Capitolul  9

 

                TEORII PRIVIND MECANISMELE FUNDAMENTALE ALE SENESCENŢEI

 

 

     Senescenţa ca rezultat al instabilităţii genomice

     După cum se ştie, celulele biologice conţin acizi nucleici sub formă de ADN (acid dezoxiribonucleic) şi ARN (acid ribonucleic).

     ADN este depozitarul tuturor informaţiilor necesare sintezei proteinelor. în celulele eucariote, cea mai mare parte a ADN este adăpostită în nucleu, intrând în compoziţia  cromatinei şi alcătuind cromozomii mitotici. Acest tip de ADN poartă denumirea de ADN cromozomal, spre deosebire de ADN-ul mitocondrial (mt-ADN) localizat în mitocondrii şi spre deosebire de alte tipuri de ADN care au fost sau care vor fi, posibil, identificate în unele organite sau substructuri celulare cum sunt cloroplastele, sinaptozomii etc.

     Moleculele de ARN (acid ribonucleic) se află în citoplasmă (cu excepţia formelor nematurizate  aflate  în drum către citoplasmă); ele fac posibilă sinteza proteinelor conform proiectului furnizat de ADN.

     Macromolecula de ADN este formată dintr-un şir liniar de nucleotide de patru feluri: CMP (citidin monofosfat sau acid citidilic), TMP (timidin monofosfat sau acid timidilic), GMP (guanozin monofosfat sau acid guanilic) şi AMP (adenozin monofosfat sau acid adenilic).

     Aceste denumiri provin de la numele celor patru baze azotate (citozina, timina, guanina şi adenina). Fiecare dintre baze poate exista în mai multe forme tautomere în care poziţiile dublelor legături diferă.

     Conform modelului lui Watson şi Crick (1963), ADN-ul cromozomal este organizat sub forma a două lanţuri complementare, întotdeauna o adenină a unui lanţ fiind legată cu o timină a celuilalt (prin două legături de hidrogen) iar o citozina a unui lanţ cu o guanina a celuilalt (prin trei legăturide hidrogen).

     Cele două lanţuri complementare de ADN formează o dublă spirală. în mod normal, dublul helix al ADN este răsucit 'pe dreapta'. Există, însă, şi situaţii în care elicea este răsucită invers, 'pe stânga' (figura 35). Răsucirea în sens invers este favorizată de existenţa unor porţiuni în care guanina şi citozina (în special când este metilată în poziţia 5) se succed astfel încât să formeze structuri de tipul CGCGCGC...

Fig. 35    a) cele două lanţuri complementare de ADN    b) modalităţi de răsucire a elicei ADN

 

     Forma răsucită pe dreapta, numită B-ADN construieşte o spirală regulată, spre deosebire de forma răsucită invers (Z-ADN) care dă o structură mai curând în zig-zag decât spiralară. Este posibil ca existenţa unor segmente de Z-ADN într-un lanţ de ADN să aibă o semnificaţie aparte pentru sinteza proteică.

     Instabilitatea genomică sau genetică, cum mai este denumită în literatura de specialitate, este considerată de către mulţi gerontologi ca un factor fundamental în senescenţă. Această instabilitate se manifestă prin posibilitatea apariţiei unor leziuni la nivelul acizilor nucleici sub impactul factorilor ce realizează aşa numita presiune a timpului. Printre aceste leziuni se numără dimerizările unor baze azotate, rupturile simple sau duble de lanţ, substituţii ale unor anumite baze azotate cu alte baze ce n-ar trebui să se afle în acele locuri, deleţii ale unor segmente din lanţ sau transpoziţii ale altor segmente ce apar în lanţ în locuri unde nu ar trebui să fie etc. La acestea se pot adăuga treceri ale unor baze azotate dintr-o formă tautomeră în alta şi răsucirea inversă a unor segmente ale dublului lanţ al ADN-ului.

 

     Teorii ale senescenţei prin mutaţii somatice

     În cazul în care leziunile ADN nu sunt reparate, ele rămân definitive şi realizează mutaţii genetice care se pot transmite din generaţie în generaţie, atunci când afectează celulele germinale (evident, dacă sunt compatibile cu viaţa şi cu reproducerea organismelor în cauză), precum şi mutaţii somatice care modifică doar proprietăţile celulei afectate şi pe acelea ale celulor fiice (dacă este vorba de o celulă somatică încă aptă de a se divide).

     Şansa ca o leziune ADN să se constituie într-o mutaţie este mai mare acolo unde mecanismele de reparare  prin excizie şi resinteză ale lanţului au o eficacitate mai mică; aşa cum se va arăta mai departe, un caz particular îl reprezintă ADN-ul mitocondrial, deoarece mitocondria nu dispune de astfel de mecanisme de reparare  iar concentraţia  factorilor mutageni în mitocondrie este foarte mare.

     Apariţia unei mutaţii face ca unele gene să nu se poată exprima sau, dacă, totuşi, se exprimă, să conducă la sinteza unor proteine defecte (în ceea ce priveşte structura lor primară, secundară sau de ordin superior) şi, deci, nefuncţionale. Prezenţa unor astfel de molecule în număr prea mare este considerată de unii cercetători ca fiind în măsură să explice tabloul divers al manifestărilor senescenţei.

     Pentru a verifica justeţea teoriei mutaţiilor somatice a îmbătrânirii, este necesar să se compare rata de accelerare a senescenţei, produsă de administrarea unor factori mutageni, cu rata de accelerare a producerii de mutaţii; în cazul în care există o corelaţie pozitivă între cele două rate, există şanse ca teoria mutaţiilor să  fie adevărată. Din păcate, rata producerii mutaţiilor într-o celulă somatică, în special când este vorba de o celulă post-mitotică, este dificil de apreciat, singura posibilitate fiind aceea de a accepta ipoteza conform căreia rata mutagenezei în celulele somatice ale organismului în cauză are o valoare apropiată de rata mutagenezei în celulele germinale ale aceluiaşi organism.

     Procedând aşa, se poate constata o nepotrivire marcată între valorile celor două rate (a senescenţei şi a producerii mutaţiilor), nepotrivire care nu este în sprijinul teoriei mutaţiilor.

     Aceasta nu înseamnă că în celulele somatice nu se pot acumula mutaţii. Tao & Heddle (1994) administrează cronic mutageni unor şoareci şi constată caracterul aditiv al mutaţiilor somatice  cu caracter neutral în epiteliul intestinului subţire. Gaubatz & Tau (1994) investighează producerea mutaţiilor somatice la celulele post-mitotice, îndreptându-şi atenţia asupra metilării N7-guaninei. Această mutaţie este destul de frecventă, fiind depăşită numai de rupturile simple de lanţ şi, posibil, de mutaţiile prin depurinare. Metil-7-guanina se acumulează cu vârsta, în ciuda faptului că nucleul dispune de un mecanism de reparare. Eficienţa acestui mecanism scade în ţesuturile bătrâne. Evans et al. (1994) menţionează că în neuroni se petrec destul de des deleţii GA în secvenţele repetitive de tip GAGAG.

     Pe de altă parte, la multe specii de vieţuitoare şi îndeosebi la insecte, tratamentul cu radiaţii ionizante (cunoscute ca mutagene puternice) nu accelerează procesele de îmbătrânire ci, uneori, dimpotrivă, le încetineşte, chiar atunci când este vorba de doze ridicate de radiaţii administrate prin expuneri cronice.

