă, în dinamica lui, după legi proprii bine definite.

      O primă idee sugerată de criteriile menţionate este căutarea în rândul fenomenelor statistice ale procesului care reprezintă cauza primară a senescenţei. Se ştie că, atunci când este vorba de un colectiv numeros de particule, peste legile care guvernează comportarea individuală imprevizibilă a fiecărei particule, se suprapun legi de natură complet diferite şi anume, legile statistice care, cu o exactitate care creşte proporţional cu numărul de particule implicate, controlează comportamentul întregului ansamblu de particule. Spre deosebire de procesele de menţinere a vieţii, care se supun unor legi de care depinde comportarea fiecărei molecule în parte, senescenţa ar fi un proces care se supune legilor statistice. Desigur, aceasta este doar o ipoteză folosită  aici ca un exemplu pentru modul în care ar putea fi analizate, conform celor trei criterii amintite, procesele senescente. Aceste consideraţii ar trebui făcute ori de câte ori se pune problema ca un factor fizico-chimic să fie analizat ca o posibilă cauză primară a îmbătrânirii.

     În cele ce urmează vor fi discutaţi factorii fizico-chimici ce pot fi incriminaţi drept cauze primare ale senescenţei. Este vorba, desigur, de formele de manifestare a presiunii timpului, deja prezentate în capitolul 2. Aici vor fi menţionate în special argumentele care sprijină ipoteza participării acestor factori la desfăşurarea  proceselor senescente.

     Principalele mecanisme prin care se realizează efectiv senescenţa, mecanisme ce se presupune că sunt puse în mişcare de una sau alta dintre cauzele considerate primare vor fi prezentate în capitolul imediat următor.

     Teoria radicalilor liberi

     Posibila implicare a radicalilor liberi în declanşarea şi progresia senescenţei a fost menţionată pentru prima dată, într-o formă elaborată şi coerentă, de către Harman (1956), după ce Gershman (1954) a dezvoltat ipoteza unui mecanism comun de acţiune biologică în cazul iradierii şi în cel al intoxicării cu oxigen.

     Interesul stârnit de ipoteza toxicităţii oxigenului a fost foarte mare; în scurt timp au fost identificate şi caracterizate aşa numitele specii reactive de oxigen (printre care oxigenul singlet 1O2, ionul superoxid  O2-•, hidroxilul OHşi peroxidul de hidrogen H2O2), a fost investigat modul lor de apariţie în organismul normal precum şi modul în care organismul se apără de atacul acestor radicali liberi.

     În esenţă, teoria radicalilor liberi a senescenţei se bazează pe faptul că speciile intermediare ce iau naştere în procesul de reducere a oxigenului molecular au o mare reactivitate chimică şi pot leza ireversibil structuri celulare iar efectul lor se poate acumula în timp.

     Mecanismul prin care apar speciile reactive de oxigen a fost descris în capitolul 2. Au fost, de asemenea, menţionate şi principalele enzime care apără organismul de efectele dăunătoare ale radicalior liberi.

     Toxicitatea speciilor reactive de oxigen este indubitabilă. Problema care se pune este, însă, dacă această 'intoxicare cu oxigen' este într-adevăr o cauză a îmbătrânirii.

     În general, se consideră că rata producerii de specii reactive de oxigen este proporţională cu consumul de oxigen în unitate de timp al ţesutului investigat sau cu rata metabolismului acelui ţesut. Dacă ar exista o relaţie direct proporţională între rata metabolismului unor vieţuitoare şi rata îmbătrânirii lor, această relaţie ar putea deveni un argument în favoarea teoriei radicalilor liberi a senescenţei.

     Este adevărat că durata de viaţă a unor animale cu sânge rece este invers proporţională cu temperatura la care acestea sunt menţinute, fapt ce va fi reluat ceva mai târziu în acest capitol. Deoarece rata consumului de oxigen şi, deci, rata metabolismului este direct proporţională cu temperatura organismului, faptul că temperaturile scăzute prelungesc viaţa poikilotermelor poate fi considerat un argument indirect în sprijinul teoriei radicalilor liberi.

     Lucrurile se complică puţin la homeoterme. Rubner (citat în Sohal, 1993), studiind 5 specii de mamifere, îndeajuns de diferite unele faţă de altele, ajunge la concluzia surprinzătoare conform căreia organismele aparţinând tuturor celor 5 specii dispun de acelaşi buget total de energie disponibilă menită a le asigura durata normală de viaţă caracteristică fiecărei specii, buget în valoare de 200 kcalorii pentru fiecare gram de masă corporală. Se poate, aşa dar, crede că unele specii îşi consumă mai repede acest buget şi, deci, trăiesc mai puţin timp decât cele care şi-l cheltuiesc mai lent.

     Rubner a generalizat, pentru întreaga familie a mamiferelor, rezultatele obţinute la cele 5 specii, postulând principiul conform căruia durata de viaţă este determinată de ritmul de trăire, adică de rata metabolismului.

     Această extraapolare s-a dovedit întrucâtva hazardată, deoarece cercetări mai recente au arătat că acest buget energetic viager, numit şi potenţial energetic viager (“life span energy potential”) are, de fapt, la mamifere, valori destul de diferite, cuprinse între 200 şi 800 kcal/g. (pentru comparaţie, valorile bugetului energetic al insectelor este de doar 10-25 kcal/g).

     Ideea existenţei unui buget energetic viager fix lăsat la dispoziţia unui organism pentru a îl cheltui în ritmul pe care îl preferă şi a-l epuiza astfel mai curând sau mai târziu, intră în categoria mai largă a teoriilor bazate pe ideea consumării treptate a unei (unor) substanţe vitale alocate celulelor în chiar momentul fecundării ovulului, teorii inaugurate de Loeb & Northrup  (citaţi în Strehler, 1962).

     Identificarea acestei 'substanţe vitale' ca fiind energia metabolică aparţine lui Pearl care, în 1928, publică lucrarea intitulată 'Ritmul trăirii' ('The rate of living') (citat în Sohal, 1993 şi Strehler, 1962). Vorbind despre ritmul de viaţă, Pearl dezvoltă şi o teorie a senescenţei, teorie a cărei esenţă este că vieţuitoarele care consumă mai intens oxigenul trăiesc mai puţin timp.

     Aşa dar, s-ar părea că, în toate cazurile, consumului superior de oxigen îi corespunde o durată mai mică a vieţii. Dar, aşa cum arată Sohal (1993), există şi argumente împotriva teoriei radicalilor liberi a îmbătrânirii.

     În primul rând, s-a constatat că în cazul Drosophilei, nivelul activităţii fizice (şi deci şi al consumului de oxigen) nu influenţează durata maximă de viaţă. Este vorba aici de linii diferite de Drosophila, caracterizate în mod natural prin nivele diferite ale activităţii fizice şi sexuale. Dacă, însă, muşte aparţinând aceleiaşi linii sunt lăsate să trăiască fie în cuşti mari, unde pot zbura, fie în cuşti mici, care le obligă să fie  sedentare, muştele împiedicate să zboare reuşesc să trăiască de două ori mai mult decât cele care zboară.

     O altă problemă este legată de corectitudinea în sine a ipotezei conform căreia nivelul speciilor reactive de oxigen este într-adevăr proporţional cu nivelul consumului de oxigen. De fapt, nu există dovezi directe în favoarea acestei ipoteze. în mitocondriile aflate în starea 4 de respiraţie se constată chiar că hipooxigenarea favorizează acumularea de peroxid de hidrogen, spre deosebire de situaţia existentă în starea 3, când unei rate relativ mari a consumului de oxigen îi corespunde o generare mai mică de specii reactive de oxigen.

