- •Раздел I введение в физиологию
- •Глава 1
- •1.1. Профилизация преподавания физиологии
- •1.2. Периоды развития организма человека
- •1.3. Основные физиологические понятия
- •1.4. Надежность физиологических систем
- •1.5. Характеристика процессов старения
- •1.6. Биологический возраст
- •Глава 2
- •2.1. Функции клетки
- •2.2. Функции клеточных органелл
- •2.5. Механизмы транспорта веществ через клеточную мембрану
- •Глава 3
- •3.1. Нервный механизм регуляции
- •3.2. Характеристика гормональной регуляции
- •3.3. Регуляция с помощью метаболитов и тканевых гормонов. Миогенный механизм регуляции
- •3.4. Единство и особенности регуляторных механизмов. Функции гематоэнцефалического барьера
- •3.5. Системный принцип регуляции
- •3.6. Типы регуляции функций организма и их надежность
- •4.3. Потенциал действия (пд)
- •4.5. Изменения возбудимости клетки во время ее возбуждения. Лабильность
- •4.7. Действие постоянного тока на ткань
- •Глава 5
- •5.1. Общая физиология сенсорных рецепторов
- •1. Двустороннее проведение возбуждения.
- •Глава 6
- •6.2. Гладкие мышцы
- •6.4. Изменения мышечной ткани в процессе старения
- •7Л. Функции центральной нервной системы
- •2. Регуляция работы внутренних органов
- •1. Двустороннее проведение возбуждения.
- •Глава 6
- •6.2. Гладкие мышцы
- •6.4. Изменения мышечной ткани в процессе старения
- •V Глава 7 общая физиология центральной нервной системы
- •7Л. Функции центральной нервной системы
- •2. Регуляция работы внутренних органов
- •7.4. Медиаторы и рецепторы цнс
- •7.6. Особенности распространения возбуждения в цнс
- •3. Иррадиация (дивергенция) возбуждения в
- •7.7. Свойства нервных центров
- •7.10. Интегрирующая роль нервной системы
- •Глава 8
- •8.1. Спинной мозг
- •8.2. Ствол головного мозга
1.5. Характеристика процессов старения
Старение — нормальный, закономерный, наследственно запрограммированный и зависящий от геосоциальных условий процесс, характеризующийся ослаблением активной деятельности организма и репродуктивной способности.
Проблема старения организма имеет важное общебиологическое и социальное значение. Старение присуще любой живой системе; это неотъемлемое свойство, атрибут жизни, естественный процесс, определяющий продолжительность жизни.
1.5.1. ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА. ПОНЯТИЯ О СТАРЕНИИ И СТАРОСТИ
На протяжении истории человечества произошло увеличение средней продолжительности жизни, что особенно заметно в XX столетии. Так, в XIV—XVII вв. средняя продолжительность жизни человека составляла всего 24—29 лет, в конце XIX в. в странах Европы средняя продолжительность жизни была равна 42 годам, а во второй половине XX в. она превысила 70 лет. Это было достигнуто за счет профилактики и лечения инфекционных заболеваний, улучшения условий жизни.
Основными причинами смерти современного человека являются хронические неинфекционные заболевания: атеросклероз, гипертония, связанные с ними ишемическая болезнь сердца, инфаркт миокарда, кровоизлияние в мозг, злокачественные опухоли; существенную роль играют и инфекционные заболевания — грипп, пневмония. Предполагают, что эффективная профилактика только сердечно-сосудистых заболеваний может привести к повышению средней продолжительности жизни до 85 лет. Резервы повышения продолжительности жизни кроются в оптимизации двигательной активности, питания, ритмов жизни и эмоциональных реакций человека. Именно таким путем в последние десятилетия были снижена смертность и увеличена продолжительность жизни в развитых странах.
В мире увеличивается число людей пожилого и старческого возраста, в связи с чем актуальным становится вопрос о разработке способов повышения их работоспособности. В подавляющем большинстве случаев немощность людей пожилого возраста развивается не только в результате старения, но и
из-за болезней, неразрывно связанных с этим процессом. Механизмы старения, его общебиологические закономерности изучаются наукой геронтологией, цель которой заключается в том, чтобы «добавить не только годы к жизни, но и жизнь к годам». Болезни стареющего организма, их лечение и профилактика изучаются гериатрией.