     Există şi alte tipuri de dovezi împotriva teoriei mutaţiilor a senectogenezei. în cazul speciei Habrobracon, care se caracterizează prin prezenţa atât a masculilor haploizi cât şi a celor diploizi,  ar fi de aşteptat ca, în lumina teoriei mutaţiilor, rata îmbătrânirii să fie mai mare la masculii haploizi, deoarece ei au doar jumătate din setul de gene al diploizilor şi, de aceea, riscul pierderii de gene prin mutaţii este dublu. în realitate, cele două feluri de masculi trăiesc tot atât de mult, cu toate că, supuşi iradierii, masculii haploizi se dovedesc a fi mai vulnerabili, aşa cum era, de altfel, de aşteptat, ţinând seama de faptul că iradierea creşte mult rata de producere a mutaţiilor.

     Aceasta, ca şi numeroase alte dovezi acumulate în timp, l-au condus pe Streher (1962) la o concluzie lipsită de echivoc: 'Este extrem de improbabil ca procesul de îmbătrânire să fie o consecinţă a acumulării cu vârsta a unor mutaţii somatice sau chiar a unor aberaţii cromozomiale. Este sigur, totuşi, că asemenea leziuni genetice se produc, dat fiind faptul că stabilitatea structurilor genetice nu este absolută. Gradul de instabilitate genetică nu pare, însă, a fi un factor semnificativ în stabilirea duratei de viaţă a organismelor aflate în habitatul lor normal'.  

     O interesantă teorie menită să acrediteze rolul mutaţiilor în senectogeneză a fost formulată de Medvedev (1972) sub numele de teoria mesajului redundant. Medvedev pleacă de la faptul că genomul mamiferelor conţine circa 105 gene structurale sau cistroni, dintre care numai 0,2% - 0,4% sunt exprimate în timpul creşterii şi dezvoltării biologice. Cu alte cuvinte, din 500 de gene numai una este activă, restul de 499 fiind represate. Este evident că şansa ca o mutaţie să survină, de-a lungul timpului, în rândul genelor represate este de 500 de ori mai mare decât în cel al genelor active.

     Medvedev presupune că fiecare genă există în numeroase exemplare identice. Gena  activă la un moment dat va fi represată în cazul în care va fi afectată de o mutaţie şi o altă genă, identică, îi va lua locul pentru a fi exprimată în continuare, mesajul informaţional rămânând intact. Când toate genele de acelaşi fel vor cădea pradă mutaţiilor, rezerva informaţională a genei respective se va epuiza şi vor ieşi la iveală manifestări ale senescenţei.

     Cu cât rezerva de gene identice este mai bogată, cu atât mai mare va fi durata de viaţă a organismului respectiv. Numele de teorie a mesajului redundant provine de la semnificaţia termenului de redundanţă. După cum se ştie, utilizarea unui număr mai mare de semnale decât cel necesar pentru a transmite o anumită informaţie poartă numele de redundanţă, iar avantajul redundanţei este creşterea şanselor ca o informaţie să fie corect recepţionată de destinatar. în cazul de faţă, redundanţa contribuie la corecta sinteză a proteinelor codificate de o genă.

     Dacă teoria lui Medvedev este corectă, atunci este evident că în cazul în care  genele unice (aflate într-un singur exemplar) ar fi afectate de  mutaţii, organismul ar avea mult de suferit (în funcţie şi de caracterul mai mult sau mai puţin vital al genei respective). Există, probabil, un grup de gene unice a căror deteriorare în timp stă la baza proceselor senescente timpurii.

     O altă teorie care se întemeiază pe efectul mutagen produs de radicalii liberi este teoria senescenţei prin disdiferenţiere enunţată de R.Cutler  (1982). Conform acestei teorii, odată cu înaintarea în vârstă intervine o reglare genică incorectă, care duce la apariţia unor celule disdiferenţiate, având caracteristici diferite faţă de cele normal diferenţiate, printre care şi o eficienţă funcţională scăzută. în senescenţă, consecinţele disdiferenţierii rămân limitate la celulele post-mitotice afectate; în cazul transformării neoplazice (care este considerată de Cutler tot ca o formă de disdiferenţiere) efectele se multiplică prin diviziuni celulare succesive.

     Principalele elemente ale ipotezei disdiferenţierii sunt:

     -senescenţa este un efect secundar al unor procese metabolice normale, în sensul că nu există gene senectogene menite să promoveze îmbătrânirea unor vieţuitoare

     -longevitatea organismului este determinată de nivelul de stabilitate al aparatului genetic sau, cu alte cuvinte, de diferenţele care pot apărea în expresia unui set de gene care determină longevitatea caracteristică speciei respective; aceste gene, de fapt, elaborează diferite mecanisme de apărare împotriva unor factori nocivi cum sunt, de exemplu, radicalii liberi

     Printre cele mai importante argumente aduse de Cutler în sprijinul teoriei sale se numără şi faptul că există o proprţionalitate între rata pierderii de 5 metil citozină (5 mC) şi rata îmbătrânirii.

 

     Senescenţa ca rezultat al dereglării proceselor genetice de transcripţie şi de  translaţie

    Prin transcripţie a informaţiei genetice se înţelege procesul prin care informaţia stocată sub forma succesiunii bazelor azotate de-a lungul unui lanţ ADN este transferată într-o moleculă de ARN-mesager sintetizată pe baza matriţei oferite de ADN.

    Translaţia (sau traducerea) se referă la transmiterea şi utilizarea informaţiei conţinute de ARN-mesager în vederea sintezei  proteice.

    Acidul ribonucleic (ARN) se deosebeşte de ADN prin faptul că dezoxiriboza este înlocuită cu riboza, timina cu uracilul iar moleculele de ARN există în lanţuri simple şi nu în duble spirale.

     ARN-ul există în celule sub trei forme principale :

     -moleculele de ARN  mesager (m-ARN) al căror rol este copierea informaţiei conţinute în genele unuia sau ale celuilalt lanţ al ADN-ului dublu spiralat. De fapt, copierea constă în sinteza unei molecule de ARN cu ajutorul enzimei ARN-polimerază, în aşa fel încât lanţul de ARN să se potrivească perfect cu acel segment de ADN ce serveşte drept matriţă; potrivirea este asigurată de corespondenţa dintre bazele azotate. Fiecărei adenine ale ADN îi corespunde o un uracil pe lanţul ARN, fiecărei timine o adenină, fiecărei citozine o guanină şi fiecărei guanine o citozină.

     Sinteza moleculei de m-ARN începe de la sfârşitul unei secvenţe de circa 40 de nucleotide ale ADN, numită secvenţă promotor şi se face prin legarea succesivă a nucleosidelor trifosfatate ATP, GTP, UTP şi CTP în ordinea dată de sensul de citire 5'-3' (vezi figura 35) a lanţului de ADN. Numai primul nucleotid al m-ARN îşi păstrează gruparea trifosfat, celelalte devenind nucleotidele AMP, GMP, UMP şi CMP în urma unor reacţii de hidroliză care oferă, de altfel, energia necesară sintezei m-ARN.