     Este discutabilă, afirmă Sohal (1993), relevanţa metodelor experimentale prin care se determină intensitatea stress-ului oxidativ. în general, se caută indiciile furnizate de efectele prezumtive ale radicalilor liberi, adică prezenţa unor produşi de peroxidare lipidică, cum sunt dienele, malonil dialdehida, alcani sau reactanţi ai acidului tiobarbituric. Deşi asemenea produşi există, nu sunt, în schimb, suficiente date pentru a-i incrimina în generarea senescenţei. Singurii produşi de peroxidare lipidică ale căror concentraţii cresc semnificativ cu vârsta, fapt dovedit atât la şoareci cât şi la insecte, sunt alcanii exhalaţi (etanul şi pentanul). Cu toate acestea, chiar şi creşterea nivelului de alcani exhalaţi poate fi urmarea nu neapărat a creşterii nivelului de radicali liberi ci  a scăderii catabolismului alcanilor sau a creşterii concentraţiei de acizi graşi polinesaturaţi din care provin, prin oxidare, alcanii. Se ştie, însă, că nivelul acizilor graşi polinesaturaţi nu creşte cu vârsta ci, dimpotrivă, scade iar despre variaţia cu vârsta a catabolismului alcanilor nu se ştie mai nimic.

     Există, totuşi, şanse reale ca moleculele ce fac parte din speciile reactive de oxigen să devină mai numeroase  cu vârsta, aşa cum indică cantităţile sporite de etan şi de pentan exhalat de organismele bătrâne.

     Este de presupus că menţinerea unui animal într-o atmosferă caracterizată de o presiune parţială  de oxigen crescută va spori concentraţia speciilor reactive de oxigen. Dacă ipoteza radicalilor liberi a îmbătrânirii este corectă, ar trebui ca durata maximă de viaţă a animalelor să depindă într-un mod corespunzător de concentraţia atmosferică de oxigen.

     Experienţele efectuate de Matsuo (1993) pe Caenorhabditis elegans, atât  linia sălbatică precum şi mutantul mev-1 (kn-1), caracterizat printr-un nivel citoplasmatic al superoxid-dismutazei de două ori mai mic decât cel al liniei sălbatice, au arătat că, în general, durata medie şi maximă a vieţii cresc în cazul hipo-oxigenării şi scad atunci când concentraţia oxigenului atmosferic depăşeşte 21%. Mutantul cu o producţie mai mică de superoxid-dismutază se dovedeşte a fi mai sensibil la variaţiile concentraţiei de oxigen. Acelaşi lucru se petrece şi în cazul Drosophilei (Miquel et al., 1975) sau al muştei domestice (Sohal, 1993).

     Creşterea concentraţiei radicalilor liberi în celulele bătrâne poate fi, însă, rezultatul unei diminuări a eficacităţii mecanismelor enzimatice de protecţie. După cum se va vedea, însă, un asemenea fenomen nu pare a fi  probabil.

     Mutanţii de Drosophila melanogaster complet lipsiţi de catalază nu trăiesc mai puţin decât rudele lor normale. Muştele care dispun doar de 50% din activitatea normală a superoxid dismutazei precum şi cele complet lipsite de glutation peroxidază au durata maximă de viaţă normală, chiar dacă nu şi o durată medie de viaţă normală. Se ştie, însă, că doar durata maximă de viaţă este un indicator acceptabil al ratei senescenţei.

     Toate acestea conduc la concluzia că nivelul apărării enzimatice împotriva speciilor reactive de oxigen depăşeşte confortabil nivelul minim capabil să asigure o durată normală a vieţii, cel puţin în cazul insectelor investigate. Mai mult încă, mutanţii de Drosophila care au o supraexpresie a superoxid-dismutazei (+70%)  sau a catalazei (+80%) nu trăiesc mai mult decât insectele normale. Nici aportul exogen de antioxidanţi sau dietele antioxidante nu sporesc durata maximă de viaţă, chiar dacă o cresc pe cea medie.

     Tolmasoff et al. (1980) (citat în Sohal, 1993) descoperă o bună corelaţie între activitatea superoxid- dismutazei pe unitate de metabolism şi durata maximă de viaţă a organismelor aparţinând  diferitelor specii, dar acest lucru nu s-a dovedit a fi adevărat în toate cazurile. Astfel, rata metabolismului şoarecilor este dublă faţă de cea a şobolanilor şi cu toate acestea atât activitatea superoxid-dismutazei cât şi durata de viaţă au valori foarte apropiate la cele două specii.

     Există date care arată că nivelul activităţii catalazei şi glutation-peroxidazei sunt corelate negativ cu durata de viaţă. Cutler (citat în Sohal, 1993) explică aceasta prin faptul că la speciile longevive există cantităţi mai mici de peroxid de hidrogen şi deci, şi necesităţi mai mici de a îndepărta acest produs. Sohal (1993) însă, efectuând propriile sale experienţe, neagă veridicitatea celor afirmate de Cutler.

     În concluzie, pe baza tuturor celor menţionate mai sus, se pare că o implicare importantă a antioxidanţilor în procesul de senescenţă este îndoielnică. Există, în schimb, dovezi clare şi numeroase că, pe măsura înaintării în vârstă, creşte nivelul radicalilor liberi în celule, iar rata de producere a superoxidului şi a peroxidului de oxigen este mai mare la mutanţii cu speranţă mai mică de viaţă, atât în cazul insectelor cât şi în cel al al unor mamifere cum sunt şoarecii, şobolanii, cobaii, iepurii, porcii şi bovinele, la care se poate stabili o corelaţie negativă între rata producerii speciilor reactive de oxigen şi durata maximă a vieţii (cu excepţia mai sus menţionată a şobolanilor şi şoarecilor, ultimii fabricând mai mulţi radicali liberi în unitate de timp decât primii).

     Modul în care radicalii liberi pot produce leziunile ce stau la baza senescenţei ar putea fi alterarea unor molecule din mitocondrii prin sustragere de protoni, moleculele astfel lezate devenind nefuncţionale şi  având tendinţa de a se acumula în timp. Este vorba de acumularea unor produşi inerţi de tipul lipofuscinei precum şi de împiedicarea bunei funcţionări a sintezei de ATP în mitocondrii. Lezarea ADN-ului mitocondrial ar putea avea consecinţe disproporţionat de grave faţă de amploarea unor astfel de leziuni, care pot fi asimilate cu simple mutaţii punctuale; datele din literatură nu confirmă, însă, asemenea efecte grave.

     Un paradox ce nu poate fi ignorat atunci când se discută ipoteza radicalilor liberi a senescenţei este faptul că, deşi tinerii consumă mai mult oxigen decât bătrânii, ritmul lor de îmbătrânire este mai mic în raport cu cel observat la organismele vârstnice.

     Teoria glicaţiei

    În cartea sa intitulată 'Glucoza ca mediator al senescenţei' publicată în 1985, A. Cerami sugera că o parte din modificările detrimentale ce caracterizează procesul îmbătrânirii se datorează unor reacţii chimice neenzimatice la care participă moleculele proteice şi cele de glucoză. în urma acestor reacţii, moleculele proteice se modifică şi devin incapabile să-şi mai îndeplinească funcţiile.

