БИОМЕДИЦИНСКИЙ ЖУРНАЛ МЕДЛАЙН.РУ
Содержание журнала

Архив

Редакция
Учредители

Федеральное государственное бюджетное учреждение «Научно-клинический центр токсикологии имени академика С.Н. Голикова Федерального медико-биологического агентства»


Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт теоретической и экспериментальной биофизики
Российской академии наук


ООО "ИЦ КОМКОН"

Адрес редакции и реквизиты

199406, Санкт-Петербург, ул.Гаванская, д. 49, корп.2

ISSN 1999-6314


Клиническая медицина » Терапия • Геронтология

Том: 4
Статья: « 27 »
Страницы:. 30
Опубликована в журнале: 2003 г.

English version

Супрамолекулярная термодинамика генов и старение

Гладышев Г.П.


Резюме



Ключевые слова




Представления о супрамолекулярной термодинамике генов сформулированы на основе термодинамической теории старения. Показана возможность мягкого адаптационного вмешательства химических соединений в функционирование генетического аппарата на супрамолекулярном уровне. Направленное изменение супрамолекулярной стабильности генетического аппарата позволяет положительно влиять на процессы старения организмов.

Ключевые слова: супрамолекулярная термодинамика, термодинамика генов, гены, хроматин, термодинамика старения.

"Теория производит тем большее впечатление, чем больше ее предпосылки, чем разнообразнее предметы, которые она связывает, и чем шире область ее применения. Классическая термодинамика: Это единственная физическая теория общего содержания, относительно которой я убежден, что в рамках применимости ее основных понятий она никогда не будет опровергнута."
А.Эйнштейн

Созданная в последние годы термодинамическая теория старения живых существ позволила объяснить многие известные факты и сформулировать принципиально новые рекомендации для практической геронтологии [1-4,6-8,10-12].
Благодаря открытию закона временн`ых иерархий стало возможным выделять квазизакрытые биологические системы заданных иерархий и создавать термодинамические модели эволюции (развития) этих систем. Теория опирается на принципы термодинамики близких к состоянию равновесия систем и равновесные (квазиравновесные) динамические модели открытых (кинетически квазизакрытых на определенных временах) систем [7,9].
Один из выводов термодинамической теории старения состоит в том, что в онтогенезе наблюдается стремление к наиболее отрицательному значению удельной величины функции Гиббса (или другой функции состояния, соответствующей используемым естественным независимым переменным) образования супрамолекулярных (надмолекулярных) структур организма . Выявлено, что эта тенденция является причиной изменения надмолекулярного и химического состава, а также морфологической структуры тканей при старении. Теория позволила сформулировать подходы к созданию диет и лекарственных препаратов, замедляющих старение. Эти подходы основаны на использовании принципа Ле Шателье-Брауна, применимого не только к закрытым, но, с известным приближением, и к квазизакрытым системам. Заметим, что согласно упомянутого принципа (в общем случае - принципа наименьшего принуждения) эволюционные процессы на любом иерархическом уровне протекают в направлении наибольшей "термодинамической востребованности".
Установлено, что величина , характеризуя термодинамическую стабильность супрамолекулярных структур, является критерием термодинамического возраста биообъектов, например, биотканей [1,9]. Отсюда следует, что природа пищи, пищевых добавок, а также медицинских и косметических препаратов влияет на значение тканей, меняя их супрамолекулярный и химический состав. Если величина в ходе онтогенеза становится менее отрицательной, то это означает, что ткань помолодела.
Омолаживание разных тканей при изменении природы и типа пищи, медицинских и косметических средств наблюдается на различных временах. Так, существенное омолаживание жировых компонентов биотканей (липидных структур) может проявиться уже спустя 1-2 месяца после начала изменения природы используемых в пище жиров [13]. Заметное омолаживание коллагеновой ткани должно наблюдаться только через несколько месяцев после введения в диету белков, содержащих повышенное количество коллагена молодых животных. Многие сравнительно низкомолекулярные вещества (гормоны, другие метаболиты, лекарства, косметические средства) могут проявлять омолаживающий эффект сравнительно быстро [3,4,14].
Есть основание полагать, что омолаживание липидных, белковых и других структур биомассы должно способствовать омолаживанию хроматина и ДНК. И это действительно так. Однако, вследствие высокой термодинамической стабильности супрамолекулярной структуры ДНК и ее белкового окружения эти процессы протекают крайне медленно и, как принято считать, практически не оказывают влияния на генном уровне. В то же время, работы в области генной инженерии и адаптивной эволюции ДНК и РНК показывают, что имеется возможность вмешательства в структуру генов не только посредством включения или удаления нуклеотидных последовательностей [9,16], но и путем воздействия химических веществ, влияющих на супрамолекулярную структуру неизменяемых генетических элементов [9]. Такими веществами прежде всего могут быть те соединения, концентрации которых высоки в тканях молодых организмов и эмбрионов [2,4,10,17]. Особую роль при этом должны играть величина РН, ионная сила, температура среды, окружающей комплексы ДНК с гистонами, негистонными белками и другими компонентами. В качестве химических веществ, воздействующих на стабильность генетических структур, могут быть названы химически инертные низкомолекулярные соединения, такие как диметилсульфоксид, определенные неорганические соединения (ионы металлов), различные метаболиты и биоактивные соединения, а также газы -компоненты атмосферы [1,5,18].
Отсюда следует вывод, что возможно "мягкое" омолаживающее вмешательство в супрамолекулярные (надмолекулярные) структуры ДНК (РНК) путем введения в ядра и другие клеточные элементы химических агентов. Подобное направленное воздействие может способствовать сохранению структуры генов, а также влиять на процессы их адаптационного приспособления к изменению условий окружающей среды.
В качестве количественной характеристики стабильности ДНК, хроматина и других супрамолекулярных структур in vivo целесообразно использовать величины , определяемые с помощью ДСК - измерений [5,9,10,15]. Соответствующие расчеты легко выполнять, применяя уравнение Гиббса - Гельмгольца,
где - удельная энтальпия (изменение удельной энтальпии) плавления - денатурации ; - температура плавления; - стандартная температура; - изменение теплоемкости надмолекулярной структуры при фазовом переходе.