     Pe măsura copierii, elicea ADN se desface şi se reface, formând un 'ochi' care avansează în sensul 5'-3' al lanţului care a fost ales drept matriţă de sinteză a m-ARN; astfel are loc transcrierea informaţiei genei de pe ADN pe m-ARN. Punctul unde se sfârşeşte gena este indicat de începutul unei secvenţe de nucleotide tip 'palindrom imperfect' urmată de o secvenţă bogată în adenină şi timină (prin palindrom se înţelege o porţiune a dublei spirale în care citirea celor două lanţuri complementare ale segmentului de ADN pe sensul 5'-3' produce acelaşi cuvânt, de exemplu  3' --GAATTC--5' pe un lanţ şi 5'--CTTAAG--3' pe celălalt lanţ).

     O genă ADN este transcrisă în sute de exemplare identice de m-ARN, în cadrul unui proces de amplificare (sau, mai curând, de multiplicare) a informaţiei, proces care va fi urmat de o nouă o treaptă  de multiplicare, constând în aceea că fiecare m-ARN generează sinteza unui  număr relativ mare de molecule proteice.

     Se ştie că în genom există secvenţe care pot fi transcrise şi traduse, numite exoni, precum şi secvenţe care pot fi numai transcrise, numite introni.

     În afară de ARN-ul mesager, celula dispune şi de ARN-ul de transfer (t-ARN) care recunoaşte şi culege moleculele de amino-acizi din citoplasmă şi le transportă până la ribozomi.  

     În sfârşit, a treia varietate de ARN este ARN-ul ribozomal (r-ARN) care se află în ribozomi şi în mitocondrii, rolul lui în sinteza proteică fiind mai puţin bine cunoscut.

     Pentru t-ARN şi r-ARN,  ADN-ul dispune de gene speciale care pot fi  transcrise dar nu şi traduse (nefiind vorba de o sinteză proteică). Din această cauză, multiplicarea informaţiei în acest caz este mai redusă, cu riscurile de rigoare privind conservarea mesajelor genetice în faţa atacului unor factori ai presiunii timpului.

     Sinteza proteinelor începe din momentul în care m-ARN interacţionează cu unul sau mai mulţi ribozomi, alcătuind un aşa numitul poliribozom.

      În m-ARN există, spre capătul 5', un triplet de baze numit codon semnal. Aici începe asamblarea diferiţilor aminoacizi, unui amino-acid corespunzându-i unul sau mai mulţi codoni formaţi din trei nucleotide. Există 64 de posibilităţi de aranjare a bazelor azotate în grupuri de câte trei, aşadar există 64 de codoni dintre care trei  (UAA, UAG şi UGA) nu codifică nici un aminoacid şi au semnificaţia de codon stop care arată că procesul de sinteză a unei proteine a luat sfârşit.

     Odată sintetizate, proteinele care au aminoacizii aranjaţi într-un şir care corespunde succesiunii codonilor (tripletelor de baze) din m-ARN, suferă unele modificări care constau în scurtări de lanţ, adiţie de zaharide (glicosilare), de coenzime, hidroxilare a prolinei (în cazul colagenului), legare prin punţi disulfidice etc. Aceste modificări au un caracter definitiv, spre deosebire de  altele (ca acetilarea lizinei, fosforilarea serinei etc.), care sunt reversibile.

     Proteinele pot rămâne libere în citoplasmă, în cazul în care au fost sintetizate în ribozomi ce nu aparţin reticulului endoplasmic, iar dacă provin din ribozomi legaţi de reticulul endoplasmic pot fi integrate în membrane (sau pot iniţia formarea de membrane care să le conţină, ceea ce este acelaşi lucru) sau pot fi secretate în afara celulei după ce sunt pregătite pentru exocitoză în complexul Golgi.

     Proteinele care trebuie să traverseze nemijlocit membranele (de exemplu, membrana reticulului endoplasmic) au la capătul NH2 o secvenţă semnal formată din circa 20 de aminoacizi cu proprietăţi mai intens hidrofobe; după traversare, această secvenţă numită 'leader' va fi excizată.

     Sinteza proteică este reglată prin inducţie şi prin represie, în aşa fel încât să corespundă nevoilor celulei.

     Există două scenarii posibile. Primul dintre ele admite că formarea m-ARN este permanent împiedicată de către un represor; apariţia unui inductor va împiedica această represie.  Al doilea scenariu apreciază că  sinteza proteică ar avea un caracter permanent, fiind întreruptă de însuşi rezultatul ei, atunci când substanţa sintetizată depăşeşte cantitativ un anumit nivel şi fiind reluată automat atunci când produsul sintetizat scade sub acest nivel. Cu alte cuvinte, represorul este chiar produsul de sinteză, atunci când se află în concentraţie prea mare.

     Se remarcă din cele de mai sus  complexitatea extraordinară a proceselor de transcriere şi de translaţie, soldate cu apariţia proteinelor ca produse finite. Pare evident că un mecanism atât de complicat poate fi afectat de erori, mai ales că spaţiul fizic pe care îl are la dispoziţie este infim, iar mediul în care lucrează este caracterizat printr-o violentă agitaţie termică. Nu trebuie uitat că proteinele, chiar dacă nu au defecte la finele translaţiei, se pot defecta şi după aceea, ca urmare a atacului unor factori fizico-chimici a căror prezenţă în celulă este dovedită. Este explicabil, deci, faptul că există numeroase teorii ale senescenţei care se referă la dereglări ale transcrierii şi/sau ale translaţiei.

     Von Hahn (1970) emite ipoteza conform căreia senescenţa celulară îşi are originea în dereglarea procesului de transcripţie a informaţiei de la ADN la ARN-mesager. El admite că această dereglare poate fi programată genetic sau poate avea drept cauză procese stochastice reprezentate de efectele variatelor agresiuni ale factorilor presiunii timpului (microşocuri termice, radiaţii, radicali liberi etc.). Dereglarea transcripţiei este produsă, după von Hahn, de  proteinele legate de ADN ale căror modificări cantitative sau calitative au ca efect îngreunarea procesului de separare a lanţurilor complementare, proces absolut obligatoriu pentru transcripţie.

     O ipoteză recentă (Driver & Vogrig, 1994) susţine că senescenţa este indusă de replicarea somatică a elementelor transpozabile, cu ajutorul revers-transcriptazelor.

     O teorie care s-a bucurat de un mare interes  a fost teoria catastrofei erorilor, formulată de Orgel (1963). Conform acestei teorii, gradul de fidelitate al procesului de sinteză proteică scade odată cu vârsta; într-un proces atât de complex, cum este sinteza proteică, erorile sunt inevitabile, putând afecta oricare dintre  etapele procesului.

     Orgel susţine că, de regulă, şirul acestor erori este convergent, numărul total de erori tinzând la o limită a cărei valoare este constantă şi suficient de mică pentru a permite mecanismelor reparatorii să elimine la timp proteinele incorect sintetizate.

     Se întâmplă, însă, ca şirul de erori să devină divergent atunci când intervine un cerc vicios în care creşterea numărului de erori acumulate conduce la o creştere încă şi mai mare a viitoarelor erori de sinteză proteică. în acest moment se produce 'catastrofa' erorilor iar durata de viaţă a celulei care găzduieşte un asemenea eveniment este drastic scurtată.

     După două decenii, în care timp teoria erorilor s-a aflat în topul preferinţelor gerontologilor, credibilitatea ei a început să scadă rapid, deoarece s-a demonstrat că, de fapt, în celulele senescente creşterea numărului de proteine greşit sintetizate este neînsemnată; mai mult încă, introducerea experimentală de proteine defecte în celulă duce la distrugerea şi eliminarea acestora fără vreo accelerare semnificativă a ritmului de îmbătrânire.