     Această reacţie chimică (de fapt este vorba de o secvenţă de reacţii) poartă numele de glicosilare neenzimatică sau glicaţie. Implicarea glicaţiei în procesele senescente se bazează pe faptul că glicosilarea este rezultatul unei tendinţe naturale a glucozei de a se combina cu proteinele, tendinţă ce se manifestă atât in vitro cât şi in vivo. Pe de altă parte, se apreciază că numărul de biomolecule care pot cădea victimă glicaţiei este foarte mare.

     Aşa cum s-a arătat în capitolul 2, glicaţia poate fi provocată nu numai de glucoză ci de o mare varietate de oze şi, în general, de molecule care conţin grupări alfa-hidroxicetonice capabile să reacţioneze cu grupările epsilon-aminice ale proteinelor. Fructoza, de exemplu, se poate combina cu proteinele şi poate declanşa lanţul de reacţii de glicosilare, reacţii care, în acest caz, capătă denumirea de  fructosilare.

     Etapele glicosilării (descrise în capitolul 2) sunt, pe scurt, următoarele: glucoza se combină cu o moleculă proteică, rezultând o bază Schiff care generează, apoi, aşa numiţii produşi Amadori, după care apar deoxizonele şi, în cele din urmă, produşii avansaţi ai reacţiei Maillard sau, cum se mai numesc, produşi finali ai glicaţiei avansate, care sunt nişte proteine brune, fluorescente şi intens interconectate.

     Glicosilarea poate fi vinovată de sporirea numărului de legături intercatenare ale proteinelor şi, astfel, poate fi implicată într-o serie de procese senescente.

     Pe de altă parte, unii produşi intermediari ai glicosilării sunt radicali liberi şi pot participa şi ei în procesele senescente, aşa cum s-a arătat în subcapitolul precedent. Ca orice alfa-hidroxialdehidă, glucoza poate trece în formă enolică, devenind capabilă să reducă oxigenul molecular chiar şi în condiţii fiziologice, mai ales dacă sunt prezenţi ioni ai unor metale de tranziţie. Apar, astfel, în cursul acestui proces de auto-oxidare a glucozei, alfa-cetoaldehide şi alţi intermediari oxidanţi, precum şi apă oxigenată şi radicali liberi care pot ataca, la rândul lor, proteinele şi acizii nucleici.

     B.P.Yu (1993) realizează o schemă care scoate în evidenţă interacţiunea sinergică dintre glicaţie şi radicalii liberi în procesul determinării unor efecte caracteristice îmbătrânirii biologice.

 

 

    Există, însă, îndoieli privind participarea glicaţiei în senescenţă, deşi este perfect adevărat că glucoza se poate combina cu proteinele. într-adevăr, colagenul incubat cu glucoză in vitro devine, după un timp, brun, fluorescent iar proprietăţile sale mecanice sunt alterate ca efect al interconectării lanţurilor proteice. Efecte similare se constată şi la alte proteine în prezenţa glucozei, de exemplu la superoxid-dismutază sau la albumine. Proteinele incubate cu glucoză îşi micşorează numărul de sarcini electrice pozitive, îşi blochează grupările aminice critice, tind să se interconecteze şi devin mai greu de recunoscut de către celule, riscând să fie fagocitate de macrofage.

     Cele mai vulnerabile grupări de aminoacizi aflate în structura primară a proteinelor sunt lizina-lizina, lizina-lizina-lizina, lizina-histidina şi lizina-histidina-lizina, deoarece ele pot lega metale de tranziţie capabile să asigure cataliza locală necesară generării de ceto-aldehide reactive.

     Dacă este dovedită capacitatea monozaharidelor de a altera proprietăţile fizico-chimice ale proteinelor şi ale acizilor nucleici in vitro, situaţia in vivo este mult mai puţin clară.

     În primul rând, nivelul glicosilării proteinelor in vivo este foarte mic. Wolf et al. (1991) arată că în hematii, la finele existenţei lor de 120 de zile, doar 1% din grupările aminice ale proteinelor sunt glicosilate. Este drept că la pacienţii diabetici acest procent creşte până la 2,5 dar este greu de susţinut că leziunile caracteristice diabetului pot fi considerate ca având semnificaţia unor manifestări ale senescenţei accelerate.

     O serie de trăsături caracteristice senescenţei, printre care şi creşterea riscului îmbolnăvirii de cancer, nu se întâlnesc în boala diabetică.

    În al doilea rând, nu pare a exista o corelaţie între nivelul glicemiei la diferite specii şi durata maximă a vieţii caracteristică acelor specii. Astfel, mamiferele au, practic, aceeaşi glicemie, dar durata vieţii lor diferă mult de la specie la specie. Păsările se caracterizează printr-o glicemie mult mai mare, dar acest fapt nu le împiedică să trăiască tot atât de mult ca şi oamenii.

     În al treilea rând, se pare că reversibilitatea reacţiilor de glicosilare generatoare de produşi Amadori este atât de mare, încât reduce la minimum riscul ca proteinele structurale să fie afectate de glicaţie in vivo. De exemplu, în cristalin, nivelul glicaţiei a fost găsit constant între vârstele de 5 şi 80 de ani şi nu pare a fi, deci, cauza îmbătrânirii acestuia. Mulţi autori consideră că simpla adiţie de glucoză la proteine (in vivo) are un caracter benign.

     Adevăratul pericol vine din partea produşilor Maillard, care pot juca un rol în îmbătrânirea colagenului, dar datele privind amploarea reală a acestei trepte a glicosilării in vivo  sunt insuficiente pentru a elucida gradul real de implicare a glicosilării în procesele de îmbătrânire biologică.

     Teorii privind rolul radiaţiilor în procesele senescente

     Radiaţiile sunt definite ca forme de transport la distanţă a energiei prin intermediul particulelor atomice, cu sau fără masă de repaus.

     Structurile vii supuse iradierii pot absorbi energia unora dintre particulele incidente, fie pentru a o re-emite sub formă de luminescenţă, fie pentru a o converti în energie termică, fie pentru a antrena moleculele absorbante în reacţii chimice care duc la fragmentarea, polimerizarea sau izomerizarea lor. în cazul macromoleculelor, energia pe care acestea o absorb de la radiaţii poate provoca modificări ale structurii lor secundare sau terţiare.

     Conversia energiei radiante în energie termică poate provoca microşocuri termice locale (care au fost deja menţionate şi  vor mai fi discutate ceva mai târziu în această carte).

     O parte însemnată a efectelor radiaţiilor se realizează prin intermediul radicalilor liberi generaţi în urma iradierii, îndeosebi a celor ce provin din radioliza apei (vezi capitolul 2).

     Este evident faptul că pot fi luate în discuţie ca fiind potenţial senectogene numai radiaţiile care afectează permanent şi pretutindeni structurile vii şi care există dintotdeauna pe Terra. Acestea sunt radiaţiile infraroşii, vizibile şi ultraviolete (din rândul radiaţiilor neionizante provenind din surse naturale) iar dintre radiaţiile ionizante, cele aparţinând fondului natural de radiaţii şi provenind din cosmos sau din obiectele terestre (inclusiv din înseşi structurile vii despre a căror îmbătrânire  este vorba).

     La o primă vedere se poate afirma că toate radiaţiile sunt nocive, indiferent de doză şi aceasta deoarece este indubitabil că, pentru doze mijlocii şi mari, acţiunea nocivă a radiaţiilor creşte cu doza.

