Envejecimiento (biología)

El envejecimiento es un aumento del riesgo de muerte por causas naturales a lo largo del tiempo [1] , un proceso biológico de deterioro gradual y pérdida de funciones importantes del cuerpo o de sus partes, en particular la capacidad de reproducirse y regenerarse . Debido al envejecimiento, el cuerpo se adapta menos a las condiciones ambientales, reduce y pierde su capacidad para luchar contra los depredadores y resistir enfermedades y lesiones . La ciencia que estudia el envejecimiento humano se llama gerontología , y su sección, que estudia directamente el lado biológico del envejecimiento, se llamabiogerontología .

La evolución del envejecimiento es uno de los misterios sin resolver de la biología. Hay muchas teorías que explican el envejecimiento en términos de evolución. En general, se cree que la principal fuerza impulsora detrás de la tasa de envejecimiento es la mortalidad exógena en un entorno hostil, debido a que la presión evolutiva tiene poco efecto sobre la selección de cambios que retrasan el envejecimiento. De acuerdo con la teoría de la acumulación de mutaciones, las mutaciones dañinas que tienen efectos negativos en una edad posterior (después del período reproductivo) pueden acumularse pasivamente sin ninguna resistencia por parte de la selección natural. La teoría de la pleiotropía antagónica aborda el tema desde un ángulo diferente, sugiriendo que si el envejecimiento se vuelve raro, la selección natural favorecerá a los genes que brindan más beneficios al principio de la vida, pero que pueden tener un efecto negativo más adelante. Estas teorías están unidas por el hecho de que un aumento de la mortalidad exógena conduce a una reducción evolutiva de la esperanza de vida, y viceversa. Sin embargo, estas teorías no son universales, y hay excepciones, y la presencia de mortalidad exógena entre algunos seres teóricamente inmortales contradice las teorías clásicas [2] .

El término " envejecimiento " se puede utilizar para describir los efectos sociales del envejecimiento humano, así como para describir la destrucción de los sistemas no vivos, como el envejecimiento de los metales .

Envejecimiento de diferentes organismos

El fenómeno del envejecimiento se observa en cierta medida en casi todos los organismos vivos, con la excepción de una serie de organismos con envejecimiento insignificante . En personas alrededor de los 100 años, también se observa el fenómeno del envejecimiento insignificante [3] .

Envejecimiento y reproducción

La reproducción es una función importante de la vida de los organismos: todos los demás procesos vitales, en particular el envejecimiento y la muerte , se adaptan a sus necesidades. Para comprender el proceso de envejecimiento, es importante resaltar las diferencias entre las estrategias de reproducción única y múltiple . Los organismos de un solo feto se reproducen mediante un solo acto de reproducción a lo largo de la vida del organismo. La mayoría de los organismos monocíticos son anuales y bienales , pero hay muchos insectos y algunos vertebrados , como el salmón rosado y las anguilas . Los organismos multíparas, por otro lado, se reproducen de manera intermitente durante un rango de madurez sexual , que generalmente constituye la mayor parte de la vida.

Solteros

En las formas de reproducción monocítica, el envejecimiento se produce al final de la vida, después de lo cual el organismo pasa por una etapa de envejecimiento muy rápido, que conduce a la muerte del organismo. En las plantas, la fase senescente suele ser una parte integral del proceso renovable, esencial para su finalización. La dispersión de semillas, por ejemplo, va acompañada de procesos de maduración, caída de frutos y secado de semillas, procesos que son inseparables del proceso de envejecimiento de la planta. Este rápido envejecimiento está provocado por determinadas hormonas , cuyos niveles varían en función del estado de desarrollo de la planta y de las condiciones ambientales. Si, por ejemplo, se impide mediante métodos experimentales la liberación de la hormona del crecimiento vegetal, la auxina , la planta vive más tiempo y pasa por un envejecimiento inusualmente largo.

Se observa un patrón similar de envejecimiento en algunos insectos, que se distinguen por dos estrategias de color adaptativas distintas: coloración protectora , que camufla al insecto de posibles depredadores, y coloración disuasoria , que generalmente indica la toxicidad del insecto . Estos dos ejemplos de adaptación tienen diferentes estrategias óptimas de supervivencia de especies: los insectos defensivos mueren más rápido después de que se completa la reproducción, lo que reduce la oportunidad de que los depredadores aprendan a reconocerlos, mientras que los insectos aterradores viven mucho tiempo después de reproducirse, lo que aumenta la capacidad de los depredadores para recordarlos. . Ambas estrategias de adaptación se han encontrado entre representantes de la familia de las polillas de Saturno , que han demostrado que su vida después de la reproducción está controlada por un sistema hormonal que también controla la proporción de tiempo que los insectos pasan en vuelo: las polillas con una coloración protectora pasan más tiempo en vuelan, se agotan y mueren rápidamente, mientras que las polillas con una coloración aterradora vuelan menos, conservan energía y, como resultado, viven más [4] .

Múltiples organismos

Las formas múltiples incluyen la mayoría de los vertebrados , la mayoría de los insectos longevos , crustáceos y arañas , cefalópodos y gasterópodos , y plantas perennes. A diferencia de las formas monocíticas, los organismos multíparas no necesitan utilizar todas sus fuerzas vitales hasta el final de su fase reproductiva (fase reproductiva) para que la reproducción sea exitosa, y el promedio de vida en relación con el período reproductivo varía bastante significativamente entre individuos y dependiendo de la especie: los roedores pequeños y las aves silvestres usan, en promedio, solo del 10 al 20 por ciento de su temporada de reproducción potencial, mientras que las ballenas , los elefantes , los monos y otros mamíferos grandes usan naturalmente más del 50 por ciento de sus temporadas de reproducción y, a menudo, incluso sobrevivirlo.

En organismos multíparas, el envejecimiento es gradual, sin mecanismos sistémicos o ambientales específicos obvios que iniciarían este proceso. El envejecimiento se manifiesta principalmente como una disminución en la capacidad del cuerpo para reproducirse. En las especies que alcanzan un tamaño corporal fijo, la disminución de la capacidad reproductiva comienza temprano y se acelera con la edad. En los reptiles grandes , que alcanzan la madurez sexual cuando aún son pequeños y continúan creciendo durante un largo período reproductivo, el número de huevos puestos aumenta con la edad durante un período bastante largo, pero finalmente deja de crecer y disminuye gradualmente. El período reproductivo en tales casos es más corto que la esperanza de vida.

Otra característica de los organismos multíparas es la dependencia de la velocidad del proceso de envejecimiento de la capacidad de reproducción y de la supervivencia de la descendencia: los organismos más fértiles envejecen mucho más rápido que los menos fértiles. Esta dependencia permite que los animales con una esperanza de vida corta sobrevivan debido a la gran descendencia y los animales infértiles debido a la gran cantidad de oportunidades de reproducción.

Para una descripción matemática del envejecimiento de los organismos multíparas, a veces se utiliza la llamada ley de mortalidad de Gompertz-Maikham [4] (o simplemente Gompertz), según la cual la probabilidad de muerte aumenta exponencialmente con la edad: , donde x es la edad, yp es la probabilidad relativa de muerte en un cierto período de tiempo, ayb son coeficientes . Así, en ausencia de un término constante a , el tamaño de la población disminuye con la edad en un doble exponente [5] . Esta ley es empírica y no se cumple para todos los animales ni para todos los períodos de tiempo, pero es la más simple para comparar el envejecimiento de diferentes organismos y, por lo tanto, el coeficiente b se usa a menudo como indicador de la tasa de envejecimiento. $p=a+b^{x}$ $s(x)=exp[-m(b^{x}-1)]$

La ley de Gompertz-Makham es solo una aproximación, válida en el rango de edad promedio. En el ámbito de la edad joven, existe una tasa de mortalidad significativamente superior a la prevista por esta ley. Por ejemplo, el bacalao del norte puede poner hasta 6 millones de huevos durante el desove , pero solo un pequeño número de ellos sobrevive hasta la madurez sexual [6] . Tal mortalidad es predominantemente el resultado de la incapacidad de los individuos jóvenes para evitar a los depredadores, combatir enfermedades y también puede ser el resultado de defectos de nacimiento, y no es el resultado del envejecimiento. En el área de la edad tardía, por el contrario, hay una disminución de la mortalidad en comparación con la ley de Gompertz, más precisamente, la salida de la probabilidad de muerte por unidad de tiempo a una meseta [7] . Como en el caso de la mortalidad infantil, esta es una ley general que se observa incluso en la naturaleza inanimada [8] . Y aunque una de las posibles explicaciones de este fenómeno podría ser la heterogeneidad de la población, los datos actuales indican claramente la conexión del estancamiento de la mortalidad con una ralentización del proceso de envejecimiento [9] .