     O menţiune specială trebuie acordată acelor teorii ale senescenţei care pun pe primul plan efectul nociv al modificării gradului de metilare a ADN-ului, deoarece metilarea ADN poate fi considerată ca sursă a unor mutaţii epigenetice (Holliday, 1991), putând altera expresia genelor.

 

    Senescenţa ca o  consecinţă a creşterii numărului de legături intercatenare  ('cross-links')

     Teoria conform căreia la baza proceselor de îmbătrânire biologică stă formarea unui surplus de  legături transversale între lanţurile macromoleculelor a fost propusă de Johan Bjorksten, care a publicat numeroase lucrări în acest sens de-a lungul a peste patru decenii, începând din anii '40.

     Concluzia lui Bjorksten se bazează pe dovezi obţinute prin analiza chimică a ţesuturilor senescente precum şi pe un raţionament simplu şi convingător: în orice organism viu există atât macromolecule ce pot fi interconectate cât şi molecule capabile să le asigure această interconectare. Este, de asemenea, disponibil, timpul necesar realizării interconectării  (la multe specii, timpul pus la dispoziţie este de ordinul deceniilor) iar reacţia de interconectare este reacţia care poate produce cele mai mari consecinţe posibile ca urmare a celor mai mici interacţiuni imaginabile.

     Gravitatea consecinţelor  interconectării depinde, cum este şi firesc, de rolul jucat de macromoleculele implicate. Dacă este vorba de cele două lanţuri complementare ale ADN-ului, această interconectare poate avea efecte fatale pentru celula gazdă, deoarece împiedică despiralarea dublei elici a ADN-ului necesară replicării şi transcripţiei informaţiei pe ARN-mesager. O asemenea interconectare poate fi urmarea dimerizării unor baze azotate (mai cunoscută este dimerizarea timinei care are loc în urma iradierii cu radiaţii ultraviolete, figura 36). Aici, spre deosebire de cazul general, nu este necesară prezenţa unei molecule care să realizeze interconectarea.

 

 

Fig. 36 -a) Conectarea lanţurilor de ADN prin dimerizarea timinei    b)  Conectarea lanţurilor de ADN prin radicalul metilen al formaldehidei

 

     Bjorksten consideră că cel mai periculos agent de legare este aldehida formică (CH2O), modul în care poate ea opera fiind arătat în figura 36, unde se vede că după  pierderea oxigenului (care se combină cu doi hidrogeni pentru a forma apă), gruparea metilen care mai rămâne din aldehida formică leagă covalent o bază purinică de una pirimidinică. Reacţia este, practic, instantanee şi puternic exotermă (variaţia de entalpie este 217,6 kcal/mol).

     Bjorksten (1974) inventariază acele reacţii metabolice normale care pot duce la formarea aldehidei formice şi menţionează opt dintre ele, printre care reacţia dintre serină şi aldolază cu formarea glicinei şi a aldehidei formice precum şi cea dintre dimetilglicină şi oxigen cu generarea de sarcozină şi formaldehidă.

     Formaldehida este numai unul dintre extrem de numeroşii agenţi de legare transversală care pot apărea în metabolismul intermediar normal sau care se pot ivi în variate condiţii patologice.

     Cei mai mulţi asemenea liganzi apar ca urmare a atacului radicalilor liberi şi, în mod deosebit, a acţiunii speciilor reactive de oxigen asupra acizilor graşi nesaturaţi. De altfel, pe acest tip de reacţii se bazează tehnicile de tanare sau de tăbăcire a pieilor precum şi numeroase procedee utilizate în industria lacurilor şi vopselelor.

     O altă sursă de producere a moleculelor capabile să realizeze interconectarea macromoleculelor, îndeosebi a celor proteice, este glicosilarea enzimatică şi varianta ei neenzimatică, numită şi glicaţie. De fapt, aceste două teorii mai noi ale senescenţei (teoria radicalilor liberi şi teoria glicaţiei) au preluat ştafeta de la mai vechea teorie a legăturilor transversale (“cross-linkage”), îmbogăţind-o cu numeroase fapte experimentale noi.

     Se ştie că procesul normal de maturare a colagenului comportă apariţia unor legături transversale între lanţurile macromoleculare. Trecerea timpului, însă, favorizează creşterea numărului acestora peste cel necesar precum şi apariţia unor legături transversale senescente asigurate prin alte mecanisme decât cele considerate fiziologice (capitolul 8).

     Interconectarea lanţurilor de colagen duce la diminuarea turnoverului acestuia şi crează condiţii pentru învechirea (sau îmbătrânirea) lui. Koyama et al. (1993) ajung la concluzia că înaintarea în vârstă favorizează formarea de legături suplimentare intra şi inter moleculare la nivelului colagenului; că este aşa stă mărturie scăderea cu vârsta a concentraţiei sangvine a hidroxiprolinei (considerată o măsură a turnoverului general al colagenului).

     Trebuie amintit aici faptul că în urmă cu un secol şi jumătate, savantul rus Bogomoleţ susţinea ipoteza conform căreia cauza îmbătrânirii ar fi acumularea de colagen şi îşi trata pacienţii vârstnici cu diferite decocturi care aveau menirea de a dizolva colagenul (din păcate, respectivele decocturi nu dizolvau colagenul şi nu aveau niciun efect antisenectogen).

     Astăzi nu mai încape nicio îndoială că toate structurile care conţin colagen, elastină sau alte proteine fibrilare îşi modifică proprietăţile pe măsura trecerii timpului. Cum aceste structuri există în articulaţiile oaselor, în discurile intervertebrale, în pereţii arterelor, în piele, în cristalin etc. (practic, peste tot şi la imensa majoritate a animalelor), este lesne de înţeles că îmbătrânirea colagenului prin interconectarea excesivă a lanţurilor sale ar putea sta la originea multor manifestări ale procesului de senescenţă.

     Trebuie subliniat faptul că interconectarea proteinelor din matrixul extracelular şi, mai cu seamă, a celor din membrana bazală a celulelor, ar putea crea dificultăţi transportului macromoleculelor, micromoleculelor şi ionilor prin membrană şi ar putea contribui şi pe această cale la procesul de îmbătrânire biologică. 

 

     Fig. 37 - Reprezentare schematică a modului de constituire a rezidurilor nemetabolizabile ca urmare a  interconectarii lanţurilor unor macromolecule

 

     Interconectarea lanţurilor poate avea, însă, şi alt fel de consecinţe prin crearea în diferite celule a unei adevărate împâsliri a  macromoleculelor proteice, aşa cum se vede în figura 37, şi formarea unui ghem strâns în interiorul căruia nu mai pot pătrunde proteazele sau alte enzime menite să proceseze şi să elimine proteinele în cadrul unui turnover normal. Aceste proteine se acumulează şi se constituie, de exemplu, în aşa numitele 'împâsliri neurofibrilare' ('neurofibrillary tangle') din neuronii senescenţi, în depozite hialine sau amiloide etc. Ele pot fi nocive celulei sau, în cel mai bun caz, doar stânjenitoare.

 

     Senescenţa ca rezultat al acumulării unor produse de deşeu metabolic

     Lipofuscina se numără printre cele mai cunoscute produse de deşeu metabolic care se acumulează cu vârsta în celulele post-mitotice.