     În acest sens, ar fi de aşteptat ca iradierea vieţuitoarelor cu doze de radiaţii mai mari decât cele din fondul natural de radiaţii să accelereze ritmul îmbătrânirii şi să scadă durata medie şi maximă a vieţii acestora.

     În realitate, lucrurile nu stau totdeauna astfel. De exemplu, iradierea unor exemplare din specia Campanularia flexuosa cu raze X în doză de 100.000 r duce în mod paradoxal la dublarea duratei vieţii acestora. Muştele Drosophila melanogaster supuse iradierii cu o doză incidentă de 4300 r nu numai că nu mor mai repede ci, dimpotrivă, durata lor medie de viaţă creşte faţă de cea a muştelor neiradiate (Strehler, 1962, p.125) (Figura 27).

 

     Fig. 27 - Curba situată la dreapta este  curba de supravieţuire a muştelor Drosophila melanogaster iradiate cu 4300 r (în stânga este curba similară pentru muştele din lotul de control)

 

     Şi Sacher (citat de Strehler, 1962) arată că iradierea muştelor Drosophila cu 5000 r le determină să traiască cu 30% mai mult si că viaţa acestor insecte nu este scurtată nici măcar de doza impresionantă de 50.000 r. Trebuie să se ţină, însă, seama de faptul că la Drosophila adultă toate celulele sunt post-mitotice (adică nu se mai divid).

     Pentru a intra în detaliile acestui fenomen surprinzător, Strehler (1962) iradiază cu 5000 r muşte crescute în condiţii sterile şi constată că se înregistrează o scădere cu 10% a duratei de viaţă, aceasta rămânând, însă, mai crescută decât cea a muştelor crescute în condiţii nesterile. Interpretarea acestor rezultate este dificilă.

     Lucrurile nu stau la fel în cazul mamiferelor. Failla (1960) (citat de Strehler, 1962) conchide că iradierea zilnică a şoarecilor cu raze X măreşte rata îmbătrânirii acestora şi calculează, chiar, valoarea dozei zilnice care dublează viteza procesului normal de îmbătrânire, obţinând 12,8 r. El compară această doză cu doza de 0,5 r/zi care este considerată capabilă să dubleze rata mutaţiilor în linia germinală.

     O altă surpriză a fost furnizată de experienţele de determinare a vârstei biologice a cozilor şobolanilor iradiaţi cu raze gamma. Sinex (1960) foloseşte în acest scop una din metodele lui Verzar (vezi capitolul 7) şi constată că şobolanii iradiaţi par a dispune de cozi mai tinere decât cei neiradiaţi. Concluzia lui este că, în orice caz, efectele biologice ale acestor radiaţii nu seamănă cu cele produse de trecerea timpului.

     Dacă radiaţiile ar reprezenta o cauză primară a senescenţei, ar fi de aşteptat ca între sensibilitatea la radiaţii a unor animale şi durata maximă a vieţii lor să existe o relaţie de proporţionalitate inversă.

     F. M. Sinex (1974) prezintă un tabel cu valori ale dozelor de radiaţii care produc moartea a 50% dintre indivizii iradiaţi. Aceste valori sunt de 450 r pentru om, de 550 r pentru şoarece, de 750 r pentru şobolan, de 64.000 r pentru Drosophila adultă şi de 300.000 r pentru parameci. Se poate constata că, deşi omul este mai sensibil la iradiere ca rozătoarele, el trăieşte considerabil mai mult, pentru a nu vorbi de comparaţii în acest sens între mamifere şi insecte.

    În ciuda tuturor celor de mai sus, este de netăgăduit că iradierea cronică cu doze relativ mari a mamiferelor produce unele efecte asemănătoare celor identificate în procesele senescente.

     Începând cu lucrările de pionierat ale lui S. Russ şi G. M. Scott (1939) şi P. S. Henshaw (1944) (citate în Neary, 1960), s-a sugerat în repetate rânduri că iradierea globală a animalelor duce la accelerarea senescenţei acestora.

     Neary (1960) constată, însă, că iradierea cronică cu doze mici, ca şi iradierea unică cu o doză mare, nu produc modificări de tipul celor întâlnite în senescenţă, chiar dacă animalele iradiate mor mai curând decât cele martor. Moartea lor este provocată, în linii mari, de aceleaşi boli care ucid în cele din urmă şi exemplarele neiradiate. Cu alte cuvinte, are loc o scurtare nespecifică a duratei vieţii. Neary presupune că încă de la începutul vieţii animalelor iradiate cronic au loc procese de senescenţă accelerate de iradiere, dar că manifestarea lor devine aparentă doar către sfârşitul vieţii.

     Rezultatele experienţelor de iradiere cronică a şoarecilor au arătat că are loc o deplasare a curbei Gompertz fără ca panta curbei să se modifice, situaţie ce corespunde unei senescenţe premature dar nu unei accelerări a ritmului de îmbătrânire (figura 28).

     Fig. 28 - Rata mortalităţii şoarecilor în funcţie de intervalul scurs după iradiere

 

     Pentru a explica aceste fapte, Neary postulează o evoluţie în doi timpi a proceselor senescente şi numeşte 'inducţie' prima etapă ce constă doar în modificări celulare şi intercelulare neînsoţite de manifestări fiziologice negative. Atunci când nivelul acestor modificări depăşeşte un anumit prag, se declanşează într-o manieră abruptă etapa a doua, numită de Neary 'dezvoltare' şi care constă în procese care, odată iniţiate, se desfăşoară de la sine, fără legătură cu iradierea ulterioară, şi care duc la deteriorarea treptată a organismului şi la moarte. Cu alte cuvinte, efectele iradierii constau în scurtarea etapei asimptomatice de inducţie, cea de dezvoltare rămânând nemodificată.

     Iradierea cronică cu doze mici de radiaţii ionizante, doar cu puţin mai mari decât cele oferite de fondul natural de radiaţii, pare a avea un efect hormetic, de stimulare a proceselor biologice şi se crede că nu numai că nu accelerează senescenţa ci, dimpotrivă, o încetineşte. Este vorba, mai ales, de inhalarea radonului emanat de sol şi acumulat în clădirile cu  nivele puţine şi lipsite de planşee etanşe de beton. Câteva detalii cu privire la hormesis au fost prezentate în capitolul 2.

     Radiaţiile neionizante şi, în mod special radiaţiile ultraviolete, sunt incriminate în sindromul de îmbătrânire prematură a pielii dar nu pot fi considerate ca o cauză primară a îmbătrânirii biologice deoarece îmbătrânirea pielii are loc şi în lipsa iradierii cu ultraviolete.

     Teoria senescenţei datorată microşocurilor  provocate de fluctuaţii termice locale

     Deşi temperatura medie a unui organism viu are valori apreciate ca optime pentru desfăşurarea normală a vieţii, este sigur că la nivelul unor microregiuni ale materiei vii, agitaţia moleculară poate înregistra creşteri sau scăderi spectaculoase ca urmare a fluctuaţiilor inerente oricărui sistem statistic, adică al unui sistem alcătuit dintr-un număr relativ mare de particule.

     Creşterile (sau scăderile) locale de temperatură afectează pentru intervale foarte mici de timp şi în mod aleatoriu diferitele microregiuni ale unei structuri biologice.

