După ce ajunge la pubertate, corpul mamiferelor , inclusiv al oamenilor , trece printr-o serie de modificări structurale cauzate de îmbătrânire . Cele mai multe dintre modificări sunt probabil rezultatul degradării graduale a țesuturilor . Cercetările în fiziologia îmbătrânirii sunt menite să descopere cauzele procesului și să ofere metode pentru a-l încetini.
Cea mai mare parte a corpului, care constă din masa mușchilor și țesuturilor, după atingerea pubertății, scade constant și la bătrânețe extremă este de aproximativ două treimi din valoarea maximă la tinerețe. Dimpotrivă, greutatea corporală totală crește de obicei odată cu vârsta, pe măsură ce cantitatea de grăsime și apă stocată crește. Cantitatea relativă de lichid extracelular, care scade pe parcursul dezvoltării embrionare și postnatale , crește odată cu vârsta de-a lungul maturității. În ciuda aspectului, toate țesuturile, chiar și pielea , conțin mai multă apă din cauza îmbătrânirii. Deși de obicei se pierde și masa musculară, rata pierderii depinde de activitatea fizică a individului. Există dovezi că cea mai mare parte a pierderii de masă musculară odată cu vârsta este rezultatul deantrenării și atrofiei , și nu pierderii fibrelor musculare.
Scăderea greutății principale a corpului este însoțită de o scădere a nivelului activității metabolice . BMR (metabolismul) este cel mai mare în perioada cu cea mai rapidă creștere a masei, după care scade rapid până la pubertate, iar apoi scăderea încetinește. La șobolani în timpul perioadei de declin lent, activitatea metabolică scade cu aproximativ 20% pe o perioadă de trei ani. Temperatura de bază a corpului este menținută constantă în ciuda producției mai scăzute de căldură, care este cauzată de fluxul sanguin redus prin piele și pierderea redusă de căldură, rezultând o temperatură ușor mai scăzută a pielii. Cantitatea de activitate fizică voluntară, cum ar fi alergarea pe o roată, scade de obicei odată cu vârsta, dar este foarte dependentă de animalul individual.
Integritatea structurală a organismului vertebrat depinde în primul rând de două tipuri de fibre proteice - colagen și elastina . Colagenul, care reprezintă aproape o treime din masa totală a tuturor proteinelor din organism, se găsește în piele , oase și tendoane . După sinteza de către celulele fibroblaste , colagenul este într-o formă solubilă (tropocolagen). Colagenul solubil treptat se polimerizează într-o formă stabilă care poate persista în țesuturi pentru cea mai mare parte a vieții unui animal. Rata sintezei de colagen este mare în tinerețe și scade pe parcursul vieții, astfel încât raportul dintre concentrațiile de colagen filamentos și cel dizolvat crește odată cu vârsta. Colagenul filamentos se transformă odată cu vârsta într-o rețea de proteine, care seamănă cu cristalina cristalinului ochiului. Odată cu creșterea în vârstă, numărul de legături dintre moleculele de colagen crește, ceea ce duce la crearea unei structuri rigide cristaline, ceea ce duce la o creștere generală a rigidității țesuturilor corpului.
O altă modificare care însoțește îmbătrânirea este scăderea relativă a cantității de glicozaminoglicani (sau mucopolizaharide, care sunt complexe de proteine și carbohidrați), ca urmare a căreia raportul dintre concentrațiile de hexoamină și colagen este utilizat ca indicator al îmbătrânirii unui anumit individ sau persoană. O consecință importantă a acestor modificări este o scădere a permeabilității țesuturilor la nutrienții dizolvați, hormoni , factori de creștere și anticorpi .
Rata de îmbătrânire a colagenului depinde de activitatea metabolică generală a animalelor: șobolanii ținuți cu o dietă săracă în calorii au avut colagen mai tânăr decât alți șobolani de aceeași vârstă.
Elastina este o moleculă care este responsabilă de elasticitatea pereților vaselor de sânge . Odată cu vârsta, are loc o pierdere a elasticității vasculare, în primul rând din cauza fragmentării colagenului.
Legăturile încrucișate dintre moleculele de colagen sunt similare din punct de vedere chimic cu legăturile încrucișate care se formează în piele în timpul tăbăcirii. Datorită acestei asemănări, s-a propus să se utilizeze substanțe chimice care interferează cu procesele de polimerizare pentru a încetini îmbătrânirea. Cu toate acestea, din cauza toxicității lor ridicate, utilizarea unor astfel de substanțe la animale nu este încă posibilă.
