Murrosiän saavuttamisen jälkeen nisäkkäiden , myös ihmisten , keho käy läpi sarjan ikääntymisen aiheuttamia rakenteellisia muutoksia . Suurin osa muutoksista johtuu todennäköisesti asteittaisesta kudosten hajoamisesta . Ikääntymisen fysiologian tutkimuksen tarkoituksena on löytää prosessin syitä ja tarjota menetelmiä sen hidastamiseen.
Suurin osa kehosta, joka koostuu lihasten ja kudosten massasta, pienenee murrosiän saavuttamisen jälkeen jatkuvasti ja on äärimmäisessä iässä noin kaksi kolmasosaa nuoruuden maksimiarvosta. Päinvastoin, kokonaispaino yleensä kasvaa iän myötä, kun varastoidun rasvan ja veden määrä lisääntyy. Solunulkoisen nesteen suhteellinen määrä, joka vähenee alkion ja postnataalisen kehityksen aikana, kasvaa iän myötä koko aikuisiän ajan. Ulkonäöstä huolimatta kaikki kudokset, myös iho , sisältävät enemmän vettä ikääntymisen vuoksi. Vaikka yleensä myös lihasmassaa menetetään, menetyksen nopeus riippuu yksilön fyysisestä aktiivisuudesta. On näyttöä siitä, että suurin osa lihasmassan menetyksestä iän myötä johtuu harjoituksen vähentymisestä ja surkastumisesta , ei lihassäikeiden menetyksestä.
Pääpainon laskuun liittyy aineenvaihdunnan tason lasku . BMR (aineenvaihdunta) on suurin massan nopeimman kasvun aikana, jonka jälkeen se vähenee nopeasti murrosikään asti, minkä jälkeen lasku hidastuu. Rotilla hitaan laskujakson aikana metabolinen aktiivisuus laskee noin 20 prosenttia kolmen vuoden aikana. Kehon sisälämpötila pysyy vakiona alhaisemmasta lämmöntuotannosta huolimatta, mikä johtuu vähentyneestä verenkierrosta ihon läpi ja vähentyneestä lämmönhukasta, mikä johtaa hieman alhaisempaan ihon lämpötilaan. Vapaaehtoisen fyysisen toiminnan, kuten pyörällä juoksemisen, määrä yleensä vähenee iän myötä, mutta riippuu suuresti yksittäisestä eläimestä.
Selkärankaisen organismin rakenteellinen eheys riippuu ensisijaisesti kahdesta proteiinikuidusta - kollageenista ja elastiinista . Kollageenia, joka muodostaa lähes kolmanneksen kehon kaikkien proteiinien kokonaismassasta, löytyy ihosta , luista ja jänteistä . Fibroblastisolujen synteesin jälkeen kollageeni on liukoisessa muodossa (tropokollageeni). Vähitellen liukeneva kollageeni polymeroituu stabiiliin muotoon, joka voi säilyä kudoksissa suurimman osan eläimen elämästä. Kollageenisynteesinopeus on korkea nuoruudessa ja laskee koko elämän ajan, joten rihmamaisen ja liuenneen kollageenin pitoisuuksien suhde kasvaa iän myötä. Rihmamainen kollageeni muuttuu iän myötä proteiiniverkostoksi, joka muistuttaa silmän linssin kristalliinia . Iän myötä kollageenimolekyylien välisten sidosten määrä lisääntyy, mikä johtaa kiteisen jäykän rakenteen syntymiseen, mikä johtaa kehon kudosten jäykkyyden yleiseen lisääntymiseen.
Toinen ikääntymiseen liittyvä muutos on glykosaminoglykaanien (tai mukopolysakkaridien, jotka ovat proteiinien ja hiilihydraattien komplekseja) määrän suhteellinen väheneminen , minkä seurauksena heksoamiinin ja kollageenin pitoisuuksien suhdetta käytetään indikaattorina tietyn henkilön ikääntymisestä. yksilö tai henkilö. Näiden muutosten tärkeä seuraus on kudosten läpäisevyyden heikkeneminen liuenneille ravintoaineille, hormoneille , kasvutekijöille ja vasta -aineille .
Kollageenin ikääntymisnopeus riippuu eläinten yleisestä aineenvaihduntaaktiivisuudesta: vähäkalorisella ruokavaliolla pidetyillä rotilla oli nuorempaa kollageenia kuin muilla samanikäisillä rotilla.
