第一节
老化的学说

迄今为止关于老化研究，还没有一个学术上公认的理论用以解释人类老化的发生机制。具有代表性的学说见表2-1。

一、老化的外观和功能变化

老化过程中最引人瞩目的是人的外观变化。老化过程给人体带来的显著变化是皱纹、毛发、皮肤以及身体姿态等外观上的变化。例如外表会出现白发增多、发量减少、皮肤上出现皱纹和老年斑等。在身体姿态上，腰部、背部、膝部会出现弯曲。同时，上肢和手容易麻木，负重能力下降，关节活动区域会受限；下肢和膝活动受限，步幅变窄，容易跌倒等。老化的影响也使得感觉器官老化导致听觉、视觉、温度觉和痛觉等感觉功能下降（图2-1）。

外表皮肤出现皱纹是老化最为直观的结果之一，所有的人以及所有的皮肤都会出现皱纹。皱纹形成的原因在于真皮层产生的皮肤细胞减少，皮肤细胞功能发生改变，以及皮下脂肪减少。由衰老引起的皮肤细胞数量的减少最终导致皮肤表皮变薄。皮肤细胞数量的减少是由于端粒缩短而引起的细胞分裂变慢造成的。同时，一些研究发现，基底层中有丝分裂细胞的数量也会随着年龄的增长而减少，造成皮肤逐渐失去弹性。胶原蛋白及弹性蛋白的产生随着细胞的减少而减少，导致皮肤逐渐失去弹性。另外，胶原蛋白非酶依赖性交联的增加也会使皮肤弹性下降，随着每一次的交联，蛋白质的弹性降低，真皮也会变得更为扁平。由于失去弹性，表皮不再光滑，使其下面的真皮和皮下脂肪的不平整显露无遗（表2-2）。

皮肤随着年龄而变得不平整的重要原因在于皮下脂肪层储存的脂质减少。一般来说，成年人体内的大部分脂肪储存在皮下脂肪层。年龄在20～40岁的成年人身体储存的脂肪分布相对均匀，但年龄超过60岁的男性，脂肪往往会更多地储存在腰部，而女性则储存在胯部，臀部脂肪则男女分布基本一样。此外，脸部、手臂和腿部的皮下脂肪也会减少，但目前原因尚不清楚。随着年龄的增加，这些部位的皮下脂肪减少，并被相对无弹性的表皮所覆盖，从而导致皮肤不平滑和皱纹形成。皮肤的皮脂腺和汗腺活动减少，容易干燥，瘙痒感增强，易发生老年白斑等，这些变化会影响老年人的代谢水平和排泄。

另外，身体姿态的变化如上身前屈会影响人体的平衡，增加跌倒风险和有吞咽障碍时的误咽风险。

二、异常蛋白质蓄积

异常蛋白质蓄积的老化学说，是指伴随年龄增长导致的DNA伤害的修复速度低下，从而引起DNA变异的异常蛋白质不断蓄积，最终导致了人体的老化。

动物实验发现，随着动物的年龄增长，在分解细胞蛋白质能力衰减的同时，合成细胞蛋白质的能力也会低下，引起代谢循环缓慢。在老年实验鼠与年轻实验鼠的肝脏里导入外来的蛋白质（鸡蛋白溶菌酶），比较其分解的半衰期。结果显示，老年实验鼠原来的细胞分解半衰期延长了；年轻实验鼠的经过氧化修饰的鸡蛋白溶菌酶半衰期缩短了，并且变得容易分解。一般异常化的蛋白质容易分解，而高度异化蛋白质很难分解。老龄实验鼠的经氧化修饰的蛋白质（鸡蛋白溶菌酶）不易分解，因此老龄的异化蛋白质容易蓄积。这样的异化蛋白质或者不必要的蛋白质导致代谢循环缓慢并长期滞留在体内，有可能对细胞功能造成不良影响（图2-2）。