Țesuturile corpului sunt împărțite în două grupe, în funcție de reînnoirea celulelor tisulare. În unele țesuturi, celulele nu se reînnoiesc deloc, cum ar fi nervii, celulele miocardice și mușchii scheletici , în care celule noi nu sunt create (cel puțin la mamifere) după o anumită etapă de creștere a organismului. În alte țesuturi, cum ar fi epiteliul intestinal și sângele , pe de altă parte, unele tipuri de celule sunt reînnoite la fiecare câteva zile și înlocuite de sute de ori pe durata vieții chiar și a animalelor cu viață scurtă. Între aceste exemple se află multe organe, cum ar fi ficatul , pielea , organele endocrine , unde celulele sunt înlocuite mai lent, cu perioade de la săptămâni până la ani la oameni.
Nervii periferici sunt o țintă convenabilă pentru studiu, deoarece numărul total de fibre din coloana nervoasă poate fi numărat. Acest lucru a fost făcut pentru rădăcinile nervoase cervicale și toracice ale șobolanului, pisicii și omului. În rădăcina nervoasă abdominală și dorsală umană, numărul de fibre nervoase scade cu aproximativ 20% de la vârsta de 30 până la 90 de ani. În schimb, la pisică, șobolan și șoarece, datele nu arată o scădere a numărului de fibre rădăcinii dorsale odată cu vârsta. La om, numărul de fibre nervoase olfactive scade odată cu vârsta, cu aproximativ 25 la sută de la naștere până la vârsta de 90 de ani, aproximativ la fel ca și numărul de fibre nervoase optice care asigură vederea.
O scădere semnificativă a celulelor se observă odată cu vârsta și a numărului de celule vii din cortexul cerebral uman. Cortexul cerebelos al șobolanului și al omului este, de asemenea, foarte sensibil la îmbătrânire. Alte părți ale creierului nu îmbătrânesc la fel de mult.
Există o tendință ca secțiunile mai înalte și mai recent dezvoltate ale sistemului nervos să se deterioreze mai rapid odată cu îmbătrânirea în comparație cu secțiunile mai vechi, cum ar fi coloana creierului și măduva spinării . Nu se știe încă ce procent de celule se pierd din cauza îmbătrânirii creierului și ce procent se datorează altor cauze, cum ar fi circulația proastă a sângelui. Nutriția și întreținerea celulelor nervoase, a neuronilor și a sistemului nervos central depinde în mare măsură de glia , celulele mici care înconjoară neuronii. Numărul absolut al acestor celule nu scade semnificativ odată cu înaintarea în vârstă, dar unele dintre modificările microscopice care se observă în celulele nervoase ale vârstnicilor sunt similare cu cele cauzate de foame sau epuizare fizică.
De asemenea, s-a demonstrat că după anumite boli, cum ar fi rujeola , virusul rămâne în corpul gazdei pentru tot restul vieții și provoacă uneori o deteriorare rapidă a funcțiilor cortexului cerebral. Acest virus, precum și alți viruși mai puțin evidente, pot fi, de asemenea, responsabili pentru diferențele individuale în rata de îmbătrânire umană.
Țesuturile de reînnoire constau de obicei dintr-o populație de celule în proliferare care își păstrează capacitatea de a se diviza și o populație de celule mature care provin din celulele în proliferare și au o durată de viață limitată. Producerea acestor celule trebuie să compenseze pierderea lor, inclusiv pierderile neașteptate cauzate de răni sau boli. Astfel, fiecare țesătură are una sau mai multe modalități de a controla producția în funcție de nevoi. Îmbătrânirea unor astfel de țesuturi este exprimată în mai multe moduri, în special, o scădere a numărului de celule în proliferare, o scădere a ratei diviziunii celulare și o scădere a activității sistemelor de control. Modificările acestor factori în țesuturile formatoare de sânge ale șoarecelui sunt mici, dar se manifestă foarte clar în condiții extreme.
Pielea intactă își reînnoiește celulele la fiecare câteva săptămâni, având capacitatea de a crește temporar rata de producție celulară ca răspuns la deteriorare. Rata de vindecare a rănilor scade treptat odată cu vârsta, la început rapid și apoi ceva mai lent.
Unul dintre cele mai durabile semne ale îmbătrânirii este o deteriorare a capacității de a focaliza ochiul atât asupra obiectelor apropiate, cât și asupra celor îndepărtate. Această pierdere a acomodării vizuale este rezultatul unei slăbiri a mușchilor ochiului și al scăderii elasticității cristalinului. Un alt factor care contribuie este că lentila continuă să crească de-a lungul vieții, deși într-un ritm mai lent. Această creștere este rezultatul diviziunii continue a celulelor epiteliale în apropierea centrului convențional al cristalinului, creând noi celule care se diferențiază în fibre ale cristalinului. Odată create, aceste fibre rămân pentru totdeauna în același loc.