Следует строго различать понятия «старение» и «старость». По определению В.В.Фролькиса, старость — это «неизбежно наступающий заключительный период индивидуального развития». Из табл. 1.1 видно, что этот период начинается формально с 75-летнего возраста человека. Старение представляет собой разрушительный процесс, который развивается из-за нарастающего с возрастом повреждения организма внешними и внутренними факторами. Он ведет к недостаточности физиологических функций, гибели клеток, ограничению приспособительных возможностей организма, снижению его надежности, развитию возрастной патологии, увеличению вероятности смерти.
Как и другие изменения организма, ведущие к нарушению гомеостазиса, старение сдерживается процессами восстановления и саморегуляции; совокупность их может быть названа процессами антистарения, или вита-укта (vita — жизнь, auctum — увеличивать). По мнению одних авторов, старение начинается с первых этапов жизни, по мнению других — после полового созревания (последнее более вероятно). Признаки старения в начальные периоды незаметны, так как их проявлению препятствуют активные механизмы антистарения. Однако в последующем система антистарения также претерпевает возрастные изменения и становится менее эффективной. В возрасте 45—55 лет признаки старения развиваются особенно быстро; именно в этот период у некоторых людей могут появляться признаки преждевременного старения, значительно повышающего вероятность развития возрастной патологии.
1.5.2. ТЕОРИИ СТАРЕНИЯ. ВАРИАНТЫ СТАРЕНИЯ
Существуют две основные точки зрения на природу старения. Одна из них состоит в том, что старение генетически запрограммировано в организме, так же, как, например, половое созревание. Активно ведутся поиски гена старения. В последние годы в этом направлении появляются первые позитивные данные. Второй взгляд на старение основан на допущении, что в ходе индивидуальной
10
жизни в генетическом коде развиваются ошибки, ведущие к синтезу ошибочных молекул белков. Последние перестают выполнять свои прежние функции, что ведет к нарушению деятельности клеток. Согласно этой точке зрения, старение — стохастический, вероятностный процесс.
Обе эти идеи находят подтверждение. Так, разные виды животных имеют различные сроки жизни: дикие слоны живут примерно 35 лет, а мыши — не более 2 лет; однояйцевые близнецы имеют, как правило, одну и ту же продолжительность жизни. Однако отдельные представители одного и того же вида могут сильно различаться по срокам жизни, что говорит о важной роли не только генетического кода, но и экзогенных факторов. Организму человека и млекопитающего животного свойственны не только гомеостазис, но и возрастные изменения систем саморегуляции в процессе старения. Если исходный уровень функций многие годы жизни остается практически на одном и том же уровне, то адаптивные изменения функций или резервные возможности органов и систем с возрастом ограничиваются.
Возрастные сдвиги параметров обмена веществ и функций организма или их отсутствие в процессе старения сводятся к трем типам. По первому типу, характеризующемуся снижением параметров функций, изменяются сократительная способность сердца, секреторная активность пищеварительных и ряда эндокринных органов, а также аккомодационная способность глаза, острота зрения и слуха, физическая работоспособность и др. Ко второму типу можно отнести отсутствие сдвигов таких параметров, как концентрация глюкозы в крови, клеточный состав крови, мембранный потенциал клеток. К третьему типу относят повышение параметров функций, чувствительность ряда структур, например мышцы сердца и стенок кровеносных сосудов, к гуморальным факторам, повышение концентрации в плазме крови холестерина, лецитина. У женщин повышается секреция гонадотропных гормонов гипофиза.
Старение отдельных тканей, органов и систем развивается гетерохронно, т.е. с разной интенсивностью во времени. Так, снижение на две диоптрии аккомодационной способности глаза человека развивается уже к десятилетнему возрасту, атрофия вилочко-вой железы — к 13—15 годам, инволюция половых желез у женщин,— в среднем к 48— 52 годам. Некоторые функции, например секреция кортикотропина гипофизом, сохраняются до глубокой старости. В одном и том
же органе старение может развиваться г е-теротропно, т.е. с разной скоростью в различных структурах органа. Так, старение пучковой зоны коры надпочечников, вырабатывающей глюкокортикоиды, обычно происходит медленнее, чем клубочковой и сетчатой зон.