     Lipofuscina este definită ca un pigment granular citoplasmatic, având o structură şi o compoziţie heterogenă, bogat în lipide şi în proteine (între care există interconectări). Culoarea lipofuscinei este galben brună. Are un maxim de absorbţie la 370 nm. şi emite prin fluorescenţă radiaţii cu maxime în domeniile lungimilor de undă cuprinse între 440 - 460 nm şi 530 - 560 nm (Hyden & Lindstrom, 1950, citat în Strehler, 1962). Lumina emisă prin fluorescenţă este galbenă (Tsuchida et al., 1987).

     Dayan et al. (1988) menţionează că lipofuscina este o substanţă PAS pozitivă care se colorează în brun sau negru cu procedeul Masson-Fontana, în negru cu negru Sudan şi în roz-purpuriu cu coloraţia Ziehl-Neelsen. Lipofuscina se dovedeşte a fi foarte puţin solubilă în mai toţi solvenţii organici şi anorganici, inclusiv în acizii tari, şi nu este afectată de autoliza post-mortem.

     După Wisniewski & Wen (1988), lipopigmetul galben este format din granule care au două componente: una este o substanţă fluorescentă cu densitate electronică mare iar cealaltă este reprezentată de lipide electron-transparente. Cele două componente sunt învelite de o membrană comună şi continuă.

     Studiind mitocondriile extrase din miocardul de hamster, Skepper & Navaratnam (1987) ajung la concluzia că lipofuscina provine din fuziunea lizozomilor primari cu mitocondriile, ultimele fiind distruse în mod progresiv pe măsură ce creşte activitatea fosfatazei acide. în cele din urmă ar rezulta un pigment granular lipsit de activitate acid-fosfatazică. O altă cale de apariţie a lipofuscinei ar fi aceea care implică participarea lizozomilor secundari sub formă de vezicule autofagice care 'înghit' mitocondrii, picături lipidice şi alte structuri amorfe.

     Studiind lipofuscina din celulele epiteliale retiniene umane, Feeney-Burns & Eldred (1983) apreciază că granulele de lipofuscină provin din fagozomi convertiţi în fagolizozomi săraci în enzime lizozomale. Eldred & Lasky (1993) constată că sursa fluorescenţei lipofuscinei din celulele epiteliale retiniene este o amină cuaternară, produs al unei reacţii de tip bază Schiff al retinaldehidei şi etanolaminei din epiteliul pigmentar retinal.

     Katz & Shanker (1989) cred că fluoroforii care intră în compoziţia pigmentului galben din acest tip de celule derivă din componentele moleculare ale segmentelor externe ale celulelor receptoare retiniene fagocitate. Autorii constată că leupeptina, care este un inhibitor al proteazei lizozomale, creşte rata acumulării lipofuscinei în celulele epiteliale retiniene senescente.

     Brunk et al. (1992) afirmă că formarea lipofuscinei începe de la pătrunderea în lizozomii secundari a apei oxigenate produsă de mitocondrii; deoarece lizozomii conţin fier provenit din structurile celulare degradate, între apa oxigenată şi ionii feroşi are loc o reacţie de tip Fenton care duce la apariţia radicalului liber de OH. răspunzător de peroxidarea lipidelor şi de legături încrucişate intermoleculare. Yin (1992) consideră  importantă în lipofuscinogeneză participarea legăturilor încrucişate între grupările carbonil ale proteinelor, grupări al căror număr este crescut ca urmare a proceselor de oxidare.

     Gutteridge (1984) crede că lipofuscina este rezultatul auto-oxidării lipidelor, declanşată de radicalii liberi care sustrag protoni acizilor graşi nesaturaţi. Auto-oxidarea ar fi stimulată de sărurile de fier şi cupru care descompun peroxizii, permiţând generarea unor noi radicali liberi care, la rândul lor, iniţiază noi procese de auto-oxidare lipidică.

     După Dowson et al. (1992), lipofuscina este un deşeu celular legat de procesele de reînoire a constituenţilor celulari.

    Lizozomii par a fi puternic implicaţi  în producerea lipofuscinei precum şi, în general, în fenomenele de senescenţă celulară; termenul de lizozom include numeroase structuri delimitate de membrane şi având ca element  comun  prezenţa  hidrolazelor.

     În funcţie de starea lor funcţională, lizozomii pot fi clasificaţi (figura 38) în lizozomi primari, care sunt formaţi ca atare alături de alte organite celulare, şi lizozomi secundari, ce provin din vacuole fagocitare (heterofagozomi) sau din porţiuni de citoplasmă delimitate de membrană (autofagozomi); în lizozomii secundari sunt transferate enzime ale lizozomilor primari.

     Rolul lizozomilor este dublu. Pe de o parte ei contribuie la nutriţia celulei prin digestia corpurilor fagocitate (şi, uneori, chiar prin digestia unor porţiuni ale propriei celule - autofagie) iar pe de altă parte participă la apărarea celulei prin detoxifierea unor particule străine sau prin limitarea extinderii unor procese celulare degenerative, mergând, uneori, până la autodistrugere în cazul apoptozei sau al necrozei celulare.

     Un lizozom secundar al cărui conţinut nu este complet digerat de enzimele lizozomale dă naştere unui corp rezidual care poate conţine reziduri membranare sub forma aşa numitelor 'figuri mielinice', pigmenţi de tipul lipofuscinei, precum şi alte substanţe cum sunt feritina, pigmenţi biliari, substanţe străine injectate etc.

     De regulă, soarta corpilor reziduali este, în cele din urmă, exocitoza; în unele cazuri, însă, corpii reziduali se elimină foarte greu şi au tendinţa de a se acumula în celulă pe măsură ce aceasta înaintează în vârstă, aşa cum este cazul granulelor de lipofuscină.

 

     Fig. 38 -  Reprezentare schematică a lizozomilor şi a vacuolelor celulare: 1-producerea unei vezicule la nivelul membranei reticulului endoplasmic, 2-vezicula transportă hidrolaze, 3-o parte din hidrolaze sunt deversate în elemente ale complexului Golgi, 4 şi 5-lizozomi primari, 6-fagocitoza unei bacterii, 7-heterofagozom, 8-lizozom secundar (heterolizozom, heterofagozom sau vacuolă heterofagică), 9 şi 10-digestia şi formarea unui corp rezidual ce va fi eliminat prin exocitoză, 11 şi 12-lizozomi secundari (autolizozomi, autofagozomi sau vezicule autofagice)

 

      Din rândul lizozomilor se desprind, ca entităţi diferite, peroxizomii, care sunt organite de mici dimensiuni (mai  mici decât mitocondriile) şi care au funcţia de a cataboliza bazele purinice provenite din degradarea acizilor nucleici, de a participa, alături de mitocondrii, la -oxidarea acizilor graşi (până la radicalul acetil ce se va combina cu coenzima A) precum şi la reglarea catabolismului glucozei prin oxidarea NADH2.

     Principalele enzime existente în peroxizomi sunt: catalaza, care distruge apa oxigenată, uricaza, care degradează acidul uric provenit din bazele purinice, L-alfa-hidroxi-oxidaza (pentru oxidarea acizilor graşi) şi D-amino-oxidaza care acţionează asupra aminoacizilor dextrogiri. Odată cu vârsta, apar şi alte depozite de produşi greu metabolizabili. Aşa sunt granulele ceroid-lipofuscinice, bogate în enzime lizozomale şi fluorescente. Ele au, spre deosebire de granulele cu lipofuscină, un profil lamelar caracteristic (Wisniewki & Wen, 1988). în capitolul 8 s-a vorbit mai pe larg despre depozitele de amiloid şi de neuromelanină.