O componentă importantă a mecanismului de reînnoire sunt celulele stem . Aceste celule, care de obicei continuă să se dividă liber de-a lungul vieții, intră într-o fază de proliferare rapidă în fața cererii crescute . Țesutul hematopoietic conține o populație de celule stem care răspunde rapid la deteriorarea în tinerețe, dar activitatea sa scade odată cu vârsta. Incidența crescută a anemiei la bătrânețe și răspunsul mai lent la pierderea de sânge se explică de obicei prin epuizarea celulelor stem din organele hematopoietice. În unele alte organe, populațiile de celule stem nu au fost găsite, cum ar fi în mucoasa intestinală, în ciuda ratei ridicate de diviziune celulară.
Modificări semnificative apar odată cu vârsta și în morfologia țesuturilor. De exemplu, un grad mic de atrofie tisulară este obișnuit. Cea mai vizibilă reducere a dimensiunii timusului , mai ales având în vedere rolul său în apărarea imunitară . Scăderea treptată a volumului de țesut celular și înlocuirea acestuia cu țesut adipos sau conjunctiv este cea mai semnificativă în măduva osoasă și piele . Structuri secretoare întregi ( nefroni ) sunt pierdute în rinichi . Celulele secretoare ale pancreasului , tiroidei și ale altor organe scad, de asemenea, în număr.
O schimbare importantă în timpul îmbătrânirii este acumularea de pigmenți și materiale inerte și posibil dăunătoare între celule. Pigmentul de lipofuscină se acumulează în limitele celulelor musculare ale inimii - de obicei este absent până la 10 ani după nașterea unei persoane , dar cantitatea sa crește la aproape 3% din volumul celulelor la vârsta de 90 de ani . O substanță amiloidă , un complex proteină-carbohidrați , se acumulează în țesuturi la vârsta mijlocie, posibil un produs al reacțiilor autoimune . În cazul extrem al bolii amiloide , o boală autoimună rară , unele organe sunt de fapt suprimate de substanța amiloidă. Cantități mici de metale se acumulează, de asemenea, în diferite țesuturi odată cu vârsta și, deși aceste cantități sunt mici, unele metale pot otrăvi sistemele enzimatice , pot stimula mutații sau pot provoca cancer .
Celulele din multe țesuturi de mamifere pot fi cultivate in vitro (în afara corpului) sub control limitat de laborator. Mai multe linii de celule canceroase au fost crescute în cultură continuă timp de multe decenii. La începutul dezvoltării tehnologiei culturii de țesuturi, s-a susținut că anumite celule de pui ( fibroblaste ) au fost menținute în cultură timp de 20 de ani. Acest lucru a condus la ideea că celulele care se divid în mod constant sunt potențial nemuritoare, iar interesul pentru studiul îmbătrânirii s-a concentrat asupra celulelor diferențiate (adulte). O populație ( clonă ) de fibroblaste are o perioadă de creștere sănătoasă, timp în care cultura poate fi „divizată”, de câteva zeci de ori (adică celulele trec prin câteva zeci de diviziuni). După aproximativ a 50-a diviziune însă, culturile intră într-o fază de degradare rapidă și mor. Ocazional, cromozomii din celule devin susceptibili la mutații care permit celulelor să se dezvolte la nesfârșit, creând o subpopulație care continuă să crească dincolo de a 50-a clivaj. Acest lucru se întâmplă mult mai des în celulele de șoarece decât în celulele umane. Astfel de mutații lasă de obicei rearanjamente cromozomiale sau modificări ale numărului de cromozomi.
Se știe acum că celulele de mamifere divizate cu un set de cromozomi normal au un potențial de creștere limitat și că capacitatea de creștere nelimitată pe care o prezintă celulele canceroase și transformate este rezultatul pierderii unui factor limitator de creștere. La nivel molecular, în timpul replicării ADN -ului , polimeraza nu este capabilă să copieze capetele cromozomilor. Pentru a evita această limitare, există mai multe repetări de ARN la capetele cromozomilor - telomeri , care, dimpotrivă, sunt reduse în celulele somatice în timpul fiecărei diviziuni. După dispariția completă a telomerilor din celulă, este lansat un program de apoptoză , moarte programată. Celulele stem și celulele germinale au enzima telomeraza , care completează în mod constant telomerii și sunt mutațiile care activează telomeraza sau mutațiile care interferează cu programul de apoptoză și conduc la formarea de celule „nemuritoare”.
Potențialul limitat de diviziune al celulelor senescente este posibil asociat cu o scădere a ratei de turnover a fibroblastelor și cu vindecarea mai lentă a rănilor odată cu vârsta.