Elastiini on molekyyli, joka vastaa verisuonten seinämien elastisuudesta . Iän myötä verisuonten elastisuus heikkenee, mikä johtuu pääasiassa kollageenin pirstoutumisesta.
Kollageenimolekyylien väliset ristisidokset ovat kemiallisesti samanlaisia kuin rusketuksen aikana nahoissa muodostuvat ristisidokset. Tämän samankaltaisuuden vuoksi ehdotettiin polymerointiprosesseja häiritsevien kemikaalien käyttöä ikääntymisen hidastamiseksi. Tällaisten aineiden käyttö eläimillä ei kuitenkaan ole vielä mahdollista niiden korkean myrkyllisyyden vuoksi.
Kehon kudokset jaetaan kahteen ryhmään sen mukaan, tapahtuuko kudossolujen uusiutumista. Joissakin kudoksissa solut eivät uusiudu ollenkaan, kuten hermoissa, sydänlihassoluissa ja luurankolihaksissa , joissa uusia soluja ei synny (ainakaan nisäkkäissä) organismin tietyn kasvuvaiheen jälkeen. Muissa kudoksissa, kuten suoliston epiteelissä ja veressä , sen sijaan jotkut solutyypit uusiutuvat muutaman päivän välein ja uusiutuvat satoja kertoja jopa lyhytikäisten eläinten eliniän aikana. Näiden esimerkkien välissä on monia elimiä, kuten maksa , iho , endokriiniset elimet , joissa solut korvataan hitaammin viikoista vuosiin ihmisillä.
Ääreishermot ovat kätevä tutkimuskohde, koska hermopylvään säikeiden kokonaismäärä voidaan laskea. Tämä on tehty rotan, kissan ja ihmisen kohdunkaulan ja rintakehän selkäydinhermojuurille. Ihmisen vatsan ja selän hermojuuressa hermosäikeiden määrä vähenee noin 20 prosenttia 30-90 vuoden iästä. Sitä vastoin kissan, rotan ja hiiren tiedot eivät osoita selkäjuuren kuitujen määrän vähenemistä iän myötä. Ihmisillä hajuhermosäikeiden määrä vähenee iän myötä, noin 25 prosenttia syntymästä 90 vuoden ikään, mikä on suunnilleen yhtä paljon kuin näön tarjoavien näköhermosäikeiden määrä.
Solujen merkittävä väheneminen havaitaan iän myötä ja elävien solujen lukumäärässä ihmisen aivokuoressa. Rotan ja ihmisen pikkuaivokuori on myös erittäin herkkä ikääntymiselle. Muut aivojen osat eivät vanhene yhtä paljon.
Hermoston korkeammilla ja äskettäin kehittyneillä osilla on taipumus heikentyä nopeammin ikääntymisen myötä verrattuna vanhempiin osiin, kuten aivopylvääseen ja selkäytimeen . Vielä ei tiedetä, kuinka suuri osa soluista katoaa aivojen ikääntymisen vuoksi ja mikä prosenttiosuus johtuu muista syistä, kuten huonosta verenkierrosta. Hermosolujen, hermosolujen ja keskushermoston ravinto ja ylläpito on suurelta osin riippuvainen gliasta , hermosoluja ympäröivistä pienistä soluista. Näiden solujen absoluuttinen määrä ei vähene merkittävästi iän myötä, mutta osa vanhusten hermosoluissa havaittavista mikroskooppisista muutoksista on samanlaisia kuin nälänhädän tai fyysisen uupumuksen aiheuttama.
On myös osoitettu, että tiettyjen sairauksien, kuten tuhkarokko , jälkeen virus pysyy isännän kehossa loppuelämän ajan ja aiheuttaa joskus aivokuoren toiminnan nopeaa heikkenemistä. Tämä virus, samoin kuin jotkut muut vähemmän ilmeiset virukset, voivat myös olla vastuussa yksilöllisistä eroista ihmisen ikääntymisvauhdissa.