 

     Senescenţa ca rezultat al deteriorării biomembranelor

     Membrana celulară este o structură aflată la periferia celulei, având rolul de a limita şi controla transportul moleculelor şi al ionilor între compartimentul intracelular şi cel extracelular precum şi de a transmite, recepţiona şi prelucra mesaje informaţionale.

     Definiţia de mai sus poate fi uşor adaptată celorlalte membrane celulare care delimitează nucleul, mitocondriile, aparatul Golgi, reticulul sarcoplasmic, lizozomii etc.

     Toate membranele au în componenţa lor un bistrat lipidic în care sunt inserate proteine având uneori extensii extracelulare sub formă de lanţuri glicoproteice fibrilare care formează aşa numitul glicocalix sau glicolemă (strat a cărui grosime poate fi mult mai mare decât 7,5 nm cât este grosimea membranei celulare propriu-zise). De peste două decenii este acceptat modelul în mozaic fluid proteo-lipidic al membranei, emis de Nicholson şi Singer în 1972 (figura 39 ).

ig. 39 -Modelul Nicolsohn şi Singer al membranei celulare: L-lipide, P-proteine, G- glicocalix

 

     Prin faţa sa internă, membrana celulară intră în relaţii strânse cu citoscheletul alcătuit, îndeosebi, din microtubuli şi microfilamente (vezi capitolul 8).

    Membrana celulară nu este, în condiţii fiziologice, rigidă; dimpotrivă, ea are un grad ridicat de fluiditate. Lipidele din membrană sunt libere să se deplaseze prin translaţie în planul membranei (cu o viteză de circa 1 m/s), să se rotească în jurul axei longitudinale (o rotaţie completă necesitând între 10-6 s şi 10-9 s) şi să se deplaseze dintr-o pătură a bistratului lipidic în cealaltă pătură prin basculare. Cozile hidrofobe ale lipidelor membranare pot să se îndoaie (mişcări de flexie) (figura  40).

Fig. 40 -Mişcările moleculelor lipidice în membrana celulară: F-flexie, R-rotaţie, B-basculare, DL-difuzie laterală

 

     La rândul lor, proteinele pot migra în planul membranei cu o viteză de circa 1 micrometru/minut (Rusu et al., 1988).

     Fluiditatea membranei depinde, desigur, de factori fizici ca temperatura şi presiunea, care influenţează componenta browniană a mişcărilor moleculare. Fluiditatea membranei depinde, însă, în condiţii de presiune şi de temperatură constante, de factori legaţi de compoziţia chimică a membranei, printre care mai importanţi sunt următorii: raportul colesterol/fosfolipide în bistratul lipidic, raportul acizi graşi nesaturaţi/ acizi graşi saturaţi, raportul sfingomielină/lecitină, raportul fosfatidilcolină/fosfatidiletanolamină şi raportul proteine/lipide (după M. Shinitzky, Biochim. Biophys. Acta, 1984, 738, 251, citat în Rusu et al.,1988)

      Este cunoscut faptul că membranele celulelor care au degenerat malign se remarcă printr-un grad crescut de fluiditate, ca urmare a unui nivel scăzut al colesterolului membranar (cunoscut ca principalul 'amortizor de fluiditate' al membranei). Dimpotrivă, fluiditatea membranelor senescente scade (vezi capitolul 8).

     Membrana celulară este sediul diferitelor forme de transport în care sunt angajate particule macroscopice solide sau lichide, macromolecule, molecule şi ioni; ea este implicată, de asemenea, în procese de recepţie şi de transmitere a mesajelor purtătoare de informaţie, sosite pe calea factorilor fizici, chimici şi biologici. Ea este capabilă să prelucreze semnalele primare, sosite prin aşa numiţii mesager-primi (mediatori, hormoni, droguri etc.) şi poate activa în anumite cazuri sinteza intracelulară a unor mesageri secunzi (cAMP, cGMP, DAG, ITP, Ca++ etc.) care, la rândul lor, activează nişte protein-kinaze ce realizează în cele din urmă răspunsul celular propriu-zis.

     Datele din literatură (de care dispunem) referitoare la modul în care sunt afectate de senescenţă diferitele forme de transport activ şi pasiv nu sunt foarte numeroase.

     Este clar, însă, că o celulă senescentă nu reuşeşte să menţină acelaşi înalt grad de asimetrie, în ceea ce priveşte ionii de Na şi K, la fel ca o celulă tânără. Nu este exclus ca la acest efect să participe şi senescenţa canalelor de Na+ şi K+ dar este mult mai probabil să fie implicate în primul rând alterări legate de pompa de Na+ şi K+.

      În privinţa senescenţei membranelor, în general, datele din literatură arată că fluiditatea membranei celulare scade pe măsură ce celulele înaintează în vârstă, atât în cazul senescenţei clonale cât şi în cazul senescenţei celulelor postmitotice.

     Zs. Nagy (1978) este cunoscut ca autor al ipotezei membranare a senescenţei. în principiu, el consideră că, pe măsura trecerii timpului, membranele celulare rezistă tot mai greu atacului radicalilor liberi iar leziunile produse de aceştia se acumulează, ducând la diminuarea performanţelor funcţionale ale membranelor de orice fel.

     După Nagy, procesul de lezare senescentă a membranelor comportă următoarele aspecte mai importante:

     -ca urmare a atacului radicalilor liberi şi al microşocurilor termice apar legături intercatenare ('cross-links') în membrane care îşi scad permeabilitatea pentru ionii de potasiu şi pentru apă; efectele manifeste ale acestor interconectări sunt modificarea coeficientului de fluiditate al lipidelor membranare şi a coeficientului de difuzie laterală al proteinelor precum şi modificarea distribuţiei componenţilor membranari atât din punct de vedere calitativ cât şi cantitativ

     -consecutiv acestor modificări, concentraţia intracelulară a potasiului ionizat creşte cu 30-100%

     -tăria ionică a mediului intracelular creşte, iar sistemul coloidal intracelular devine din ce în ce mai condensat, pe măsura pierderii tot mai masive a apei

     -condensarea coloidală duce la micşorarea vitezei reacţiilor enzimatice, inclusiv a celor care catalizează apărarea antioxidantă a celulei; transcripţia şi translaţia informaţiei sunt încetinite şi modificate

     -scade activitatea lizozomilor, cu acumulare consecutivă de pigmenţi şi alte reziduri inerte

     -turnoverul proteic redus duce la instalarea unui cerc vicios care face ca leziunile la nivelul membranei să se accentueze în manieră exponenţială

 

     Senescenţa ca rezultat al deteriorării mitocondriilor

     Mitocondriile sunt nişte organite celulare având dimensiuni cuprinse în mod obişnuit între 0.5 şi 1 micrometri, putând ajunge, însă, până la 7 micrometri; forma lor este în continuă schimbare, mitocondriile putând să se dividă sau să fuzioneze. Mitocondriile există în număr mare în celulele eucariote (de exemplu, în celula hepatică sunt între 1000 şi 2000 de mitocondrii care ocupă 1/5 din volumul celulei).

     În mitocondrie sunt delimitate două spaţii: unul este înconjurat de membrana internă a mitocondriei şi poartă numele de matrix iar celălalt se află între membrana internă şi cea externă.