     Fig. 29 - Ritmul relativ de îmbătrânire în funcţie de temperatură la câteva specii: L,A,SG şi S = Drosophila melanogaster (rezultate obţinute de diferiţi autori),  E = Pinus tectus, M = Daphnia magna (Strehler, 1962) 

     Orice moleculă sau microstructură vie poate fi lezată, la un moment dat, ca urmare a unei intensificări exagerate a agitaţiei termice în zona în care se află. Pot fi, însă, relevante pentru procesele de îmbătrânire numai acele molecule şi structuri care au un turnover de valoare medie, deoarece în organism moleculele cu perioadă mică de înjumătăţire sunt imediat reparate sau înlocuite iar cele cu timp de înjumătăţire de ordinul secolelor nu pot fi implicate în îmbătrânirea unui organism care trăieşte mult mai puţin. Aşa dar, afirmă Strehler (1962), doar moleculele care au un timp de înjumătăţire comparabil cu durata de viaţă a structurii biologice din care fac parte sunt acelea care sunt suficient de fragile pentru a fi implicate în procesul de îmbătrânire, dar nu sunt suficient de efemere pentru a forţa mecanismele de reparare sau de înlocuire. Printre macromoleculele care candidează pentru poziţia de victime ale microşocurilor termice implicate în senescenţă se află cele ale acizilor nucleici precum şi proteinele fibroase ale ţesutului conjunctiv, în mod deosebit colagenul şi elastina. Chiar dacă ADN-ul pare a fi suficient de stabil in vitro pentru a fi implicat în stabilirea duratei maxime de viaţă, in vivo lucrurile s-ar putea schimba, deoarece este suficientă o leziune minimă a acestei macromolecule pentru ca evoluţia celulei în care se află să ia un curs cu totul diferit faţă de cel normal.

     Relaţiile dintre microşocurile termice locale şi procesele de îmbătrânire nu pot fi analizate experimental decât impunând organismului cercetat temperaturi diferite de cele normale (se ştie că nivelul fluctuaţiilor termice depinde într-o manieră previzibilă de temperatura medie a sistemului investigat).

     Loeb şi Northrop (citaţi în Strehler, 1962) sunt printre primii cercetători care constată o dependenţă clară a duratei de viaţă a muştelor Drosophila de temperatura mediului ambiant. Alpatov şi Pearl (citaţi în Strehler, 1962) observă şi ei că muştele crescute la 18°C trăiesc mai mult decât cele menţinute la 25°C sau la 27°C.

     Numeroşi autori au cercetat dependenţa de temperatură a ritmului de îmbătrânire, în cazul unor insecte şi crustacee. De regulă, în aceste studii, ritmul de îmbătrânire a fost definit ca inversul longevităţii medii normalizată la durata medie de viaţă în condiţiile unei temperaturi constante de 20°C.

     în cele mai multe cazuri, insectele alese pentru acest gen de studiu au fost muştele Drosophila melanogaster, deoarece ele pot fi crescute relativ uşor în laborator,  au o durată de viaţă convenabil de mică şi sunt bine caracterizate din punct de vedere genetic.

     În general se constată că durata vieţii acestor insecte scade semnificativ pe măsură ce temperatura  creşte, începând de la 30°C, aşa cum se vede în figura 29.

      Această sensibilitate deosebită la temperatură a stimulat pe cercetători să calculeze din datele experimentale valoarea entalpiei de activare ce caracterizează efectul temperaturii asupra duratei vieţii, plecând  de la curbele de supravieţuire  înregistrate la diferite temperaturi .

     Înacest scop se pot folosi mai multe metode, printre care cea a reprezentării grafice a logaritmului inversului duratei medii de viaţă în funcţie de inversul valorii temperaturii absolute  precum şi reprezentarea logaritmului pantei Gompertz în funcţie de logaritmul inversului temperaturii.

     Atât prin prima cât şi prin cea de a doua metodă,  Strehler (1962) obţine o entalpie de activare de 18,4 kcal/mol.

     În 1973, Rosenberg et al. constată că datele experimentale obţinute de ei şi reprezentate grafic sub forma curbelor de supravieţuire (figura 30) sunt fitate mai bine de o expresie de tip lege a puterii cu două constante  decât de funcţia Gompertz.

 

     Fig. 30 - Curbele de supravieţuire pentru muşte Drosophila melanogaster crescute la temperaturile de 33°C (1), 31°C (2), 27°C (3) şi 25°C (4). Liniile continue sunt curbele teoretice calculate conform legii puterii 

     În consecinţă, Rosenberg recalculează entalpia de activare a procesului menţionat, folosind legea puterii, şi obţine o valoare de 190 kcal/mol, adică de peste 10 ori mai mare decât cea găsită de Strehler, explicând această diferenţă prin faptul că Strehler a tratat curbele de supravieţuire ca fiind curbe exponenţiale în loc să le accepte ca fiind, mai curând, curbe rectangulare.

     Lăsând la o parte disputele de acest tip, ceea ce este important este faptul că studiul efectelor temperaturii asupra longevităţii permite calcularea unei valori bine definite a entalpiei de activare în cinetica mortalităţii unor organisme multicelulare şi aceasta înseamnă că mortalitatea în funcţie de vârstă este determinată în cele din urmă de evenimente moleculare simple.

     Printre alte rezultate experimentale pot fi amintite cele ale lui Ingle (1939) (citat în Strehler, 1962) care constată că durata medie de viaţă a organismului Moina macrocopa se modifică cu temperatura astfel: la 5°C ea este de 4,2 zile, la 9°C de 11,1 zile, la 15°C de 14,3 zile, la 21°C de 9,2 zile, la 27°C de 6,5 zile iar la 33° C de 4,7 zile.

     Massie et al. (1985) constată că muştele Drosophila ţinute la 11°C trăiesc, în medie, 152 de zile, adică mult mai mult decât muştele crescute la 20°C (81  zile), 25°C (62 zile) sau 30°C (25 zile).

     În ceea ce priveşte homeotermele, determinarea experimentală a ratei mortalităţii în funcţie de temperatură este mai dificilă dar acest fapt nu împiedică formularea unor speculaţii bazate pe extrapolări ale efectelor legilor mortalităţii şi, în special a legii puterii, lege care are în componenţa sa o constantă A ce depinde puternic de temperatură.

     Rosenberg et al. (1973), acceptând şi pentru homeoterme valoarea de 190 kcal/mol pentru entalpia de activare, desenează curbe ipotetice de supravieţuire a oamenilor la diferite temperaturi corporale (figura 31).

 

      Fig. 31 - Curbe umane de supravieţuire deduse pentru situaţiile în care temperatura corpului ar fi 35°C, 33°C şi 31°C; prima curbă este obţinută pe baza datelor reale, considerând temperatura corpului de 37°C

 

     După cum se vede, dacă temperatura omului ar fi de 35°C în loc de 37°C, durata medie a vieţii sale ar fi de 100 de ani iar durata maximă de viaţă ar creşte la 150 de ani. Temperaturii de 33°C îi corespund valorile de 140 şi, respectiv, 210 ani iar temperaturii corporale de 31°C îi corespunde o durată medie de viaţă de 198 ani şi o durată maximă a vieţii de 290 ani. Aşa dar, simpla coborâre a temperaturii cu două grade, printr-o reglare potrivită a termostatului biologic al omului, ar avea efecte mai mari asupra mortalităţii  decât eradicarea bolilor cardiovasculare şi neoplazice la un loc.