Para organismos multíparas, la influencia de factores de dinámica de población en la evolución del envejecimiento replicativo (células de la línea generativa) y somática (corporal) es obvia. La contribución proporcional del individuo a la tasa de aumento del tamaño de una población prolífica disminuye con la edad a medida que disminuye la capacidad de reproducción. Estos hechos sugieren que existe un tamaño de descendencia óptimo de un solo individuo. Cuánto puede esto dirigir la evolución de envejecimiento específico o métodos de protección contra el envejecimiento causado por otras causas es todavía una pregunta abierta, en la que no hay consenso entre los investigadores [4] .

Edad en diferentes grupos taxonómicos

Animales pluricelulares

Los efectos del envejecimiento de los animales generalmente se ven solo en entornos protegidos (como laboratorios y zoológicos ). En condiciones naturales, la depredación , la enfermedad o la falta de alimentos es la principal causa de muerte, por lo que el envejecimiento es muy raro. Como regla general, la vida natural de un animal es solo un poco más larga que el tiempo que tarda en llegar a la pubertad, y la vida máxima antes de morir de vejez es varias veces más larga (sin embargo, hay algunas excepciones a esta regla). La siguiente tabla muestra los valores de la vida útil máxima registrada de algunos organismos antes de morir por vejez, la tabla está compilada principalmente en base a datos obtenidos en condiciones protegidas.

Vida útil de los animales pluricelulares (años) a

organismo	Vida útil máxima (años)
mamíferos
Ballena de Groenlandia ( Balaena mysticetus )	210
Humano ( homo sapiens )	122b _
Elefante ( Elephas maximus )	69-86
Chimpancé ( Pan troglodytes )	37-75
Perro ( Canis familiaris )	29-34
Vaca /toro doméstico ( Bos taurus )	treinta
Gato ( Felis catus )	29
Jabalí ( Sus scrofa )	27
Cabra doméstica ( Capra hircus )	18-20
Ardilla ( Sciurus vulgaris )	15-16
Ratón doméstico ( Mus musculus )	cuatro
Aves
Buitre de Turquía ( Cathartes aura )	118
Cisne mudo ( Cygnus olor )	70
Amazonas de Surinam ( Amazona ochrocephala )	56
Paloma bravía ( Columba livia )	35
Gorrión ( Passer domesticus )	23
Golondrina común ( Hirundo rustica )	9
Colibrí ( Colibrí spp.)	ocho
Mosquito azul ( Polioptila caerulea )	cuatro

organismo	Vida útil máxima (años)
reptiles y anfibios
Tortuga de Galápagos ( Geochelone nigra )	177
Cocodrilo del Nilo ( Crocodylus niloticus )	44-68
Salamandra gigante japonesa ( Andrias japonicus )	55
Gran sapo verde ( Lithobates catesbeianus )	treinta
Salamandra negra europea ( Salamandra atra )	17
Tortuga del templo ( Hieremys annandalii )	9
Pez
Esturión de lago ( Acipenser fulvescens )	152
Bagre ( Silurus glanis )	60
Gambusia de Mississippi ( Gambusia affinis )	2-3
mariscos
isla ártica [10]	hasta 500
Insectos
Cigarra periódica (varias especies del género Magicicada )	17
Hormiga reina (Formicidae)	quince
Mosca de la fruta ( Drosophila melanogaster )	30 dias
Efímeras (Imago) (Ephemeroptera)	1-3 días desde
Otro
Anémona ( Actiniaria )	70
Sanguijuela ( Hirudo medicinalis )	27
Lombriz de tierra ( Lumbricus terrestris )	diez
C.elegans	20 días

Notas:a Esta tabla es una versión abreviada de la tabla proporcionada en el artículo Vida útil máxima para mostrar el rango aproximado de vida útil para los principales grupos de organismos. Las referencias a las fuentes de cada valor se dan en su totalidad. Al compilar la tabla, se indicaron todos los valores de edad encontrados, aunque su confiabilidad es diferente. La mejor fuente de edad para la mayoría de los organismos es la base de datos AnAge debido al hecho de que esta base de datos en la mayoría de los casos contiene referencias detalladas a las fuentes primarias de la información utilizada y evalúa su confiabilidad.

b Una persona puede utilizar los servicios de medicina , además, los casos de una larga vida de una persona están mucho mejor documentados. Como resultado, la vida humana parece ser más larga que la de animales similares.de la larva de la mosca de mayo vive hasta 2-3 años.

Factores que afectan la esperanza de vida.

La esperanza de vida varía mucho entre las especies animales . Varios factores influyen en ella. En la mayoría de los casos, la esperanza de vida depende de la fertilidad del animal: cuanta más descendencia da, menos vive. Además, la vida útil depende del tamaño del animal, el tamaño de su cerebro y su actividad metabólica . Por ejemplo, por regla general, los animales más pequeños tienen una esperanza de vida más corta y los animales más grandes tienen una esperanza de vida más larga.

Los animales más simples

Algunos animales inferiores prácticamente evitan el envejecimiento renovando rápidamente las células en todos los tejidos de su cuerpo, lo cual es posible gracias a una estructura corporal simple y descentralizada. Ejemplos de tales organismos son las anémonas de mar y las hidras de agua dulce . En un estudio publicado en 1998 [11] , se demostró que según los signos externos, citológicos y la capacidad de reproducción, la hidra no mostró signos de envejecimiento a lo largo del estudio durante 4 años. Incluso si puede, en principio, envejecer, la diferencia entre la esperanza de vida y el tiempo para llegar a la pubertad, que es de solo una semana, es muy significativa.

Vertebrados que envejecen lentamente

Aunque el envejecimiento es evidente en la mayoría de los animales, no es significativo en algunos animales. Algunos reptiles grandes, sobre todo las tortugas , son ejemplos de tales animales . Por ejemplo, la tortuga de Galápagos ( Geochelone nigra ) puede vivir hasta 177 años [12] , y algunos peces, como los esturiones , viven más de 150 años [13] . Sin embargo, la vida útil y el envejecimiento de estos animales son muy poco conocidos. Además, incluso durante una vida larga, el gasto de energía de estos organismos es insignificante, mucho menor que el de los mamíferos. Además, estos animales aumentan gradualmente de tamaño incluso después de llegar a la pubertad, lo que les permite diluir las células envejecidas del cuerpo con otras nuevas.

Mamíferos

La relación entre la esperanza de vida y el grupo taxonómico entre los mamíferos ha sido la mejor estudiada . Los primates , en general, son el grupo más longevo, aunque algunos pequeños monos del Nuevo Mundo tienen vidas cortas. Los roedores de ratón tienen una vida corta, mientras que los roedores de ardilla alcanzan tres veces la edad de los ratones. La vida útil depende de tres factores separados: el peso del cerebro, el peso corporal y la tasa metabólica [4] [14] . La dependencia de la esperanza de vida de estos factores se puede expresar en forma de ecuación empírica: L = 5,5 E 0,54 S −0,34 M −0,42 . La esperanza de vida (L) de los mamíferos en años depende de la masa cerebral (E) y la masa corporal (S) en gramos y de la tasa metabólica (M) en calorías por gramo por hora . Un exponente positivo para E (0,54) indica que la longevidad de los mamíferos se correlaciona fuerte y positivamente con el tamaño del cerebro, independientemente del tamaño corporal o la tasa metabólica. Un coeficiente de correlación negativo con la tasa metabólica muestra que la esperanza de vida disminuye con el aumento de la actividad del organismo. La correlación negativa con el peso corporal indica que la tendencia de los animales más grandes a vivir más tiempo no es el resultado de un tamaño corporal más grande, sino de una masa cerebral más grande.