蛋白质的分解效率与氧化分解的活跃度有关。异常蛋白质一般是由被称作蛋白酶体的蛋白质分解氧化复合体进行分解的。这种分解氧化复合体是由能分解各种蛋白质的拥有各种氧化活跃度和其他功能的蛋白质形成的巨大复合体（平均重量是蛋白质的100倍以上）。在任何细胞里都存在着两种不同蛋白酶体（20S型和26S型），都会使老龄动物的活跃度降低。老龄动物与年轻动物相比，蛋白质的合成活跃度和分解活跃度都会有较明显的减弱。因此，随着年龄增加代谢循环会变得缓慢。异常化的分子滞留在细胞内或细胞外会影响细胞功能。因年龄增加导致的蛋白质代谢循环或蛋白酶体功能下降，在高龄期限制摄入热量，可以使其恢复到年轻时的水平。限制热量摄入可能是一种有效的抗衰老方式。

在代谢循环中，细胞会将胞内成分包裹在膜中形成囊状结构即自噬体，并运输到负责回收利用的溶酶体内降解这些成分。这一过程就是自噬，可为细胞提供自我更新所需要的营养和材料。自噬也有利于蛋白质的代谢循环。因为其活跃度随年龄增加而降低，异常化的线粒体等细胞器会增加细胞功能的损害。自噬也会通过限制热量而活化。

三、美拉德反应老化说

1.美拉德反应

众所周知，有些食物加热后会变成棕色。许多与衰老相关的生理功能的衰退可能是与此过程的蛋白质生化重组所引起的。导致食物变色的生化通路被称为美拉德反应，是以该通路发现者Louis Camille Mailard的名字命名的。美拉德反应会导致人体的动脉硬化、关节活动减少、眼睛内的晶状体增厚，并引起其他许多不会危及生命的机体变化。因此，美拉德反应也会影响人类的老化。

2.美拉德反应与晚期糖基化

美拉德反应分为三步：①葡萄糖或果糖分子与氨基酸反应生成席夫碱，即由氨基中的氮原子与果糖或葡萄糖中的碳原子双键连接形成的有机化合物。席夫碱在酶催化合成和正常分解的生化反应中起着重要的合成和信号作用，而且该过程受到严格的调控。但是，席夫碱在不受调控的非酶催化过程中也能形成，并能导致不可分解的细胞代谢产物的积累。②席夫碱通过非酶参与的重组过程形成阿玛多利产物。阿玛多利产物比席夫碱更为稳定，并且能够在细胞内聚积。③晚期糖基化终末产物（Advanced Glycation End Product，AGE）形成。晚期糖基化终末产物由两个阿玛多利产物连接在一起的蛋白质分子构成。这些被称为交联的连接物，改变了蛋白质的结构和功能。晚期糖基化终末产物不能溶解而且难以分解，在加热后会引起棕色反应。

3.晚期糖基化与蛋白失活

晚期糖基化终末产物与正常的、由酶催化产生的交联产物不同，可能导致与年龄相关的生理功能的丧失。例如，胶原蛋白占人体蛋白总重量的25%以上，是聚集细胞的细胞外基质的主要成分。胶原蛋白的原纤维是由3条α链扭成一束，并由氢键联系起来呈三螺旋结构。在翻译过程中，随着胶原蛋白纤维的合成，赖氨酰氧化酶催化蛋白质赖氨酸残基与果糖或葡萄糖等醛糖中的醛基反应生成糖基化赖氨酸残基。多个胶原蛋白原纤维的糖基化赖氨酸残基结合在一起形成胶原蛋白纤维，胶原蛋白纤维缠绕在一起形成胶原束。在酶的催化下，原纤维相互黏合使胶原蛋白有了独特的韧性和弹性。

胶原蛋白形成的过程中交联使其具有足够韧性而又富有弹性（如果把皮肤从下面的肌肉拉开，由于胶原蛋白的弹性它会自动地回到原来的位置）。由于转化速度极慢，很多器官在发育过程中形成的胶原蛋白在人的一生中几乎保持不变，这一特性使胶原蛋白易受到随机的、未受控制的非酶依赖性糖基化和晚期糖基化形成的终末产物的影响。胶原蛋白原纤维内的非酶依赖性交联在增加胶原蛋白强韧度的同时降低了其弹性。