     Aprecieri teoretice de acelaşi gen au fost făcute de Sinex (1960) (citat de Strehler, 1965); acesta, folosind în calcule valoarea de 141 kcal/mol pentru entalpia de activare a contracţiei termice a colagenului, şi constatând că tendonul extras din coada de cangur şi încălzit la 63°C se contractă după 4,32 minute iar la 58°C după 1,79 ore, presupune, pe baza extrapolării acestor date, că timpul necesar contracţiei creşte la 1,82 zile pentru 53°C, la 3,58 luni pentru 48°C, la 5,77 ani pentru 43°C şi la 215 ani pentru 38°C. Datele citate sunt interesante din punct de vedere gerontologic deoarece, după cum s-a arătat în capitolul 7, una dintre metodele folosite pentru evaluarea vârstei biologice a unui ţesut este chiar măsurarea intervalului de timp necesar contracţiei termice la o temperatură dată. Ar rezulta, deci, că tendoanele unui animal crescut la temperaturi corporale mai mici decât cele normale sunt mai tinere (sau chiar mult mai tinere) decât tendoanele animalelor crescute la temperaturi normale. Această concluzie s-ar putea extinde la o clasă mult mai mare de proteine.

     Din datele de mai sus se poate aprecia că ritmul îmbătrânirii biologice depinde puternic de variaţiile de temperatură. Faptul că organe atât de importante pentru perpetuarea unor specii (cum sunt testicolele) sunt menţinute la temperaturi cu 2-8°C mai mici decât temperatura corpului, este un subiect care ar putea da mult de gândit în acest sens.

     Teorii ale  impurificării  structurilor biologice cu atomi străini

     Este o realitate faptul că structurile vii au tendinţa de a reţine şi a acumula în timp o serie de specii atomice pe care, iniţial, nu le conţineau sau le conţineau în concentraţii extrem de mici. De aici şi până la atribuirea unor roluri diverse acestor  atomi  în declanşarea şi progresia senescenţei nu mai era decât un pas, pe care mulţi gerontologi l-au făcut, cu rezultate mai mult sau mai puţin convingătoare.

     Se ştie că ionii metalelor de tranziţie (printre care fier, cupru, cobalt, zinc etc.) sunt capabili să accelereze descompunerea peroxizilor şi să stimuleze generarea pe această cale a unor radicali liberi capabili să sustragă protoni acizilor graşi nesaturaţi. Faptul că acest proces de auto-oxidare a lipidelor este implicat în mecanismul de producere a senescenţei a determinat pe unii cercetători să studieze eventualele tendinţe de acumulare cu vârsta a acestor metale, îndeosebi a fierului, în ţesuturile vii.

     Ramsay (1994) observă tendinţa de acumulare cu vârsta a fierului nonhemic în ficatul cailor (dar nu şi în muşchi).

     Massie et al. (1985) constată că la musca Drosophila melanogaster, concentraţia de fier creşte cu vârsta. Dacă muştele sunt menţinute la temperaturi de 25°C sau 30°C, creşterea este de 186 %. Această creştere se reduce la jumătate dacă muştele sunt ţinute la 11°C. Autorii găsesc o relaţie care leagă rata R de acumulare a fierului de temperatura absolută T la care sunt menţinute muştele (log R = 0,0509 T - 0,384). Deoarece, aşa cum s-a arătat în subcapitolul precedent, rata îmbătrânirii este proporţională cu temperatura, se poate crede că şi rata acumulării fierului este proporţională cu rata îmbătrânirii.

Sohal et al. (1985) administrează clorură feroasă (2mM) în apa de băut a muştelor domestice (masculi) şi constată o semnificativă scădere a duratei lor de viaţă, asociată cu creşterea nivelului peroxizilor şi al materialului fluorescent solubil în cloroform, dar nu şi cu reducerea consumului de oxigen sau cu scăderea acţiunii superoxid-dismutazei.

     După cum se ştie, cadmiul este un toxic puternic şi se elimină foarte greu din organism. Cu vârsta, concentraţia sa creşte în diferite ţesuturi şi unii cercetători (Bin & Garfinkel, 1994) cred că acumularea lui poate juca un rol în procesele senescente. Oldereid et al. (1993) raportează şi ei tendinţa de acumulare a cadmiului în organisme dar nu şi a plumbului. Pe de altă parte, studiind o specie de păsări, Burger et al. (1994) constată creşterea în timp a concentraţiei de seleniu, crom şi magneziu în penele acestora dar nu şi a concentraţiei de mercur, cadmiu şi plumb.

    În ceea ce priveşte zincul, este cunoscut că el este un element esenţial pentru creştere şi dezvoltare şi că are tendinţa de a scădea în concentraţie odată cu înaintarea în vârstă. Există, de altfel, în literatură, o ipoteză a senescenţei prin lipsa de zinc. Deoarece cadmiul are printre efectele sale şi inhibarea acţiunii biologice a zincului, este posibil ca scăderea concentraţiei zincului să fie asociată acumulării cadmiului în ţesuturi.

     Madarik et al. (1994) arată că, la oameni, după vârsta de 75 de ani, concentraţia serică a cuprului înregistrează o creştere semnificativă. Creşte şi raportul Cu/Zn, aceasta şi ca urmare a scăderii cu vârsta a zincului tisular.

     Gullestad et al. (1994) arată că, la vârstnici, magneziul are tendinţa de a scădea din punct de vedere cantitativ. în schimb, concentraţia calciului creşte cu vârsta, mai ales în pereţii vaselor sangvine. în intima aortei toracice umane calciul creşte de la 1,6 micrograme/mg la 20 de ani la 5,2 micrograme /mg la 90 de ani. în stratul mijlociu, bogat în elastină a mediei aortei, calciul manifestă o tendinţă de acumulare  şi mai mare (de la 1,4 micrograme /mg la 20 de ani până la 49,5 micrograme /mg la 90 de ani, Elliot & McGrath, 1994).

     Din cele de mai sus reiese că raportul Ca/Mg ar trebui să crească cu vârsta, dar Muller et al. (1994) arată că el rămâne constant, cel puţin în ţesutul conjunctiv.

     În ceea ce priveşte posibila implicare a aluminiului în îmbătrânire, Massie et al. (1985) constată tendinţa de acumulare a acestui metal în ţesuturile Drosphilei pe măsură ce insecta înaintează în vârstă. Administrarea de nitrat de aluminiu (1mM), sulfat de aluminiu (1mM) sau clorură de aluminiu (0,1mM)  reduce cu 20%  durata de viaţă.

     Marzabadi & Jones (1992) constată că nivelul acumulării de lipofuscină în culturile de celule miocardice creşte în prezenţa aluminiului, cadmiului, mercurului şi plumbului dar scade în prezenţa cromului, cuprului şi zincului (toate metalele sunt administrate în concentraţie de 40 micromoli/l).

     Yokel (1989) administrează unor iepuri lactat de aluminiu şi constată că acest metal se acumulează cu uşurinţă, în special în celulele nervoase ale zonei frontale şi hipocampice din creier, având numeroase efecte detrimentale ce duc la creşterea mortalităţii şi scăderea duratei medii de viaţă.

     Lista speciilor atomice care tind să se acumuleze cu vârsta în ţesuturile vii ale diverselor organisme este, fără îndoială, foarte lungă. Pe această listă se află şi borul; colectivul de cercetători condus de H.R.Massie arată că în 9 săptămâni de viaţă, muştele Drosophila îşi sporesc conţinutul de bor cu 52% (Massie et al., 1990). Administrarea de borat de sodiu în concentraţie de 1 mM/l scade durata de viaţă cu 21% iar  concentraţia de 10 mM/l, cu 69%. Tendinţa de acumulare a borului există şi la şoarece precum şi la om. Pe de altă parte, absenţa totală a borului din alimentaţie este nocivă, ridicând din nou problema efectelor hormetice ale unor factori fizici sau chimici, factori care în doze mici au un efect benefic (stimulând creşterea şi dezvoltarea) pentru ca administrarea aceloraşi factori în doze mai mari să fie detrimentală.