La típica relación se ve algo violada en el caso de las razas caninas . Las razas de perros más grandes, aunque alcanzan la pubertad más lentamente, viven vidas mucho más cortas, una diferencia de aproximadamente 2 veces entre las razas más grandes y las más pequeñas. Este ejemplo fue la primera observación que mostró que la selección podría, en principio, cambiar la duración de la vida.

Aves

El mismo tipo de dependencia de L en E, S y M también es cierto para las aves , pero las aves en general viven más que los mamíferos, a pesar de las temperaturas corporales y las tasas metabólicas más altas.

Reptiles

La esperanza de vida de los grandes reptiles supera la esperanza de vida de los mamíferos del tamaño correspondiente, pero la tasa de su metabolismo natural es diez veces menor. Así, la pérdida total de energía durante la vida en los reptiles es menor que en los mamíferos.

Artrópodos

La vida útil de las diferentes especies de artrópodos puede variar desde varios días hasta varias décadas. Los insectos de vida más corta tienen una fase reproductiva corta; las arañas y crustáceos longevos son prolíficos, con ciclos anuales de reproducción.

Costos de energía

Los animales grandes con un cerebro desarrollado, especialmente los primates , producen la mayor cantidad de energía a lo largo de su vida. Por ejemplo, la producción total de energía para una vida humana por gramo de tejido es de aproximadamente 1,2 millones de calorías, mientras que para la vida de animales domésticos como gatos y perros , solo 0,4 millones de calorías.

La relación anterior es válida para animales de sangre caliente . Los animales de sangre fría que pasan por periodos de inactividad diaria o hibernación pueden reducir significativamente su actividad metabólica, a menudo en más de un factor de diez. Los murciélagos insectívoros de las latitudes templadas son el ejemplo más famoso, aunque viven más de 20 años, casi el 80 por ciento de ese tiempo lo pasan en hibernación profunda. Como resultado, su pérdida de energía a lo largo de la vida no supera el gasto de energía de otros pequeños mamíferos.

Solteros

Como ya se ha señalado, el patrón de envejecimiento de los monos es muy diferente al de los mamíferos. Uno de los ejemplos más interesantes de este envejecimiento es el ciclo de vida del salmón rosado . La vida normal de un pez es de unos dos años. Los alevines de salmón nacen en cuerpos de agua dulce , migran río abajo hacia el mar, donde pasan la mayor parte de sus vidas. Después de llegar a la pubertad, los salmones se mueven río arriba en grandes cardúmenes hacia las zonas de desove , durante este viaje la vejez de los peces aún no se nota, y los peces deben estar en excelente forma física para escalar los rápidos. Sin embargo, ya una semana después del desove , el salmón muere de vejez, lo cual es fácil de ver por la degradación de casi todos los tejidos del cuerpo. Aunque la esperanza de vida varía considerablemente entre las especies relacionadas, todas tienen una sola oportunidad de desove, después de la cual todos los peces mueren [15] .

La cigarra periódica ( Magicicada spp.), también conocida como la "langosta de 17 años", tiene un patrón de envejecimiento similar . Sus larvas viven en el suelo durante 17 años, después de lo cual se convierten en insectos alados adultos , se aparean, ponen huevos y mueren. Normalmente, todos los insectos en una "cría" sobre un territorio de cientos de miles de km² alcanzarán la edad adulta en un período de 24 horas, lo que obviamente es una estrategia de supervivencia destinada a evitar que las aves y otros depredadores puedan hacer frente a la enorme cantidad . de cigarras, además, se facilita la búsqueda de pareja de apareamiento. La vida útil de los insectos adultos es de solo unas pocas semanas [15] .

Estos ejemplos ilustran el caso en el que, en las formas únicas, que requieren toda su fuerza y funcionalidad prácticamente durante el resto de sus vidas, el envejecimiento es muy rápido y está asociado con la finalización del proceso de reproducción y, a menudo, está controlado activamente por mecanismos hormonales relativamente simples que pueden desarrollarse bajo la influencia de la selección natural . Estos procesos específicos de envejecimiento controlados genéticamente son un patrón de fin de vida programado que ocurre cuando dicho envejecimiento proporciona una ventaja de supervivencia para los jóvenes. Pero en otros casos, el rápido envejecimiento de los organismos únicos es el resultado del agotamiento de los organismos que ya no se necesitan después de la reproducción.

Desgaste de órganos insustituibles. Para algunos animales, la causa de la muerte puede ser el desgaste de importantes órganos insustituibles, incluso con un ligero envejecimiento del resto del cuerpo. Por ejemplo, la esperanza de vida de algunos herbívoros está limitada por rechinar los dientes mientras mastican hierba dura . Al mismo tiempo, a un humano solo le pueden salir dos juegos de dientes, mientras que al herbívoro más longevo, el elefante , le pueden salir seis, lo que permite reemplazar los dientes desgastados por otros nuevos. Sin embargo, debido al envejecimiento relativamente lento ya la escasez de depredadores naturales, los elefantes a menudo viven hasta una edad en la que el último juego de dientes se desgasta y el animal muere de hambre [15] .

Plantas Vida útil de las plantas perennes (años)

organismo	Vida útil (estimación)
Larrea tridentata ( Larrea tridentata )	11,000* [16]
Secuoyadendro gigante ( Sequoiadendron giganteum )	4000 [16] [17]
Roble común ( Quercus robur )	2000 [17]
Alerce europeo ( Larix decidua )	700 [17]
Ramson ( Allium ursinum )	8—10 [18]
Veza de leche ( Astragalus utahensis )	3 [18]

Nota: * En este caso, puede haber problemas para identificar al mismo "individuo", ya que se refiere a la edad de la plantación de clones.

En el caso de las plantas, el envejecimiento del organismo no es tan pronunciado como en los animales. Conceptos como envejecimiento, maduración , muerte , desarrollo , clorosis , necrosis , desecación están mal delimitados y, a menudo, se superponen [19] . Además, no está claro qué hacer con las semillas , que pueden persistir durante bastante tiempo sin mostrar ninguna actividad fisiológica, o con partes de plantas que dan lugar a nuevas plantas a través de la propagación vegetativa . La esperanza de vida varía mucho entre los miembros del reino vegetal . Algunas especies de árboles pueden vivir varios cientos de años, mientras que algunas plantas herbáceas pasan por un ciclo de vida en unas pocas semanas [20] .

Al considerar la vida útil de las plantas, es importante tener en cuenta que la mortalidad celular es muy alta a lo largo de la vida de la planta, y la muerte de los tejidos o, en el caso de organismos de un solo fruto, de plantas enteras, está regulada. por un sistema de hormonas . El crecimiento de las plantas vasculares depende de la actividad de los meristemas , que están formados por células similares a las células madre animales y son esencialmente tejidos embrionarios . En el caso de muchas plantas de frutos múltiples ( perennes ), este crecimiento puede continuar casi indefinidamente. El resto del tejido vegetal, sin embargo, muere constantemente. Por ejemplo, la mayor parte de la masa de un árbol se compone de células muertas de madera. Los órganos individuales de las plantas, como las hojas , tienen una vida útil considerablemente menor que la del organismo completo. El follaje es beneficioso de mantener solo si contribuye a la supervivencia de toda la planta. Esto se puede observar en las plantas caducifolias de clima templado : cuando disminuyen las horas de luz o bajan las temperaturas, se desencadena la muerte celular programada en las plantas , lo que suele provocar un cambio en el color de las hojas y su caída.

Este "amarilleo" de las hojas a menudo se denomina en la literatura como senescencia de la hoja o síndrome de senescencia [21] . A través del proceso de envejecimiento, los nutrientes de la hoja moribunda se movilizan para que los usen otras partes de la planta, lo que les permite crecer. La disponibilidad de nutrientes, principalmente nitrógeno , es el principal factor limitante del crecimiento. Además, las plantas no pueden cambiar su posición en el suelo y así utilizar los minerales disponibles. Como resultado, existe una fuerte presión evolutiva sobre el desarrollo de sistemas para el reciclaje de componentes necesarios para la vida.