在使蛋白失活的过程中，AGE的作用非常重要。由于AGE没有分解代谢的途径，这个产物的积累可能导致细胞及生理功能的异常。非酶依赖性交联及AGE的形成很可能是导致与衰老相关生理功能衰退的原因。

4.美拉德反应和晚期糖基化终末产物的非酶依赖性形成

氨基酸（如赖氨酸）与醛糖（如果糖）通过双键连接成席夫碱。席夫碱经过重新排列组合形成更加稳定的酮，即阿玛多利产物，亦称果糖酰赖氨酸。与席夫碱不同的是，阿玛多利产物能够在细胞内蓄积。随着时间的迁移，黏附在一个蛋白质分子或蛋白质亚基上的阿玛多利产物连接第二个蛋白质分子，从而产生交联并最终形成AGE。AGE的形成是不可逆的，可能会导致蛋白质失活。

5.胶原纤维的酶催化交联

（1）胶原蛋白纤维是胶原蛋白最基本的单位，通过氢键结合在一起的3条α链扭成一条螺旋结构。赖氨酰氧化酶催化的α链赖氨酸残基与果糖或葡萄糖中的醛基反应，产生糖基化赖氨酸残基。

（2）糖基化赖氨酸残基与其他糖基化赖氨酸残基相粘连形成胶原蛋白纤维之间的交联。

（3）多条相互交联的原纤维形成胶原蛋白纤维。

（4）胶原蛋白纤维合在一起形成最终产物——胶原束。

四、生理性老化与病理性老化

伴随着年龄增加，人体会出现生理学和病理学两方面的变化。生理学变化是指随着年龄的增长，机体必然发生的分子、细胞、器官和全身的各种退行性改变，如听力下降、视觉减退、骨质疏松、排尿困难、排便困难、关节活动受限、活动后气短等，这些变化是正常的，称为生理性老化。病理性变化是指由生物、物理或化学因素所引起的老年性疾病变化，如心脑血管疾病、肿瘤、骨折、内分泌代谢疾病、脑缺血性认知障碍等，这些变化是异常的，属于病理性老化（表2-3）。

生理性老化与病理性老化在老化模式上，其发生频次、发生时期、进行模式、进展速度临床分类和对应等特征上各不相同。特别是生理性老化一般不可逆，而病理性老化经过治疗可以恢复。

因此，掌握老化的特点，正确解读老年人实验室检查数据，确认实验室检查值异常是生理性老化还是病理性改变所致，可避免延误诊断以及不必要的过度治疗。

老年人对外界和内在的感受随年龄的增加而降低，加之常并发多种疾病，因而发病后往往没有医学上常见的典型症状和体征，称为非典型性临床表现，这是由于老化所致的。

生理性老化与病理性老化在很多情况下是互为因果关系的。单纯的生理性老化对老人的健康和生命质量（Quality of Life，QOL）的影响较为缓慢。但是，如果生理性老化与病理性老化叠加，则严重危及老人的健康和QOL，会大大减损健康寿命并增加照护依赖（图2-3）。

五、生物分子的损伤积累

复制衰老的机制尚不明确，仅仅停留在理论水平上，依据衰老发生的过程和进化理论，可以将复制衰老的成因概括为两方面。如果随着年龄的增加发生细胞功能衰退是主要原因，那么复制衰老就是由若干随机事件组成的；如果细胞寿命有限是主要原因，那么就会有基因或既定的程序导致细胞死亡。下面从导致细胞衰老的随机事件（氧化应激和细胞衰老）和衰老的程序性理论（端粒缩短和复制衰老）两方面来进行讨论。