     Olivieri et al. (1994) arată că înaintarea în vârstă se asociază cu o scădere a concentraţiei de seleniu în ţesuturi.

     Pentru a pune o anumită specie atomică în situaţia de a fi considerată cauză primară a senescenţei sunt necesare câteva condiţii:

     -să fie dovedită nocivitatea biologică a acelei specii atomice dacă este administrată în doze mari

     -să fie dovedit faptul că organismul studiat nu se poate lipsi de doze mici din acea specie atomică (în sensul că substanţa respectivă  are efecte benefice în concentraţii mici); rezultă că acel organism este obligat să ingere specia de atomi, pentru a putea supravieţui sau pentru a ajunge la maturitate sexuală

     -în cazul în care nu se poate dovedi că specia atomică respectivă este indispensabilă organismului, trebuie dovedit că este practic imposibil ca ea să fie complet eliminată din dieta animalului studiat, fapt ce are acelaşi rezultat al creării condiţiilor necesare pentru acumularea lui în timp

     -să fie dovedită tendinţa de acumulare în timp a acelei specii de atomi în ţesuturile vii

     Un capitol interesant şi promiţător al teoriilor senescenţei prin impurificare este cel ce se referă la substituirea izotopilor uşori ai unor elemente chimice de către izotopii grei ai aceloraşi elemente.

     Acest proces ar putea avea loc pentru toate speciile atomice întâlnite în organism (mai puţin pentru fosfor, care nu are decât un singur izotop stabil) şi în special pentru hidrogen, oxigen, azot şi carbon care există atât sub formă de izotopi uşori cât şi ca izotopi grei, proporţia în care se găsesc în natură izotopii grei fiind foarte mică în comparaţie cu cea a izotopilor uşori.

     Aşa cum s-a arătat în capitolul 2, diferenţele dintre proprietăţile fizico-chimice ale izotopilor aceluiaşi element sunt cu atât mai mari cu cât diferenţa dintre masele izotopilor uşori şi grei este mai mare. Raportul masic atinge valoarea de 2 numai în cazul hidrogenului, deoarece deuteriul este de două ori mai greu decât hidrogenul uşor. în cazul tuturor celorlalte elemente, raportul este doar cu foarte puţin mai mare decât 1 iar diferenţele între proprietăţile izotopilor, deşi există, sunt, probabil, neglijabile din punct de vedere al posibilelor lor implicaţii biologice.

     În cazul înlocuirii hidrogenului uşor cu deuteriu, molecula rezultată are unele dificultăţi în a se angaja în reacţii chimice, cu alte cuvinte, necesită o energie de activare mai mare. Acest lucru este  mai evident atunci când deuteriul este plasat chiar la nivelul sitului activ al moleculei (efect izotopic primar) sau aproape de acesta (efect izotopic secundar).

     Substituirea hidrogenului uşor (H) cu deuteriul (D) poate avea şi alte efecte, derivate din faptul că energia legăturilor C-D, N-D şi O-D este mai mare decât cea existentă în  cazul configuraţiilor C-H, N-H şi O-H iar distanţa efectivă dintre atomi este mai mică în cazul stărilor deuterate. De asemenea, energia legăturii de hidrogen este mai mică decât cea a legăturii de deuteriu şi acest fapt face ca ruperea  legăturilor de deuteriu sub efectul agitaţiei termice să fie mai dificilă iar structurile legate prin legături de deuteriu să fie mai stabile. Modificarea distanţelor C-H, N-H şi O-H în cazul deuterării poate avea un efect steric, mai ales asupra enzimelor.

     Există unele temeiuri pentru a lua în considerare ipoteza rolului jucat de deuteriu în îmbătrânire.

     În primul rând, deuteriul este toxic pentru majoritatea  organismelor vii (deşi nu pentru toate), ceea ce înseamnă că, în funcţie de cantitatea de apă grea (D2O) administrată cronic, durata medie de viaţă scade.

     Muştele ce consumă apă în care există apă grea în concentraţii de 20% sau 40% trăiesc de două ori mai puţin decât muştele din lotul de control (Strehler, 1962) (figura 32).

 

     Fig. 32 - Efectele ingestiei de apă grea asupra mortalităţii muştei Drosophila melanogaster crescute la  25°C (A=apă grea 40%, B=apă grea 20%, C=lot de control) (Strehler, 1962)

 

    În al doilea rând, deuteriul pare a fi necesar, în concentraţii mici, pentru creştere şi dezvoltare.

     Efectele hormetice ale deuteriului au fost evidenţiate de Somlyai et. al. (1993), care au arătat că rata de  creştere a fibroblastelor precum şi rata de proliferare celulară în cancer scad semnificativ atunci când se utilizează o apă cu o concentraţie de deuteriu de 3 ori mai mică decât cea existentă în mod natural (adică 50 de părţi la un milion în loc de 150 ppm)

     În al treilea rând, pretutindeni pe glob şi, probabil, în toate timpurile, cel puţin de când există viaţa, raportul dintre concentraţiile naturale de deuteriu şi de hidrogen este în jur de 1/6000 iar modificarea acestui raport este o operaţie extrem de  dificilă şi nu se produce în mod natural.

     În al patrulea rând, există unele indicii că deuteriul tinde să se acumuleze cu vârsta în ţesuturile biologice.

     Există, deci, întrunite, cele patru condiţii menţionate ceva mai sus pentru ca eventualul rol senectogen al acumulării deuteriului în ţesuturile biologice să poată fi luat în consideraţie.

     Strehler (1962) se arată neîncrezător în această eventualitate;  analizându-şi propriile rezultate, el  afirmă că la concentraţiile de apă grea pe care le-a utilizat în experienţele lui, acumularea deuteriului în ţesuturi a depăşit cu siguranţă orice posibilă acumulare ce s-ar produce în împrejurări naturale. în aceste condiţii, reducerea viabilităţii insectelor supuse la concentraţii de 40% de apă grea este mult prea mică faţă de ceea ce ar fi de aşteptat dacă, într-adevăr, deuteriul ar juca un rol important în senescenţă. Strehler conchide: 'De aceea, ipoteza îmbătrânirii prin acumularea unor concentraţii inhibitorii de apă grea în situri vitale trebuie, probabil, eliminată'.

     Această concluzie poate fi, însă (şi probabil că este), pripită, deoarece există posibilitatea ca acumularea deuteriului în structurile biologice să depindă prea puţin de concentraţia lui în mediul biologic şi foarte mult de capacitatea macromoleculelor de a îngădui procesul de substituire a hidrogenului uşor de către deuteriu.

     Trebuie, de altfel, menţionat că rezultatele experienţelor lui Strehler sunt contrazise de cele ale lui White et al. (1992), care constată că administrarea de apă grea în concentraţii mai mici de 40-50% nu scurtează durata de viaţă a muştelor Drosophila ci, dimpotrivă, prelungeşte această durată. Tot ei observă că are loc încetinirea bioritmului circadian al muştelor într-o măsură proporţională cu doza de deuteriu administrată.