Hay muchos factores que pueden iniciar un programa de envejecimiento y reciclaje de nutrientes. En algunas especies, puede causar la necesidad de nutrientes en otros lugares, como para el desarrollo de semillas [22] . Además, el programa de muerte del follaje u otras partes de la planta puede ser causado por una disminución gradual de su productividad a lo largo del tiempo debido al envejecimiento del aparato fotosintético o del sistema vascular de estas partes del cuerpo, similar al proceso de envejecimiento de animales [20] [21] .

Un proceso de envejecimiento similar al de los animales multíparas también ocurre en las plantas en ausencia de un envejecimiento programado. Este proceso se caracteriza por cambios en la estructura celular, similares a los cambios en la estructura de las células animales. Hay una disminución en el olor de las plantas con producción de olor.

Organismos unicelulares

Los organismos unicelulares, como los organismos multicelulares, envejecen. Se estudian intensamente debido a la similitud de su envejecimiento con el envejecimiento celular de los organismos multicelulares. El organismo modelo para estudiar el envejecimiento celular es la levadura en ciernes ( Saccharomyces cerevisiae ), que, al igual que los eucariotas , tiene procesos bioquímicos similares a los de las células senescentes de animales y plantas superiores. También se han realizado investigaciones entre algunas bacterias , en particular E. coli y Caulobacter crescentus .

Se han estudiado dos formas diferentes de procesos de envejecimiento en organismos unicelulares [23] . El primero es el envejecimiento específico de la célula madre durante la división celular , en el que la célula madre envejece mientras que la célula hija reinicia el reloj celular (rejuvenece) con cada división. El envejecimiento de la célula madre se manifiesta en una ralentización paulatina del ciclo celular , tras lo cual la célula pierde la capacidad de nuevas divisiones, la llamada senescencia replicativa . Este proceso se encontró primero en células con división asimétrica, es decir, en levaduras en ciernes, y luego en la bacteria asimétrica Caulobacter crescentus , donde la definición de célula madre es obvia [24] . Más tarde, las observaciones de la división celular permitieron determinar la célula madre en el organismo con división simétrica: la bacteria E. coli , donde la célula madre es la célula con el "extremo antiguo", aunque luego hubo diferencias morfológicas menores entre las células madre e hija. también se encontraron [25] .

La edad en este caso está determinada por el número de divisiones por las que ha pasado la célula, y no por el tiempo del calendario. La vida media típica de la levadura de laboratorio de tipo salvaje ( Saccharomyces cerevisiae ) es de unas 25 generaciones. La función de distribución de la vida útil de las células individuales sigue la ley de Gompertz, así como la vida útil de los animales superiores [23] . La bacteria Caulobacter crescentus tiene un promedio de vida de 100 a 130 divisiones [24] .

El segundo proceso de envejecimiento que también se encuentra en estos tres organismos modelo es el envejecimiento celular cronológico, más conocido como envejecimiento condicional (debido al hecho de que este proceso solo ocurre bajo ciertas condiciones ambientales). Este proceso se manifiesta en la degradación y pérdida gradual de la viabilidad celular durante la fase estacionaria [23] [26] [27] .

Usando la levadura como ejemplo, se encontró que, al igual que el proceso de envejecimiento replicativo específico de las células madre, el envejecimiento condicional es tanto un proceso de desgaste de las estructuras intracelulares como un programa genético. Por ejemplo, la pared celular en la fase estacionaria pasa por una serie de cambios estructurales genéticamente programados para aumentar la viabilidad y la vida útil del organismo. Pero eventualmente la célula envejece y muere [23] .

Herencia de la longevidad

La herencia de la longevidad en poblaciones de animales como moscas de la fruta y ratones puede determinarse comparando tablas de vida de poblaciones naturales y algunas mutantes e híbridas . Según datos experimentales, alrededor del 30 por ciento de la variación en la longevidad de las hembras y el 20 por ciento de la longevidad de los machos está determinada genéticamente. Estos valores son similares a la herencia de rasgos fisiológicos como el número de huevos puestos y la producción de leche por parte de los animales domésticos [4] .

El coeficiente exponencial de la función de Gompertz indica la tasa de envejecimiento. Las diferencias de longevidad entre especies son principalmente el resultado de diferencias en la tasa de envejecimiento y, por lo tanto, se expresan en diferencias en este coeficiente.

La comparación de tablas de mortalidad de diferentes cepas de ratones de la misma especie muestra que las diferencias entre cepas están determinadas principalmente por diferencias en el miembro independiente de la edad de la función de Gompertz. Si las líneas difieren solo en el término independiente de la edad, las líneas de vida más corta tienen una mortalidad más alta, que es más alta en una cantidad constante a lo largo de la vida, lo que se manifiesta en el desplazamiento vertical de la función de Gompertz. A menudo sucede que los híbridos de primera generación (F1) de dos líneas naturales viven más que cualquiera de los padres. Aunque no se han realizado estudios de los procesos bioquímicos de tales híbridos, las tablas de vida indican que los híbridos difieren de las líneas parentales solo en un miembro independiente de la edad, pero no en un cambio en la tasa de envejecimiento. Otros estudios también han demostrado que gran parte de la variación en la esperanza de vida entre cepas de ratones se debe a diferencias en la susceptibilidad heredada a ciertas enfermedades.

La herencia de la longevidad en los seres humanos es más difícil de estudiar porque la duración de la vida se ve afectada por factores socioeconómicos y otros factores externos que complican las correlaciones entre parientes cercanos. Sin embargo, los estudios indican cierta heredabilidad, aunque pequeña, de la esperanza de vida y la susceptibilidad a enfermedades como el cáncer y las enfermedades cardíacas, principalmente debido al hecho de que los gemelos idénticos (genéticamente idénticos) tienen más probabilidades de tener tasas similares de estas enfermedades que los gemelos fraternos ( genéticamente idénticos). diferentes) gemelos, respectivamente.

Cambios corporales durante el envejecimiento

Fisiología del envejecimiento

Los cambios que ocurren en los mamíferos se estudian mejor, principalmente por la relación de estos organismos con los humanos, pero también por el hecho de que los síntomas del envejecimiento son más pronunciados en estas especies.

Todos los mamíferos son organismos multíparos, en los que el envejecimiento avanza lentamente y abarca casi todos los sistemas del cuerpo. Los cambios generales incluyen una disminución en la masa corporal principal (células vivas y huesos ) con un aumento en la masa total debido a un aumento en la cantidad de grasa corporal y contenido de agua. El metabolismo basal , es decir, el nivel mínimo de actividad metabólica , disminuye en todos los tejidos, al igual que el nivel de actividad voluntaria, pero esta última depende mucho del tipo de animal y del ejercicio realizado durante el período anterior.

Envejecimiento celular

A nivel celular, el envejecimiento se manifiesta en una ralentización de la división celular . Parte de este efecto es el resultado del llamado límite de Hayflick de la división de células somáticas. Este límite se debe a la ausencia de telomerasa activa , lo que provoca que las porciones finales de los cromosomas , los telómeros , se acorten con cada división. En los humanos, una célula somática puede dividirse unas 52 veces, tras lo cual los telómeros desaparecen y las células inician un programa de apoptosis , el "suicidio altruista" de las células. Aunque el borde de Hayflick se considera la razón principal de la disminución de la tasa de división celular, incluso las células madre que carecen de este borde se vuelven menos activas, ralentizan su división y se diferencian en células somáticas con menos frecuencia. Una razón grave que dificulta el progreso en el campo del envejecimiento celular es que la investigación en esta área se lleva a cabo principalmente en una gran población de células en uno de los momentos de crecimiento de la población celular. Sin embargo, este enfoque no nos permite rastrear la secuencia completa de cambios, comenzando con su ocurrencia en células individuales y terminando con la expansión de estos cambios en la población celular. [28] Ver también: [29]

Genealogía celular

Los humanos y los ratones son especies de mamíferos que contrastan marcadamente en la esperanza de vida y la incidencia de cáncer, que es varios órdenes de magnitud mayor en los roedores que en los humanos. La comparación de los cambios en el fenotipo celular en humanos y ratones proporciona nuevos datos sobre los procesos genéticos que conducen al envejecimiento y la transformación [28] . El análisis de grabaciones de video de filmación de video por computadora de cultivos de células vivas, producido para estudiar cambios en el fenotipo de células individuales y su progenie [30] , hizo posible componer genealogías celulares [31] , que recuerdan las genealogías en genética humana. Las células progenitoras y sus descendientes se han estudiado durante muchas generaciones de muchas maneras. Se tuvieron en cuenta hasta 20 parámetros, como área y forma celular, mitosis y muerte celular, mitosis anormales, tamaño y número de núcleos, clasmatosis, velocidad y naturaleza de los movimientos celulares, etc. [28]

Piel y tejido conjuntivo

La formación de enlaces cruzados entre las moléculas de colágeno , la principal proteína intercelular estructural del cuerpo de los mamíferos, y la calcificación de los músculos lisos y las paredes vasculares , aumenta la rigidez del tejido conectivo . Al mismo tiempo, se produce la descalcificación de los huesos del esqueleto , como resultado de lo cual los huesos se vuelven más delgados, menos fiables y menos fuertes. Debido al adelgazamiento del cartílago de la columna vertebral, la longitud del cuerpo disminuye.