Существуют индивидуальные особенности старения. У одних людей раньше и в большей степени изменяются функции сердечно-сосудистой системы, у других — нервной системы, у третьих — опорно-двигательного аппарата. Описаны и популяционные особенности старения, определяемые характером внешней среды и образом жизни. Так, сравнительно низкий уровень артериального давления и его возрастного повышения отмечается в Абхазии, на Украине и в Молдавии. У японцев уровень холестерина ниже, а артериальное давление увеличивается с возрастом в большей степени, чем у европейцев и американцев.
Знание механизмов развития старения и причин преждевременной смерти, несомненно, поможет найти способы воздействия на них, а значит, и увеличить продолжительность и качество жизни.
1.5.3. ВОЗРАСТНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ОРГАНИЗМА И ИХ ПРОФИЛАКТИКА
Старение проявляется на всех уровнях организации живых систем — от молекулярного до организменного.
А. Молекулярный уровень. Первичные механизмы старения связаны с возрастными изменениями генетического аппарата клетки, приводящими в свою очередь к изменениям синтеза белков и нарушениям структуры и функции клеток. Более всего изменяется ре-гуляторный отдел генома, занимающий, как известно, 95 % молекулы ДНК и менее защищенный от внутриклеточных влияний. Эти изменения приводят к увеличению количества фетального гемоглобина, нарушениям ферментативных процессов, регенерации элементов крови и замедлению активации биосинтеза белка при повышении функциональной нагрузки на орган. Так, из-за уменьшения темпов гипертрофии сердца при повышенных нагрузках возрастает вероятность развития у пожилых и старых людей недостаточности кровообращения. Не исключено, что нарушение регулирования генома в процессе старения может быть причиной активации «генов-самоубийц» и появления ранее не синтезировавшихся в клетке белков, приводящих клетки к гибели. Могут стареть и от-
11
дельные белковые молекулы. Сравнительно недавно исследователями изучены свойства реакций «побурения», или гликирования, состоящих в неферментативном, случайном химическом присоединении к белкам и аминокислотам молекул глюкозы и образовании стойких соединений желто-коричневого цвета. Этот процесс является началом каскада реакций, ведущих к необратимым «сшивкам» между собой и образованию структурных долгоживущих белковых молекул. С возрастом такие молекулы накапливаются, снижая растяжимость тканей легких и сердца, вызывая помутнение хрусталика глаза, уменьшая проницаемость и просвет капилляров. При сахарном диабете, когда концентрация глюкозы значительно повышается, явления, подобные вышеописанным, развиваются особенно быстро. Защитой от процесса гликирования являются реакции макрофагов, однако с увеличением возраста активность таких реакций снижается. На мышах показано, что это связано с уменьшением числа рецепторов макрофагов к продуктам гликирования белков.
Б. Клеточный уровень. В процессе старения уменьшаются размеры клеток и их ядер, снижается устойчивость лизосомальных мембран, но активность ферментов лизосом, напротив, повышается. В клетках накапливается пигмент липофусцин, который иногда называют старческим. Полагают, что липофусцин представляет собой скопление продуктов распада органелл клетки, выражение изнашивания клеточных структур. В клетках печени, почек, мышц уменьшается содержание калия и растет концентрация натрия и хлора. Падает возбудимость миоцитов, повышается возбудимость мотонейронов спинного мозга. Лабильность нейронов снижается, уменьшаются амплитуда потенциалов действия и скорость их проведения. Число рецепторов клеток ко многим гормонам и медиаторам падает, хотя сродство ряда рецепторов к гормонам повышается, что становится причиной повышения чувствительности клеток к соответствующим гормонам.
В миоцитах изменяется электромеханическое сопряжение в связи с ухудшением способности саркоплазматического ретику-лума к связыванию и освобождению кальция, уменьшается активность Са-АТФазы сократительных белков.
При старении в клетках снижается количество АТФ и ключевого фермента-Na/K-АТФазы, уменьшается скорость ионного транспорта. Во многих клетках большую роль в энергетическом обмене начинает приобре-
тать древний, резервный путь генерации энергии — гликолиз. Мембраны клеток становятся более жесткими и менее тягучими. Эти изменения в значительной степени связаны с накоплением в тканях свободных радикалов кислорода, перекисных соединений липидов. Под влиянием этих веществ повышается проницаемость клеточных мембран, снижается гидрофобность их липидного слоя. Ряд гидролаз выходит за пределы лизосом и повреждает клеточные структуры. Такие явления имеют значение для развития не только старения, но и патологических процессов, в частности появления опухолей.
