Свободнорадикальная теория старения: от химической физики к теории надежности биологических систем

Д.б.н., к.ф-м.н., гл.н.с. Кольтовер В.К.
(Ин-т проблем хим. физики РАН)
Свободнорадикальная теория старения: от химической физики к теории
надежности биологических систем
Надежность – это свойство объекта выполнять заданные функции в течение заданного
времени в заданных условиях. Исследования надежности биологических систем в
настоящее время охватывают широкий круг проблем – от механизмов отказов и
восстановления биомолекулярных нанореакторов клетки до многоклеточных организмов
и экосистем [1-3]. Теоретико-надежностный подход к проблеме старения, предложенный в
наших работах, основан на концепции детерминированной надежности биосистем.
Предполагается, что (i) любая живая система – это иерархия биомолекулярных
конструкций, устроенных в соответствии с генетической программой (информационный
план) с целью выполнения заданных функций; (ii) в работе любой конструкции, начиная с
ферментов, в силу тех или иных случайных факторов возможен сбой («отказ»); (iii)
высокая системная надежность обеспечивается профилактическими мерами –
малонадежные функциональные элементы своевременно заменяются новыми; (iv) имеется
сравнительно небольшое число критических структур (управляющих элементов),
контролирующих профилактику отказов – «вертикаль управления» системной
надежностью; (v) надежность работы управляющих элементах снижается со временем.
Математическая модель, построенная на основе предложенной концепции объясняет
основные количественные закономерности старения – экспоненциальный рост смертности
с возрастом («закон Гомпертца») и отрицательную корреляцию между видовой
продолжительностью жизни и интенсивностью окислительного метаболизма («закон
Рубнера»). Важнейшую роль играет ограниченная надежность митохондриальных
нанореакторов электронного транспорта, при сбоях в работе которых возникают
супероксидные радикалы (O2·-). Критическую роль играют радикалы O2·-, которые
возникают в структурах управления системной надежностью, предположительно, в
митохондриях специализированных клеток гипоталамуса. Открыты важнейшие
эпигенетические регуляторы клеточных процессов – сиртуины, семейство NAD+зависимых деацетилаз, экспрессия которых зависит от редокс-состояния среды. Имеются
основания полагать, что радикал O2·- как сильный восстановитель способен существенно
влиять на соотношение NADH/NAD+, и что отрицательная редокс-регуляция активности
сиртуинов ведет к существенному замедлению обновления клеточных структур и, как
следствие, накоплению продуктов перекисного окисления в клетках и тканях.
Продолжительность жизни человека могла бы достичь 250 лет при 100-процентной
надежности защиты клеток и тканей от O2·-. Таким образом, свободно-радикальные часы
– эффективный и надежный механизм реализации генетической программы старения. В
рамках концепции ограниченной надежности биосистем находят также объяснение факты
продления жизни животных с помощью биоантиоксидантов и аналогичные гормезисные
эффекты ионизирующей радиации [3].
1. Гродзинский Д.М., Войтенко В.П., Кутлахмедов Ю.А., Кольтовер В.К. Надежность и
старение биологических систем. Киев: Наукова думка, 1987.
2. Kitano H. Biological robustness. / Nat. Rev. Genet., 2004. V. 5. P. 826-837.
3. Koltover V.K. Theory of reliability in systems biology: aging versus reliability. In: Recent
Advances in Systems Biology Research. N.Y.: Nova Science Publishers Inc., 2014. pp. 109-130.