Sistema nervioso

En la mayoría de los tejidos se produce atrofia de células e incluso de estructuras enteras, esto es especialmente notorio en algunos tejidos que se restauran lentamente, principalmente el sistema nervioso central . Aunque incluso el número de fibras nerviosas periféricas en una persona disminuye en un 20 por ciento a la edad de 90 años, las células de la corteza cerebral son las más afectadas . Esta pérdida de neuronas es la principal causa del declive mental en los ancianos, aunque también existe algún efecto de reducción del aporte de oxígeno . La acumulación de acumulaciones de proteínas similares a priones también está aumentando, lo que lleva a la demencia en humanos , así como a las enfermedades de Alzheimer y Parkinson .

Acumulación de sustancias que no juegan un papel positivo

Además, muchos tejidos se caracterizan por depósitos de sustancias inertes y potencialmente peligrosas. Por ejemplo, el pigmento lipofuscina , ausente en la juventud, en la vejez constituye hasta el 3% de la masa del músculo cardíaco . También se conocen depósitos en los vasos sanguíneos: aterosclerosis .

También se notan cambios en el sistema endocrino , lo que ralentiza la respuesta a los cambios en el ambiente externo, como resultado, el cuerpo se vuelve más sensible a cualquier factor adverso ( estrés ).

El sistema inmunológico

Debido al envejecimiento del sistema inmunitario , la probabilidad de reacciones autoinmunes aumenta con una disminución general de la actividad del subsistema dependiente del timo . Como resultado, a medida que aumenta la probabilidad de desarrollar tumores a partir de células cancerosas , también aumenta el riesgo de enfermedades autoinmunes .

La genética del envejecimiento

La genética del envejecimiento eucariótico

Durante el envejecimiento, las células pasan por una serie de cambios genéticos que de una forma u otra afectan el curso del proceso de envejecimiento. Se han llevado a cabo estudios de envejecimiento de eucariotas utilizando una variedad de organismos modelo como el ratón doméstico ( Mus musculus ), la mosca de la fruta ( Drosophila melanogaster ), el nematodo Caenorhabditis elegans , el hongo Podospora anserina y la levadura Saccharomyces cerevisiae . Los estudios de estos organismos han revelado la presencia de al menos dos vías que se activan durante el envejecimiento.

Genes que influyen en el proceso de envejecimiento

Podospora	Saccharomyces	Caenorhabditis	drosófila	Ratón
grisea	LAG1	daf-2	césped1	Prop-1
	ALC1	edad-1 / daf-23	gato1	p66shc
	RAS1	daf-18	mes	mlk1
	RAS2	acto-1 / acto-2
	PHB1	daf-16
	PHB2	daf-12
	CDC7	ctl-1
	BUD1	viejo-1
	RTG2	spe-26
	RPD3	clk-1
	HDA1	mev-1
	SIR2
	SIR4-42
	UTH4
	YGL023
	SGS1
	RAD52
	FOB1

Una de estas vías implica el producto del gen SIR2 , la histona desacetilasa dependiente de NAD ± . En la levadura , la proteína Sir2 es necesaria para la represión génica en tres loci (ubicaciones): el locus de apareamiento de la levadura, los genes de los telómeros y el ADNr ribosómico. En algunas especies de levaduras, la recombinación homóloga entre repeticiones de ADNr conduce a la exclusión de repeticiones de ADNr y la creación de ARNr circular extracromosómico (ECR o ERC, del inglés Exctachtomosoma rRNA circles ). Estos ECR se replican y se acumulan preferentemente en la célula madre durante la división y provocan la senescencia celular a través de la unión competitiva a factores importantes. No se ha observado ECR en otras especies de levadura (que también exhiben senescencia replicativa) y en organismos superiores como los humanos. Se ha encontrado ADN circular extracromosómico (ADNec, ADNecc) en gusanos, moscas y humanos. Se desconoce el papel del eDNA en el envejecimiento, si lo hay.

A pesar de la ausencia de un vínculo entre el ADNc y el envejecimiento en los organismos superiores, las copias adicionales de los homólogos del gen Sir2 son capaces de extender la vida útil tanto de gusanos como de moscas. Los mecanismos por los cuales los homólogos de Sir2 en organismos superiores regulan la vida útil siguen sin estar claros, pero se ha descubierto que la proteína SIRT1 humana desacetila p53 , Ku70 y la familia de factores de transcripción forkhead . SIRT1 también puede regular otras proteínas acetiladas como CBP/p300 y puede desacetilar algunos aminoácidos de histona .

RAS1 y RAS2 también afectan el envejecimiento de la levadura y tienen homólogos humanos. Se ha demostrado que una mayor expresión de RAS2 aumenta la longevidad de la levadura.

Varios otros genes regulan el envejecimiento en la levadura aumentando la resistencia al estrés oxidativo . La superóxido dismutasa, una proteína que protege a la célula contra los efectos de las especies reactivas de oxígeno (ROS) mitocondriales , puede retrasar el envejecimiento de la levadura si se expresa en gran medida durante la fase estacionaria.

El factor de crecimiento similar a la insulina IGF -1 juega un papel importante en la regulación del envejecimiento en los organismos superiores . Las mutaciones que afectan la vía de señalización similar a la insulina en gusanos, moscas y ratones a menudo se asocian con una mayor esperanza de vida. Esta vía es inhibida por la restricción calórica y, a su vez, afecta la vida útil a través de un mecanismo dependiente de las proteínas p53 / p21 / Akt [32] .

En la levadura, la actividad de Sir2 está regulada por la nicotinamidasa PNC1. La producción de PNC1 aumenta a nivel transcripcional en condiciones de estrés , como durante una dieta baja en calorías, un choque térmico o un choque osmótico . Al convertir la nicotinamida en niacina , la nicotinamidasa usa nicotinamida, que inhibe la actividad de Sir2. La nicotinamidasa también se ha encontrado en humanos, donde se conoce como PBEF y puede tener una función similar, y la forma secretada de PBEF, conocida como visfatina , puede ayudar a regular los niveles de insulina sérica . No se sabe, sin embargo, si estos mecanismos también existen en humanos debido a diferencias significativas en la fisiología humana y de ratones.

Se ha demostrado que la actividad de Sir2 aumenta en condiciones de restricción calórica en la dieta de los ratones. Debido a la falta de glucosa disponible en las células, se crea más NAD+ libre, lo que conduce a la activación de Sir2. El resveratrol , un polifenol que se encuentra en algunas frutas , aumenta la vida útil de levaduras, gusanos y moscas al activar Sir2 e imitar el efecto de una dieta baja en calorías.

Según algunos datos, las fluctuaciones en la expresión de muchos genes también pueden favorecer el proceso de envejecimiento [33] . Las células individuales genéticamente idénticas pueden tener respuestas significativamente diferentes a los estímulos externos y vidas muy diferentes, lo que indica que los factores epigenéticos juegan un papel importante en la expresión génica y el envejecimiento.

La genética del envejecimiento bacteriano

Se sabe mucho menos sobre el envejecimiento de las bacterias , a pesar de su estructura más simple y su facilidad de observación. Entre las bacterias, los cambios que ocurren durante el envejecimiento condicionado (envejecimiento cronológico en la fase estacionaria) de las bacterias E. coli son más conocidos [34] .