Uusiutuvat kudokset koostuvat yleensä lisääntyvien solujen populaatiosta, joka säilyttää kykynsä jakautua, ja kypsien solujen populaatiosta, joka syntyy lisääntyvistä soluista ja joilla on rajoitettu elinikä. Näiden solujen tuotannon on kompensoitava niiden menetys, mukaan lukien vamman tai sairauden aiheuttamat odottamattomat menetykset. Jokaisella kankaalla on siis yksi tai useampi tapa ohjata tuotantoa tarpeiden mukaan. Tällaisten kudosten ikääntyminen ilmaistaan useilla tavoilla, erityisesti lisääntyvien solujen lukumäärän vähenemisenä, solujen jakautumisnopeuden laskuna ja kontrollijärjestelmien toiminnan vähenemisenä. Muutokset näissä tekijöissä hiiren verta muodostavissa kudoksissa ovat pieniä, mutta ne ilmenevät erittäin selvästi äärimmäisissä olosuhteissa.
Ehjä iho uudistaa solunsa muutaman viikon välein, jolloin se pystyy väliaikaisesti lisäämään solujen tuotantonopeutta vasteena vaurioille. Haavojen paranemisnopeus hidastuu vähitellen iän myötä, aluksi nopeasti ja sitten hieman hitaammin.
Yksi kestävimmistä ikääntymisen merkeistä on heikkeneminen kyvyssä keskittyä sekä lähellä että kaukana oleviin esineisiin. Tämä näkökyvyn heikkeneminen johtuu silmän lihasten heikkenemisestä ja linssin elastisuuden heikkenemisestä. Toinen myötävaikuttava tekijä on, että linssi jatkaa kasvuaan koko elämän ajan, vaikkakin hitaammin. Tämä kasvu on seurausta epiteelisolujen jatkuvasta jakautumisesta lähellä linssin tavanomaista keskustaa, jolloin syntyy uusia soluja, jotka erilaistuvat linssisäikeiksi. Kun nämä kuidut on luotu, ne pysyvät samassa paikassa ikuisesti.
Tärkeä osa uusiutumismekanismia ovat kantasolut . Nämä solut, jotka tavallisesti jatkavat jakautumista vapaasti läpi elämän, siirtyvät nopean lisääntymisen vaiheeseen lisääntyneen kysynnän vuoksi . Hematopoieettinen kudos sisältää kantasolupopulaation, joka reagoi nopeasti vaurioihin nuoruudessa, mutta sen aktiivisuus vähenee iän myötä. Vanhemman iän lisääntynyt anemian ilmaantuvuus ja hitaampi vaste verenhukkaan selittyy yleensä kantasolujen ehtymisellä hematopoieettisista elimistä. Joissakin muissa elimissä kantasolupopulaatioita ei ole löydetty, kuten suolen limakalvolta, vaikka solujen jakautuminen on nopeaa.
Merkittäviä muutoksia tapahtuu iän myötä ja kudosten morfologiassa. Esimerkiksi pieni kudosten surkastuminen on yleistä. Huomattavin kateenkorvan koon pieneneminen ottaen huomioon sen roolin immuunipuolustuksessa . Solukudoksen tilavuuden asteittainen väheneminen ja korvautuminen rasva- tai sidekudoksella on merkittävintä luuytimessä ja ihossa . Kokonaiset eritysrakenteet ( nefronit ) menetetään munuaisissa . Myös haiman , kilpirauhasen ja joidenkin muiden elinten erityssolujen määrä vähenee.
Tärkeä muutos ikääntymisen aikana on pigmenttien ja inerttien ja mahdollisesti haitallisten materiaalien kerääntyminen solujen väliin. Lipofuskiinipigmentti kerääntyy sydänlihassolujen rajoihin – se on yleensä poissa vasta 10 vuoden kuluttua syntymästä , mutta sen määrä kasvaa lähes 3 prosenttiin solutilavuudesta 90 vuoden iässä . Keski-iässä kudoksiin kertyy amyloidiaine , proteiini-hiilihydraattikompleksi , mahdollisesti autoimmuunireaktioiden tuote . Äärimmäisessä tapauksessa amyloidisairaus , harvinainen autoimmuunisairaus , amyloidiaine tukahduttaa jotkin elimet. Pieniä määriä metalleja kerääntyy myös eri kudoksiin iän myötä, ja vaikka nämä määrät ovat pieniä, jotkut metallit voivat myrkyttää entsymaattisia järjestelmiä, stimuloida mutaatioita tai aiheuttaa syöpää .