     Membrana externă conţine numeroase molecule proteice care crează canale apoase largi prin bistratul lipidic, canale prin care poate trece orice fel de moleculă cu masa până la 10.000 Da, accesul din citoplasmă către spaţiul intermembranar fiind aproape liber. Nu la fel de uşor se trece din spaţiul intermembranar în matrix, deoarece membrana internă a mitocondriei este mult mai puţin permeabilă pentru molecule şi ioni. Ea dispune, de altfel, de numeroase proteine pentru transportul specific al unor solviţi. Tot odată, pe faţa internă a membranei interne sunt fixate numeroase enzime care asigură metabolizarea piruvatului (după o prealabilă glicoliză anaerobă în citoplasmă) şi a acizilor graşi sosiţi din citoplasmă, până la forma de acetil-coenzima A pe care o oxidează, apoi, prin intermediul ciclului lui Krebs (figura 41)

.

     Fig. 41 - Reprezentare schematică a principalelor reacţii chimice care se desfăşoară în mitocondrie

 

     În vederea unei aprovizionări continue cu energie, celula stochează, în apropiere de mitocondrii, granule de glicogen şi picături de grăsime (trigliceride ale acizilor graşi).

     Cei 8 electroni eliberaţi în ciclul Krebs sunt acceptaţi de nicotinamid-adenin-dinucleotid (NAD) şi de flavin-adenin-dinucleotid (FAD) şi transmişi, apoi, de către un ansamblu de complexe enzimatice asociate unui lanţ respirator, către acceptorul final care este oxigenul molecular.

     Energia eliberată pe parcursul transportului de electroni generează un gradient de potenţial electrochimic al protonilor care permite pătrunderea acestora în matrixul  mitocondriei.

     Aşa cum s-a arătat în capitolele precedente, mitocondria îşi are  propriul ei ADN, care reprezintă, cantitativ, între 1% şi 5% din ADN-ul de care dispune celula. Există, de asemenea, ARN mitocondrial mesager, ribozomal şi de transfer. Cu toate acestea, mitocondria nu îşi sintetizează toate proteinele sale ci, probabil, numai 5% dintre ele (Maillet, 1990). De exemplu, citocromul C şi alte proteine solubile ale matrixului sunt sintetizate în reticului endoplasmic, pe baza informaţiei existente în genele nucleice. ADN-ul mitocondrial codifică, în special, sinteza unor proteine cu un pronunţat caracter hidrofob. Relaţiile dintre ADN-ul nucleic şi cel mitocondrial sunt, însă, mult mai profunde şi nu întru totul cunoscute astăzi.

      Mitocondriile par a fi deosebit de implicate în procesul de senescenţă celulară. Pe de o parte, ele pot deveni cu uşurinţă victime ale atacului speciilor reactive de oxigen, deoarece cea mai mare parte a acestor radicali liberi sunt rezultatul scăpării electronilor din circuitul normal al lanţului transportor de electroni localizat în mitocondrii. Pe de altă parte, odată lezate, mitocondriile nu îşi mai pot îndeplini în bune condiţii sarcinile legate de fosforilarea oxidativă şi de sinteza de ATP, iar acest fapt duce la leziuni diverse ale celulei, printre care şi la leziuni ale mitocondriilor înseşi. Se instalează, aşa dar, un cerc vicios în care lezarea primară a mitocondriei are consecinţe care duc la lezarea ei ulterioară (von Zglinicki & Brunk, 1993).

     Aşa cum susţine Luft (1994), au fost identificate peste 100 de boli la baza cărora stau defecte mitocondriale care afectează îndeosebi transportul de electroni şi ciclul acizilor tricarboxilici. Se poate vorbi, astfel, de o adevărată 'medicină mitocondrială', deşi leziunile mitocondriilor în senescenţă sau în boli ca maladiile Parkinson, Alzheimer, Huntington, scleroza laterală amiotrofică, ateroscleroza şi diverse cardiomiopatii par a fi efecte secundare.

     O dovadă în sprijinul rolului important pe care îl joacă mitocondriile în procesul de senescenţă celulară este adusă de Corbisier & Remacle (1993), care injectează mitocondrii provenite din ficatul unui şobolan tânăr în fibroblaşti  cultivaţi in vitro, fără a observa vreo modificare la aceştia din urmă; în schimb, aceeaşi operaţie efectuată cu mitocondrii de la animale bătrâne este urmată de apariţia după numai câteva zile a unor semne clare de degenerare a fibroblaştilor. La rândul lui, Kagawa (1994) injectează mitocondrii bătrâne în celulele lipsite de mitocondrii provenind dintr-o linie nesenescentă şi constată că, deşi  'bătrâne', mitocondriile au reuşit să restabilească activitatea oxidativă şi translaţională. Aşa dar, scrie Kagawa, deşi senescenţa celulară este însoţită de pierderi în eficienţa mitocondriilor, cauza constă în senescenţa nucleului şi nu a ADN-ului mitocondrial.

     Cu toate acestea, Wei (1992) identifică peste 10 tipuri de deleţii în mt-ADN la om. Unele îşi fac apariţia numai în anumite ţesuturi, altele în majoritatea ţesuturilor (vezi capitolul 7). Cea mai importantă deleţie, cea de 4977 pb, apare (la om) numai în muşchiul cardiac, cu puţin înainte de atingerea vârstei de 30 de ani, iar celelalte deleţii apar după această vârstă. Frecvenţa acestor leziuni la nivelul mt-ADN se explică atât prin proximitatea surselor principale de specii reactive de oxigen (care sunt fabricate chiar în mitocondrie) precum şi prin totala lipsă de apărare a mt-ADN faţă de atacul radicalilor liberi (spre deosebire de ADN-ul nuclear).

     Von Zglinicki (1987) avansează ipoteza conform căreia membrana internă a mitocondriei îşi modifică compoziţia şi structura, ceea ce duce la pierderea apei intramitocondriale şi la afectarea consecutivă a funcţiilor mitocondriei. într-adevăr, s-a stabilit că pierderea de apă ce are loc în ficat şi în miocard, pe măsura înaintării în vârstă, poate fi pusă aproape în totalitate pe seama pierderii de apă din mitocondrii.

     În general, se acceptă ideea că senescenţa este asociată cu un declin al activităţii mitocondriale, dar este greu să se precizeze care dintre cele două procese este cauza şi care este efectul. Dezordinile neuro-degenerative care apar în creier sunt datorate, după Schapira & Cooper (1992) defectelor ce apar în lanţul respirator mitocondrial.

 

      Senescenţa ca rezultat al extruziei apei din structurile biologice

     Pierderea de apă din ţesuturi poate avea loc în numeroase împrejurări, printre care pot fi pomenite creşterea temperaturii şi scăderea umidităţii mediului ambiant, modificarea pH-ului tisular către valori mai apropiate de cele ale punctului izoelectric al unor proteine, creşterea tăriei ionice etc.

     În cazul în care parametrii mai sus menţionaţi rămân constanţi, adică în condiţii fiziologice, pierderea de apă din ţesuturi este încă posibilă dacă au loc anumite reacţii chimice sau interacţii fizice între componenţii materiei vii.

     Lewin (1970) tratează pe larg din punct de vedere teoretic această situaţie şi ia în consideraţie câteva mecanisme posibile (şi probabile). înainte de a menţiona  aceste mecanisme, sunt necesare câteva date despre interacţiunea moleculelor de apă cu macromoleculele şi cu ionii.