La mayoría de los cambios genéticamente controlados durante el envejecimiento condicional en E. coli se deben a cambios en el nivel de expresión del factor sigma σ s , que es responsable de la expresión de genes asociados con la reparación de proteínas dañadas, similar a la C. elegans gen daf-16 y el genoma RAS de levadura. /P.K.A . _ σ s compite con otro factor sigma, σ 70 , que es responsable del crecimiento bacteriano, y nunca se expresa en su "fuerza completa". Por lo tanto, la bacteria continúa con un crecimiento limitado incluso en condiciones de fase estacionaria, lo que le permite reanudar rápidamente el crecimiento si cambian las condiciones, pero la desventaja es que σ s no puede hacer frente a un estrés oxidativo significativo . Así, la actividad residual de σ 70 en la fase estacionaria es un ejemplo de la llamada pleiotropía antagónica (ver más abajo ), un tipo de sistema genético que se desarrolla debido a un efecto positivo en algunas etapas de la vida, a pesar de un efecto negativo en otras etapas más raras.

Razones para el envejecimiento

Historia de la investigación

Los primeros intentos de una explicación científica del envejecimiento comenzaron a finales del siglo XIX . En uno de los primeros trabajos, Weisman [35] propuso una teoría del origen del envejecimiento como una propiedad surgida como consecuencia de la evolución . Según Weisman, "los organismos que no envejecen no solo no son útiles, sino que son dañinos porque ocupan el lugar de los jóvenes", lo que, según Weisman, debería haber llevado a la evolución a causar el envejecimiento.

Un paso importante en el estudio del envejecimiento fue un informe del profesor Peter Medawar a la Royal Society de Londres en 1951 titulado "Un problema sin resolver en biología" [36] . En esta conferencia, enfatizó que los animales en la naturaleza rara vez viven hasta una edad en la que el envejecimiento se vuelve perceptible, por lo que la evolución no podría influir en el desarrollo del envejecimiento. Este trabajo marcó el comienzo de una serie de nuevos estudios.

Durante los siguientes 25 años, la investigación fue predominantemente descriptiva. Sin embargo, desde finales de la década de 1970 han surgido un gran número de teorías que han tratado de explicar el envejecimiento [37] . Por ejemplo, en una famosa revisión de la literatura sobre este tema, publicada por Caleb Finch en 1990, había cerca de 4 mil referencias [38] . Solo a fines de la década de 1990 la situación comenzó a aclararse y la mayoría de los autores comenzaron a llegar a conclusiones generales.

Todas las teorías del envejecimiento se pueden dividir condicionalmente en dos grandes grupos: teorías evolutivas y teorías basadas en daños celulares accidentales. Los primeros creen que el envejecimiento no es una propiedad necesaria de los organismos vivos, sino un proceso programado. Según ellos, el envejecimiento se ha desarrollado como resultado de la evolución debido a algunos de los beneficios que otorga a toda la población . En contraste, las teorías del daño sugieren que el envejecimiento es el resultado de un proceso natural de acumulación de daño a lo largo del tiempo contra el cual el cuerpo trata de luchar, y las diferencias en el envejecimiento en diferentes organismos son el resultado de la diferente efectividad de esta lucha. Este último enfoque ahora se considera establecido en la biología del envejecimiento [39] [40] [41] . Sin embargo, algunos investigadores aún defienden el enfoque evolutivo [15] y otros ignoran por completo la división en teorías evolutivas y de daños. Esta última afirmación es en parte el resultado de un cambio en la terminología: en algunos escritos recientes, el término "teorías evolutivas" no se refiere a las teorías del "envejecimiento programado", que sugieren la ocurrencia evolutiva del envejecimiento como un fenómeno beneficioso, sino a un enfoque que describe por qué los organismos deberían envejecer en oposición a la cuestión de las bases bioquímicas y fisiológicas del envejecimiento.

Por qué ocurre el envejecimiento

Enfoque evolutivo-genético

La hipótesis que formó la base del enfoque genético fue propuesta por Peter Medawar en 1952 [36] y ahora se conoce como la " teoría de la acumulación de mutaciones " . Medawar notó que los animales en la naturaleza rara vez viven hasta una edad en la que el envejecimiento se vuelve notable. Según su idea, los alelos que aparecen durante períodos posteriores de la vida y que surgen como resultado de mutaciones de células germinales están sujetos a una presión evolutiva bastante débil, incluso si propiedades como la supervivencia y la reproducción sufren como resultado de su acción. Por lo tanto, estas mutaciones pueden acumularse en el genoma durante muchas generaciones. Sin embargo, cualquier individuo que haya logrado evitar la muerte durante mucho tiempo experimenta sus efectos, que se manifiestan como envejecimiento. Lo mismo es cierto para los animales en condiciones protegidas.

Más tarde, en 1957, D. Williams [42] sugirió la existencia de genes pleiotrópicos que tienen diferentes efectos sobre la supervivencia de los organismos en diferentes períodos de la vida, es decir, son útiles a edades tempranas, cuando el efecto de la selección natural es mayor. fuerte, pero dañina después, cuando el efecto de la selección natural es débil. Esta idea ahora se conoce como " pleiotropía antagónica " ( inglés: Antagonistic pleiotropy ).

Juntas, estas dos teorías forman la base de las ideas modernas sobre la genética del envejecimiento [41] . Sin embargo, la identificación de los genes responsables ha tenido un éxito limitado. La evidencia de la acumulación de mutaciones sigue siendo controvertida [43] , mientras que la evidencia de genes pleiotrópicos es más sólida pero no está bien fundamentada. Los ejemplos de genes pleiotrópicos incluyen el gen de la telomerasa en eucariotas y el factor sigma σ 70 en bacterias. Aunque se sabe que muchos genes afectan la vida útil de diferentes organismos, todavía no se han encontrado otros ejemplos claros de genes pleiotrópicos [44] .

Enfoque evolutivo-fisiológico

La teoría de la pleiotropía antagónica predice que deben existir genes con efecto pleiotrópico, cuya selección natural conduce a la aparición del envejecimiento. De hecho, se han encontrado varios genes con un efecto pleiotrópico en diferentes etapas de la vida: sigma-70 en E. coli , telomerasa en eucariotas, pero no se ha demostrado una conexión directa con el envejecimiento, además, no se ha demostrado que este sea un típico fenómeno para todos los organismos, responsable de todo los efectos del envejecimiento. Es decir, estos genes solo pueden ser considerados como candidatos para el papel de genes predicho por la teoría. Por otro lado, se muestran una serie de efectos fisiológicos sin determinar los genes responsables de los mismos. A menudo podemos hablar de compromisos similares a los predichos por la teoría de la pleiotropía antagónica, sin definir claramente los genes de los que dependen. La base fisiológica de tales compromisos se encuentra en la llamada teoría del soma desechable [ 45 ] . Esta teoría pregunta cómo el organismo debe administrar sus recursos (en la primera versión de la teoría se trataba solo de energía) entre el mantenimiento, la reparación del soma y otras funciones necesarias para la supervivencia. La necesidad de compromiso surge de los recursos limitados o la necesidad de elegir la mejor manera de usarlos.

El mantenimiento del cuerpo debe hacerse solo en la medida necesaria durante el tiempo normal de supervivencia en la naturaleza. Por ejemplo, dado que el 90% de los ratones salvajes mueren durante el primer año de vida (principalmente por frío), la inversión de recursos en la supervivencia a lo largo del tiempo solo afectará al 10% de la población. Los tres años de vida de los ratones son completamente suficientes para todas las necesidades de la naturaleza, pero desde el punto de vista de la evolución, los recursos deberían gastarse, por ejemplo, en mejorar la conservación del calor o la reproducción en lugar de luchar contra la vejez. Por lo tanto, la vida útil de un ratón se adapta mejor a las condiciones ecológicas de su vida.