细胞内损伤蛋白的积累会导致细胞衰老的理论已被多数生物学家所认同。本章我们将讨论损伤生物分子在细胞内积累的原因，以及在该过程中如何控制细胞衰老。

1.生物分子服从热力学定律

与宇宙其他事物一样，分子生物学也遵循热力学定律（Law of Thermodynamics），该定律将功、能量、热量联系起来。热力学第一定律（First Law of Thermodynamics）是能量从一个物质转移到另一个物质，在转移前后能量的总量保持不变，也就是说能量既不会产生也不会消失。而热力学第二定律是在能量转移定律的基础上被提出的，即能量转移的效率无法达到100%，有些能量无法利用。在不从外界获得能量补给的情况下，系统会向无序的状态即熵增的状态演化；而在生物体内，这种演化会引起损伤蛋白的累积而导致衰老。

生物过程中的全部能量可用焓（enthalpy， H ）来表示，其与可用的自由能（free energy， G ）和不可用的熵（entropy， S ）之间的关系可用以下公式描述。

系统中的全部能量：

H ＝ G + TS

其中， H 是焓，为系统中的能量总和； G 为可用能量，或称为自由能； S 为不可用能量，或称为熵； T 为系统的温度。

由于能量储存于分子间的键能中，生命体中的 H 、 G 和 S 无法直接测量，但是只要反应发生的温度是可知的，就可以测量其改变量，用希腊字母Δ表示。

首先要测量反应是释放能量还是消耗可用能量，也就是计算：

Δ G ＝ G _产物 -G _反应物

如果反应是增加可用能量，那么Δ G 是正值；如果反应是减少可用能量的，那么Δ G 是负值。依据热力学第一定律，反应体系的总能量不会发生变化， G 的改变会引起 H 和 S 发生与之对应的负向变化；但是 H 无法测量，可以通过测量Δ G 和Δ S 来计算Δ H 公式。

反应中可用能量的改变：

Δ G ＝Δ H-T Δ S

其中，Δ G 为反应前自由能的改变（ G _产物 -G _反应物 ）；Δ H 为系统在反应前后能量的增加或释放的总量；Δ S 为熵的改变； T 为系统的温度。

2.生命需要持续地保持秩序与自由能的稳定

生命的过程如繁殖、生长和损伤修复都需要高度有序的反应来提供能量。依据热力学第二定律，在反应的过程中会释放不可用的能量，导致可用能量减少。为解决该问题机体需要额外的生物化学反应来维持生命活动。依据热力学第一定律，随着可用能量的减少，熵和不可用能量增加，机体必须持续供给新的能量来弥补。下面将以肌肉的收缩为例，来探讨生物过程中的热力学原理。

肌肉细胞（肌纤维）能够将来自三磷酸腺苷（Adenosine Triphosphate，ATP）的化学能转化为肌肉收缩的能量。当ATP转化为ADP（二磷酸腺苷）+Pi（无机磷）时，会释放可用能量用于肌肉的收缩（图2-4）。依据热力学第二定律不可用能量会以热量的形式释放，事实上，打破磷酸键释放的能量80%都以热量的形式释放。肌纤维的每一次收缩都伴随着熵和无序性的增加及可用能量的减少。如果系统可以提供弥补可用能量损失的机制，便可以使ADP向ATP转换（获得更多的键能，更多的可用能量和更多的有序性）。相反，如果能量损失无法弥补，肌纤维将维持在收缩状态，导致缺氧并且细胞开始死亡。如果永远失去额外的自由能补给，也就是说在机体死亡的情况下，那么热力学定律便完成了使命而肌纤维获得了能量的平衡。

依据热力学第一定律，肌肉细胞能够将来自葡萄糖的能量转换为ATP用于肌肉收缩。ATP向ADP和Pi的转换释放可用能量；依据热力学第二定律，在此过程中，伴随热量的释放，如果有更多的葡萄糖进入该系统，弥补收缩过程的能量损失，那么肌肉就可以放松并为下一次收缩做准备。如果没有可用的葡萄糖来转换为ATP，那么肌肉将维持在收缩状态。