Un alt aspect al îmbătrânirii mamiferelor este uzura anumitor organe care nu pot fi înlocuite. Un astfel de sistem este aparatul de mestecat, în special fălcile și dinții . Adaptarea ratei de uzură a dinților este foarte importantă la animale, în special la ierbivore . Exemple de astfel de adaptări includ coroanele superioare (hipsodonția) ale dinților, o suprafață mai mare și o perioadă mai lungă de creștere a dinților. Purtarea dinților poate limita viața animalelor, așa cum este uneori cazul elefanților , dar în majoritatea cazurilor aceasta este o caracteristică de supraviețuire neesențială. Același lucru este valabil și pentru alte organe externe, cum ar fi, de exemplu, coarnele sau cristalinul ochiului . Cu toate acestea, uzura organelor interne, cum ar fi cartilajul articulațiilor, duce mai des la scăderea capacității de supraviețuire a animalelor.
Un sistem important al organismului care suferă foarte mult în timpul îmbătrânirii este sistemul imunitar , o parte din care, subsistemul dependent de timus , este specializat în apărarea împotriva microbilor care pătrund în organism și a anumitor celule nesănătoase ale organismului însuși, care, din cauza modificărilor, au trecut în ele nu mai sunt recunoscute ca parte a corpului, ceea ce duce la reacții autoimune. Astfel, sistemul imunitar participă la apărarea organismului împotriva cancerului . numără,[ de cine? ] că tumorile canceroase sunt rezultatul unor celule unice[ clarifica ] care sunt susceptibile de transformare fie ca urmare a unei mutații genetice, fie ca urmare a activării unui virus latent (latent) (deși există și alte teorii despre originea cancerului). Este subsistemul imunitar dependent de timus care contribuie la încetarea dezvoltării cancerului.
Se știe, de exemplu, că procedurile de imunosupresie , care sunt de obicei efectuate în timpul transplantului de organe , conduc adesea la o creștere a numărului de neoplasme. Subsistemul dependent de timus poate da naștere în mod direct la o boală autoimună a bătrâneții, în care sistemul imunitar începe să perceapă țesutul normal al corpului ca fiind străin și începe să producă anticorpi împotriva acestuia. Se crede că primul pas al acestei boli este o mutație somatică a uneia dintre celulele sistemului imunitar.
Rolul sistemului imunitar în îmbătrânire este astfel suficient de important încât a condus chiar în trecut la mai multe teorii imune ale îmbătrânirii care au încercat să explice toate fenomenele de îmbătrânire în termeni de mutații ale sistemului imunitar.
Modificările în sistemul circulator depind de speciile de mamifere, dar sunt foarte pronunțate la om. Principalele modificări fiziologice ale sistemului circulator sunt atrofia mușchiului inimii, în special a ventriculului stâng, calcificarea valvelor cardiace, pierderea elasticității vasculare și depozitele de materiale inerte în vase ( ateroscleroză ). Consecințele acestui fapt sunt o scădere a fluxului sanguin și un răspuns mai lent la modificările temporare ale cererii de sânge, ducând la reducerea aportului de oxigen , reducerea activității renale și hepatice și o scădere generală a aprovizionării cu nutrienți a celulelor corpului.
Pierderea capacităților psihologice și neurofiziologice odată cu vârsta este, fără îndoială, în mare parte rezultatul pierderii neuronale , dar modificările proceselor metabolice ale celulelor vii sunt, de asemenea, implicate în acest proces. Capacitatea ochiului de a se adapta la întuneric (adică, creșterea sensibilității la niveluri scăzute de lumină) scade odată cu vârsta, dar o parte din această scădere poate fi restabilită prin respirarea oxigenului pur. Se știe că abilitățile mentale ale vârstnicilor sunt îmbunătățite și prin inhalarea de oxigen. Stabilirea conexiunilor neuronale asociate cu memoria necesită sinteza proteinelor , astfel încât scăderea sintezei proteinelor din cauza consumului redus de oxigen odată cu vârsta poate fi un factor important în deteriorarea memoriei și a abilităților de învățare la persoanele în vârstă.
O caracteristică comună a îmbătrânirii endocrine este o scădere a producției de hormoni. Cu toate acestea, nu se știe încă care procese sunt responsabile pentru acest declin. Ca urmare a acestor modificări, rezervele organismului, sensibilitatea la schimbările de mediu, stresul și toxicitatea chimică sunt reduse.
Pe măsură ce îmbătrânim , oasele pierd treptat calciu și devin mai puțin puternice. Acest lucru poate duce la osteoporoză și scăderea capacității de suport a greutății, crescând șansa de fracturi. Subțierea vertebrelor duce, de asemenea, la o reducere a înălțimii corpului. În plus, vertebrele se întăresc, ceea ce duce la o creștere a rigidității întregii coloane vertebrale și la pierderea manevrabilitatii.
Articulațiile sunt, de asemenea, susceptibile la schimbare. De fapt , artrita este o afecțiune comună a bătrâneții care ia două forme generale: osteoporoza (uzura cartilajului articular).[ clarifica ] ) și artrita reumatoidă (boala țesutului conjunctiv). Aceste afecțiuni pot afecta mobilitatea corpului și activitățile zilnice.