Изучая изменение термодинамической супрамолекулярной стабильности "генетических структур" в ходе онтогенеза и влияние на нее различных агентов, легко формулировать соответствующие практические рекомендации.
Заметим, что известны многие факты [1,5,7,9,15-17], которые легко интерпретировать с позиции супрамолекулярной термодинамики генов. Однако, однозначным подтверждением теории является только сопоставление этих фактов с количественными изменениями термодинамической супрамолекулярной стабильности структур генетического аппарата in vivo [9].


Список литературы

1. Гладышев Г.П. Термодинамика и макрокинетика природных иерархических процессов. - Москва: Наука, 1988. - 287 с.


2. Гладышев Г.П. Термодинамика старения // Изв. РАН. Сер. биол. - 1998. - ? 5. - С. 533-543.


3. Гладышев Г.П., Комаров Ф.И. Иерархическая термодинамика и геронтология // Вестник Российской Академии медицинских наук. - 1996. - ? 6. - С. 31-38.


4. Гладышев Г.П., Курнакова Н.В. Движущая сила эволюции живой материи и термодинамическая теория старения // Успехи геронтологии. - 1998. - Вып. 2. - С. 49-58.


5. Cantor C.R., Schimmel P.R. Biophysical Chemistry. Vol. 1-3. San Francisco: W.H. Freeman and Co. (Рус. Пер. М.: Мир, 1984-1985).


6. Gladyshev G.P. On the Thermodynamics of Biological Evolution // J.Theorat.Biol. - 1978. -Vol. 75. - P. 425 - 444.


7. Gladyshev G.P. On the Thermodynamics, Entropy and Evolution of Biological Systems: What is Life from a Physical Chemist's Viewpoint // Entropy. -1999. - No. 1


8. Gladyshev G.P. The Motive Force of Evolution of Living Matter and Thermodynamic Theory of Aging. Abstract and Report. The 1999 Pan-American Congress on Gerontology and Geriatries, February 21-24, 1999. San Antonio, Texas, USA.


9. Gladyshev G.P. Thermodynamic Theory of Biological Evolution and Aging. Experimental Conformation for Theory // Entropy. -1999. - No. 1.


10. Gladyshev G.P. Thermodynamic Theory of the Evolution of Living Beings. - N.Y.: Nova Sci. Publ. Inc., 1997. - 142 p.


11. Gladyshev G.P. Thermodynamics of Aging. 1998 AAAS Annual Meating and Science Innovation Exhibition (150th Anniversary Celebration), Philadelphia, Pennsylvania, Track: Emergin Science: Transforming the Next Generation, February 12-17, 1998. AAAS, 1998, A-30, S-26.


12. Gladyshev G.P., Gazaev M.A., Kurnakova N.V. Thermodynamics Theory of Aging. 52 nd Annual Scientific Meeting of the Gerontological Society of America. Nov. 19-23, 1999. San Francisco, CA.


13. Goodnight S.H. The Fish Oil Puzzle // Science & Medicina. - September/October. 1996. - P. 42.


14. Klatz R., Goldman R. Stopping the Clock. New Canaan. Connecticut: Keats Publ. Inc. -1996. - 370 p.


15. Lepock J. Supramolecular Thermodynamics. AAAS Annual Meating and Science Innovation Exhibition (150th Anniversary Celebration), Philadelphia, Pennsylvania, Track: Emerging Science: Transforming the Next Generation, February 12-17, 1998. AAAS, 1998, A-30, S-26.


16. Moxon E.R. at al. Adaptive Evolution of Highly Mutable Loci in Pathogenic Bacteria // Carrent Biology. - January 1. 1994. - Vol. 4. - ? 1. - P. 24-33.


17. Vogel G. Harnessing the Power of Stem Cells // Science. - 1999. - Vol. 283. - No 5407. - P. 1432-1434.


18. Walker M. DMSO: Nature's Healer Garden City Park. New York - 1993. - 340 p.