3.衰老的基本机制是分子保真度的丧失

结构和功能存在密切联系，分子中的一个原子的结构会决定其功能，而蛋白质中的某一氨基酸序列的错误也会导致蛋白质生物学活性降低。保持分子的合理结构，我们称之为分子保真度（Molecular Fidelity）。分子保真度对于有机体的生存非常重要，换句话说，有机体长时间与熵做斗争，能够赢得这场战争，保持分子保真度才是成功的有机体。

机体保持自由能不以熵的形式丧失，同时维持机体秩序直到繁殖年龄需要投入大量资源。成功存活至繁殖年龄仅代表基因已经被筛选来维持蛋白质的分子保真度。然而在繁殖年龄过后，就不会再有资源大量注入的繁殖优势了。宇宙法则最终统治一切，依据能量平衡原理，此时机体内分子保真度会降低，造成细胞内秩序的下降、细胞功能降低、损伤蛋白积累，即熵增加。

4.衰老反映了细胞内受损的生物分子的积累

有大量证据证实，随着细胞传代的进行，细胞内的分子结构会发生变化，但其变化机制尚不明确。在性成熟之后，细胞内损伤分子积累的速率增加。由于结构决定功能，衰老细胞对于自身的控制能力下降，细胞衰老依据分子保真度（有序）和熵（无序）之间的平衡（图2-5）。

依据自然选择学说，基因在发育期间被选择使其能够保持高效、准确的细胞功能。随着传代时间的延长，细胞发生衰老并引起生物分子的损伤，这与一次性细胞理论一致。此时，帮助维持分子保真度、由于修复或替换受损生物分子的蛋白质功能下降，导致细胞内受损的生物分子积累。当熵增加的速率快于分子保真度维持的速率时，细胞便无法再保持正常的功能，最终导致细胞死亡。

在不同的细胞导致细胞衰老的损伤类型和形式都是不同的，因此不能将某种损伤类型定义为细胞衰老的主要原因。例如，在本章中，我们用氧化中心自由基对细胞的损伤作为损伤积累进而引起细胞衰老的随机事件来进行讨论，在其他章节中也描述了糖基化（Glycosylation）如何改变蛋白质结构进而引起损伤积累。

图2-5中讨论的重点并不是引起损伤积累的类型，而是想说明细胞内损伤物质的积累同样遵循宇宙基本法则。和宇宙中的其他物质一样，人们也无法去更多地控制衰老，但是也许可以阻止某种损伤类型；但发现又会有新的损伤类型出现，这种循环会持续下去直到细胞符合了热力学第二定律为止。当机体中有足够的细胞由于分子保真度的下降而停止发挥功能时，机体会发生死亡。在一些研究报告中讨论到，有很多方式可以使人体减缓老化的脚步，活的更长、更健康，但衰老最终仍会发生。

图2-5表示了生命过程中分子保真度变化与能力平衡。分子保真度和细胞内的秩序在繁殖年龄之前（发育过程中）都可以保持得很好。可用自由能的供给速率比能量向熵发生损伤的速率快。在繁殖年龄过后（成熟期）逐渐发生衰老，熵的增加使得分子保真度下降并发生损伤蛋白积累。衰老发生时，分子保真度很低，细胞内无序性增加，且熵增加的速率比可用自由能摄入的速率快。

六、氧化应激与细胞老化

25亿～30亿年前，蓝藻开始利用太阳能将大气中的二氧化碳（CO ₂ ）转化为葡萄糖。在这个被称为光合作用的过程中，氧气（O ₂ ）被释放到大气中。随着O ₂ 的积累，生命开始出现两种不同的形式。首先，太阳的辐射能将O ₂ 转化为臭氧（O ₃ ），O ₃ 在大气层积累可以捕捉有害的紫外线，生命可以离开海洋的保护开始在陆地上生活。需要O ₂ 进行的代谢称为需氧代谢（Anrobic Metabolism），这种代谢形式比不需要氧气进行的厌氧代谢（Anaerobic Metabolism）具有更高的效率。进行需氧代谢的单细胞生物较大且能更好地利用外界环境的资源，而需氧代谢的单细胞生物的这种优势也导致了其向多细胞生物的进化。