La teoría del cuerpo desechable hace varias suposiciones sobre la fisiología del proceso de envejecimiento. Según esta teoría, el envejecimiento resulta de las funciones imperfectas de reparación y mantenimiento de las células somáticas que se adaptan para satisfacer las necesidades ambientales. El daño, a su vez, es el resultado de procesos estocásticos asociados a la actividad vital de las células. La longevidad está controlada por el control de los genes que son responsables de estas funciones, y la inmortalidad de las células generativas, a diferencia de las células somáticas, es el resultado de un gran gasto de recursos y, posiblemente, de la ausencia de algunas fuentes de daño.

Cómo ocurre el envejecimiento

Mecanismos moleculares

Hay pruebas de varios mecanismos importantes de daño a las macromoléculas, que normalmente funcionan en paralelo o dependen unos de otros [41] . Es probable que cualquiera de estos mecanismos desempeñe un papel dominante en determinadas circunstancias.

En muchos de estos procesos, las especies reactivas del oxígeno (en particular , los radicales libres ) juegan un papel importante , un conjunto de pruebas de su influencia se obtuvo hace mucho tiempo y ahora se conoce como la " teoría de los radicales libres del envejecimiento ". Hoy, sin embargo, los mecanismos del envejecimiento son mucho más detallados. Por ejemplo, se encontró que la naturaleza de la metilación del ADN en el genoma está estrechamente relacionada con la edad cronológica [46] [47] [48] [49]

La teoría de las mutaciones somáticas

Muchos estudios han demostrado un aumento en el número de mutaciones somáticas y otras formas de daño en el ADN con la edad , lo que sugiere que la reparación del ADN es un factor importante para mantener la longevidad celular. El daño del ADN es típico de las células y es causado por factores como la radiación fuerte y las especies reactivas de oxígeno y, por lo tanto, la integridad del ADN solo se puede mantener a través de mecanismos de reparación. De hecho, existe una relación entre la longevidad y la reparación del ADN, como lo demuestra la enzima poli - ADP - ribosa polimerasa - 1 (PARP-1), un actor importante en la respuesta celular al daño del ADN inducido por el estrés [50] . Los niveles más altos de PARP-1 se asocian con una vida útil más larga.

Acumulación de proteínas alteradas

El ciclo de proteínas también es importante para la supervivencia celular , para lo cual la aparición de proteínas dañadas y en exceso es crítica. Las proteínas oxidadas son un resultado típico de la influencia de especies reactivas de oxígeno, que se forman como resultado de muchos procesos metabólicos de la célula y, a menudo, interfieren con el correcto funcionamiento de la proteína. Sin embargo, los mecanismos de reparación no siempre pueden reconocer las proteínas dañadas [34] y se vuelven menos efectivos con la edad [41] debido a una disminución en la actividad del proteosoma [51] . En algunos casos, las proteínas forman parte de estructuras estáticas, como la pared celular , que no se pueden descomponer fácilmente. El recambio de proteínas también depende de las proteínas chaperonas , que ayudan a las proteínas a obtener la conformación necesaria . Con la edad se observa una disminución de la actividad reparadora [52] , aunque esta disminución puede ser el resultado de una sobrecarga de chaperonas (y protoasomas) con proteínas dañadas.

Existe evidencia de que la acumulación de proteínas dañadas ocurre con la edad y puede ser responsable de enfermedades relacionadas con la edad, como la enfermedad de Alzheimer, la enfermedad de Parkinson y las cataratas .

Teoría mitocondrial

La teoría mitocondrial del envejecimiento se propuso por primera vez en 1978 (teoría mitocondrial del desarrollo, envejecimiento y crecimiento maligno) [53] [54] . Su esencia radica en el hecho de que una ralentización en la reproducción de las mitocondrias en células altamente diferenciadas debido a una deficiencia de proteínas mitocondriales codificadas en el núcleo crea condiciones para la aparición y selección selectiva de deleción defectuosa de ADNmt, cuyo aumento en la proporción gradualmente reduce el suministro de energía de las células. En 1980, se propuso una teoría mitocondrial radical del envejecimiento [55] . ahora hay muchos datos[ ¿dónde? ] indicando que los radicales libres no son la causa del envejecimiento natural . Estos datos no refutan la teoría mitocondrial del envejecimiento ( 1978 ), que no se basa en los radicales libres, pero prueban la falsedad de la versión radical de la teoría mitocondrial del envejecimiento (1980). .

La importancia del vínculo entre el estrés molecular y el envejecimiento se ha sugerido en base a las observaciones del efecto de la acumulación de mutaciones en el ADN mitocondrial ( ADNmt ) [56] . Estos datos fueron respaldados por la observación de un aumento con la edad en el número de células que carecen de citocromo c oxidasa ( COX), que se asocia con mutaciones en el ADNmt. Tales células a menudo tienen alteraciones en la producción de ATP y el balance de energía celular.

Pérdida de telómeros

En muchas células humanas, la pérdida de la capacidad de división de las células está asociada con la pérdida de telómeros en los extremos de los cromosomas, que se pierden después de un cierto número de divisiones. Esto se debe a la ausencia de la enzima telomerasa , que normalmente solo se expresa en células germinales y madre. La telomerasa les permite dividirse continuamente, formando tejidos y órganos. En adultos, la telomerasa se expresa en células que deben dividirse con frecuencia, pero la mayoría de las células somáticas no la producen. La telomerasa se considera la clave para la inmortalidad celular, la "fuente de la juventud". Esta enzima permite que las células se multipliquen rápidamente sin envejecer.

Dado que actualmente se desconoce en qué medida la destrucción de los telómeros afecta el proceso de envejecimiento [57] , las principales investigaciones se centran en los procesos de mantenimiento de la integridad del ADN y, en particular, de sus regiones teloméricas. Michael Fossel sugirió en una entrevista que el tratamiento con telomerasa puede usarse no solo para combatir el cáncer , sino incluso para combatir el envejecimiento humano y así aumentar la esperanza de vida. Él cree que en la próxima década se realizarán las primeras pruebas de métodos de telomerasa para aumentar la esperanza de vida humana.

Recientemente se ha descubierto que el estrés oxidativo (liberación excesiva de especies reactivas de oxígeno) también puede tener un efecto sobre la pérdida de telómeros, acelerando mucho este proceso en ciertos tejidos [58] .

Teoría epigenética del envejecimiento

Las células pierden lentamente los marcadores de cromatina reprimidos con el tiempo, lo que puede estar asociado con la diferenciación celular en el cuerpo. La pérdida de marcadores de represión tarde o temprano conducirá a la desrepresión de los transposones latentes, respectivamente, a un aumento en la cantidad de daño en el ADN causado por ellos, seguido de la activación de los sistemas de reparación del ADN celular. Estos últimos, además de participar en la reparación del ADN, también provocan recombinaciones no autorizadas en los telómeros. También es posible que las recombinasas de transposones puedan iniciar directamente dichas recombinaciones. Como resultado, las secciones extendidas de ADN telomérico se convierten en anillos y se pierden, y los telómeros se acortan por la longitud del ADN circular perdido. Este proceso acelera diez veces la pérdida de ADN telomérico, y la subsiguiente apoptosis de la mayoría de las células predetermina el envejecimiento como fenómeno biológico. La teoría propuesta es una alternativa a la hipótesis del envejecimiento genéticamente programado y la hipótesis del envejecimiento como consecuencia de la acumulación de errores y daños, explica el mecanismo de pérdida acelerada de telómeros en caso de estrés oxidativo y daño en el ADN, así como la relación entre el envejecimiento y la aparición de tumores [59] .

Sistema y mecanismos de red

En las primeras etapas de la investigación sobre el envejecimiento, se consideraba que numerosas teorías competían para explicar los efectos del envejecimiento. Sin embargo, hoy en día se cree que muchos mecanismos de daño celular operan en paralelo y las células también deben gastar recursos para combatir muchos mecanismos. Para explorar la interacción entre todos los mecanismos de control de daños, se ha propuesto un enfoque sistémico del envejecimiento que intenta tener en cuenta simultáneamente un gran número de tales mecanismos. Además, este enfoque puede separar claramente los mecanismos que operan en las diferentes etapas de la vida de un organismo. Por ejemplo, la acumulación gradual de mutaciones en el ADN mitocondrial a menudo conduce a la acumulación de especies reactivas de oxígeno y a una disminución en la producción de energía, lo que a su vez conduce a un aumento en la tasa de daño al ADN y a las proteínas celulares.