В организме животных и человека существуют и защитные (антиоксидантныв) факторы, к которым относятся ферменты — ката-лаза, пероксидаза, супероксиддисмутаза; гормоны, например эстрогены и тироксин, а также витамины: альфа-токоферол, аскорбиновая кислота, витамин К. Как и ряд других защитных механизмов, их можно отнести к системе антистарения. У долгожителей — представителей самых различных видов, от мыши до человека, — находят большое количество ферментов, инактивирующих свободные радикалы. В организме женщин, продолжительность жизни которых во многих странах выше, чем у мужчин, находят, кроме явного преобладания антиоксидантов — эстрогенов, значительно большее, чем у мужчин, содержание токоферола.
Одна из наиболее изученных моделей торможения процессов старения и увеличения продолжительности жизни — калорийно ограниченное питание — также может быть объяснена с позиций роли свободных радикалов в процессах старения. Для питания людей-долгожителей характерны невысокая калорийность пищи и большее потребление с пищей витаминов-антиоксидантов. Все это способствует ограничению образования свободных радикалов.
Известно, что свободнорадикальное окисление липидов значительно активируется при стрессах, поэтому эндоперекиси иногда называют стрессинами. Стрессы одиночества и развивающаяся в пожилом возрасте тревожность как проявление хронического стресса значительно ускоряют процессы старения.
В. Тканевый уровень развития старения характеризуется снижением числа активных клеток органа. Так, количество нервных клеток мозга человека может снижаться в целом на 10—20 %, а в некоторых отделах, например в коре мозжечка, — на 30—50 %. После 70 лет потеря нейронов коры больших полушарий составляет в среднем 1,4 % в год.
12
Число почечных нефронов у старых людей уменьшено в среднем на 30—50 %. Клеточная масса составляет у 25-летних мужчин 47 %, а у 70-летних — лишь 36 % от общей массы тела. В опытах на старых крысах выявлено снижение числа легочных альвеол на 40 %.
В процессе старения прогрессирующе атрофируются первичные лимфоидные органы — тимус и костный мозг, уменьшается число периферических Т-лимфоцитов. После 60 лет наблюдается снижение общей массы тела вследствие уменьшения синтеза белка, содержания в клетках калия и воды, снижения содержания активных клеток, деминерализации костей, уменьшения безжировой массы. При этом доля жировой массы возрастает: от 35 до 60 лет у мужчин масса жира ежегодно увеличивается на 0,2—0,8 кг, этому приросту способствуют гиподинамия и избыточно калорийное питание.
Известно, что при напряженной деятельности используются резервные элементы тканей и органов; в процессе старения в связи со снижением числа клеток этот резерв уменьшается. Поэтому активно функционирующие клетки выполняют большую нагрузку, чем в более ранние возрастные периоды. В результате развивается повышенный синтез белка, клетка увеличивается в размере (гипертрофируется). Такие клетки встречаются наряду с явно «стареющими» в мозге, миокарде, печени, эндокринных органах. Подобные механизмы тормозят процессы старения, удлиняют жизнь при регулярных двигательных нагрузках, способствующих активации синтеза многих белков, увеличению размеров клеток скелетных мышц и миокарда, а также митохондрий этих клеток. Совершенствование адаптационно-регуляторных механизмов может осуществляться за счет: 1) антигипоксического эффекта — улучшения легочной вентиляции и кровоснабжения тканей; 2) экономизирующего эффекта — увеличения наполнения и сократительной деятельности сердца, снижения кислородной стоимости работы; 3) антистрессорного эффекта — повышения мощности антиокси-дантных систем, системы опиоидных пептидов и других механизмов; 4) психостенизиру-ющего эффекта — увеличения умственной работоспособности, преобладания положительных эмоций. Все это лежит в основе профилактического действия регулярных физических нагрузок, предотвращающего развитие многих заболеваний у лиц пожилого и старческого возраста. Наблюдения показали, что выполнение физических упражнений в часы досуга на 1А уменьшает риск развития
болезней сердца. Эффективность психических процессов в ходе старения может не снижаться, если интеллектуальная деятельность пожилого человека по-прежнему ориентирована на достижение определенных полезных результатов и целей.
Таким образом, разумное использование резервных клеток, тканей, эффекторов и регулирующих систем может быть одним из важнейших путей сохранения и увеличения этих резервов, что приводит к повышению качества и продолжительности жизни человека.