1.氧化应激理论

对于很多有机体来说，O ₂ 在大气中的积累是致命的。O ₂ 分子结构使其对于不能将含氧量的副产物转化成水的生物体有极端的毒性，使得不能保护自己免受氧化损伤的有机体很快死亡。也就是说，最能够适应此时环境的就是能够使O ₂ 对自己有利的生物体。

1956年，Denham Harman提出氧化中心自由基（Oxygen-Centered Freeradical）产生了细胞衰老理论。氧化代谢会产生一个或多个孤电子，孤电子从正常的代谢途径脱离并引起生物分子损伤，损伤的生物分子在细胞内积累进而引发细胞衰老。氧化应激理论（Oxidative Stress Theory）曾被认为是衰老的主要机制。现在我们知道，氧化应激仅是引起细胞衰老进而导致相关功能紊乱的原因之一，但是氧化应激引起生物分子损伤是在生物衰老领域研究的重点。氧化应激造成细胞损伤过程中包含大量信息，我们将其作为细胞损伤积累过程中随机事件的代表，但该过程并不是导致细胞衰老的唯一原因。

2.氧化代谢产生活性氧

在解释氧化自由基原理前，我们需要简要回顾一下，将有机燃料转化为细胞能量的氧化还原反应。电子从一个物质向另一个物质的流动形成了我们将摄取的脂肪、碳水化合物（Carbohydrate）和蛋白质转化为可用细胞能量的基本原理。当物质失去一个或多个电子的时候，该物质被氧化；当其得到一个或多个电子的时候，该物质被还原。当反应涉及电子流动时，氧化反应与还原反应是同时发生的。一个物质失去电子（被氧化）时，就有其他物质得到电子（被还原）。氧化产物具有更高的活性，因为它们更加倾向于从其他物质得到电子从而使自己的电子结构更加稳定；还原产物相对于氧化产物来说更加稳定，因为它们的电子结构更接近于基态。

生物学过程中的氧化还原可以描述为氧原子或氢原子的得失。如果一个化合物得到氧原子或失去氢原子时，它被氧化（Oxidized）；当其失去氧原子或得到氢原子时它被还原（Reduced）。在生化反应中，氧还原过程中会涉及3个分子，被称为氧化还原偶联反应。图2-6描述的氧化还原偶联反应中涉及丙酮酸和乳酸，当烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（Nicotinamide Adenine Dinucleotide，NAD ⁺ ）得到氢还原变为NADH+H ⁺ 时，乳酸被氧化为丙酮酸（失去氢原子）；相反，当NADH+H ⁺ 被氧化为NAD ⁺ 时丙酮酸被还原为乳酸。

氧化还原反应的描述可以帮助更好地理解抗氧化剂在自由基化学中的重要概念。氧化产物比还原产物含有较少的电子，使得它们更加活跃。抗氧化剂就是可以将电子捐赠给氧化分子，使其被还原并降低其活跃程度的化合物。在本章中将探讨抗氧化剂如过氧化氢酶、维生素E及维生素C如何保护细胞免受氧化产物及氧化残基的损伤。

氧化自由基也被称为活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS），包括超氧自由基（ ），过氧化氢（H ₂ O ₂ ）及羟自由基（·OH）。尽管处于基态的二价氧气（O ₂ ）也被划分为自由基物质，但它仅温和地发生反应。O ₂ 含有两个孤电子，它们在不同的平面上形成旋转配对，因此氧气尽可以和也含有两个相对旋转的孤电子的物质发生反应，这在自然界中很少发生。因此，O ₂ 的还原这一O ₂ 代谢中的重要过程，每次只发生一个电子反应。O ₂ 的单电子还原形成了一个具有高度活性的产物——超氧自由基（ ），该物质仅有一个孤电子环绕。除此以外，单电子还原还会产生同样具有破坏作用的H ₂ O ₂ 分子。有氧代谢的机体已经建立了酶促体系使得氧气完全还原为无伤害的物质，如水分子（图2-7）。活性氧的产生可以发生在细胞的不同位置，如线粒体、细胞核和细胞质。