     Este ştiut că substituţia hidrogenului cu deuteriu poate avea loc numai pentru atomii de hidrogen legaţi de oxigen şi nu pentru cei legaţi de carbon sau de azot. Aceşti din urmă hidrogeni sunt numiţi 'non-exchangeable', adică imposibil de schimbat şi vor fi numiţi, în continuare 'neschimbabili', în lipsa altui termen mai potrivit.

     Dacă se ia în discuţie potenţialul senectogen al deuteriului, trebuie avută în vedere numai posibilitatea lui de acumulare în siturile neschimbabile ale unor structuri permanente, astfel încât, odată pătrunşi prin substituţie izotopică într-o moleculă, atomii de deuteriu să nu o mai poată părăsi sau, dacă o pot, totuşi, părăsi, să întâmpine dificultăţi mai mari decât cele legate de pătrunderea în moleculă.

     Griffiths (1973) imaginează o astfel de situaţie în care un deuteriu ia locul unui proton aflat temporar într-o poziţie 'schimbabilă' pentru a trece, apoi, într-o poziţie neschimbabilă.

     Prilejul se iveşte în cursul tranziţiei ceto-enolice. în prima fază, molecula se găseşte sub forma unui enantiomer enolic iar hidrogenul uşor care urmează a fi înlocuit este legat de oxigen, formând împreună cu el grupul oxidril. \In urma substituţiei, oxidrilul OH devine OD. Prin trecerea enolului în forma cetonică, deuteriul se va găsi legat de un atom de carbon (CD), aşa dar, într-o poziţie neschimbabilă (figura 33).

 

 

     Fig. 33 - Substituirea hidrogenului uşor de către deuteriu, prilejuită de tranziţia ceto-enolică

 

     Este drept că la următoarea tranziţie prin care cetona redevine enol, deuteriul ar putea să reintre în compoziţia noului oxidril format (OD) şi să părăsească molecula prin schimb izotopic cu un hidrogen uşor din mediul de reacţie dar acest lucru este puţin probabil din mai multe motive.

     În primul rând, pentru trecerea în poziţia schimbabilă din oxidrilul ce apare în urma tranziţiei ceto-enolice candidează mai mulţi atomi de hidrogen (între 2 şi maximum 5 atomi) astfel încât şansa ca tocmai deuteriul să reuşească să-şi facă apariţia în noul oxidril (şi nu ceilalţi atomi de hidrogen uşor din rândul candidaţilor) este, după caz, cuprinsă între 1/2 şi 1/5. Pe de altă parte, există o şansă în plus pentru ca atomii de hidrogen uşor să apară în poziţia schimbabilă, deoarece deuteriul, fiind de două ori mai greu şi, totodată, mai puternic legat de atomul de carbon decât hidrogenul uşor, are nevoie de mai multă energie ca să poată face acest lucru.  

     Se crează, astfel, condiţiile acumulării în timp a deuteriului în structurile şi în macromoleculele biologice cu turnover lent sau nul, aşa cum sunt acizii nucleici, colagenul, elastina etc.

    Un prilej similar l-ar putea oferi fenomenul racemizării, adică al transformării unei substanţe optic active, alcătuită din enantiomeri dextrogiri şi levogiri, într-un amestec lipsit de activitate optică.

    În anumite cazuri, interconversia celor doi enantiomeri presupune apariţia unei forme simetrice enolice , posesoare a unui oxidril şi, deci, a unui hidrogen schimbabil (figura 34).

Procesele de racemizare ce afectează unii produşi biologici par a se desfăşura cu o frecvenţă mai mare la organismele mai vârstnice.

                                          Fig. 34 - Racemizarea 3- metil 2- pentanonei (se remarcă apariţia hidoxilului în formula enolului inactiv)

 

        Ritz & Schutz (1993) utilizează, chiar, acest fapt pentru a elabora o metodă prin care să determine post-mortem vârsta la care au decedat unele persoane neidentificate. Ei se bazează pe creşterea aproape liniară cu vârsta a nivelului racemizării acidului aspartic aflat în nucleul pulpos al discurilor intervertebrale.

     Grupul lui Ritz reia aceste cercetări în 1994 (Ritz et al.), determinând nivelul racemizării acidului aspartic în osteocalcină, cunoscută ca fiind cea mai abundentă proteină necolagenică din matricea organică a osului. Concentraţia acidului D-aspartic creşte proporţional cu vârsta ca urmare a racemizării in vivo. Rezultate similare au fost obţinute şi în dentină.

     Luthra et al. (1994) constată (pentru prima dată în literatură) racemizarea unor reziduri optic activi ai L-amino-acizilor din cristalinul uman, în mod special a rezidurilor tirozinei, concentraţia D-tirozinei crescând odată cu înaintarea în vârstă.

     Fujii et al. (1994) observă că în cristalin are loc, pe măsura înaintării în vârstă, racemizarea rezidurilor de L-aspartil. Acest proces ar putea avea loc pe calea unui intermediar succinimid.

     Gallo et al. (1993) studiază mecanismul prin care racemazele catalizează racemizarea acidului glutamic şi în acest scop măsoară nivelul incorporării deuteriului în poziţia C2 a glutamatului, ca urmare a racemizării. Datele lor pledează pentru existenţa unui mecanism de deprotonare/protonare.

     Problema care se pune este, însă, dacă există, într-adevăr, o tendinţă de acumulare cu vârsta a deuteriului în ţesuturile biologice.

     Schiegl & Vogel (1970) arată că nivelul de deuteriu în plantele bătrâne creşte cu 2-7% iar Bricout & Merlivat (1971) măsoară concentraţia deuteriului în sucul de portocale şi constată că este cu 4% mai mare decât în apa de ploaie. în general, se pare că organismele terestre, spre deosebire de cele marine, manifestă o tendinţă de acumulare a deuteriului (Griffiths, 1973).

     O a doua problemă, care prezintă interes atunci când se încearcă atribuirea unui potenţial senectogen deuteriului, este legată de caracterul detrimental sau benefic al efectelor biologice ale deuterizării.

     Literatura de specialitate dedicată acestei probleme este deosebit de abundentă şi este imposibil să fie rezumată aici. De regulă, lucrările publicate scot în evidenţă caracterul toxic al apei grele administrată în concentraţii medii şi mari. Multe dintre efectele biologice ale apei grele seamănă cu cele ale senescenţei, dar acest lucru este valabil şi pentru mulţi alţi factori nocivi de origine fizică sau chimică.

     Este interesant de menţionat că, mai ales în ultimii ani, au început să apară lucrări experimentale care scot în evidenţă efectul benefic al apei grele administrată în concentraţii foarte mici. Acest efect hormetic pare a fi caracteristic şi concentraţiilor naturale de deuteriu, dacă este adevărat că administrarea de apă cu conţinut de deuteriu mai mic decât cel al apei potabile obişnuite are efecte biologice negative în ceea ce priveşte rata creşteri şi dezvoltării. Recent, Somlyai et al. (1993) publică un articol  care lasă să se înţeleagă că şoarecii cu tumori canceroase cutanate, care beau cronic apă dedeuterizată (de fapt, apă în care concentraţia de deuteriu este de 3 - 5 ori mai mică decât cea naturală) îşi ameliorează semnificativ starea sănătăţii sau chiar se vindecă.

     Indiferent de faptul că efectele biologice ale deuteriului sunt pozitive sau negative, este clar că aceste efecte există şi că ipoteza participării acestui izotop stabil greu al hidrogenului în procesul senescenţei este permisă.

 

 

 

Cuprins

Capitolul 9