     Se ştie că molecula de apă este un dipol electric, regiunea ocupată de atomii de hidrogen fiind pozitivă iar cea în care se găseşte oxigenul fiind negativă. Prin urmare, moleculele de apă manifestă tendinţa de a se alinia de-a lungul liniilor unor eventuale câmpuri electrice care ar putea exista în vecinătatea macromoleculelor şi ionilor. Aceste câmpuri există în realitate şi se datorează prezenţei unor grupări ionizate în componenţa macromoleculelor precum şi prezenţei unor contra-ioni aflaţi în soluţie şi care se plasează în jurul unei grupări ionizate cu semn electric diferit de cel al lor, încercând să o neutralizeze. între gruparea ionizată a macromoleculei şi contra-ionii asociaţi se conturează liniile de forţă ale unui câmp electric suficient de puternic pentru a orienta şi reţine numeroase molecule de apă.

     În cazul în care o moleculă de apă este atrasă electrostatic, astfel încât atomul ei de oxigen se apropie mult de un atom de hidrogen aparţinând altei molecule sau macromolecule, precum şi atunci când un atom de hidrogen al moleculei de apă se apropie de un atom de oxigen sau de azot al unei alte molecule, există posibilitatea ca între molecula de apă şi cealaltă moleculă să apară o legătură coordinativă de hidrogen care este mai puternică decât legătura de atracţie electrostatică van der Waals, produsă ca rezultat al caracterului dipolar al moleculei de apă. Legătura de hidrogen poate rezista un timp agitaţiei termice dacă aceasta nu este prea mare. Din timp în timp, un vârf de agitaţie, o fluctuaţie în sens pozitiv a energiei acestei agitaţii poate desprinde molecula de apă de macromolecula căreia îi era asociată dar curând ea este reasociată până la  sosirea unui nou val de agitaţie, a unui nou microşoc termic.

     Principalele grupări ionizate care atrag molecule de apă sunt grupările carboxil (COO-) şi epsilon-amino (NH3+).   Principalele grupări implicate în legăturile de hidrogen dintre proteine şi apă sunt gruparea carbonil (C=O) şi amino (N-H) în structurile de tip ghem statistic ale polipeptidelor, precum şi grupările oxidril (OH) ale rezidurilor de serină, treonină şi tirozină.

 

 

     Fig. 42 -Reprezentare schematică a apei de hidratare (a), de clatrare (b)  şi a apei legate (c) din celulă

 

     O a treia cale prin care apa poate fi asociată macromoleculelor este formarea de clatraţi în jurul unor grupe hidrofobe metilice sau etilice. Explicaţia formării acestor cristale cu 12 feţe pentagonale (dodecadroane) (figura 42) pleacă de la realitatea termodinamică după care un sistem termodinamic are tendinţa de a evolua către  acea stare care corespunde celui mai mic nivel al energiei libere, în condiţiile date. în acest scop, sistemul promovează realizarea celui mai mare număr posibil de legături între moleculele sale componente, dintre care rezistă atâtea câte sunt îngăduite de violenţa agitaţiei termice.

     Deoarece moleculele de apă nu pot efectua legături cu grupările hidrofobe ale proteinelor (de exemplu, cu gruparea CH3), ele se văd silite să se lege unele de altele, formând împreună o cuşcă menită să izoleze faţă de apă gruparea hidrofobă aflată în centrul cuştii sau al clatratului.

     Dacă, însă, s-ar întâmpla ca o grupare hidrofobă a unei proteine să ajungă faţă în faţă cu o altă grupare hidrofobă a aceleiaşi proteine sau a altei macromolecule, cele două grupări vor găsi imediat calea de a se feri de contactul cu apa, realizând între ele o legătură hidrofobă. Moleculele de apă, care formau până în acel moment clatraţii din jurul celor două grupări hidrofobe, vor deveni libere iar agregatul macromolecular va înregistra un fenomen de extrudere de apă sau de deshidratare.

     Revenind la lucrarea lui Lewin (1970), mecanismele propuse de el pentru a explica extruderea apei din ţesuturile aflate în condiţii fiziologice sunt următoarele :

     1. Reducerea numărului acelor locuri ale macromoleculei care sunt disponibile pentru  crearea de  legături de hidrogen cu moleculele de apă prin :

     -competiţia pentru aceste locuri între moleculele de apă şi grupările oxidril ale serinei, treoninei şi tirozinei

     -trecerea macromoleculelor în conformaţia beta

     -trecerea macromoleculelor dela conformaţia ghem statistic la cea de alfa-helix

     2. Apariţia unei interacţii electrostatice între acele grupări ale macromoleculelor care sunt încărcate cu electricitate de semn diferit.

     De exemplu, prin asocierea grupării carboxil cu o grupare epsilon-amino, moleculele de apă care erau asociate celor două grupări vor fi eliminate, devenind libere. în figura 43 se vede cum erau reţinute aceste molecule de apă şi cum participau ionii anorganici la acest proces, precum şi ce se întâmplă în urma asocierii reciproce a grupărilor.

     3. Extruzia apei ca rezultat al asocierii prin legături hidrofobe a grupărilor hidrofobe.

     4. Extruzia apei prin cooperarea a două sau mai multe dintre mecanismele descrise mai sus.

 

     Fig. 43 -Mecanismul de extruzie a apei prin formarea unor legături carboxil-amonium având diferite grade de hidratare

 

     Reif (1987) se ocupă în articolul său 'Apa şi îmbătrânirea' de tendinţa generală de pierdere a apei manifestate de toate organismele vii pe măsura înaintării lor în vârstă. în cazul omului, care în faza embrionară are în alcătuirea sa peste 90% apă, pierderea de apă continuă până în cel de al zecelea deceniu de viaţă, când corpul mai conţine ceva mai puţin de 60% apă.

     Extruderea apei la vârstnici se poate explica, fără îndoială, prin mecanismele descrise mai sus. Important este, însă, de analizat de ce macromoleculele devin din ce în ce mai puţin capabile să reţină apa. Cu alte cuvinte, care este modalitatea prin care cauzele primare ale îmbătrânirii reuşesc să amorseze acest mecanism de extrudere a apei; este foarte probabil că  la mijloc este implicată alterarea calitativă şi cantitativă a macromoleculelor, în special în etapa lor post-translaţională, în care devin prada unor atacuri microscopice diverse ce le condamnă să se lege unele de altele prin legături transversale (sau legături transversale 'cross-links'), să se polimerizeze sau să se depolimerizeze.

     Reif propune un model coloid-osmotic bazat pe agregarea macromoleculelor, pentru a explica de ce ţesuturile pierd din ce în ce mai multă apă pe măsură ce înaintează în vârstă. La rândul ei, pierderea de apă face organismul mai vulnerabil la deshidratări sau chiar la hiperhidratări ulterioare, deoarece volumul disponibil pentru adăpostirea apei exogene este scăzut.

     Referindu-se la pierderea de apă observată în cazul ţesuturilor hepatice şi cardiace ale şobolanilor vârstnici, von Zglinicki (1987) crede că sursa pierderii de apă este mitocondria, datorită creşterii permeabilităţii la apă a membranei sale interne. Concluzia sa ţine seama de faptul că, până în prezent, nu este dovedită alterarea semnificativă a macromoleculelor de proteine şi acizi nucleici pentru a justifica  existenţa unui alt mecanism de pierdere a apei.

 

Cuprins

Capitolul 10