Soluja monista nisäkäskudoksista voidaan kasvattaa in vitro (kehon ulkopuolella) rajoitetussa laboratoriovalvonnassa. Useita syöpäsolulinjoja on kasvatettu jatkuvassa viljelmässä vuosikymmeniä. Kudosviljelyteknologian kehittämisen alkuvaiheessa väitettiin, että tiettyjä kanan soluja ( fibroblasteja ) pidettiin viljelmässä 20 vuoden ajan. Tämä johti ajatukseen, että jatkuvasti jakautuvat solut ovat mahdollisesti kuolemattomia, ja kiinnostus ikääntymisen tutkimukseen on kohdistunut erilaistuneisiin (aikuisten) soluihin. Fibroblastipopulaatiolla ( kloonilla ) on terveen kasvun jakso, jonka aikana viljelmä voidaan "halkaista" useita kymmeniä kertoja (eli solut käyvät läpi useita kymmeniä jakautumisia). Noin 50. jakautumisen jälkeen viljelmät kuitenkin siirtyvät nopean hajoamisen vaiheeseen ja kuolevat. Toisinaan solujen kromosomit tulevat alttiiksi mutaatioille , jotka sallivat solujen kasvamisen loputtomiin, jolloin syntyy alapopulaatio, joka jatkaa kasvuaan 50. pilkkomisen jälkeen. Tämä tapahtuu paljon useammin hiiren soluissa kuin ihmisen soluissa. Tällaiset mutaatiot aiheuttavat yleensä kromosomien uudelleenjärjestelyjä tai muutoksia kromosomien lukumäärässä.
Nyt tiedetään, että jakautuvilla nisäkässoluilla, joilla on normaali kromosomisarja, on rajoitettu kasvupotentiaali ja että syöpäsolujen ja transformoituneiden solujen rajoittamaton kasvukapasiteetti on seurausta kasvua rajoittavan tekijän menetyksestä. Molekyylitasolla DNA :n replikaation aikana polymeraasi ei pysty kopioimaan kromosomien päitä. Tämän rajoituksen välttämiseksi kromosomien - telomeerien - päissä on useita RNA -toistoja , jotka päinvastoin vähenevät somaattisissa soluissa jokaisen jakautumisen aikana. Telomeerien täydellisen katoamisen jälkeen solusta käynnistetään apoptoosiohjelma , ohjelmoitu kuolema. Kanta- ja sukusoluissa on telomeraasientsyymi , joka jatkuvasti täydentää telomeerejä, ja juuri mutaatiot aktivoivat telomeraasia tai mutaatiot, jotka häiritsevät apoptoosiohjelmaa ja johtavat "kuolemattomien" solujen muodostumiseen.
Ikääntyvien solujen rajoitettu jakautumispotentiaali liittyy mahdollisesti fibroblastien vaihtuvuuden hidastumiseen ja haavan hitaampaan paranemiseen iän myötä.
Toinen nisäkkäiden ikääntymisen näkökohta on tiettyjen elinten kuluminen, joita ei voida korvata. Yksi tällainen järjestelmä on purulaite, erityisesti leuat ja hampaat . Hampaiden kulumisnopeuden mukautuminen on erittäin tärkeää eläimillä, erityisesti kasvinsyöjillä . Esimerkkejä tällaisista mukautuksista ovat hampaiden yläkruunut (hypsodontia), suurempi pinta-ala ja pidempi hampaiden kasvujakso. Hampaiden kuluminen voi rajoittaa elämää eläimillä, kuten joskus norsuilla , mutta useimmissa tapauksissa tämä on ei-olennainen selviytymisominaisuus. Sama koskee muita ulkoisia kuluvia elimiä, kuten esimerkiksi silmän sarvia tai linssiä . Sisäelinten, kuten nivelrustojen, kuluminen johtaa kuitenkin useammin eläinten selviytymiskyvyn heikkenemiseen.