Otro aspecto que hace que el enfoque de sistemas sea atractivo es la comprensión de la diferencia entre los diferentes tipos de células y tejidos del cuerpo. Por ejemplo, es más probable que las células que se dividen activamente sufran acumulación de mutaciones y pérdida de telómeros que las células diferenciadas. Al mismo tiempo, es necesario aclarar que esta tesis no se aplica a células transformadas y tumorales que se dividen rápida y repetidamente, que no pierden telómeros y no acumulan mutaciones. Las células diferenciadas tienen más probabilidades de sufrir daños en las proteínas que las células que se dividen rápidamente y "diluyen" las proteínas dañadas con otras recién sintetizadas. Incluso si una célula pierde su capacidad de proliferar debido a los procesos de envejecimiento, el equilibrio de los mecanismos de daño cambia.

Enfoque poblacional

Otro enfoque para el estudio del envejecimiento es el estudio de la dinámica demográfica del envejecimiento . Todos los modelos matemáticos del envejecimiento se pueden dividir aproximadamente en dos tipos principales: modelos de datos y modelos de sistemas [60] . Los modelos de datos son modelos que no utilizan ni intentan explicar ninguna hipótesis sobre los procesos físicos en los sistemas para los que se obtienen estos datos. Los modelos de datos incluyen, en particular, todos los modelos de estadísticas matemáticas. En contraste con ellos, los modelos de sistemas se construyen principalmente sobre la base de leyes físicas e hipótesis sobre la estructura del sistema, lo principal en ellos es la verificación del mecanismo propuesto.

La primera ley del envejecimiento es la ley de Gompertz, que ofrece un modelo cuantitativo simple del envejecimiento. Esta ley permite separar dos tipos de parámetros del proceso de envejecimiento. Los estudios de la desviación de la ley del envejecimiento de la curva de Gompertz pueden proporcionar información adicional sobre los mecanismos específicos del envejecimiento en un organismo dado. El efecto más conocido de esta desviación es el estancamiento de la mortalidad a una edad más avanzada en lugar del crecimiento exponencial observado en muchos organismos [9] . Para explicar este efecto se han propuesto varios modelos, entre los que se encuentran variaciones del modelo de Strehler-Mildwan [61] y la teoría de la fiabilidad [62] [63] .

Los modelos de sistemas consideran muchos factores, eventos y fenómenos individuales que afectan directamente la supervivencia de los organismos y el nacimiento de la descendencia. Estos modelos consideran el envejecimiento como un equilibrio y redistribución de recursos tanto en aspectos fisiológicos (durante la vida de un organismo) como evolutivos . Por regla general, especialmente en este último caso, estamos hablando de la distribución de recursos entre los costes directos del nacimiento de la descendencia y los costes de supervivencia de los padres [60] .

Respuesta celular al envejecimiento

Una cuestión importante del envejecimiento a nivel de células y tejidos es la respuesta celular al daño. Debido a la naturaleza estocástica del daño, las células individuales envejecen, por ejemplo, debido a que alcanzan el límite de Hayflick , más rápido que otras células. Tales células tienen el potencial de amenazar la salud de todo el tejido. Esta amenaza es mayor entre las células madre que se dividen rápidamente, como la médula ósea o las células epiteliales intestinales , debido al gran potencial de dichos tejidos para crear células mutantes, posiblemente cancerosas. Se sabe que son las células de estos tejidos las que responden rápidamente al daño iniciando el programa de apoptosis. Por ejemplo, incluso dosis bajas de radiación (0,1 Gy ) inducen la apoptosis en las células epiteliales intestinales, e incluso un estrés químico leve induce la apoptosis en las células madre de ratones viejos.

Como regla general, en tales tejidos, la apoptosis masiva es un signo de un aumento en el número de células dañadas. Por otro lado, en otros tejidos, la respuesta a un aumento en el nivel de daño puede ser la detención de las células en una determinada etapa del ciclo celular para detener la división [41] . El equilibrio entre la apoptosis y la detención de las células dañadas es muy importante como compromiso entre el envejecimiento y el cáncer [64] . Es decir, el cuerpo debe matar las células dañadas o permitir que existan, lo que aumenta el riesgo de cáncer. Por lo tanto, p53 y el acortamiento de los telómeros, factores importantes en la inducción de la apoptosis celular, pueden verse como un ejemplo de pleiotropía antagónica, como se discutió anteriormente.

En resumen, según los conceptos modernos, la célula envejece como resultado de la acumulación de daño. La tasa de esta acumulación está determinada, en primer lugar, por los costos determinados genéticamente para la reparación y el mantenimiento de las estructuras celulares, que a su vez están determinados por el cuerpo para satisfacer sus necesidades ambientales. Los organismos de larga vida tienen costos elevados (a veces, metabolismos más prolongados), lo que da como resultado una acumulación de daños más lenta. Para combatir el riesgo que representan las células dañadas, el cuerpo ha creado un sistema de mecanismos para lidiar con ellas, que a menudo implican un segundo conjunto de compromisos.

Lucha política contra el envejecimiento

En julio de 2012 primero en Rusia , y luego en USA, Israel y Holanda se anunció [65] el inicio de la creación de partidos políticos de extensión de vida. Estos partidos tienen como objetivo brindar apoyo político a la revolución científica y tecnológica que está actualmente en marcha [66] en el campo de la extensión de la vida y garantizar la transición más rápida y al mismo tiempo sin dolor de la sociedad a la siguiente etapa de su desarrollo - con un el aumento radical de la esperanza de vida humana, el rejuvenecimiento y el envejecimiento se detienen para que la mayoría de las personas que viven en la actualidad tengan tiempo de aprovechar los logros de la ciencia y aumentar sus vidas. Los principales científicos del mundo en el campo del envejecimiento creen que el envejecimiento debería incluirse oficialmente en la lista de enfermedades y síndromes de enfermedad de la Organización Mundial de la Salud, sobre la cual se envió una carta colectiva a la OMS luego de los resultados de la 3ra Conferencia Internacional "Genética de Envejecimiento y longevidad", que se celebró en Sochi en abril de 2014 .

Véase también

Notas

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Literatura

Enciclopedias

Microsoft Encarta : envejecimiento , vida útil
Encyclopaedia Britannica : Aging , Life Span (Inglés, se requiere prepago)

Revisiones científicas generales

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Anisimov V. N. (2008). Descargar libro PDF Mecanismos moleculares y fisiológicos del envejecimiento

Teorías separadas

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Científico de Moscú descubrió la causa del envejecimiento humano
Teoría epigenética del envejecimiento (enlace no disponible desde el 13/05/2013 [3451 días])

Organizaciones, listas de recursos

eternalmind.ru (idioma ruso, Noticias de Gerontología Moderna. (la ciencia del envejecimiento)
Biologicalgerontology.com (inglés, recursos sobre la biología del envejecimiento y la extensión de la vida).
Unraveling the Secrets of Human Longevity (inglés, recursos sobre la biología del envejecimiento y la extensión de la vida).
Senescence.info (inglés, recursos sobre la biología del envejecimiento).
Cellular Senescence Information Center (enlace no disponible desde el 13-05-2013 [3451 días] - historia ) (inglés, recursos sobre el envejecimiento celular).
Academia Estadounidense de Medicina Antienvejecimiento (Inglés, Asociación Estadounidense de Medicina Antienvejecimiento).
Federación Estadounidense para la Investigación del Envejecimiento (Inglés, Asociación Estadounidense para el Estudio del Envejecimiento).
Centro de Investigación sobre el Envejecimiento (ARC) (inglés, Centro de Investigación sobre el Envejecimiento).

Bases de datos

AnAge (inglés, Animal Aging and Lifespan Database), con licencia Creative Commons

Imágenes dinámicas

Cultivo de fibroblastos embrionarios humanos

diccionarios y enciclopedias	Gran catalán gran ruso
En catálogos bibliográficos	J9U : 987007293937105171 LCCN : sh85002201

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Inmortalidad	inmortalidad biológica La eterna juventud inmortalismo Inmortalidad digital sin edad
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ver también	La inmortalidad en la cultura zona azul Mitos sobre la longevidad transhumanismo

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