Tärkeä ikääntymisen aikana suuresti kärsivä elimistöjärjestelmä on immuunijärjestelmä , jonka osa, kateenkorvasta riippuvainen alajärjestelmä, on erikoistunut puolustautumaan elimistöön joutuvia mikrobeja ja elimistön tiettyjä epäterveellisiä soluja vastaan, jotka muutosten seurauksena siirtyvät niitä ei enää tunnisteta osaksi kehoa, mikä johtaa autoimmuunireaktioihin. Siten immuunijärjestelmä osallistuu elimistön suojaukseen syöpää vastaan . laskee,[ kenen toimesta? ] että syöpäkasvaimet ovat seurausta yksittäisistä soluista[ selventää ] jotka ovat alttiita transformaatiolle joko geneettisen mutaation seurauksena tai piilevän (lepotilan) viruksen aktivoitumisen seurauksena (vaikka syövän alkuperästä on muitakin teorioita). Se on kateenkorvasta riippuvainen immuunijärjestelmä, joka edistää syövän kehittymisen pysähtymistä.
Tiedetään esimerkiksi, että immunosuppressiotoimenpiteet , jotka yleensä suoritetaan elinsiirron aikana , johtavat usein kasvainten määrän lisääntymiseen. Kateenkorvasta riippuvainen alajärjestelmä voi suoraan aiheuttaa vanhuuden autoimmuunisairauden, jossa immuunijärjestelmä alkaa havaita normaalia kehon kudosta vieraana ja alkaa tuottaa vasta -aineita sitä vastaan. Uskotaan, että tämän taudin ensimmäinen vaihe on somaattinen mutaatio yhdessä immuunijärjestelmän soluista.
Immuunijärjestelmän rooli ikääntymisessä on siis niin tärkeä, että se johti aiemmin useisiin ikääntymisen immuuniteorioihin, jotka yrittivät selittää kaikkia ikääntymisilmiöitä immuunijärjestelmän mutaatioilla.
Muutokset verenkiertoelimessä riippuvat nisäkäslajista, mutta ovat erittäin voimakkaita ihmisillä. Tärkeimmät fysiologiset muutokset verenkiertojärjestelmässä ovat sydänlihaksen, erityisesti vasemman kammion, surkastuminen, sydänläppien kalkkeutuminen, verisuonten kimmoisuuden menetys ja inerttien materiaalien kerääntyminen suonissa ( ateroskleroosi ). Seurauksena on verenkierron heikkeneminen ja hitaampi reagointi tilapäisiin verentarpeen muutoksiin, mikä johtaa hapen saantiin , munuaisten ja maksan toiminnan vähenemiseen sekä kehon solujen ravintoaineiden yleisen vähenemiseen.
Psykologisten ja neurofysiologisten kykyjen menetys iän myötä on epäilemättä suurelta osin seurausta hermosolujen katoamisesta , mutta elävien solujen aineenvaihduntaprosesseissa tapahtuvat muutokset ovat myös mukana tässä prosessissa. Silmän kyky sopeutua pimeyteen (eli herkkyyden lisääntyminen heikossa valossa) heikkenee iän myötä, mutta osa tästä laskusta voidaan palauttaa hengittämällä puhdasta happea. Tiedetään, että myös vanhusten henkiset kyvyt paranevat hapen hengityksellä. Muistiin liittyvien hermoyhteyksien muodostaminen vaatii proteiinisynteesiä , joten iän myötä vähentyneestä hapenkulutuksesta johtuva proteiinisynteesin väheneminen voi olla tärkeä tekijä ikääntyneiden muistin ja oppimiskyvyn heikkenemisessä.
Endokriinisen ikääntymisen yleinen ominaisuus on hormonituotannon väheneminen. Vielä ei kuitenkaan tiedetä, mitkä prosessit ovat vastuussa tästä laskusta. Näiden muutosten seurauksena kehon varannot, herkkyys ympäristön muutoksille, stressi ja kemiallinen myrkyllisyys vähenevät.
Iän myötä luut menettävät vähitellen kalsiumia ja heikkenevät. Tämä voi johtaa osteoporoosiin ja heikentyneeseen painonsietokykyyn, mikä lisää murtumien mahdollisuutta. Selkänikamien oheneminen johtaa myös kehon pituuden laskuun. Lisäksi nikamat kovettuvat, mikä johtaa koko selkärangan jäykkyyden lisääntymiseen ja ohjattavuuden menettämiseen.
Myös nivelet voidaan vaihtaa. Itse asiassa niveltulehdus on yleinen vanhuuden sairaus, jolla on kaksi yleistä muotoa: osteoporoosi (nivelrustojen kuluminen[ selventää ] ) ja nivelreumaa (sidekudossairaus). Nämä olosuhteet voivat heikentää kehon liikkuvuutta ja päivittäistä toimintaa.